ГЛАВА 2
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА СВАЙНЫХ ОСНОВАНИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
- Особенности взаимодействия свай и свайных кустов с грунтом основания
Как уже было отмечено, в гидротехнических сооружениях, как правило, используются так называемые висячие сваи, или сваи трения. Основная сложность их расчета заключается в неопределенности и изменчивости состояния окружающего массива грунта как в процессе устройства, так и в период эксплуатации свайного фундамента. Для таких свай и при вдавливании, и при выдергивании характерна криволинейность графика "перемещение-нагрузка" Рассмотрим основные причины этой нелинейности. Для буровых свай, устройство которых не сопровождается разрушением структуры окружающего грунта, весь грунтовый массив, за исключением небольшой области, непосредственно примыкающей к острию, находится в "упругом" (т. е. допредельном по прочности на сдвиг) состоянии во всех стадиях нагружения. Это объясняется тем, что при передаче нагрузки на грунт через боковую поверхность свай касательные напряжения τ убывают (по абсолютному значению) с увеличением расстояния от оси свай, и наибольшие их значения имеют место у боковой поверхности сваи. Однако нормальные напряжения σ определяются в основном бытовым давлением на данной глубине и не столь сильно концентрируются у боковой поверхности сваи (более того, по некоторым экспериментальным данным они падают с приближением к поверхности сваи в результате операций по ее устройству [16]). Это приводит к тому, что предельное состояние возникает именно на контакте грунта со сваей, где выполняется закон трения Кулона:
Здесь φа и са - параметры контактного трения грунта по материалу сваи, которые, как правило, меньше, чем соответствующие параметры сопротивления сдвигу самого грунта. При дальнейшем возрастании нагрузки в этой точке боковой поверхности происходит проскальзывание, т. е. относительное перемещение грунта и сваи. В связи с этим касательные напряжения т на поверхности сваи и вокруг нее на той же глубине не возрастают или даже упадут в результате перехода от пиковой к остаточной контактной сдвиговой прочности, и предельное состояние останется локализованным только на поверхности сваи. У свай с шероховатой поверхностью проскальзывание может происходить по грунту, прилегающему к свае, но от этого его локальный характер не изменится. В этом случае параметры контактного трения следует заменить на постоянные внутреннего сопротивления сдвигу. Окружающий массив и в этом случае остается "упругим".
Значительно сложнее характер взаимодействия с грунтом основания забивных свай. Сложность связана с вызванной забивкой неоднородностью деформативных и прочностных свойств окружающего сваю грунта (изменение плотности, разрушение структуры и т. д.). Однако представляется возможным приведенные выше рассуждения о допредельном характере поведения массива и локализации предельного состояния вблизи сваи отнести и к случаю забивных свай. Из соображений в пользу этого положения можно выделить следующие. Для грунтов с развитыми структурными связями (т. е. для большинства глинистых грунтов) снижение прочности грунта вследствие разрушения его структуры превосходит повышение прочности, связанное с уплотнением грунта при забивке, и вокруг забивных свай наблюдается падение сопротивления сдвигу по сравнению с исходным (с течением времени этот эффект несколько сглаживается, но не исчезает). Это явление способствует локализации значительных сдвигов вблизи контактной поверхности. Для грунтов, в которых преобладает влияние уплотнения, вокруг сваи образуется плотная "рубашка" более прочного грунта, и вышеописанные эффекты сохраняются, если вместо радиуса сваи рассматривать эффективный радиус — с учетом толщины "рубашки". Наконец, для морских нефтегазопромысловых сооружений характерно использование полых трубчатых свай, погружаемых с открытым нижним концом. В этом случае вносимые в напряженно-деформированное состояние окружающего грунта изменения сравнительно невелики и наиболее выражены в контактной зоне, что только способствует локализации пластических деформаций.
Именно проскальзывание на контакте сваи с грунтом вызывает начальное искривление графика "нагрузка—перемещение сваи" в сторону увеличения перемещений.
