Приведены результаты комплексных экспериментально-теоретических исследований осадок и несущей способности свайных фундаментов, основные закономерности их взаимодействия с окружающим грунтом. Изложены методы определения напряжений в активной зоне, полных осадок и осадок во времени ленточных свайных фундаментов и кустов свай с учетом приложения нагрузки внутри массива и вида эпюр ее передачи по боковой поверхности и в плоскости острия свай, параметров фундамента, структурной прочности грунта, сжимаемости газосодержащей жидкости, реологических параметров грунта основания. Рассмотрены методика и опыт проектирования свайных фундаментов исходя из предельно допустимых осадок зданий. Для инженерно-технических и научных работников научно-исследовательских, проектных и строительных организаций.

Предисловие

Глава 1. Комплексные экспериментальные исследования взаимодействия свайных фундаментов с окружающим грунтом
1.1. Задачи экспериментов. Опытные площадки
1.2. Изменение порового давления и тиксотропного упрочнения в грунтах вокруг свай
1.3. Увеличение несущей способности свай и свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах
1.4. Изменение модуля деформации, объемной массы и сцепления грунта в уплотненной зоне свайных фундаментов
1.5. Распределение сил трения по боковой поверхности свай при их работе в составе различных свайных фундаментов
1.6. Распределение нагрузки между сваями фундаментов
1.7. Распределение нагрузки между острием и боковой поверхностью свай
1.8. Осадки и несущая способность центрально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов
1.9. Распределение напряжений и деформаций грунта в активной зоне центрально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов

Глава 2. Расчет осадок кустов свай
2.1. Исходные данные при решении задачи
2.2. Алгоритм определения осадок кустов свай
2.3. Порядок определения осадок кустов свай
2.4. Расчет осадок и крена внецентренно нагруженных свайных фундаментов

Глава 3. Расчет осадок ленточных свайных фундаментов
3.1. Исходные данные при решении задачи
3.2. Алгоритм для определения осадок ленточных свайных фундаментов
3.3. Определение коэффициентов an и bn, зависящих от вида эпюр передачи нагрузки по боковой поверхности свайного фундамента и в плоскости острия свай
3.4. Расчет осадок фундаментов
3.5. Определение осадок ленточных свайных фундаментов из пирамидальных свай
3.6. Примеры расчета осадок свайных фундаментов

Глава 4. Определение напряженного состояния активной зоны центрально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов
4.1. Общие положения
4.2. Решение пространственной задачи для определения напряжений в активной зоне кустов свай
4.3. Определение напряжений в активной зоне внецентренно нагруженных свайных фундаментов
4.4. Решение плоской задачи для определения напряжений но оси свайных фундаментов 
4.5. Результаты определения напряжений но оси ленточных свайных фундаментов и их анализ
4.6. Решение краевой задачи для определения напряжений во всей активной зоне свайных фундаментов
4.7. Сравнение экспериментальных и теоретических значений напряжений в активной зоне свайных фундаментов

Глава 5. Метод определения изменения несущей способности свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах
5.1. Решение осесимметричной задачи фильтрационной консолидации
5.2. Аналитический метод расчета зоны уплотнения грунтов вокруг свайных кустов
5.3. Расчет несущей способности свайных фундаментов во времени
5.4. Примеры расчета изменения несущей способности свайных фундаментов во времени
5.5. Сравнение экспериментальных и расчетных значений увеличения несущей способности свайных фундаментов во времени

Глава 6. Расчет осадок свай и свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных грунтах
6.1. Общие положения
6.2. Решение одномерной задачи теории фильтрационной консолидации для определения осадок кустов свай и свайных полей
6.3. Решение пространственной задачи теории фильтрационной консолидации для определения осадки кустов свай во времени
6.4. Решение плоской задачи теории фильтрационной консолидации грунтов для определения осадок ленточных свайных
фундаментов во времени

