СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАИ
TESTING METHOD OF CARRYING CAPACITY OF PILE

Предложенное техническое решение относится к области строительства и может быть использовано при испытаниях сваи, свайных фундаментов, зданий и др. сооружений.
Известны способы испытания несущей способности сваи, в которых регистрацию осадки выполняют струнными прогибомерами (см а.с. SU 574662, кл. Е02D 1/00, опубл. 1977 г. (1), «Руководство по методам испытаний несущей способности свай и грунтов», изд. Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства, 1979 г. (2), пат. RU 2398936, кл. Е02D 33/00, опубл. 2010 г.(3)).
В (1) при оценке несущей способности грунта создание усилия выполняют гидродомкратом, воздействующим на грунт через штангу и штамп. Создание усилий в ступенях нагружения выполняют с помощью дополнительного подвижного съемного хомута, скрепленного тросом с гидродомкратом и шарнирно скрепленного со штангой через рычаги и упорные плиты, закрепленные в шурфе, параллельно оси штанги. Сложность реализации способа в полевых условиях и необходимость наладочных работ на каждой нагрузочной ступени существенно увеличивает сроки испытаний и повышает их стоимость. К тому же регистрация осадки в (1) выполняется струнными прогибомерами Максимова, что не обеспечит достоверной оценки несущей способности грунта.
В (2) приведены рекомендации, заданы общие требования к испытаниям и предложен порядок проведения испытаний свай и грунтов, что рассчитано на регистрацию осадки прогибомерами Максимова.
Существенным недостатком (1), (2) является невысокая точность прогибомеров Максимова, равная 0,1 мм и менее, которая объясняется наличием нежесткого фрикционного соединения и люфта в кинематической схеме этих приборов. Это приводит к ошибкам при регистрации осадки, ведет к пониженной точности оценки несущей способности, к излишним затратам времени на испытания и к повышенным затратам на их проведение.
Наиболее близким аналогом является способ испытания несущей способности сваи (3), заключающийся в создании ступенчато-возрастающей нагрузки на грунт через сваю и штамп до наступления условной стабилизации, при которой скорость осадки не превышает установленного значения, за время, заданное в зависимости от вида грунта, в одновременной регистрации осадки с точностью контроля равной 0,01 мм, а для каждой ступени нагружения - в построении графиков изменения осадки во времени, имеющих вид экспоненты с изогнутым участком, характеризующим скорость осадки до начала условной стабилизации, и с пологим участком.
В (3) несущую способность сваи определяли по результатам регистрации осадки как сумму от несущей способности сваи, взаимодействующей с грунтом, и несущей способности по боковой поверхности сваи.
При этом регистрацию осадки выполняли двумя струнными прогибомерами 6ПАО, выполненными с кинематической редукторной схемой, в которой устранен люфт и имеющей точность контроля 0,01 мм. Однако в (3) при испытаниях использовали принятые ГОСТом 5686-94 «Грунты, методы полевых испытаний» (4) правила и временные режимы, установленные традиционным критерием условной стабилизации. Согласно (4) за традиционный критерий принята скорость осадки сваи, не превышающая 0,1 мм, за время наблюдения, заданное в зависимости от вида грунта. Указанные правила, временные режимы и традиционный критерий условной стабилизации получены для ГОСТа (4) на оснастке и контрольном оборудовании того времени. Испытания сваи с современными контрольными приборами повышенной точности, но с использованием традиционного критерия, показали излишне затраченное время на испытания и непроизводительные материальные расходы.
Задачей предложенного технического решения является сокращение времени и снижение стоимости статических испытаний сваи, приближение результатов регистрации осадки к действительному состоянию грунта с одновременным применением способа для грунтов разной консистенции.