Рис. 9. Зависимость полного NCB, бокового Qб.п и лобового Qт сопротивлений сваи от осадки w при постоянной скорости нагружения [54]
При вдавливании сваи по мере развития проскальзывания доля нагрузки, передаваемая через боковую поверхность, уменьшается (хотя по абсолютному значению она, как правило, продолжает возрастать) и соответственно увеличивается доля нагрузки, приходящаяся на острие. Это явление проявляется особенно сильно, когда проскальзывание охватит всю боковую поверхность (полное проскальзывание). Увеличивающиеся нагрузки на острие и нагрузки, переданные через боковую поверхность, также влияющие на напряженно-деформированное состояние грунта вблизи острия, приводят к образованию здесь зон сдвигов и к дальнейшему проявлению нелинейности. Но существенное развитие областей предельного состояния под острием происходит уже после полного проскальзывания тем позднее, чем больше диаметр сваи (или ее уширенной пяты). Это подтверждается многими натурными экспериментами с тензосваями. Например, по данным [54], оказалось, что нагрузка на острие линейно возрастает с увеличением осадки, когда сопротивление по боковой поверхности уже не растет (рис. 9), т. е. грунт под острием работает еще линейно, а на боковой поверхности уже достигнуто предельное сопротивление.
В еще большей степени сложность напряженно-деформированного состояния окружающего сваю грунта проявляется при значительных горизонтальных или комбинированных нагрузках, характерных для гидротехнических сооружений. При действии горизонтальных сил уже при небольших перемещениях свай самые верхние слои грунта достигают предельного состояния с образованием в общем случае некоторого пространственного "тела выпирания".
Нижележащий грунт приходит в допредельное состояние реактивного сопротивления, а слои грунтового массива, граничащие с неподвижной частью сваи, находятся в первоначальном состоянии, зависящем от способа возведения свайного фундамента. По мере увеличения горизонтальных нагрузок нелинейность проявляется еще больше, размеры зон взаимодействия свай с грунтовой средой изменяются, поверхностный выпор трансформируется на некоторой глубине в глубинный с прорезанием сваей окружающего грунтового массива. Но практически всегда, за исключением случаев жестких коротких свай, по длине сваи грунт будет находиться в различном напряженном состоянии, зависящем от его физико-механических свойств и, главное — от направления и значения горизонтальных перемещений сваи в различных точках по ее длине. При действии комбинированных нагрузок картина наряженно-деформированного состояния еще более усложняется в связи с наложением разнородных зон на контактной поверхности и под острием. Если при этом учесть пространственный характер системы "свая—грунт", становятся очевидными сложные условия работы свай в составе фундаментов гидротехнических сооружений.
Эта особенность накладывает определенные ограничения на выбор методов расчета и расчетных моделей грунта. Можно предположить, что наибольшие возможности дает такой расчетный аппарат, который позволяет с одинаковой степенью достоверности оценивать напряженно-деформированное состояние системы на всем диапазоне его изменения от первоначального состояния до предельного по деформации или по несущей способности.
Еще более сложной и менее исследованной является задача, рассматривающая условия работы не одной, а нескольких близко расположенных свай, объединенных по верху связями, т. е. свайных групп при действии комбинированных нагрузок. В это понятие в дальнейшем будем включать все виды свайных фундаментов, которые конструктивно состоят из нескольких близко расположенных опор-свай, заглубленных в грунт (см. § 1).
Особенности работы таких конструкций заключаются прежде всего в различном характере взаимодействия с грунтом верхнего строения и свайных опор, а также во взаимном их влиянии друг на друга. Поведение плиты той или иной жесткости и конструкции на линейно-деформируемом грунтовом основании изучено достаточно подробно, как в плоской, так и в пространственной постановке. Наибольшие трудности здесь можно ожидать на пути учета упруго-пластических явлений под пространственной конструкцией при значительных нагрузках. Однако основные проблемы возникают в связи со сложностью работы нижней, свайной части фундамента.