Глава 7. Прогноз осадок свай и свайных фундаментов с учетом реологических параметров основания
7.1. Математическая модель длительного взаимодействия системы "сооружение — свайный фундамент — основание”
7.2. Экспериментальные исследования длительных осадок свай и свайных фундаментов при испытаниях статическими нагрузками
7.3. Учет влияния скорости приложения нагрузки на развитие длительных осадок свайных фундаментов
7.4. Учет влияния кратковременных технологических нагрузок на осадки свайных фундаментов
7.5. Практический метод расчета длительных осадок свай и свайных фундаментов

Глава 8. Проектирование свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам зданий и сооружений
8.1. Общие положения и состояние вопроса
8.2. Методика проектирования свайных фундаментов но предельным деформациям
8.3. Исследование несущей способности свай и свайных фундаментов при осадках, равных предельным значениям совместной деформации основания и сооружения
8.4. Расчет несущей способности свайных фундаментов
8.5. Примеры использования результатов исследования несущей способности свай и свайных фундаментов при осадках, равных предельным значениям средней осадки фундамента проектируемого здания или сооружения

Глава 9. Результаты наблюдений за осадками зданий и сравнения расчетных и фактических осадок свайных фундаментов
9.1. Общие положения
9.2. Результаты многолетних наблюдений за осадками жилых зданий
9.3. Результаты наблюдений за осадками промышленных зданий и сооружений
9.4. Анализ результатов наблюдений и сравнение расчетных и действительных осадок свайных фундаментов

Список литературы

Предисловие

В настоящее время свайные фундаменты получили широкое распространение в промышленном и гражданском строительстве, особенно в сложных инженерно-геологических условиях. Удельный вес свайных фундаментов составляет 26,6% общего объема фундаментов и достигает 40% в промышленном строительстве и 50—70% в жилищном. Затраты на свайные фундаменты составляют ежегодно десятки миллиардов рублей.

В последние годы выполнен значительный объем экспериментальных и теоретических исследований по свайным фундаментам, что позволило существенно усовершенствовать нормы их проектирования (СНиП 2.02.03-85). За последние 15 лет нормативные значения расчетных сопротивлений под нижними концами свай увеличились на 7—29%, а несущая способность свай — в 1,3—1,5 раза. Большие работы проведены по совершенствованию методов расчета свай по физико-механическим характеристикам грунтов и данным зондирования. Принятый в нормах метод определения несущей способности свай обеспечивает получение достаточно надежных результатов, во всяком случае более надежных, чем по зарубежным методам (коэффициенты надежности и коэффициенты запаса в отечественных нормах принимаются от 1 до 1,4, а в зарубежных нормах от 1,5 до 2,5). Следует отметить, что применение свайных фундаментов не. всегда увязывается с грунтовыми условиями строительных площадок и экономически целесообразно. Нередки случаи завышения, а иногда и занижения несущей способности свай, сваи погружаются неправильно и часть свай не доходит до проектной отметки "дна котлована" на несколько метров ("попы").

В настоящее время объем применения прогрессивных видов свай (предварительно напряженных, пирамидальных, свай-колонн, составных, набивных и др.) составляет 1,9 млн м3, или 27,1% общего объема свай всех видов. Объем использования предварительно напряженных свай, в том числе без поперечного армирования, составляет лишь около 20%, тогда как проведенные нами исследования и имеющийся опыт показывают, что применение этих свай может достичь минимум 50%. Практически не используются пустотелые сваи, в частности квадратные с круглой полостью и полые круглые, в том числе конические, применение которых позволяет снизить расход бетона на 25—30%. Между тем по данным ВНИИ оснований и подземных сооружений технически возможным и экономически обоснованным является использование таких свай в объеме 3,5 млн м3 в год. Ведутся исследования действительной работы тавровых и пирамидальных свай с консолями для зданий и сооружений с распорными нагрузками, свай с переменным по длине поперечным сечением, одинаково эффективно работающих на вертикальные и горизонтальные нагрузки, свай с развернутым поперечным сечением, позволяющих уменьшить силы негативного трения. В отечественном строительстве используются в основном забивные сваи.

