§ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТОЛБЧАТЫХ ФУНДАМЕНТОВ, ОПЕРТЫХ НА СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ
На строительстве моста через р. Янцзы проводились экспериментальные работы по установлению несущей способности столбчатых фундаментов на двух специально оборудованных испытательных стендах. На одном из них испытывались образцы железобетонных столбов; на другом — проводились работы, связанные с определением прочности скальных пород в основании несущих столбов.
Для проверки полученных на моделях результатов проведено статическое испытание железобетонных столбов диаметром 1,10 и 1,55 м в построенных опорах.
Весь комплекс работ по определению несущей способности одиночного столба разделен на два раздела. К первому разделу отнесено исследование прочностных свойств конструкции тела несущих столбов; ко второму — исследование несущей способности скального основания одиночного столба.
Необходимость проведения специальных опытных работ определялась отсутствием необходимых данных в опубликованных работах. Имеющиеся исследования по вопросам механики горных пород, связанные с ведением горных выработок и постройкой гидротехнических сооружений, не могли быть использованы из-за их специфической направленности. Ограниченные данные о несущей способности забуриваемых в скальные породы свай нуждались в проверке и дополнении. Данные о несущей способности железобетонных колонн требовалось проверить и дополнить применительно к новым условиям работы и возведения столбчатых фундаментов.
В соответствии с программой исследований был выполнен значительный объем экспериментальных работ, направленных на решение следующих задач: 1) опытная проверка фактической несущей способности фундаментных столбов в построенных опорах моста; 2) выявление влияния железобетонной оболочки на прочность бетона в ядре столба в месте недохода оболочки до поверхности скалы, т. е. в месте образования так называемой «шейки» столба; 3) выявление влияния подводного способа бетонирования на качество бетона в ядре столба; 4) определение влияния на несущую способность столба характера армирования оболочек и главным образом предварительного напряжения поперечной арматуры.
Все исследования проводились только на действие осевой статической сжимающей нагрузки; лишь в одном случае, при испытании столба диаметром 1,1 м, была произведена проверка на горизонтальную статическую силу.
Понятно, что проведенные работы недостаточны для полного научного обобщения вопроса о несущей способности столба. Требуется дальнейшее экспериментирование и изучение уже полученных и будущих результатов. Однако выполненные работы, несомненно, имеют известный теоретический интерес и большое практическое значение. .
На строительстве моста была проведена проверка фактической несущей способности трех железобетонных столбов. Два из них диаметром 1,1 м были испытаны на промежуточной опытно-монтажной опоре, а третий диаметром 1,55 м — на речной опоре № 3.
Испытание столба диаметром 1,1 м на вертикальную нагрузку производилось на промежуточной опоре, использованной при полунавесной сборке первого пролетного строения. Опора была выполнена в виде двух высоких ростверков, каждый из которых опирался на четыре столба диаметром 1,55 м.
Испытуемый столб диаметром 1,1 м был расположен в плане по центру ростверка. Оболочки столбов были погружены на 17,3 м в песчано-иловатый грунт до скалы; недоход оболочки составлял несколько сантиметров. Глубина скважины в скале была 4 м, а диаметр — 0,9 м. Столб возвышался над грунтом берега более чем на 6 м. Общая длина его составляла 27,5 м. Ядро столба было забетонировано подводным способом по методу ВПТ бетоном марки 250.
Опытная загрузка столба производилась, гидравлическими домкратами грузоподъемностью 500 т каждый. Деформации замерялись мессурами. Загрузка столба производилась пять раз, причем четыре раза на 2 000 т, а пятый на 1 000 т.
Первый раз испытывали столб в цельном виде, а последующие испытания производили при вырубленной (на части высоты) оболочке, чем искусственно создавалась «шейка» столба в уровне 1,5 м над грунтом. Все испытания были проведены при возрасте бетона ядра 7,5—10,5 месяцев.
На рис. 63 приведен график зависимости продольных деформаций столба от нагрузок (данные приводятся только по испытанию одного столба). Там же дана схема конструкции столба.
