Фундаменты опор мостов из жб оболочек - Несущая способность сборных железобетонных центрифугированных свай

§ 5. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЦЕНТРИФУГИРОВАННЫХ СВАЙ
При строительстве моста через р. Янцзы и на других объектах этого мостового перехода было погружено 3 тыс. железобетонных центрифугированных свай общей длиной около 63 км. С учетом двух мостов в приморском районе и моста через Хуанхэ, построенных в 1956—1957 гг., общая длина погруженных свай диаметром 55 и 40 см составляет примерно 80 км.
Многочисленные статические испытания свидетельствуют о высокой несущей способности центрифугированных свай. На рис. 26 в качестве примера приведен график статического испытания висячей сваи диаметром 40 см (марка бетона 250), забитой без подмыва на глубину 30 м в суглинки. Результаты испытаний глубоких висячих свай диаметром 55 см на строительстве моста через р. Ханьшуй, а также данные многих других испытаний свидетельствуют о том, что, во-первых, несущая способность висячих свай этого диаметра составляет 220—300 т и, во-вторых, она всегда определяется сопротивлением по грунту.
Установлена также высокая сопротивляемость центрифугированных свай ударным нагрузкам. При забивке большого количества глубоких свай тяжелыми молотами типа 11В-3 двойного действия и СССМ-680 одиночного действия (вес ударной части 6 т) не наблюдалось каких-либо повреждений свай. Например, в процессе добивки пробных свай диаметром 55 см (бетон марки 300), погруженных на глубину 22 м в полускальную породу в районе опоры
№ 7 моста через р. Янцзы, при свободной длине свай до 28 м, от 200 ударов молота 11В-3 при нулевом отказе на сваях не было обнаружено трещин.

Рис. 26. График статического испытания центрифугированной сваи диаметром· 40 см, Z = 30 м:
1 —положение сваи в опоре; 2 —насыпной грунт; 5 —суглинок; 4 — мелкозернистый песок

Рис. 27. Графики статических испытаний полых центрифугированных образцов диаметром 55 см

Учитывая необходимость изучения вопроса несущей способности центрифугированных свай по материалу, что имеет большое значение в связи с явным недоиспользованием в строительной практике прочностных свойств центрифугированного бетона, а также в целях нахождения способов увеличения несущей способности «висячих» свай, на строительстве моста через р. Янцзы проводились научно-экспериментальные исследования.
В соответствии с программой исследований был выполнен значительный объем экспериментальных работ, направленных главным образом на решение двух основных задач:

1. изучение прочности полых и заполненных бетоном свай в зависимости от качества бетона и их конструкции (прочность по материалу свай);
2. изучение несущей способности свай с камуфлетным уширением их в основании при различных грунтах.

Для исследования прочности свай по материалу были проведены испытания секций свай диаметром 55 см и длиной 6 и 8 м, изготовленных из бетона марки 300—350.
Образцы испытывали осевой сжимающей нагрузкой до разрушения на стенде, оборудованном рамой с двумя 500-тонными гидравлическими домкратами. Усилия измеряли при помощи манометра, а деформации — мессурами (с точностью от 0,01 до 0,001 мм) и электротензометрами.

Рис. 28. Графики напряжений в арматуре при испытании полых образцов диаметром 55 см:
а — в продольных стержнях; б — в спиралях
 Рт