Для решения поставленной задачи в предложенном способе испытания несущей способности сваи, заключающемся в создании ступенчато-возрастающей нагрузки на грунт через сваю и штамп до наступления условной стабилизации, при которой скорость осадки не превышает установленного значения, за время, заданное в зависимости от вида грунта, в одновременной регистрации осадки с точностью контроля равной 0,01 мм, а для каждой ступени нагружения - в построении графиков изменения осадки во времени, имеющих вид экспоненты с изогнутым участком, характеризующим скорость осадки до начала условной стабилизации, и с пологим участком, согласно изобретению регистрацию осадки на каждой ступени нагружения выполняют за равные интервалы времени, которые задают в пределах 3-5 минут, причем график изменения осадки во времени (экспоненту) строят по значениям осадки, равномерно зарегистрированным в каждом интервале времени, при этом на изогнутом участке экспоненты определяют интервал с зарегистрированной скоростью осадки, равной 0,05 мм/мин, по которой устанавливают новый критерий условной стабилизации, время до начала условной стабилизации определяют по числу интервалов на изогнутом участке до указанного интервала времени, а время наблюдения за скоростью осадки, не превышающей 0,05 мм/мин, определяют по числу интервалов на оставшемся отрезке изогнутого участка экспоненты до начала пологого участка, при этом для грунтов разного вида указанное число интервалов наблюдения за скоростью осадки выдерживают в соотношении L1:L2=1/T1:2/T2, где T1, L1 - соответственно время интервала и число интервалов времени наблюдении за скоростью осадки при испытании сваи на песчаном и глинистом грунте от твердой до тугопластичной консистенции; Т2, L2 - соответственно время интервала и число интервалов времени наблюдении за скоростью осадки при испытании сваи на глинистом грунте от твердой до тугопластичной консистенции. Кроме того, согласно изобретению время наблюдения за скоростью осадки при испытаниях сваи для песчаного и глинистого грунта от твердой до тугопластичной консистенции при новом критерии условной стабилизации составляет 15 минут, а для глинистых грунтов от твердой до тугопластичной консистенции это время равно 30 минутам.
Технический результат предложенного способа состоит в организации испытаний, позволяющей при использовании современных контрольных приборов получить новый критерий условной стабилизации, скорректировать соответственно время до начала условной стабилизации и время наблюдения за осадкой при условной стабилизации, что выполняют с учетом инженерно-геологических особенностей грунтов разной консистенции. Это позволило существенно сократить время испытаний свай и снизить их стоимость.
На фиг.1 приведено устройство для реализации предложенного способа испытания сваи.
На фиг.2 приведен график изменения осадки от нагрузки.
На фиг.3 приведены графики изменения осадки во времени, соответственно для разных ступеней нагружения, построенные для традиционного критерия условной стабилизации, установленного ГОСТом (4).
На фиг.4 приведен график изменения осадки во времени (экспонента), построенный для нового критерия условной стабилизации, при нагружении сваи, опирающейся на песчаный и глинистый грунт от твердой до тугопластичной консистенции.
На фиг.5 приведен график изменения осадки во времени (экспонента), построенный для нового критерия условной стабилизации, при нагружении сваи, опирающейся на тинистые грунты от твердой до тугопластичной консистенции.
При испытаниях свая 1 опирается на грунт 2 через скрепленный с ней штамп 3 (см. фиг.1) и соосно установлена в обсадной трубе 4. Гидродомкрат 5 предназначен для создания нагрузки на сваю, соосно закреплен на ней с упором в упорную балку. Для создания ступенчато-возрастающей нагрузки гидродомкрат сообщен с источником питания 7. Контроль осадки выполняют двумя струнными прогибомерами 8, симметрично расположенными относительно оси сваи 1.
Т1, Т2 - соответственно время интервалов (см. фиг.4, фиг.5). «a1», «б1», (см. фиг.4) - соответственно время до начала условной стабилизации и время наблюдения при условной стабилизации, на экспоненте, построенной, по новому критерию условной стабилизации, для песчаного и глинистого грунта от твердой до тугопластичной консистенции; «в1» - пологий участок для той же экспоненты; «а2», «б2» (см. фиг.5) - соответственно время до начала условной стабилизации и время наблюдения при условной стабилизации на экспоненте, построенной по новому критерию условной стабилизации для глинистого грунта от твердой до тугопластичной консистенции; «в2» - пологий участок для этой экспоненты.
Предложенный способ используется следующим образом.
При подаче давления в гидродомкрат 5 от источника питания 7 создают ступенчато-возрастающую нагрузку на сваю 1, воздействующую на грунт 2 через штамп 3. На каждой ступени нагружения это выполняют до наступления условной стабилизации. По полученным данным строят график изменения осадки от нагрузки (см. фиг.2), а для ступеней нагружения - графики изменения осадки во времени (экспоненту). По построенным графикам оценивают несущую способность сваи.
