ГЛАВА 2. ДЕФОРМАЦИИ ЗДАНИЙ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ ВБЛИЗИ НИХ ШПУНТА И СВАЙ
1. Процессы, происходящие в грунтах при забивке и вибропогружений свай и шпунта
В сложных инженерно-геологических условиях наиболее эффективными являются свайные фундаменты. В стесненных условиях существующей застройки при забивке свай и погружении шпунта вблизи стоящих зданий развиваются дополнительные осадки от сотрясения, а конструкции зданий получают повреждения от действия инерционных сил.
Следовательно, при сооружении свайных фундаментов вблизи существующих зданий, необходимо иметь четкое представление о физической сущности процессов, протекающих в различных грунтах при погружении в них свай и шпунта, поскольку именно эти процессы оказывают влияние на состояние примыкающих к котловану зданий. Исходя из этого определяют конструкцию свай и порядок производства свайных работ.
При погружении свая должна вытеснить грунт в объеме, по крайней мере равном объему сваи. Однако в процессе ее погружения в грунте происходят более сложные явления, связанные с его уплотнением и сдвигом одних объемов по отношению к другим. Интенсивность развития таких деформаций в различных точках грунтового массива и в разное время зависит от вида и состояния грунта, способа погружения сваи, ее размеров. При забивке свай в результате воздействия инерционных сил, возникающих при колебаниях грунта, развития дополнительных осадок или выпора грунта вокруг сваи, могут возникнуть опасные деформации существующих зданий. Поэтому при проектировании и строительстве вновь возводимых зданий необходимо предварительно установить степень опасности влияния забивки свай на конструкции существующих зданий, а также выбрать тип свай, погружение которых не вызовет недопустимых вибраций.
При современных способах работ погружение свай происходит быстро, а уплотнение грунтов, связанное с выжиманием воды из пор, требует значительного времени. Поскольку скорость движения воды в грунтах зависит от размеров пор, уплотнение грунтов разного состава будет протекать по-разному. По степени уплотняемости в процессе погружения сваи грунты можно подразделять следующим образом [17]:
- уплотняющиеся (песчаные, супесчаные);
- частично уплотняющиеся (маловлажные связные);
- практически неуплотняющиеся (водонасыщенные глинистые).
При погружении свай в песчаные грунты в первый момент острие сваи, захватывая слои грунта, перемещает их вниз с одновременным уплотнением. Когда уплотнение грунта под острием достигает определенного предела, грунт начинает выдавливаться в стороны и в направлении к поверхности. Перемещение грунта в горизонтальном направлении начинается при некотором минимальном заглублении сваи, при дальнейшем ее заглублении происходит выпирание грунта на поверхность, но не по боковой поверхности сваи, а на некотором удалении от нее. Наибольшие перемещения частиц грунта наблюдаются около острия на расстоянии до полутора диаметров сваи.
В маловлажных песчаных, супесчаных и гравелистых грунтах средней плотности и плотных при непрерывной забивке сваи может наблюдаться быстрое уменьшение отказов. После «отдыха» (перерыва на несколько дней в работе) погружение сваи может быть успешно продолжено, при этом отказ возрастает. Такое явление объясняется тем, что при забивке грунт вокруг сваи быстро уплотняется, особенно под острием, что препятствует погружению сваи, в результате чего может сильно возрасти уровень колебаний грунта. Через некоторый промежуток времени происходит частичная потеря сопротивления грунта (релаксация — расслабление), и отказ сваи увеличивается.
В насыщенных водой чистых песках и гравелистых грунтах, имеющих большие поры, вода отжимается быстро, что способствует перемещению частиц в значительной по глубине зоне под концом сваи и поэтому местная уплотненная зона не образуется. Отсутствие же глинистых и пылеватых частиц в таких грунтах исключает возможность возникновения пленки — смазки тиксотропного характера на поверхности сваи, снижающей ее боковое сопротивление, и поэтому «отдых» не влияет на величину отказа.
При погружении свай в глинистые грунты возникают более сложные процессы. Забиваемая в грунт свая раздвигает в стороны и вдавливает вниз частицы грунта. В грунте вокруг сваи образуются поверхности скольжения и область перемятого грунта. Поперечные размеры этой области возрастают, но по достижении сваей некоторой глубины увеличение размеров прекращается, и при дальнейшем погружении сваи размеры остаются без изменения. Радиус зоны деформирования зависит от свойств грунта, поперечных размеров сваи и способа ее погружения. Чем меньше прочность грунта, тем меньше размеры области, где происходят деформации.
Если глинистые грунты неводонасыщенные, то при забивке сваи грунт в основном уплотняется за счет сокращения объема пор, заполняемых воздухом, Если глинистый грунт содержит мало коллоидных глинистых частиц, то разупрочнение от перемятия и динамических воздействий незначительно. Степень разуплотнения ленточных грунтов, иольдиевых глин и илов при забивке свай увеличивается, поэтому вытесняемый грунт будет испытывать меньшие сопротивления при перемещении вверх — в направлении нарушенного грунта. В связи с этим в процессе забивки свай поперечные размеры зоны деформаций и степень уплотнения грунта будут невелики, но увеличится количество выдавленного вверх грунта. Наиболее интенсивно выпор грунта происходит в начале погружения сваи. Чем меньше уплотнение грунта, тем больше его выпор. Объем деформированного грунта может достигать 100 % объема погруженной сваи в зависимости от ее размеров, свойств грунта и способа погружения. По окончании забивки свай или при перерывах выдавлизание грунта прекращается и начинается его осадка вследствие консолидации.
Таким образом, размеры области деформирования зависят от площади поперечного сечения и длины сваи, свойств грунта, скорости и очередности погружения.
При забивке свай в мягкопластичные глинистые грунты вода не успевает уйти в окружающую грунтовую толщу и образует своего рода смазку боковой поверхности ствола сваи, резко снижая сопротивление грунта по этой поверхности. Кроме того, динамическое воздействие вызывает разжижение окружающего сваю грунта, который также служит смазкой, облегчающей погружение сваи. Поэтому при непрерывной забивке величина отказов снижается все медленнее и свая начинает легче уходить в грунт. После же «отдыха» происходит трансформация свободной воды в физически связанную, поэтому свая с трудом поддается дальнейшей забивке. Это явление «засасывания» необходимо учитывать при забивке свай, особенно составных. При больших перерывах в погружении последующих звеньев свая в ряде случаев не может быть забита до проектной отметки, так как отказы уменьшаются в несколько раз. При этом возрастает интенсивность динамических воздействий и, следовательно, опасность повреждений соседних домов.
При погружении свай в слабые водонасыщенные глинистые грунты уплотнения грунта практически не происходит ввиду малой скорости фильтрации воды по сравнению со скоростью погружения свай. Такие грунты являются, как правило, высокочувствительными, и при погружении сваи они превращаются в околосвайном пространстве в текучую массу, которая не уплотняется полностью и легко выдавливается вверх, не нарушая массива окружающего грунта.
Особенно большое влияние на существующее здание при погружении свай могут оказать инерционные силы, возникающие при колебаниях грунта. Наиболее чувствительными к уплотнению при динамических воздействиях являются рыхлые песчаные водонасыщенные грунты. В случае когда существующие здания опираются на свайные фундаменты, необходимо учитывать возможность уплотнения около них грунтов при динамических воздействиях и развития отрицательного трения. Влияние динамических воздействий на грунты основания возрастает с увеличением числа источников колебания.