Были испытаны полые образцы и образцы с заполнением полости бетоном — с обычной его укладкой (насухо) и с укладкой способом подводного бетонирования (по методу ВПТ).                                                                                                
Все полые образцы были изготовлены из бетона марки 350 (табл. 4); площадь сечения составляла 1 181 см . Каждый образец имел 18 продольных стержней диаметром 22 мм с площадью их сечения 68,5 см². Спиральное армирование было выполнено из проволоки диаметром 6 мм при шаге 50 мм.
При испытаниях измерялись также деформации продольной и поперечной арматуры. На графиках (рис. 27 и 28) представлены в зависимости соответственно продольных деформаций образцов и напряжений в арматуре от нагрузки1.
Из графиков рис. 27 и 28 и табл. 4 видно, что для образцов из бетона марки 350 разрушение наступает при нагрузке 430 — 570 т. Относительная продольная деформация при этом составляет 1,2— 1,5 мм/пог. м.
Разрушение начиналось обычно у конца образца около фланца и проявлялось в виде сколов и отслоений наружного слоя бетона, а затем выпучивания продольных стержней с вытягиванием спиральной арматуры.
Результаты испытаний показывают также, что предел прочности центрифугированного бетона свай (призменная прочность) примерно равен Кубиковой прочности бетона того же возраста при обычном способе его укладки. Этот вывод подтверждается также данными заводских испытаний. Прочность кубиков 8x8x8 см, изготовленных на центрифуге одновременно с изготовлением свай, оказывается выше прочности обычно изготовленных кубиков тех же размеров на 30—40%, причем абсолютная величина этого прироста прочности центрифугированного бетона с изменением его возраста остается примерно той же.
Повышение прочности бетона свай объясняется главным образом отжатием воды и уменьшением в связи с этим водо-цементного отношения бетона при его центрифугировании.
Таблица 4

Из графиков видно далее, что нагрузка, при которой деформации начинают резко возрастать, составляет 70—85% величины разрушающей нагрузки, а относительная продольная деформация — соответственно 0,8—1 мм/пог. м. Напряжение в арматуре при этом составляет: в продольных стержнях около 2 300 кг/см²; в спиралях около 500 кг/см².
Проведенная на образцах проверка на затухание продольных деформаций при нагрузке, соответствующей условному пределу пропорциональности, показала, что происходит быстрое затухание деформаций (в течение 30—40 мин).
Испытания показали далее, что образцы, использованные ранее в качестве подбабков и получившие в результате длительных динамических воздействий повреждения в виде поперечных трещин, не ухудшают своей несущей способности по сравнению с новыми образцами.
Таким образом, проведенные испытания позволяют сделать выводы о том, что, во-первых, несущая способность центрифугированных полых свай по материалу в 2—2,5 раза выше несущей способности висячих глубоких свай по грунту; во-вторых, нет необходимости заполнять бетоном полости висячих свай; и, в-третьих, если принять допускаемую нагрузку на полую сваю по материалу без учета продольного изгиба равной 0,3 от размера предельной нагрузки, то в этом случае можно допустить на сваю диаметром 55 см нагрузку 140—170 т, что соответствует напряжению в бетоне 85—95 кг/см² и напряжениям в арматуре: в продольной 700— 900 кг/см² и в спиральной около 200 кг/см². Указанная допускаемая нагрузка в 2,5 раза меньше нагрузки, соответствующей условному пределу пропорциональности.
Для испытания образцов с забетонированной полостью (ядром) использовались центрифугированные образцы из бетона марки 300 и 350 (табл. 5), полости которых площадью 1 180 см² были забетонированы бетоном марки 170 (2 образца) и более 300 (7 образцов).
Испытания ставили целью исследовать влияние заполнения бетоном полости (ядра) сваи на ее несущую способность при разных способах бетонирования.

Рис. 29. Графики статических испытаний центрифугированных образцов диаметром 55 см с забетонированной полостью

На графиках (рис. 29 и 30) представлены зависимости соответственно продольных деформаций образцов и напряжений в арматуре от нагрузки. Из графиков видно, что для образцов из бетона марки 300—350, заполненных бетоном, разрушение наступает при нагрузке 775—850 т. Способ заполнения образцов бетоном (насухо и ВПТ) не оказал влияния на результаты испытаний. Различие в марках бетона заполнения на величине разрушающей нагрузки сказалось незначительно. Так, например, одинаковые образцы № 17 и 18 с бетоном ядра различной кубиковой прочности (соответственно 155 и 432 кг/см²) различались по разрушающей нагрузке всего на 60 т (меньше 8%).
Относительная продольная деформация при разрушении составляла для большинства образцов от 1,2 до 1,8 мм/пог. м.
Разрушение образцов при испытании начиналось с появления волнистых поперечных трещин и чешуйчатости поверхности обычно на расстоянии 0,8—1 м от фланца, а затем обозначались продольные трещины, отслаивался наружный слой бетона и выпучивались продольные стержни (рис. 31). Спиральная арматура, намотанная при изготовлении сваи по окружности, принимала вид многогранника.