В предложенном способе регистрацию осадки ведут двумя симметрично расположенными относительно оси сваи струнными прогибомерами 8 (6ПАО) с точностью контроля равной 0,01 мм. Прогибомеры 8 скреплены с подвижной сваей и с неподвижной обсадной трубой 4 реперной системой (на чертеже не показана, см. з-ку на полезную модель 2013129309 от 27.06.2013 г.), исключающей искажения замеров при регистрации осадки. В каждой ступени нагружения регистрацию осадки предложено выполнять за равные интервалы времени T1, Т2, (см. фиг.4, фиг.5), которые задают в пределах 3-5 минут. График изменения осадки во времени (экспоненту) строят по значениям осадки, равномерно зарегистрированным в каждом интервале. Все это позволило повысить точность контроля, получить равномерную регистрацию осадки, увеличить число контрольных точек и максимально приблизить результаты регистрации осадки к реальному состоянию грунта.
При испытаниях сваи, опирающейся, например, на песчаный и глинистый грунт от твердой до тугопластичной консистенции (см. фиг.4), график изменения осадки во времени, построенный по результатам регистрации в ступенях нагружения, представляет собой экспоненту с монотонно убывающей скоростью осадки. На изогнутом участке экспоненты определили интервал времени с зарегистрированной скоростью осадки, достигшей 0,05 мм/мин. Далее на оставшемся отрезке изогнутого участка (за время «б1») экспоненты наблюдали слаботекущий процесс затухания скорости осадки, которая не превышает 0,05 мм/мин, что происходит до начала пологого участка «в1». По указанной скорости осадки, не превышающей 0,05 мм, за время наблюдения, до начала пологого участка «в1», экспериментально установили новый критерий условной стабилизации. Время «a1» изменения скорости осадки до наступления условной стабилизации определяли по числу интервалов изогнутого участка экспоненты, до указанного интервала (со скоростью осадки равной 0,05 мм/мин). Время «б1» наблюдения за скоростью осадки при условной стабилизации определяли по числу интервалов на оставшемся отрезке изогнутого участка экспоненты, до начала пологого участка «в1», что зависит от вида грунта. На пологом участке «в1» скорость осадки близка к постоянной и испытания можно прекратить. В каждой ступени нагружения новый критерий условной стабилизации, по сравнению с традиционным критерием (4, а также фиг.3), позволил сократить соответственно время «a1» изменения скорости осадки до начала условной стабилизации, время наблюдения «б1» за скоростью осадки при условной стабилизации. Это существенно сократило общее время испытаний и снизило их стоимость.
Число интервалов времени наблюдения за скоростью осадки при новом критерии условной стабилизации для грунтов разных видов предложено выдержать в соотношении L1:L2=1/Т1:2/Т2, где T1, L1 - соответственно время интервала и число интервалов времени при наблюдении за скоростью осадки для испытаний сваи на песчаном и глинистом грунте от твердой до тугопластичной консистенции; Т2, L2 - соответственно время интервала и число интервалов времени при наблюдении за скоростью осадки для испытаний сваи на глинистом грунте от твердой до тугопластичной консистенции. Указанное соотношение получено экспериментально, позволило скорректировать расчеты, выполняемые по результатам регистрации осадки для грунтов разной консистенции.
По графикам, полученным по результатам испытаний, определено время наблюдения за скоростью осадки при новом критерии условной стабилизации для разных грунтов. Для песчаного и глинистого грунта, от твердой до тугопластичной консистенции, это время равно 15 минут, а для глинистых грунтов, от твердой до тугопластичной консистенции, это время составило 30 минут; это позволило при расчетах уточнить данные, полученные при регистрации осадки. При этом получено, что время испытаний сокращено в два раза, а стоимость - в 1,7-1,9 раза по сравнению с испытаниями по традиционному критерию условной стабилизации.
Пример 1 реализации способа.
Заявленный способ реализован на производственных объектах ООО «ТрансКапСтроя» при испытаниях статической вдавливающей нагрузкой левой забивной сваи фундамента, на объекте строительства «Реконструкция Дмитровского шоссе. Реконструкция транспортной развязки МКАД с Дмитровского шоссе. Путепровод через пути Савеловского направления». Фундамент запроектирован на свае сечением 0,35×0,35 м, с длиной сваи равной 11 м. В качестве несущего инженерно-геологического элемента (грунта) по проекту принят суглинок темно-коричневый, тяжелый, пылеватый, с песчаными прослойками, тугопластичный. Испытания проводили в соответствии с «Методикой испытаний несущей способности свай и грунтов», изд., Москва, ООО «ИПТС»-«Транспроект», 2012 г.