При рассмотрении свайных кустов принято сравнивать их с одиночной сваей. Такой подход вполне оправдан, поскольку методы расчета одиночных свай на действие осевых и горизонтальных нагрузок более разработаны и, кроме того, в большинстве рекомендаций по расчету кустов за основу принимается методика расчета одиночной сваи (см. § 3). Однако в этом случае должны быть изучены и учтены особенности взаимодействия с грунтом близко расположенных свай, которые, как показывает большинство исследований, приводят к значительным изменениям в их поведении по сравнению с одиночной сваей. Проявляются они в изменении (чаще всего в увеличении) общей деформативности группы, по сравнению с тем же числом одиночных свай. При этом многие исследователи замечали наличие существенной неравномерности в распределении вертикальных и горизонтальных усилий между отдельными сваями куста. Также заметно различались изгибающие моменты в заделке и по длине свай.
Среди причин, которые существенно могут изменить характер работы свай в составе группы, в настоящее время с достаточной уверенностью можно выделить две главные.
Первая — это изменение первоначального природного состояния грунта в околосвайном пространстве, вызванное погружением опор. Внедрение в массив грунта инородных тел, имеющих значительные поперечные и продольные размеры, характерные для гидротехнических сооружений, вызывает его уплотнение в прилегающем объеме, создает избыточное поровое давление. В то же время, погружение свай (забивкой или вибратором) оказывает динамическое воздействие на основание, в результате чего в большинстве видов грунта нарушаются структурные связи и наблюдается его разупрочнение и размягчение. В дальнейшем, с течением времени, в массиве грунта происходят релаксация напряжений и рассеивание порового давления. Эти процессы наряду с развитием новых структурных связей, возникающих при более высоком уровне напряжений и в более плотном грунте, приводят к его упрочнению и увеличению сопротивления действию внешних нагрузок (тиксотропное упрочнение). Эффекты, возникающие при внедрении свай в грунт, зависят от многих факторов, связанных с характеристиками грунтов, типом оборудования для погружения свай и параметрами самих свай. Эти эффекты проявляются, разумеется, и в случае одиночных свай, но со значительно меньшей интенсивностью.
Вторая причина, определяющая поведение свай в составе группы — это эффекты взаимодействия свай через грунтовую среду. Они возникают за счет наложения напряженных зон и образования достаточно сложных суммарных зон напряженно-деформированного состояния в основании. Кроме того, при существенных горизонтальных перемещениях свай значительную роль играют процессы разрушения массива грунта под нагрузкой: развитие совместных объемов выпора, продавливание (глубинный выпор), отрыв тыловой грани сваи от поверхности грунта, образование полостей в околосвайном пространстве.
Результатом взаимодействия всегда будет уменьшение сопротивляемости и увеличение деформативности свайной группы по сравнению с таким же количеством одиночных свай.
Кроме этих двух причин для некоторых свайных фундаментов, например для фундаментов с низким или заглубленным ростверком, при определении несущей способности и деформативности конструкции необходимо учитывать опирание плиты на грунт в расчете на действие как вертикальных, так и горизонтальных нагрузок.
Описанные аспекты взаимодействия свайных фундаментов с грунтом должны найти отражение в методах расчета. Существующие инженерные методы расчета свай, как видно из § 3, можно разделить на три группы: 1) методы, основанные на применении теории линейно-деформируемой среды (теории упругости), используемые для расчета деформаций; 2) методы, основанные на применении теории предельного равновесия или эмпирических соотношений, предназначенные для расчета несущей способности; 3) методы, использующие контактную модель коэффициента постели для нахождения как деформаций свайных фундаментов, так и их несущей способности. Здесь описываются методы расчета всех групп, и в этом нет противоречия или непоследовательности.