Несмотря на имеющуюся тенденцию распространения набивных свай, их удельный вес в целом по стране в общем объеме всех видов свай составляет пока 12%. Редко применяются короткие набивные конические, пирамидальные, цилиндрические сваи, позволяющие в большей мере использовать несущую способность основания. Заслуживают большего внимания сваи в пробитых скважинах. Отсутствие современного оборудования является препятствием для использования в массовом строительстве набивных свай в водонасыщенных грунтах.

Давно разработаны и применяются безростверковые свайные фундаменты, позволяющие снизить стоимость работ на 10%. Однако объем их применения составляет 6 млн м2 общей площади, или 14,3% общего объема жилых зданий, возводимых на свайных фундаментах (в Перми свыше 50%).

Следует отметить отставание и в разработке оборудования для погружения забивных и устройства набивных свай. Для массового строительства необходимы паровоздушные молоты с массой ударной части 10 т, а для строительства уникальных сооружений — с массой ударной части до 50 и 200 т.

В связи с возрастанием объемов применения свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях требуются разработка и внедрение новых эффективных технологий и методов погружения свай. На основании всесторонних экспериментальных и теоретических исследований разработан принципиально новый способ погружения свай с использованием импульсных установок, разработана механизированная безотходная технология забивки свай и внедрен в строительную практику способ устройства свайных фундаментов с погружением свай до заданных отметок.

На ближайшие годы намечены следующие основные направления в разработке технологии возведения свайных фундаментов:

• разработка комплектов и серийный выпуск импульсных установок для погружения свай и оборудования для механизированной безотходной технологии, обеспечивающих автоматическую забивку свай до проектной отметки, а при необходимости и их срезку;
• разработка конструкций составных модульных свай;
• создание надежных методов контроля качества свайных фундаментов;
• разработка индустриальных конструкций длинномерных предварительно напряженных свай, составных свай-колонн, технологии устройства буронабивных и набивных свай в пробитых скважинах, буроинъекционных свай;
• разработка комплектов оборудования для вдавливания многосекционных свай при усилении фундаментов реконструируемых зданий и сооружений.

В последние годы проведены многочисленные комплексные, модельные, полунатурные и натурные полевые исследования взаимодействия свай и свайных фундаментов с окружающим грунтом. В результате проведенных исследований выявлены изменения физико-механических свойств грунтов в результате забивки свай, закономерности распределения сил трения по боковой поверхности свай и сопротивления острия при их работе в различных грунтовых условиях и в составе различных фундаментов, установлено взаимовлияние свай в составе фундаментов и взаимовлияние свайных фундаментов в зависимости от количества свай в их составе, длины свай, расстояния между фундаментами, определены зоны уплотнения вокруг свай и в плоскости острия, послойные деформации в активной зоне. Частично определены реологические параметры оснований активной зоны свайных фундаментов в зависимости от грунтовых условий, длины свай, параметров свайного фундамента и величины действующей нагрузки.

Для правильного прогнозирования совместной работы оснований, фундаментов и надземных конструкций необходимо иметь надежные методы прогноза осадок во времени и неравномерных осадок, правильно определять несущую способность и оценивать устойчивость фундаментов.

На основании комплексных экспериментально-теоретических исследований во ВНИИОСП, МИСИ, ЛИСИ, ППИ, СаратовПИ, МарПИ, Укрспецпроекте и других организациях разработаны методы прогноза осадок свай и свайных фундаментов от действия постоянных, переменных и технологических нагрузок с учетом взаимовлияния, деформативных свойств грунтов и геометрических параметров фундаментов и методы расчета несущей способности и устойчивости свай и свайных фундаментов.