2
.
Ступенчато-возрастающую вдавливающую нагрузку на сваю 1 на ступенях нагружения создавали одним гидродомкратом ДГ 100 грузоподъемностью 100 гс, с площадью поршня S=153,94 см  Гидродомкрат устанавливали при испытаниях на голове сваи 1 с упором в упорную балку 6. Нагрузку на ступенях нагружения выдерживали до начала условной стабилизации.
Регистрацию осадки выполняли двумя струнными прогибомерами 6ПАО, с точностью контроля равной 0,01 мм, за интервалы времени Т1 равные 3 мин. Прогибомеры 8 закрепляли реперной системой (см. выше), исключающей искажения замеров при регистрации осадки. График изменения осадки во времени (экспоненту) строили по значениям осадки, равномерно зарегистрированным за каждые 3 минуты, что повысило точность контроля и приблизило результаты регистрации осадки сваи к реальному состоянию грунта.
По экспоненте (см. фиг.4), построенной для ступени нагружения, в 5-м интервале изогнутого участка, определили скорость осадки равную 0,05 мм/мин. На оставшемся отрезке изогнутого участка экспоненты «б1» наблюдали, что скорость осадки не превысила 0,05 мм/мин, что является признаком затухания скорости осадки. Это наблюдали до начала пологого участка «в1». По скорости 0,05 мм/мин установили новый критерий условной стабилизации. По графику (по фиг.4) определили время изменения скорости «a1» до начала условной стабилизации, которое по числу интервалов равно 3 мин × 5=15 мин, т.е. время до начала условной стабилизации сокращено в два раза по сравнению с аналогами (см. фиг.3). Время наблюдения за изменением скорости осадки «б1» при условной стабилизации определили по 5-ти интервалам на оставшемся отрезке изогнутого участка графика, как 3 мин × 5=15 мин, что в два раза меньше в сравнении с аналогами. Сначала «в1» пологого участка осадка близка к постоянной, процесс затухания закончен, испытания были прекращены. Указанное сокращение времени получили в каждой ступени. В этом примере общее время испытаний сокращено в 2 раза, а стоимость испытаний снижена в 1,8 раза.
Пример 2 реализации способа.
Проведены аналогичные испытания сваи для несущего инженерно-геологического элемента - глинистого грунта от твердой до тугопластичной консистенции. Испытания вели с точностью контроля равной 0,01 мм. Регистрацию осадки вели в интервалах времени Т2=3 мин. Прогибомеры закрепляли реперной системой (см. выше). Определили интервал, скорость осадки в котором равна 0,05 мм/мин. Далее за время «б2» наблюдали затухающий процесс, при котором скорость осадки не превышала 0,05 мм, до начала пологого участка «в2». По скорости, равной 0,05 мм, установили критерий условной стабилизации. Время (см. фиг.5) до начала условной стабилизации «а2» определили по числу интервалов на изогнутом участке экспоненты (до указанного интервала, см. фиг.5), как 3 мин × 5=15 мин. Время наблюдения за скоростью осадки «б2» определили по числу интервалов времени (L2=10, по фиг.5) до начала пологого участка «в2», как 3 мин × 10=30 мин. В рассмотренном выше примере способа (см. фиг.4) число интервалов времени для наблюдения за скоростью осадки на участке «б1» было равно L=5. Это доказывает справедливость заявленного соотношения для грунтов разного вида L1:L2=1/Т1:2/Т2, где Т1=Т2=3 мин, L1=5, L2=10, что в числовом выражении соответствует: 5:10=1/3:2/3=1/2. Т.о. предложенный способ применим для испытания сваи на грунтах разной консистенции.
Способ описан для испытания сваи, что не ограничивает его притязаний, т.к. способ рассчитан на более широкое применение и может быть использован, с поправкой на установленные значения параметров, при испытаниях свайных фундаментов, зданий и др. сооружений.
Технико-экономический эффект предложенного способа состоит в сокращении времени и снижении стоимости статических испытаний сваи за счет приближения результатов регистрации осадки к действительному состоянию грунта, в одновременном применении способа для грунтов разной консистенции.