Способ раздельного определения несущей способности сваи и устройство для его осуществления
METHOD FOR SEPARATE DETERMINATION OF THE BEARING CAPACITY OF A PILE AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области строительства, в частности, к определению несущей способности свай в вечномерзлых грунтах.
Известен способ определения несущей способности свай в вечномерзлых грунтах путем испытания статической нагрузкой [Руководство по полевым испытаниям свай в вечномерзлых грунтах. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. Стройиздат, 1977. Дата актуализации 01.01.2018] (Аналог 1), суть которого заключается в ступенчатом приложении к свае вдавливающей нагрузки и замере вертикальный перемещений сваи.
Общими признаками с предлагаемым техническим решением являются:
Устройство сваи в грунте путем установки ее в предварительно пробуренную скважину, заливка шламом (смесью грунта и воды) пространства между сваей и стенками скважины, выдержка испытываемой сваи до замерзания шлама и установления природной температуры массива, нагружение сваи вертикальной нагрузкой и измерение ее вертикальных перемещений, определение несущей способности сваи при данной температуре по графику зависимости осадки сваи от нагрузки.
Недостатком данного способа является невозможность раздельного сопротивления под нижним концом и по боковой поверхности. Еще одним недостатком данного способа является большая длительность испытаний, так как после приложения каждой ступени нагрузки до стабилизации деформаций ползучести требуется длительное время. Кроме того, поскольку испытание проводится при одном (природном) значении температуры вечномерзлого массива грунта, данным способом нельзя определить несущую способность сваи при различных значениях отрицательной температуры.
Известен способ определения несущей способности задавливаемых в талые грунты свай (раздельно под нижним концом и по боковой поверхности) путем испытаний в режиме ползучести-релаксации [Власов А.Н., Королев М.В., Королев П.М. «Способ определения несущей способности свай». Патент на изобретение РФ №2629508. Заявка №2015156942. Приоритет от 30 декабря 2015 г. ] (Аналог 2).
Сущность этого способа заключается в том, что испытываемую сваю погружают статической нагрузкой на некоторую глубину, после чего перестают подкачивать давление в домкратах и сваю испытывают в режиме ползучести-релаксации.
В процессе этого при деформациях ползучести свай в домкрате происходит падение давления, стабилизированное значение конечного давления можно рассматривать как несущую способность сваи, погруженной на заданную глубину, поскольку внешние силы приходят в равновесие с силами сопротивления сваи вдавливанию.
Затем к свае прикладывают ступенчато-возрастающую выдергивающую нагрузку, где также каждую ступень испытывают в режиме ползучести-релаксации. Максимальное значение стабилизированной выдергивающей нагрузки можно рассматривать как сумму сил трения по боковой поверхности сваи, погруженной на данную глубину.
Разность нагрузки вдавливания и выдергивания будет равна сопротивлению сваи под ее нижним концом. Погружая сваю на разную глубину и испытывая ее на каждой отметке вышеописанным способом можно получить раздельное сопротивление по боковой поверхности и под нижним концом на различных участках по глубине. На фиг. 1 показана схема и обобщенные результаты испытаний данным способом.
Общими признаками данного технического решения с предлагаемым являются:
Ступенчатое нагружение сваи нагрузкой (сжимающей, выдергивающей) до значений, близких к предельному, о чем судят по полученным одинаковым значениям стабилизированной нагрузки на предыдущей и последующей ступени и дальнейшее испытание в ползуче - релаксационном режиме нагружения. По стабилизированному значению близкой к предельной нагрузки судят о несущей способности свай, раздельно по боковой поверхности и под нижним концом.
Недостатком данного способа является то, что таким образом можно раздельно определить несущую способность свай по боковой поверхности и под нижним концом только для свай, задавливаемых в талые грунты.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ определения несущей способности свай при испытаниях в режиме ползучести-релаксации при различных значениях отрицательных температур и в процессе оттаивания [Королев М.В. «Системные инновации в методах исследования механических свойств грунтов» - М. ФГБУН ИПРИМ РАН: ООО «СамПолиграфист», 2018. - 376 с. (с.172 -174)].
