Способ определения несущей способности сваи
PILE BEARING CAPACITY DETERMINATION METHOD

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении свайных фундаментов зданий.
Из технической литературы (актуализированная версия СНиП 2.02.03-85) известны следующие способы определения несущей способности свай по грунту:
- испытание свай статической нагрузкой;
- испытание свай динамической нагрузкой (пробной забивкой);
- определение несущей способности свай методом зондирования (с помощью специальных установок, имитирующих работу сваи, позволяющих раздельно определить сопротивление грунта под нижним концом сваи и сопротивлению за счет трения по боковой поверхности);
- определение несущей способности сваи расчетным путем (по формулам СНиП 2.02.03-85).
Испытание свай статической нагрузкой заключается в нагружении погруженной (любым способом) до проектной отметки в грунт сваи ступенчато-возрастающей вертикальной нагрузкой (Р), измерении вертикальных перемещений сваи (S) и построении графика зависимости стабилизированных перемещений сваи (St) от нагрузки. По характерному перелому графика зависимости St=f(p), состоящего из двух участков - линейного и нелинейного, судят о величине несущей способности сваи, как показано на фиг. 1. При этом на каждой ступени поддерживается постоянное значение нагрузки.
В практике геомеханических испытаний известны способы, когда испытуемый объект подвергается не ступенчато возрастающей нагрузке с постоянными ее значениями на каждой ступени, а испытываются в режиме ползучести-релаксации. Например, в динамометрическом методе испытания образцов по определению длительной прочности С.С. Вялова (С.С. Вялов «Реологические основы механики грунтов» М.: «Высшая школа», 1978 г.).
Метод реализуется в двух вариантах. В первом варианте образец грунта, испытываемый на одноосное сжатие, одноразово нагружается нагрузкой, превышающей предел его длительной прочности с помощью динамометра с винтом. Далее образец испытывается в режиме ползучести-релаксации. Для этого перестают подкручивать нагрузочный винт. Образец претерпевает деформации ползучести, а динамометр разжимается, и нагрузка релаксирует. Стабилизированное значение релаксирующей нагрузки, которое наступает через некоторое время, можно рассматривать как достижение состояния равновесия между внешней нагрузкой и внутренними силами сопротивления грунта, то есть равно длительной прочности образца на одноосное сжатие. Сложность реализации данного метода состоит в том, что необходимо заранее знать ориентировочные значения длительной и условно мгновенной прочности, чтобы в испытаниях назначить ступень нагрузки больше длительной и меньше условно-мгновенной прочности.
При втором варианте метода осуществляют нагружение образца ступенчато возрастающей нагрузкой, при этом каждую ступень испытывают в режиме ползучести-релаксации. Значение стабилизированной нагрузки от ступени к ступени будет возрастать, пока не станет постоянной. Максимальное значение стабилизированной нагрузки принимают за величину предела длительной прочности. Однако данный метод не использовался для испытания свай.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является способ определения несущей способности сваи методом зондирования [1. Алексеев С.И. Основания и фундаменты: учебное пособие для студентов вузов / С.И. Алексеев. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2007. - 111 с.], при котором при помощи статической нагрузки погружают штангу, имитирующую работу сваи, измеряют глубину погружения и вертикальные перемещения сваи, а также величины приложенной нагрузки, что максимально совпадает с существенными признаками предлагаемого.
Кроме того, измеряют величину трения на различных участках, а также величину лобового сопротивления и с помощью эмпирических коэффициентов пересчитывают результаты эксперимента на несущую способность реальной сваи, с учетом ее размеров. Штанга снабжена приспособлениями, позволяющими определять величину трения по боковой поверхности сваи (специальные муфты) на различных участках ее длины и определять усилия, возникающие под ее нижним концом.
Недостатком данного способа является снижение точности, достоверности в связи с тем, что испытаниям подвергается не реальная свая, а специальный зонд, имитирующий работу сваи.