Таблица 5

Следует отметить, что первые признаки разрушения при испытании появлялись всегда после перехода за условный предел пропорциональности.
Из графиков рис. 29—30 видно далее, что нагрузка, соответствующая условному пределу пропорциональности, составляет 80—90% разрушающей нагрузки. Относительная продольная деформация при этом равна 0,8—1,15 мм/пог. м, а напряжения в арматуре составляют: в продольных стержнях 1 900 — 2 300 кг/см², в спиралях —от 700 до 1 200 кг/см².
Повышенное напряжение в спиральной арматуре по сравнению с результатами испытания полых образцов, очевидно, объясняется стремлением бетона ядра к поперечному расширению при осевом сжатии образцов.

Рис. 30. Графики напряжений в арматуре при испытании образцов диаметром 55 см с забетонированной полостью:
а — в продольных стержнях; б — в спиралях
Проведенная на образцах проверка на затухание продольных деформаций при нагрузке, соответствующей условному пределу пропорциональности, дала такие же результаты, как и при полых образцах.
Обследование ядра показало, что бетон при обоих способах его укладки оказывается одинаково однородным, плотным и обладает равной прочностью.

Произведенная проверка влияния бетона ядра, уложенного подводным способом, на оболочку (как известно, при твердении в воде бетон расширяется), показала отсутствие на оболочке каких-либо признаков повреждений. Проверка в производственных условиях (после водоотлива из шпунтового котлована на опоре № 7 моста через р. Янцзы забетонированных подводным способом свай) также подтвердила полную сохранность центрифугированных оболочек.

Рис. 31. Характер разрушения сваи диаметром 0,55 м при испытании на сжатие (на стенде)
Проведенные испытания позволяют сделать следующие выводы:

1. заполнение центрифугированных свай бетоном значительно повышает несущую способность их по прочности материала (на 65—80%); дополнительные затраты при этом возрастают по сравнению со стоимостью забитых центрифугированных свай всего лишь на 6—10% (для условий КНР);
2. высокое сопротивление заполненных бетоном свай свидетельствует о положительном влиянии оболочки из центрифугированного железобетона (работающей как обойма) на увеличение сопротивления бетона заполнения: на несущую способность заполненной сваи марка бетона заполнения влияет несущественно;
3. подводное бетонирование полостей свай по методу ВПТ не ухудшает прочностных свойств бетона ядра и не влияет на целостность центрифугированных оболочек;
4. если принять допускаемую нагрузку по материалу на заполненную бетоном сваю диаметром 55 см (без учета продольного изгиба) равной 0,3 от величины разрушающей нагрузки, то для испытанных  свай она составит 230—250 т, что соответствует напряжению в бетоне в среднем для всего сечения 80—85 кг/см² и напряжению в арматуре: продольной 650—900 кг/см² и в спиральной 200—300 кг/см².

Следует отметить, что полученные результаты экспериментальных исследований, проводившихся одновременно с постройкой моста через р. Янцзы, имели на этом объекте практическое применение. В частности, при сооружении фундамента речной опоры № 7 на глубоких сваях, погруженных в полускальные породы, расчетная нагрузка на заполненную бетоном сваю диаметром 55 см была принята равной 172 т от действия основных и 249 т — основных и дополнительных сил.