Сущность способа заключается в том, что вмороженную в грунт сваю ступенчато нагружают статической нагрузкой и каждую ступень испытывают в режиме ползучести-релаксации. После определения максимально-стабилизирующей нагрузки на сваю, при данной отрицательной температуре , температуру массива с помощью нагрева изменяют на некоторую величину до значения , в результате чего свая выходит из состояния равновесия, нагрузка релаксирует и ее стабилизирующее значение можно считать несущей способностью сваи при новом значении отрицательной температуры , (фиг. 2)
Следует отметить, что осуществить равномерное ступенчатое изменение температуры в массиве возможно только в лабораторных условиях при постановке опыта в морозильной камере.
Общими признаками данного и предлагаемого технического решения являются:
Ступенчатое нагружение сваи нагрузкой (сжимающей, выдергивающей) до значений, близких к предельному, о чем судят по полученным одинаковым значениям стабилизированной нагрузки на предыдущей и последующей ступени и дальнейшее испытание в ползуче - релаксационном режиме нагружения. По стабилизированному значению близкой к предельной нагрузки судят о несущей способности сваи при данном значении отрицательной температуры грунта. Затем абсолютное значение отрицательной температуры ступенчато изменяют, выдерживая каждую ступень до стабилизации нагрузки и по значениям стабилизированной нагрузки судят о несущей способности сваи при данной температуре.
Недостатком данного способа является то, что таким образом нельзя раздельно определить несущую способность сваи под нижним концом и по боковой поверхности при разных температурах грунта.
Технический результат заявленной группы изобретений заключается в повышении информативности испытаний, сокращении их времени, стоимости и повышении точности.
Технический результат обеспечивается тем, что в способе раздельного определения несущей способности сваи в вечномерзлых грунтах при различных температурах к свае, расположенной в вечномерзлых грунтах при постоянном значении отрицательной температуры грунта через упругий элемент прикладывают ступенчато возрастающую вдавливающую нагрузку, после приложения каждой ступени испытания проводят в режиме ползучести-релаксации до стабилизации нагрузки, затем после достижения максимальных значений стабилизированных нагрузок абсолютное значение отрицательной температуры грунта ступенчато уменьшают, фиксируя стабилизированное значение релаксирующей нагрузки при каждом значении температуры, и по значениям стабилизированной нагрузки судят о сопротивлении сваи при различных температурах массива грунта вокруг сваи, при этом релаксирующую нагрузку при различных температурах прикладывают раздельно: выдергивающую - к боковой поверхности сваи, а сжимающую -к ее нижнему концу посредством инвентарной термоохлаждающей сваи, состоящей из внешней и внутренней трубы, при этом внешняя труба контактирует с грунтом по боковой поверхности, внутренняя труба контактирует с грунтом своим сплошным основанием, равным диаметру скважины, внутреннюю полость трубы заполняют антифризом, вдавливающую нагрузку прикладывают к внутренней трубе, выдергивающую нагрузку - к внешней трубе, при этом нагрузки прикладываются одновременно, а температуру массива меняют путем изменения температуры циркулирующего в трубе антифриза, с помощью нагревающей - охлаждающей емкости, соединенной с полостью трубы шлангами.
Также технический результат обеспечивается тем, что устройство для реализации способа раздельного определения несущей способности сваи в вечномерзлых грунтах при различных температурах состоит из инвентарной термосваи сваи - металлической трубы -оболочки, помещаемой в скважину, пройденную в вечномерзлых грунтах, которая соприкасается с грунтом внутренняя полость которой заполнена хладоносителем, соединенным с охлаждающим устройством, при этом внутри внешней трубы размещается внутренняя труба с закрытым нижним концом, образующим основание, равное диаметру скважины, контактирующего с грунтом забоя скважины, внутренняя полость трубы заполнена антифризом, который циркулирует в полости с помощью насоса, соединенного трубопроводом с внешним баком, имеющем устройство для нагревания - охлаждения антифриза и измерения его температуры, нагрузочная система смонтирована раздельно для создания на внутреннюю трубу вдавливающей, а на внешнюю трубу выдергивающей нагрузок, а измерительная система выполнена также раздельно для измерения вертикальных перемещений внутренней и внешней трубы.