Положительный результат предлагаемого изобретения состоит в повышении оперативности, точности, достоверности и технологичности, а также снижении стоимости испытания по определению несущей способности свай.
Список фигур чертежей:
Фиг. 1 а) Стандартная схема испытания сваи статической нагрузкой; б) график зависимости осадки S сваи от нагрузки Р.
Фиг. 2 а) Схема испытания сваи, задавливаемой в грунт статической нагрузкой; б) график зависимости вертикальной нагрузки от времени испытания в ползуче-релаксационном режиме (кривая АВ) по п. 1 формулы.
Фиг. 3 Схема испытания сваи на выдергивание из грунта статической нагрузкой и график зависимости вертикальной нагрузки от времени испытания в ползуче-релаксационном режиме (кривая АВ) по п. 1 формулы.
Фиг. 4 Схема последовательного погружения сваи с помощью статической нагрузки с испытаниями на различных глубинах (h1, h2, h3, h4) на вдавливание и выдергивание в режиме ползучести-релаксации по п. 3 формулы.
Фиг. 5 График зависимости сжимающей и выдергивающей нагрузки от времени (h1, h2, h3, h4) при испытании в режиме ползучести-релаксации по п. 3 формулы.
На фиг. 1 а) представлена стандартная схема испытания сваи статической нагрузкой Р, при которой возникают противодействующие силы трения f и реакция лобового сопротивления сжатого грунта R.
б) На фиг. 1 б) показано, что нелинейный график зависимости осадки S сваи от нагрузки Р можно аппроксимировать двумя пересекающимися прямыми, по пересечению которых устанавливается предельное значение нагрузочной способности сваи.
На фиг. 2 а) представлена схема испытания сваи, задавливаемой в грунт статической нагрузкой Р, при которой возникают противодействующие силы трения f и реакция лобового сопротивления сжатого грунта R.
пр
На фиг. 2 б) показано, что после приложения вертикальной нагрузки, задавливающей сваю до требуемой глубины, после протекания релаксационного процесса (кривая АВ) нагрузка устанавливается на уровне Р предельного значения нагрузочной способности.
На фиг. 3 а) представлена схема испытания сваи выдергиваемой из грунта статической нагрузкой Р, при которой возникают противодействующие силы трения f.
*
На фиг. 3 б) показано, что после приложения вертикальной нагрузки, выдергивающей сваю, после протекания релаксационного процесса (кривая АВ) нагрузка устанавливается на уровне Р значения силы трения по боковой поверхности.
На фиг. 4 представлена схема последовательного погружения сваи с помощью статической нагрузки с испытаниями на вдавливание и выдергивание в режиме ползучести-релаксации на каждой из достигаемых глубин (h1, h2, h3, h4).
На фиг. 5 показаны циклы сжимающей и выдергивающей нагрузки, производимые на различных глубинах погружения сваи.
С целью преодоления указанных недостатков предлагается способ определения несущей способности свай, включающий погружение свай статической нагрузкой, измерение глубины погружения и вертикальных перемещений сваи, а также величины вдавливающей нагрузки, раздельного определения по результатам измерений сопротивления по боковой поверхности и под нижним концом сваи, отличающийся тем, что величину вдавливающей нагрузки перестают увеличивать после достижения нижним концом сваи проектной отметки, после чего сваю испытывают в режиме ползучести-релаксации и по стабилизированному значению нагрузки судят о несущей способности сваи.
Кроме того, после стабилизации вертикальной сжимающей нагрузки к свае прикладывают ступенчато возрастающую выдергивающую нагрузку и каждую ступень испытывают в режиме ползучести-релаксации, после прекращения увеличения значения стабилизированной нагрузки по ее максимальной величине судят о сопротивлении сваи по боковой поверхности, а по разнице между стабилизированными значениями сжимающей и растягивающей нагрузки судят о сопротивлении грунта под нижним концом сваи.