Рис. 32. Железобетонная свая с металлическим наконечником

Рис. 33. Камуфлетное уширение сваи
Статические испытания свай на самой опоре, а также испытания на стенде снятых с опоры секций свай (после водоотлива из шпунтового котлована) полностью подтвердили справедливость выводов по несущей способности центрифугированных свай, полученных в результате экспериментальных исследований.
Результаты исследований железобетонных центрифугированных свай с забетонированной полостью показали, что их несущая способность по прочности материала в 3—4 раза превосходит несущую способность глубоких висячих свай по грунту. Для ликвидации этого несоответствия и рационального использования прочностных возможностей центрифугированных свай были проведены экспериментальные работы, направленные на изучение способов усиления оснований свай.

Были проверены:

1. возможность завинчивания в грунт свай с лопастями;
2. возможность камуфлетирования свай в основании способом взрывания.                                                                

Проверка первой возможности не дала положительных результатов, так как при испытании секций свай на кручение было установлено слишком низкое сопротивление их на этот вид нагрузок: при крутящем моменте 7—8 тм в стенках свай появлялись трещины, а при 11—14 тм свая разрушалась.

Рис. 34. Графики статических испытаний свай диаметром 55 см: а — свая с камуфлетным уширением и б — глубокая висячая свая.
Геологический разрез: 1 — мелкозернистый песок; 2 — крупнозернистый песок с галькой; 3 — глина: 4 — крупнозернистый песок
Возможность создания камуфлетного уширения была проверена на нескольких сваях в различных грунтах и были получены положительные результаты.
На опытных площадках моста через р. Янцзы были погружены 6 центрифугированных свай диаметром 55 см на глубину 8—10 м. Сваи (рис. 32) имели закрытые металлические или железобетонные наконечники различной длины, конструкции и прочности. В полость каждой сваи на самый ее низ опускали заряд тола, затем подавали в сваю литой бетон (с осадкой конуса 20 см), после чего производили взрыв и добавляли бетон.
Через несколько дней сваи откапывали, извлекали на поверхность и изучали характер и размеры камуфлетного уширения. В суглинках диаметр уширения составлял 1,6—1,7 м (рис. 33). Это соответствует площади опирания 2—2,3 м², что в 8—9 раз больше площади сечения самой сваи. В плотных глинах диаметр  уширения составлял 1,3 м, а площадь опирания — 1,3 м², что в 5,5 раза превышает площадь сечения сваи. Такие уширения безусловно дают возможность намного увеличить несущую способность свай по грунту, особенно при устройстве камуфлетного уширения в плотных грунтах.
Опыты помогли также сделать определенные рекомендации о применении наконечников. Прежде всего установлено, что нельзя применять железобетонные наконечники, так как от взрыва они основательно разрушаются на всю длину, а нижняя секция сваи получает повреждения. Установлено также, что при плотных грунтах желательно применять наконечники большей длины и более прочные. Положительное влияние на результаты оказывает применение секционносварной конструкции наконечника (цилиндр наконечника состоит из 6—8 сваренных полос: при взрыве разрыв происходит по сварке), а также применение сильных бандажей, приваренных к наконечнику.
Опыты показывают, что во избежание повреждений свай силой взрыва нельзя применять непомерно большие заряды.
Объем выполненных опытных работ не позволил, к сожалению, достаточно изучить вопрос несущей способности камуфлетных свай по грунту. Попытки при испытании довести сжимающую нагрузку до критической были безуспешны из-за недостаточного числа анкерных свай.
Испытание камуфлетной сваи № 3 (усиленной дополнительным арматурным каркасом) на выдергивание было доведено до нагрузки 117 m, после чего было прекращено из-за слабости анкерных креплений.
На строительстве моста через р. Хуанхэ было произведено сравнительное испытание вертикальной нагрузкой двух свай диаметром 55 см, погруженных на разную глубину: обычной сваи при глубине погружения 31 м, и сваи с камуфлетным уширением при глубине 11 м. Испытание производилось одновременно на одной и той же опоре. По условиям прочности анкерных свай нагрузка была доведена до 214 т. Полученные результаты испытаний приводятся на графике рис. 34.
Таким образом, первые результаты работ показывают целесообразность применения и практическую осуществимость камуфлетирования железобетонных центрифугированных свай.