Однако в отношении оценки несущей способности свай и свайных фундаментов, их проектирования, прогноза осадок, крена, неравномерных осадок во времени имеется много нерешенных вопросов, особенно в сложных инженерно-геологических условиях, объем строительства которых в ближайшие годы достигнет более 50%. Кроме того, анализ отечественного фундаментостроения показывает, что несмотря на достигнутые успехи в области теоретических разработок Технический уровень массового строительства не соответствует современным требованиям.

Сравнительный анализ конструктивных решений фундаментов аналогичных сооружений в близких инженерно-геологических условиях в нашей стране и передовых зарубежных странах показывает, что несмотря на более высокий общий теоретический уровень исследований по механике грунтов и фундаментостроению при одинаковых нагрузках наши фундаментные конструкции более материалоёмки. Создавшееся положение объясняется следующими причинами:

• в большинстве зарубежных стран нет обязательных регламентирующих норм на расчет и проектирование гражданских и промышленных зданий и сооружений, кроме особо ответственных (здание АЭС, массивные опоры, высотные сооружения);
• инженерно-изыскательские, исследовательские, проектные и строительные работы ведутся одними фирмами;
• строительные нормы и правила, обязательные для расчета фундаментов в нашей стране, не в состоянии охватить широчайший диапазон изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий взаимодействия фундаментов и грунтов, особенностей нагружения, прогноза и учета реальных длительных процессов взаимодействия системы основание — фундамент — сооружение. В результате запроектированные по СНиП фундаментные конструкции не всегда отвечают оптимальным критериям по стоимости и трудоемкости.

Намечены следующие основные направления дальнейших работ по проектированию и расчету свай и свайных фундаментов.

1. Разработка единой системы требований к инженерно-геологическим изысканиям для свайных фундаментов, оформлению материалов изысканий, а также системы их хранения и поиска, т.е. банка инженерно-геологических данных.
2. Разработка надежных методов оценки несущей способности различных свай по данным статического зондирования и испытания длинноразмерных (по длине свай) моделей свай. Оценка по этим испытаниям реологических параметров основания фундаментов.
3. Изменение существующего порядка финансирования работ по забивке и испытаниям опытных свай на стадии изысканий.
4. Уточнение понятия предельной несущей способности различных свай по грунту. Надо иметь в виду, что несущая  способность свайных фундаментов при расстоянии между сваями, равном трем диаметрам, может быть правильно оценена только исходя из предельно допустимых осадок зданий и сооружений.
5. Районирование грунтов по инженерно-геологическим свойствам, обеспечивающее вариантное проектирование фундаментов. Шире внедрять региональные рекомендации по рациональному проектированию свайных фундаментов.
6. Разработка и внедрение единой унифицированной системы автоматизированного проектирования свайных фундаментов.
7. Разработка типовых проектов свайных фундаментов для зданий и сооружений массового применения на основании вариантного метода и оптимизации решений на ЭВМ.
8. Разработка единой унифицированной программы прогноза осадок одиночных свай, ленточных свайных фундаментов и кустов свай в рамках нелинейной теории наследственной ползучести и теории фильтрационной консолидации методом конечных элементов.
9. Проведение комплексных экспериментально-теоретических исследований несущей способности и осадок свай и свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях (просадочных, набухающих, засоленных и загипсованных, закарстованных, насыпных и слабых водонасыщенных и заторфованных грунтах).

Экспериментальные исследования показывают, что несущая способность свайных фундаментов из висячих свай может быть правильно оценена только исходя из предельно допустимых осадок зданий и сооружений. Однако методы расчета осадок различных свайных фундаментов разработаны еще недостаточно, поэтому приведенные в книге результаты всесторонних экспериментальных исследований осадок и несущей способности свайных фундаментов, методы прогноза осадок и методика проектирования свайных фундаментов исходя из предельно допустимых осадок зданий и сооружений с учетом закономерностей взаимодействия свай с окружающим грунтом и реологических параметров грунта основания имеют большое научное и практическое значение.

