Методика исследования и формирование контактных напряжений
В рамках проведённых исследований была применена методика, позволившая детально отследить динамику нормальных контактных напряжений. Эти измерения проводились на двух ключевых этапах: непосредственно в процессе бетонирования фундаментов и после полного твердения бетонной смеси в траншее. Величина и характер распределения этих обжимающих напряжений — критически важный фактор, поскольку именно они в значительной степени определяют сопротивление грунта силам трения, возникающим по контактной поверхности фундамента.
В научном сообществе до сих пор нет единого мнения относительно величины этих напряжений для набивных свай: одни специалисты считают их равными природным, другие — превышающими. Также ведутся споры о необходимости и методах их учёта в расчётах. Однако проведённые натурные испытания дали чёткий ответ: фактические нормальные обжимающие напряжения существенно выше природных, даже если при расчёте последних используется коэффициент бокового давления, соответствующий состоянию покоя грунта.
На формирование этих напряжений могут влиять процессы, сопровождающие твердение бетона, такие как набухание и усадка. Измерения, выполненные с помощью мессдоз, показали, что усадка бетона на портландцементе, твердеющего в массиве грунта, лишь незначительно снижает нормальные напряжения на боковой поверхности щелевых фундаментов. Это снижение настолько мало, что им можно пренебречь в практических инженерных расчётах. Важно отметить, что величина этих нормальных напряжений практически не зависит от величины сжимающей нагрузки, действующей на фундамент сверху. Схожие выводы для набивных свай были ранее получены в работе Ф. К. Лапшина.
Сопоставление фактической и расчётной несущей способности
Экспериментальные данные по сопротивлению грунта трению по боковой поверхности натурных фундаментов (кривая 1 — после бетонирования, кривая 2 — при статических испытаниях), а также результаты испытаний крупномасштабных моделей позволили провести прямое сравнение фактической несущей способности с расчётной, определяемой по нормам СНиП. Это сопоставление выявило существенное расхождение: нормативный метод ощутимо занижает общую несущую способность щелевых фундаментов. В прочных элювиальных суглинках занижение достигает примерно 2 раз, а в более слабых аллювиальных суглинках — около 1.5 раз.
Если рассматривать отдельно составляющие несущей способности, то опытные значения для боковой поверхности в прочноструктурных грунтах оказались в 2.15 раза выше нормативных, а для подошвы — в 1.9 раза выше. В слабых грунтах превышение составило 1.46 и 1.07 раза соответственно. Интересно, что природные нормальные напряжения, рассчитанные для состояния покоя грунта, оказались меньше опытных значений в 7–10 раз для прочных грунтов. Напротив, напряжения, рассчитанные с учётом коэффициента активного давления грунта, демонстрируют хорошее совпадение с опытными данными, хотя в слабых грунтах на определённых глубинах наблюдается обратная картина — расчётные величины начинают превышать опытные.
Влияние анизотропии грунта на результаты расчётов
Сопротивление трению, вычисленное по классической формуле Кулона, также существенно занижает реальные (опытные) значения, особенно для прочных грунтов. Одной из наиболее вероятных причин этого расхождения является анизотропия грунта — различие его свойств в разных направлениях. Стандартные методы определения прочностных характеристик (сцепление C и угол внутреннего трения φ) предполагают отбор монолитов и испытание образцов на сдвиг в горизонтальной плоскости. Однако боковая поверхность фундамента работает в вертикальном направлении, где свойства грунта могут быть иными.
Для корректного учёта этого влияния при проектировании щелевых фундаментов рекомендуется определять прочностные характеристики с помощью прессиометра поступательного сдвига, разработанного в Уральском политехническом институте. Лабораторные испытания образцов, отобранных в горизонтальном и вертикальном направлениях, подтвердили наличие анизотропии: в вертикальном направлении угол внутреннего трения был в среднем на 10% выше, а величина удельного сцепления — на 30% выше, чем в горизонтальном. Учёт этой разницы значительно улучшает совпадение результатов расчёта по формуле Кулона с экспериментальными данными.
Деформации грунта и результаты натурных испытаний
Перспективным направлением для щелевых фундаментов является дальнейшее изучение формирования нормальных обжимающих напряжений с учётом давления самой бетонной смеси. Исследования деформированного состояния грунта, проведённые на натурном фундаменте и модели, показали, что наибольший прирост деформаций на каждой глубине происходит на первых ступенях нагрузки. Это объясняется тем, что на этих стадиях основную часть внешней нагрузки воспринимает именно боковая поверхность.
Деформации грунта затухали на расстоянии, примерно равном тройной ширине фундамента в верхних слоях, и 1.8–2.2 ширины — в нижних. При этом значительная часть (более 2/3) общей деформации на расстоянии от фундамента формировалась уже на относительно ранних стадиях нагружения (например, при нагрузке 500 кН), что свидетельствует о раннем образовании зоны деформированного грунта. Интенсивность нарастания деформаций снижалась по мере полной реализации несущей способности грунта, которая наступала при осадках около 10 мм в верхней части и 3–3.5 мм в нижней. Объём деформированного грунта увеличивается по направлению к подошве фундамента.
В 1988 году были проведены статические испытания опытных натурных щелевых фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки. Анализ результатов, несмотря на то что одно из испытаний не было завершено по техническим причинам, позволил сравнить несущую способность, полученную расчётным методом по СНиП, и по результатам натурных испытаний. Была выявлена устойчивая тенденция к занижению несущей способности нормативным расчётом. Испытания проводились в тугопластичных суглинках, подстилаемых твёрдыми грунтами.
Выводы и перспективы
Результаты комплексных испытаний натурных фундаментов в различных грунтовых условиях однозначно указывают на значительное (в 1.5–2 раза) занижение их реальной несущей способности действующими нормативными методами расчёта. Однако для формулировки окончательных выводов и широких обобщений накопленного материала пока недостаточно. Также испытания продемонстрировали высокое сопротивление щелевых фундаментов горизонтальным нагрузкам: поперечная сила в 500 кН вызвала смещение верха подколонника всего на 7.5 мм, что значительно превышает расчётные уровни нагрузок для подобных конструкций. Важно, что в процессе испытаний разрушения в узле сопряжения подколонника с подземной частью не происходило, что подтверждает надёжность такой конструкции.