Кроме того, проектные отметки назначаются в разных точках по глубине, так что циклы испытания сваи с задавливающей и выдергивающей нагрузками производят несколько раз в процессе погружения сваи до требуемой глубины.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
В первом варианте свая погружается в грунт статической нагрузкой до проектной отметки (или забивается), далее в гидроцилиндры перестают подкачивать масло и сваю начинают испытывать в ползуче-релаксационном режиме. Вследствие этого свая получает вертикальные перемещения, но одновременно давление в гидроцилиндрах падает (за счет релаксации). Через некоторое время система «свая-грунт-внешняя нагрузка» приходит в состояние равновесия. По величине стабилизированного давления судят о несущей способности сваи.
Для раздельного определения лобового сопротивления и трения по боковой поверхности сваи испытанную по вышеописанному способу сваю подвергают «выдергиванию». При таком нагружении свая сопротивляется только за счет усилия сопротивления по боковой поверхности. Для этого к свае прикладывают ступенчато возрастающую выдергивающую нагрузку и каждую ступень испытывают в режиме ползучести-релаксации. После того, как значения стабилизированной выдергивающей нагрузки перестанут расти, по ее максимальному значению определяют сопротивление сваи по боковой поверхности а по разности нагрузок при задавливании и при выдергивании судят о лобовом сопротивлении сваи.
При втором варианте испытаний сваю погружают не до проектной отметки, а на некоторую глубину, где производят в описанных выше режимах испытание на задавливание и выдергивание. Далее сваю погружают еще на некоторую глубину и операцию повторяют. Испытывая сваю таким образом, можно получить величины сопротивления сваи под нижним концом и по боковой поверхности на различных глубинах.
При этом в предлагаемом способе испытывается не инвентарная, а реальная свая. Испытание проводят в ходе производства работ без перерыва и используют то же оборудование, что и для погружения сваи.
О достижении предела несущей способности сваи судят не по перелому графика зависимости осадки сваи от сжимающей нагрузки S=f(p) (по формулам СНиП 2.02.03-85) (фиг. 1), а по величине стабилизированной нагрузки при испытании ее в режиме ползучести-релаксации.
Помимо испытания сжимающей нагрузкой, к свае прикладывают растягивающую нагрузку, что дает возможность раздельно определять сопротивление сваи под нижним концом и по боковой поверхности.
В процессе погружения испытание сваи возможно производить на разных глубинах, что дает возможность определить изменение несущей способности сваи, сопротивление под нижним концом и по боковой поверхности, в зависимости от глубины ее погружения. Испытаниям подвергаются все сваи подряд, а не выборочные, как в других методах, поскольку данное испытание не требует дополнительных трудозатрат и длительного времени (стабилизация деформаций и напряжений в режиме ползучести-релаксации, как известно, наступает значительно быстрее, чем в режиме ползучести).
Положительный эффект и экономические преимущества предлагаемого способа достигаются за счет того, что
- в ходе производства работ по задавливанию свай может испытываться каждая свая, что позволяет точно знать несущую способность фундамента и, следовательно, дает возможность сделать фундамент более экономичным;
- процесс испытания свай в режиме ползучести-релаксации отличается повышенной оперативностью, т.к. занимает значительно меньше времени, чем испытание при постоянной ступенчато-возрастающей нагрузке;
- процесс испытания может совершаться параллельно в ходе продолжения строительных работ по монтажу верхних конструкций и др. Для испытаний используется то же оборудование, что и для погружения свай. Процесс задавливания и испытания производится без технологических пауз, что сокращает время работ и повышает экономические показатели строительства.
С целью проверки работоспособности предлагаемого способа была проведена серия модельных экспериментов по сравнению несущей способности мелкомасштабных моделей свай, определяемых традиционным методом (статической ступенчато увеличивающейся постоянной нагрузкой) и по предлагаемому способу - в режиме ползучести-релаксации. Проведенные эксперименты показали достаточно хорошую сходимость результатов, полученных разными методами, что подтверждает реализуемость предлагаемого объекта изобретения.
Как следует из вышеприведенного анализа, требуемый технический результат достигается за счет существенных отличий предлагаемого.