СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ БУРОНАБИВНОЙ ВИСЯЧЕЙ СВАЕЙ
METHOD FOR TESTING THE GROUND BASE WITH A BORED HANGING PILE

Изобретение относится к строительству, а именно к способам испытания грунтового основания статической нагрузкой на сваю.
Известен способ определения несущей способности сваи, включающий приложение к свае ударной нагрузки, измерение упругих вертикальных перемещений поверхности околосвайного грунта, расчет несущей способности сваи по грунту по формуле, учитывающей неоднородность грунта [Авт. св. СССР №715728, БИ №6, 1980].
Известен способ определения несущей способности сваи, включающий приложение к свае ударной нагрузки, измерение упругих вертикальных перемещений поверхности околосвайного грунта, дополнительное измерение ускорения колебаний околосвайного грунта и расчет несущей способности сваи по грунту по формуле, учитывающей вид грунта [Авт. св. СССР №715728, БИ №6, 1980 и авт. св. СССР №1059068, БИ №45, 1983].
Недостатками способов являются:
- определение несущей способности сваи производят по косвенным признакам, именно, посредством измерений параметров колебаний грунтов, окружающих сваю, в точках поверхности околосвайного грунта, удаленных от сваи на некоторое расстояние (10-15 ее диаметров), что снижает достоверность определения;
- расчеты несущей способности сваи производят по формулам, содержащим коэффициенты, полученные на основе корреляционного анализа экспериментальных данных, не относящихся напрямую к исследуемой свае, имеют низкую достоверность;
- указанными способами определяют некую упругую характеристику основания сваи, тогда как несущая способность является предельным значением сопротивления грунта, следовательно, предполагает существенное разрушение основания сваи.
Известно акустическое устройство для определения несущей способности и целостности свай, включающее генератор звуковой частоты, электродинамический возбудитель с регулировкой мощности динамических импульсов и приемник колебаний сваи с измерительным механизмом автоматической записи и воспроизведения колебаний сваи, позволяющее производить резонансные колебания сваи для анализа их параметров [Авт. св. СССР №393406, БИ №22, 1973].
Недостатком устройства является то, что оно не может использоваться для заявленных целей, так как:
- возбуждает резонансные колебания сваи, изменяющие деформационные свойства грунтов вокруг нее и не содержащие информацию о сопротивлении грунта осевой статической нагрузке, в частности, о несущей способности свай;
- используется для определения несущей способности свай, т.е. предельного сопротивления грунтового основания осевой (вертикальной) вдавливающей силе, путем возбуждения поперечных (горизонтальных) колебаний, что требует обоснования, так как не ясен принцип перехода от параметров колебаний сваи к несущей способности сваи по грунту.
Способ определения несущей способности сваи, включающий приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы с погрешностью 100-200 Η и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной свае [Патент РФ №2502847, БИ №36, 2013 - (прототип)].
Недостатком способа является:
- при переходе к расчету несущей способности рабочей сваи не учитывает индивидуальных особенностей буронабивных висячих свай, выполненных по одной технологии для одного фундамента, при их упругом взаимодействии с грунтом на боковой поверхности, что снижает эффективность использования условий подобия модельной и рабочей свай.
Задача изобретения - повышение достоверности и точности определения упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочей буронабивной висячей сваи в фундаменте сооружения по условиям ее подобия модельной свае.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей, включающем приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы с погрешностью 100-200 Н и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной сваи, согласно изобретения, предварительно, до приложения вдавливающей силы, к боковой поверхности модельной сваи прикладывают поперечный динамический импульс перпендикулярно ее продольной оси на уровне 15-20 см от торца головы сваи последовательно в трех равноудаленных точках и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы сваи в грунте по осям приложения динамического импульса, затем прикладывают к рабочей свае такой же по величине поперечный динамический импульс и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы сваи в грунте на таком же уровне и в тех же направлениях, что для модельной сваи, причем отношения максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы модельной сваи к значениям максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы рабочей сваи используют для корректировки значений упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочей сваи, вычисленных по условиям подобия.