Методы теории упругости позволяют описать зависимость "осадка — нагрузка" для одиночной сваи при действии осевой нагрузки, взаимовлияние свай через грунт при действии вертикальной (см. § 14) и, по крайней мере качественно, горизонтальной нагрузки (см. § 13). Поскольку ограничения этих методов в описании нелинейных эффектов очевидны, очевидна и необходимость привлечения методов 2-й группы для определения предельного сопротивления грунта.
Так как основная особенность работы свайных оснований морских гидротехнических сооружений заключается в допустимости больших смещений, желательно полный расчет вести во всем диапазоне нагрузок. Наилучшим образом это достигается при расчетах, использующих метод нелинейного коэффициента постели. Этот метод нельзя противопоставлять методам 1-й группы по следующим соображениям.
В отличие от контактирующих с грунтом двухмерных объектов (фундаментные плиты) сваи — по существу одномерные (линейные) тела, значительно больше подходят для использования метода коэффициента постели независимо от механических свойств (в частности, от распределительной способности) окружающего грунта. Это объясняется тем, что взаимовлияние отдельных элементов конструкции через грунт резко убывает с увеличением расстояния даже в моделях основания, обладающих наибольшей распределительной способностью, таких, как линейно деформируемое полупространство. В двухмерных конструкциях это положение в значительной мере компенсируется возрастанием числа (или суммарной площади) расчетных элементов, находящихся на одинаковом расстоянии от данного, с ростом расстояния, а в одномерных (свая, балка) этого не происходит. Поэтому в сваях и балках взаимодействие с грунтом носит близкий к локальному характер, т. е. может описываться при помощи коэффициента постели. Для балок на упругом основании это было доказано впервые независимо Л. А. Галиным и М. И. Горбуновым-Посадовым [8]. Ими было установлено, что почти всюду, кроме непосредственной окрестности концов балки шириной b, и длиной Z, коэффициент постели, выраженный через модуль деформации Е, дает результаты,
(1) очень близкие к расчету с использованием моделей упругого полупространства [ξ — безразмерный коэффициент, см. также (78)].
Приведенный к ширине балки коэффициент К=kb слабо зависит от b, Это легко объясняется следующими соображениями. При местной осадке w деформации ϵ ~ напряжения σ ~ Ее ~ Ew|b и, наконец, погонный отпор q ~ ab ~ Ew (погонный отпор — отпор грунта на единицу длины балки). Но q = Kw (по определению), и отсюда следует, что К ~ Е и коэффициент пропорциональности не зависит от b. Слабая зависимость от b, точнее от l/b, связана с тем, что деформируемая зона имеет размер, пропорциональный Ζ, и это отражается на значении деформаций при заданной осадке.
Следует отметить, что для учета взаимовлияния свай в свайных кустах в методике 3-й группы необходимо вносить поправки и дополнения по сравнению с расчетом одиночных свай. Эти поправки можно найти на основе расчетов методами теории упругости или экспериментальных и натурных наблюдений.
Как показано выше, для описания сопротивления грунта смещению балки (и сваи) более пригоден коэффициент постели, отнесенный ко всей ширине балки, а не традиционный. Этот коэффициент, связывающий погонный (а не удельный) отпор со смещением соответствующего участка сваи, будем в дальнейшем называть коэффициентом отпора (вертикального или горизонтального). Коэффициент, отнесенный к единичной площади продольного сечения (т. е. коэффициент отпора, деленный на диаметр или ширину сваи), будем называть коэффициентом сопротивляемости (вертикальной или горизонтальной) . Отличие от традиционного названия "коэффициент постели" вызвано тем, что, во-первых, коэффициент сопротивляемости зависит от смещения; во-вторых, в отличие от балок и плит на упругом основании учитываемый в расчете свай отпор грунта не сводится к нормальному давлению по плоскости, а связан с нормальными и касательными напряжениями по искривленной поверхности, так что "давление", определяемое через коэффициент сопротивляемости, не имеет непосредственно выраженного физического смысла [17].