Внизу, между внутренней и внешней трубой, может быть расположено гибкое эластичное днище кольцевой формы, образующее водонепроницаемую полость между внешней и внутренней трубой, а сама полость между трубами заполнена антифризом.
Заявленные изобретения поясняются чертежами, где на Фиг. 1. показаны испытания свай в режиме ползучести-релаксации: а) схема испытаний; б) результаты испытаний. (Аналог 2), Фиг. 2 - обобщенные результаты определения несущей способности моделей свай Р при различных температурах τ. (Прототип), Фиг. 3. - принципиальная схема и программа испытания опытной сваи по раздельному определению несущей способности под нижним концом и по боковой поверхности при различных температурах: а) - схема испытаний и устройства; б) - программа нагружения сжимающей нагрузкой внутренней трубы с закрытым нижним концом в ползуче - релаксационном режиме; в) - программа нагружения внешней трубы выдергивающей нагрузкой в ползуче - релаксационном режиме.
Способ реализуется посредством специального устройства, которое включает в себя следующие элементы (Фиг. 3а)): 1 - внутренняя труба с закрытым нижним концом; 2 - внешняя труба; 3 - массив мерзлого грунта; 4 - подводящий и отводящий шланги, по которым хладоноситель поступает в полость внутренней трубы от теплового ресивера с насосом (не показаны). Установка состоит из внешней металлической оболочки - трубы, которая соприкасается по боковой поверхности с грунтом и внутренней трубы, которая контактирует с грунтом только своей подошвой в забое скважины. Внутренняя полость этой трубы заполняется антифризом, который циркулирует в трубе при помощи насоса. С помощью внешнего нагревающего - охлаждающего устройства, соединенного шлангами с внутренней полостью трубы температуру антифриза, и, соответственно, температуру массива грунта вокруг сваи можно изменять.
Процесс испытаний осуществляется следующим образом:
1. К внешней и внутренней трубе ступенями с помощью гидродомкратов ступенями независимо прикладывается соответственно выдергивающая и сжимающая нагрузки и каждая ступень нагрузки, после приложения испытывается в режиме ползучести-релаксации. Опыт осуществляется при фиксированном значении максимальной отрицательной температуры антифриза, которая соответствует природной температуре массива грунта.
2. После достижения предельных деформаций и стабилизации значений релаксирующих выдергивающей и вдавливающей нагрузок по которым судят о несущей способности сваи под нижним концом и по боковой поверхности, температуру антифриза в полости уменьшают по абсолютному значению и определяют стабилизированное значение релаксирующих нагрузок при новом уровне температуры. Для того, чтобы новое значение температуры установились в массиве грунта, окружающего сваю, потребуется достаточно длительное время.
3. Далее опыт повторяют при новом значении отрицательной температуры.
В результате одного испытания можно раздельно определить несущую способность сваи по боковой поверхности и под нижним концом при различных значениях отрицательной температуры и в процессе оттаивания. Схема и программа испытания приведены на фиг. 3
Таким образом заявленная группа изобретений обеспечивает повышение информативности испытаний (так как несущая способность сваи определяется раздельно под нижним концом и по боковой поверхности, при этом при различных температурах грунта), сокращение стоимости и времени испытания, и повышение точности (так как искомые параметры определяют по результатам испытания одной сваи.).
Проведенные в лабораториях эксперименты на моделях свай в климатической камере и сопоставление результатов, полученных по предлагаемому и традиционному способу, показали достаточно хорошую сходимость и возможность реализации способа.