Вырубленные затем из ядра три кубика размером 20X20X20 см были раздавлены под прессом в возрасте 414 суток при среднем разрушающем напряжении 417 кг/см2; призмы размером 20X20X60 см (3 шт.) были раздавлены при 364 кг/см2.
Как видно из графика, испытательная нагрузка, доведенная до 2000 т (по производственным условиям большая нагрузка не допускалась), была далека от предельной. При нагрузке в 2 000 т общая продольная деформация столба составила 10,1 мм, относительная 0,38 мм на 1 пог. м длины, а остаточная деформация составляла 0,018 мм на 1 пог. м. Напряжение в бетоне ядра у места контакта оболочки со скалой составляло 300 кг/см2.
Таким образом, деформация столба находилась в упругой стадии, а значение ее при нагрузке в 2000 т было по крайней мере в 2,5 раза меньше против деформации разрушения, равной обычно 1,0—1,5 мм на 1 пог. м для аналогичного бетона.
Результаты испытаний столбов диаметром 1,1 мм на вертикальную нагрузку до 2 000 т показали большие запасы прочности их по сравнению с допущенной расчетной нагрузкой, равной 325 т.
Испытание столба диаметром 1,55 м на вертикальную нагрузку производилось на речной опоре № 3 со стороны левого берега (рис. 64).
Полная длина столба составляла 37 м. В скалу он заглублен на 2,5 м; диаметр заглубленной части 1,35 м. Расчетная вертикальная нагрузка на столб составляла 601 т от основных и 739 т от основных и дополнительных сил.
По данным замеров, оболочка имела небольшой недоход до скалы, составляющий не более 10—15 см. Для предотвращения сцепления столба с бетонными плитами ростверка опоры наружная поверхность столба имела специальную изоляцию в виде войлочной прокладки, защищенной металлическим кожухом.
Рис. 64. Схема опоры № 3 с испытуемым столбом диаметром 1,55 м
Загрузка столба была осуществлена девятью 500-тонными домкратами, установленными на плиту ростверка столба и упирающимися в железобетонную диафрагму опоры. Наибольшее усилие на столб составляло 4 500 т.
Анкерным креплением при испытании служила сама опора, пригруженная смонтированными пролетными строениями. Чтобы не повредить тело опоры, нагрузка более 4 500 т не допускалась.
Испытания столба производили дважды: первый раз — в его цельном виде, второй раз — с частично снятой оболочкой в верхней его части. Как видно из графика (рис. 65), при первом испытании от нагрузки 4 500 т общая деформация столба составила 39,8 мм, а относительная — 1,07 мм на 1 пог. м с учетом осадки основания и 0,88 мм — без учета ее. Общая остаточная деформация равнялась 6,8 мм, относительная — 0,178 мм на 1 пог. м (с учетом остаточной деформации основания).
Напряжение в бетоне ядра у места контакта оболочки со скалой составляло 318 кг/см2 (возраст бетона 140 суток; марка бетона 250).
мм
Рис. 65. График испытания и схема конструкции столба диаметром 1,55 м на опоре № 3:
1 — оболочка столба; 2 — изоляция; 3 — продольные арматурные стержни в ядре столба; 4 — то же в оболочке; 5 — поперечная арматура; 6 — то же в оболочке; 7 — бетон ядра, уложенный подводным способом; 8 — бетон ядра, уложенный в верхней части столба насухо; 9 — бетонный ростверк опоры
Наряду с замерами деформации всего столба (мессуры были установлены у плиты ростверка столба), производили также замеры деформаций столба в его основании и в уровне низа оболочки. Использование для этой цели тросиков, пропущенных в специальных металлических трубках и закрепленных внизу, показало на мессурах следующие размеры этих деформаций: по основанию столба 7 мм, в уровне низа оболочки 9 мм.
Испытания показали, что нагрузка на столб в размере 4 500 т не являлась предельной, а деформации при этом не находились в зоне разрушения.