Новизна заявляемого технического решения заключается в испытании буронабивных висячих свай поперечным динамическим импульсом для корректировки значений упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочих свай, вычисленных по условиям подобия модельной свае.
Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков является сущностью изобретения, обеспечивающей его новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость.
Пояснения к заявляемому способу испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей изображены на:
фиг. 1 - схема приложения к голове модельной и рабочей свай динамического импульса и измерения амплитуды свободных поперечных колебаний головы свай в грунте (вид сбоку);
фиг. 2 - схема расположения осей приложения динамического импульса к голове модельной и рабочей свай и датчика перемещений для измерения амплитуды свободных поперечных колебаний головы свай в грунте (вид сверху);
d
фиг. 3 - график для определения значений уточняющего коэффициента k для рабочей сваи.
Способ испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей осуществляют следующим образом.
Предварительно, до приложения вдавливающей силы на буронабивную висячую модельную сваю 1, на ее боковой поверхности закрепляют на уровне 15-20 см от торца головы сваи в трех равноудаленных через 120° точках по осям I-I, II-II и III-III три одинаковые упругие накладки 2 толщиной по 45-65 мм, а на противоположной стороне от наладок 2 по осям I-I, II-II и III-III закрепляют упоры 3. Направления осей I-I, II-II и III-III фиксируют на плане площадки строительства.
Рядом со сваей 1 устанавливают ударник 4 на отдельной опоре 5. Высоту опоры 5 регулируют так, чтобы ось динамического импульса от ударника 4, совпадала с осью I-I и была перпендикулярна продольной оси сваи 1.
С противоположной от ударника 4 стороны сваи 1 устанавливают на отдельной опоре 6 датчик перемещений 7 и подводят его до контакта с упором 3. Высоту опоры 6 регулируют так, чтобы ось датчика перемещений 7 была перпендикулярна продольной оси сваи 1 и совпадала с осью I-I. Упоры 3 имеют гладкую поверхность, способствующую качественному и надежному контакту с датчиком перемещений 7.
Ударник 4 представляет собой груз 8 определенной массы, закрепленный на рычаге 9 определенной длины, шарнирно установленном на опоре 5. Масса груза 8, длина рычага 9 и толщина упругой накладки 2 имеют параметры, обеспечивающие создание поперечного динамического импульса.
Груз 8 ударника поднимают в верхнее исходное положение на высоту h и отпускают. При этом груз 8 падает вниз по дуге рычага 9, ударяет по накладке 2 и создает поперечный динамический импульс F⋅t, который передается свае 1 через упругую накладку 2. Возникающие при этом свободные поперечные колебания сваи 1 в грунте измеряют датчиком перемещений 7 и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы модельной сваи в грунте
Затем ударник 4 и датчик перемещений 7 последовательно переставляют на этом же уровне от торца сваи 1 в другие точки по осям II-II и III-III, равноудаленные от оси производят такие же динамические импульсы F⋅t и регистрируют значения максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы модельной сваи в грунте  соответственно по осям II-II и III-III.
Аналогичным образом прикладывают к одной из рабочих свай такой же поперечный динамический импульс F⋅t, измеряют и регистрируют максимальные амплитуды свободного поперечного колебания головы рабочей сваи в грунте  на таком же уровне и в тех же направлениях осей I-I, II-II и III-III, что у модельной сваи.
По полученным данным вычисляют отношение значений максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы модельной сваи к значениям максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы рабочей сваи и определяют значения уточняющих коэффициентов по известной зависимости их от этого отношения:
d.I
d.II
d.III
где k, k и k - уточняющие коэффициенты, д. ед., по осям I-I, II-II и III-III регистрации максимальных амплитуд свободного поперечного колебания в грунте головы модельной  мм, и головы рабочей  мм, свай;
K - функция, связывающая уточняющий коэффициент с отношением значений максимальных амплитуд свободного поперечного колебания в грунте модельной и рабочей свай, д. ед.