Комплексные экспериментально-теоретические исследования осадок свайных фундаментов и взаимодействия свай с окружающим грунтом позволили в натурных условиях уточнить физическую сущность процесса увеличения несущей способности свай и свайных фундаментов во времени; установить изменение физико-механических свойств грунтов в уплотненной зоне; изучить закономерности распределения сил трения по боковой поверхности свай свайных фундаментов при их работе в различных грунтовых условиях; выявить закономерности развития осадок центрально и внецентренно загруженных свайных фундаментов в зависимости от расстояния между сваями, их длины; установить взаимное влияние свайных фундаментов, фактические осадки зданий; изучить напряженно-деформированное состояние активной зоны. 

На основании аналитических решений разработаны методы определения несущей способности свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах; методы определения напряжений в активной зоне; методы расчета полных осадок и осадок во времени ленточных свайных фундаментов и кустов свай с учетом приложения нагрузки внутри массива и закономерностей передачи ее по боковой поверхности и в плоскости острия свай, параметров фундаментов, коэффициента бокового расширения грунта, структурной прочности грунта, сжимаемости газосодержащей жидкости и других факторов; получены формулы расчета осадок свай и свайных фундаментов во времени с учетом нелинейных свойств грунта и предложена методика проектирования свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам зданий и сооружений.

Результаты проведенных комплексных натурных исследований взаимодействия свайных фундаментов с окружающим грунтом, их осадок и напряженно-деформированного состояния активной зоны позволяют учитывать при проектировании свайных фундаментов увеличение несущей способности свай и свайных фундаментов во времени, изменения физико-механических свойств грунтов в результате забивки свай, закономерности распределения сил трения по боковой поверхности и сопротивления острия, проверять и разрабатывать новые методы определения напряжений и расчета осадок фундаментов.

Разработанные методы расчета осадок и определения напряжений наиболее полно учитывают действительную работу свайных фундаментов и позволяют с минимальной затратой времени рассчитывать полные осадки и осадки во времени, напряжения во всей активной зоне центрально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов, взаимное влияние фундаментов и проектировать свайные фундаменты по предельным состояниям.

Использование полученных данных в практике строительства показало, что нагрузки на свайные фундаменты могут быть во многих случаях увеличены на 30—50%, а при контакте ростверка с грунтом в некоторых случаях более чем в 2 раза.

Внедрение результатов исследований и разработанных рекомендаций в практику строительства, проектирование свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам, учет увеличения несущей способности свай во времени и роли ростверка в несущей способности фундаментов позволило получить на стройках Глав запад у рал строя и других объектах значительный экономический эффект.

Анализ показывает, что внедрение прогрессивных конструкций свай, вариантное проектирование и проектирование свайных фундаментов по предельно допустимым деформациям позволят снизить сметную стоимость строительства объектов на свайных фундаментах минимум на 15—20%.

Сделанные в монографии выводы и рекомендации относятся к центрально и внецентренно загруженным кустам свай и ленточным свайным фундаментам с одно-, двух- и трехрядным расположением свай при их работе в глинистых грунтах текуче-, мягко- и тугопластичной и полутвердой консистенции и песчаных грунтах рыхлого сложения и средней плотности.

Предисловие, гл. 2, 3, 4, 6, 8 написаны д-ром техн. наук проф. А.А. Бартоломеем, гл. 5 — канд. техн.. наук доц. Б.С. Юшковым, гл. 7 — канд. техн. наук доц. И.М. Омельчаком, гл. 1 — А.А. Бартоломеем и Б.С. Юшковым, гл. 9 — А.А. Бартоломеем и И.М. Омелъчаком.

Авторы выражают признательность канд. физ.-мат. наук доц. Я.С. Гусману и кандидатам технических наук доцентам Н.Е. Рукавишниковой и Т.Б. Пермяковой за участие в решении отдельных задач.