В статье рассматривается влияние фильтрационной консолидации на допустимую нагрузку и несущую способность свайных фундаментов в водонасыщенных глинистых грунтах в строительный период.
Ключевые слова: свайные фундаменты, водонасыщенные грунты, степень консолидации.
Поведению свайных фундаментов в водонасыщенных глинистых грунтах в СП-24–13330 2011 (Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СниП 2.02.-03–85) не уделяется должного внимания.
При погружении свай в водонасыщенный глинистый грунт под действием динамического воздействия происходит вытеснение грунта в сторону и уплотнение в торцевой части. Пористость грунта уменьшается, а находящаяся в порах вода испытывает повышенное поровое давление, уменьшая силы трения грунта, взвешивающе воздействуя на скелет грунта. При этом в результате нарушения структурных связей в скелете грунта происходит его размягчение и даже разжижение. Известно, что начальная несущая способность свай ориентировочно меньше стабилизированной в супесях в 1,1–1,2, в суглинках 1,3–1,5, а в глинах в зависимости от влажности 1,7–6 раз.
Первый этап работы свайного фундамент включает погружение и «отдых свай». После погружения свайного основания поровое давление постепенно рассеивается до гидростатического, обычно за период времени 4–6 недель, а давление на скелет грунта возрастает, за счет увеличения сил трения. Происходит восстановление природного напряженно-деформированного состояния грунтового массива с внедренными сваями, на которые действует давление уплотненного грунта.
Второй этап нагружения свайного фундамента внешней нагрузкой. При этом свайный фундамент работает как условный уплотненный массив грунта, воздействуя на область грунта ниже острия свай. В этом случае уплотненная область свайного массива грунта под действием внешней нагрузки увеличивает поровое давление более глубоких слоев грунта, причем срок его рассеивания может достигать несколько лет, вызывая осадку фундамента сооружения во времени.
Расчет свайных фундаментов, взаимодействующих с водонасыщеным грунтом, в строгой постановке относится к числу смешанных упругопластических задач двухфазной сплошной среды, решаемых численным методом в программных комплексах Plaxis, ЛИРА и др. Ввиду сложности задачи, наряду со строгими решениями существуют инженерные. Ниже предлагается инженерный вариант такого решения.
При современных темпах строительства зданий и сооружений на свайных фундаментах необходимо знать несущую способность такого фундамента в любой промежуток времени после забивки, чтобы учитывая явление «засасывание» не перегрузить фундамент.
Несущая способность свайного фундамента в виде условного грунтового массива шириной B и протяженностью L в процессе фильтрационной консолидации со дня забивки аналогична [1]:
где Коб = 1.45 — обобщенный коэффициент учитывающий расчетную схему; 
— ширина и длина поперечного размера фундамента; 
,
— нагрузка на уровне низа фундамента и нагрузка от сил сцепления; 
– предельное значение безразмерной функции вертикального давления 
— коэффициенты пассивного и активного давления условной грунтовой стенки клина выпирания, наклоненного к вертикали под углом α=45о-0.5φ к вертикали); q — интенсивность нагрузки от грунтового массива, F — площадь грунтового массива.
Несущая способность сил трения по боковой поверхности условного грунтового массива в процессе фильтрационной консолидации равна:
где Еб — равнодействующая бокового давления на боковую часть свайного основания шириной 1мм.
Таким образом несущая способность свайного фундамента на водонасыщенных глинистых грунтах с учетом фильтрационной консолидации имеет вид:
Величина
зависит от коэффициента
(степени) консолидации (уплотнения) определяемого из фильтрационной теории:
Кривая безмерного деформирования, зависящая от времени рассеивания порового давления имеет вид:
где
, 
— переменное и стабилизированное время фильтрации;
m–показатель степени 
Примем период времени рассеивания порового давления свайного фундамента в процессе забивки в глинистых грунтах c показателем текучести Il 0,25–0,75 составляет порядка 6 недель [2].
Зависимость несущей способности свайного фундамента во времени со дня забивки, связанная с величинами Q и 
приведена на рис 1.
Рис. 1. Влияние коэффициента консолидации на величину безразмерной функции давления, значение которой ограничивают допускаемую нагрузку со дня забивки свайного фундамента
К примеру, при величине 
несущая способность грунта в данной контактной точке на относительный момент времени 
ограничена до величины определяемой горизонтально к кривой
, (рис. 1).
По решению теории фильтрационной консолидации периоду времени 
соответствует коэффициент консолидации 
, приведенный во втором квадранте. Значению
будет соответствовать свое предельное значение несущей способности грунта для данного периода времени в виде коэффициента вертикального давления на безразмерной кривой в первом квадранте. Опустив из значения 
вертикаль в четвертый квадрант определим величину допускаемой нагрузки от сооружения на период времени 
.
Дальнейшее увеличение периода времени приведет к повышению значения , что в свою очередь способствует смещению точки на относительной кривой вправо. По графику на рис. 1 в первом квадранте, видно что в начальный период времени несущая способность свайного фундамента минимальна.
Выводы:
Приведено уравнение несущей способности свайного фундамента в виде условного грунтового массива, зависящее от времени рассеивания порового давления в глинистом водонасыщенном грунте основания.
Показано влияние коэффициента консолидации на величину безразмерной функции давления, которая определяет несущую способность свайного фундамента во времени.
Литература:
- Коровкин В. С. Расчет бетонных камер судоходных шлюзов. СПб: СПбГПУ, 2010. 64 с
- А. А. Бартоломей и др. Прогноз осадок свайных фундаментов. Стройиздат. Москва, 1994, 380с