Затем на модельную сваю прикладывают вдавливающую силу для испытания по известной из прототипа методике. По полученным результатам испытаний вычисляют приращения упругого сопротивления рабочей сваи на каждом приращении упругого сопротивления модельной сваи [Ляшенко П.Α., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. Учет взаимодействия бетонных свай в основании фундамента // Строительство: новые технологии - новое оборудование, 2020, №6. С. 27-33] по условиям подобия, при этом используют уточняющие коэффициенты, определенные для каждой сваи в данном фундаменте, подобной модельной свае:
где  - приращения упругого сопротивления грунтового основания рабочей и модельной свай, кН, в i -ом приращении упругого сопротивления модельной сваи;
D
α - коэффициент подобия упругого сопротивления грунтового основания рабочей и модельной свай, д. ед.;
d
k - среднее значение уточняющего коэффициента, вычисляемое по формуле, д. ед.:
Упругая накладка 2 защищает сваю от местного разрушения при ударе грузом 8. Упор 3 обеспечивает заданный интервал времени между приложением динамического импульса и регистрацией перемещения головы сваи 1, а также создает гладкий контакт датчика перемещений 7 с поверхностью сваи 1, что уменьшает погрешность измерений амплитуды свободных поперечных колебаний головы сваи 1.
В качестве ударника 4 может быть использовано любое ударное устройство, обеспечивающее создание стабильно повторяющегося динамического импульса.
В качестве датчика перемещений 7 может быть использован любой малоинерционный датчик, например, электроиндукционный преобразователь линейных перемещений, виброграф или сейсмоприемник любой конструкции.
d
d
{m)
{n)
Для построения графика k=K(u/u) были произведены расчеты для буронабивных висячих свай диаметром 0,63 м и длиной 20-40 м, испытанных поперечным динамическим импульсом F⋅t=22 Н⋅c, прикладываемым через упругую накладку толщиной 60 мм на уровне 20 см от торца головы сваи (фиг. 3). Динамический импульс обеспечивался поперечным ударом падающего по дуге 0,5 м груза массой 5 кг с высоты 1 м над точкой удара. Амплитуду свободных поперечных колебаний головы свай в грунте измеряли через упор толщиной 50 мм, в котором время прохождения акустического сигнала составляет 10 мс. Погрешность измерения амплитуды 1 мкм. По значениям отношения максимальных амплитуд определены уточняющие коэффициенты k, рассчитаны их средние значения для каждой испытанной сваи (таблица 1).
Изготовление буронабивных висячих свай включает бурение скважин в грунте, установку арматурных каркасов, бетонирование, твердение бетона в естественных условиях в грунте. На всех этапах происходит формирование контакта бетона с грунтом на боковой поверхности сваи, детали которого не поддаются строгому контролю, но которые влияют на сопротивление грунта внешней нагрузке. При этом степень этого влияния индивидуальна и в рабочих сваях не известна. Учет этого влияния на рабочие сваи, выполненные в одинаковых условиях и по одной технологии с модельной, обеспечивает повышение точности и достоверности определения упругого сопротивления грунта рабочим сваям на их боковых поверхностях.
При выполнении свай в одинаковых условиях возможна оценка погрешности определения упругого сопротивления грунта по представительной выборке рабочих свай. В приведенном примере коэффициент вариации значений сопротивления составил 5,1% (таблица 2).
Измерение амплитуд свободного поперечного колебания головы свай в трех радиальных осях позволяет учесть природную анизотропию упругих свойств грунтов. Анизотропия сопротивления, в данном примере, выражена слабо, но проявилась в большем значении уточняющего коэффициента по оси II-II, чем по осям I-I и III-III (таблица 2).
Способ испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей требует для своей реализации малых затрат времени, что позволяет осуществлять как тотальный контроль, так и оценку по представительной выборке сопротивления буронабивных висячих свай, изготовленных в одинаковых инженерно-геологических условиях.