Известно, что при наличии слабых слоев в пределах свайного фундамента или колебаниях грунтовых вод возникает такое явление как отрицательное трение.
Перемещение грунта вниз в процессе самоуплотнения (консолидации), пригрузки с поверхности или понижении грунтовых вод называется отрицательным трением. При этом сваи начинают воспринимать дополнительную нагрузку через боковую поверхность, то есть грунт зависает на сваях. Этот эффект должен учитываться при расчетах свайных фундаментов.
Расчетная схема принята простой: две сваи и ростверк над уровнем земли.
Расчетная схема
Сваи стойки опираются на прочные грунты ($E$ = 80 МПа) и проходят через слой слабого грунта. Для слабого грунта принята модель SSC.
Рассмотрим два примера, характерных для проявления отрицательного трения:
Уровень грунтовых вод понижается на 3 м. Как следует из положений механики грунтов, понижение УГВ приводит к повышению эффективных напряжений за счет учета в расчете вместо взвешенного удельного веса ($γ_{взв}$ = 10 кПа, это разница между $γ_{sat}$ и $γ_{w}$, см. также Как задать удельный вес грунта: γunsat и γsat) удельного веса в сухом состоянии ($γ_{unsat}$ = 18 кПа).
Схема понижения УГВ
Изменение эффективных напряжений по глубине показано ниже:
Распределение эффективных напряжений по глубине
Сопротивление сдвигу по длине сваи до и после понижения:
Эпюры сопротивления сдвигу по свае: слева до понижения; справа - после
Как следует из рисунка, мобилизованное сопротивление сдвигу после понижения УГВ до глубины около 4 м действительно становится отрицательным.
Эпюра сопротивления сдвигу по боковой поверхности может быть расшифрована так:
1 — зона, где грунт «висит» на свае, и к собранным нагрузкам добавляется еще одна; 2 — зона, где давление грунта создает сопротивление сдвигу по поверхности контакта со сваей (свая держится за грунт); 3 — область срыва, достигнуто заданное в элементе embedded beam предельное значение (определяется по показателю $τ_{rel}$).
Изменение напряженного состояния после пересчета с весом сухого грунта определяется ориентацией главных напряжений, угол поворота которых показан ниже (меню Stress → Principal effective stresses → Principal stress directions):
Угол поворота осей главных напряжений (фрагмент)