СВАЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КАСАТЕЛЬНЫХ СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ
PILE TO MEASURE TANGENTIAL FORCES OF FROST HEAVING OF SOILS

Изобретение относится к строительной технике к области фундаментостроения и предназначено для длительных измерений касательных сил морозного пучения, действующих на сваи в процессе промерзания грунтов, совместно с измерением сил трения немерзлого грунта у границы промерзания в любых инженерно-геологических условиях.
3
Известна полая свая для измерения касательных сил морозного пучения грунтов [А.с. 1046418 СССР, МКИ Е02D 1/00. Установка для определения касательных сил пучения в полевых условиях / И.И Железняк, Б.Б.Елгин и П.И.Сальников (СССР). №3452326/29-33; заявл. 10.06.82; опубл. 07.10.83. Бюл. №37. - 2 с.: ил.], включающая торцевую плиту с отверстиями, установленную над сваей, анкерный элемент с упорной плитой и гайками, регистрирующие пластины с шариковыми индикаторами, мерзлотомер и защитный кожух.
Этой сваей нельзя измерить: касательные силы пучения раздельно по глубине промерзания; действительную динамику касательных сил пучения в процессе промерзания грунта, так как на измерительное устройство сваи передается не сила пучения, соответствующая данной глубине промерзания, а разность между касательной силой пучения и направленной вниз силой трения немерзлого грунта о сваю; силы трения немерзлого грунта у нижней границы промерзающей толщи, которые должны учитываться в поправках при измерениях касательных сил пучения и могут существенно увеличиваться за счет обжатия промерзающим слоем [Орлов В.О. Криогенное пучение тонкодисперсных грунтов. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 187 с.и др.].
Известно устройство [А.с. 113632 СССР, Класс 42k, 28. Устройство для определения сил смерзания, пучения и давления на острие сваи / К.Е.Егерев (СССР). №461306; заявл. 07.06.56; опубл. 04.08.58. - 3 с.: ил.], выполненное в виде круглой полой сваи, состоящей из отдельных железобетонных колец (секций), разделенных резиновыми прокладками, и железобетонного сердечника, соединенного с железобетонными кольцами при помощи опорных металлических балок, деформации которых измеряются наклеенными на них тензорезисторами.
С помощью этого устройства измеряют раздельно силы пучения, действующие на каждую секцию. Эта свая погружается в заранее приготовленную в грунте скважину, а затем обсыпается грунтом нарушенной структуры. Поэтому такой сваей нельзя измерять силы пучения грунтов, действующих на забивные сваи, так как забить в грунт без повреждений ее невозможно. Расположение силоизмерительных устройств внутри сваи на балках соединяющих кольца (секции) с сердечником, делает невозможным их замену и тарировку без извлечения сваи, что снижает надежность и достоверность измерений и делает невозможным проведение длительных измерений.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство [А.с. 155138 СССР, МКИ Е02D 33/00. Устройство для определения сил смерзания и пучения грунтов, действующих на свайные фундаменты / Р.А.Хартанович (СССР). №788446/29-14; заявл. 19.07.62; опубл. 1963 г. Бюл. №11. - 2 с.: ил.]. Это устройство представляет собой железобетонную сваю квадратного сечения, верхняя часть которой состоит из отдельных полых секций, воспринимающих касательные силы морозного пучения. Полые секции соединены с металлическим, заделанным в нижней части сваи, сердечником (анкерным стержнем) с помощью металлических кронштейнов, деформации изгиба которых регистрируют наклеенные на них тензорезисторы (силоизмерительные датчики). Для погружения сваи в грунт забивкой анкерный стержень имеет в верхней части резьбу и гайку, опирающуюся на стальную плиту с отверстием, которая фиксируют положение полых секций во время забивки. Перед забивкой секции обжимают домкратами.
С помощью этого устройства измеряют касательные силы пучения, действующие на каждую полую секцию. Затем определяют общую (суммарную) силу пучения как сумму сил, действующих на секции, находящиеся в пределах глубины промерзания грунта на момент измерений.
Свая отличается сложностью изготовления и подготовки к погружению (требуется обжатие секций домкратами). Отказ в работе тензорезисторов, расположенных внутри любой секции, делает невозможным дальнейшее измерение силы, действующей на секцию, и, следовательно, определение суммарной силы пучения. Тарировка и ремонт силоизмерительных устройств невозможны без извлечения сваи из грунта, т.е. свая непригодна для длительных измерений касательных сил пучения. Надежность измерений касательных сил пучения этой сваей неопределенна, так как для подтверждения достоверности результатов измерений необходима повторная тарировка силоизмерительных устройств каждой секции в сборе после извлечения сваи из грунта. При погружении забивкой возможны повреждения этих устройств. В случае попаданий включений грунта или льда в горизонтальные промежутки (зазоры) между полыми секциями они перестают работать изолированно и показания тензорезисторов искажают фактические силы, действующие на каждую секцию. Сваю нельзя применять при расположении уровня подземных вод в пределах секций, так как замерзание воды в полостях секций прекращает работу устройства.
Технической задачей изобретения является повышение надежности, точности и длительности измерений касательных сил морозного пучения, действующих на забивные сваи в процессе промерзания грунтов.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной свае, включающей в верхней части полые секции, через полости которых пропущен центральный анкерный стержень, жестко заделанный в нижней части сваи, а в верхней части имеющий резьбу и гайку, опирающуюся на плиту с отверстием, силоизмерительные датчики, согласно изобретению полые секции отсоединены от центрального анкерного стержня, на каждую полую секцию, кроме верхней, сверху концентрично установлен и жестко соединен с ней полый шток с прикрепленной к нему вверху опорной пластиной, полые штоки коаксиально пропущены через полости вышерасположенных секций и полых штоков до выхода над верхней полой секцией, силоизмерительные датчики установлены ярусами над головой сваи, причем силоизмерительные датчики первого яруса установлены на торец полой секции, а силоизмерительные датчики остальных ярусов установлены на опорные пластины полых штоков, верх каждого силоизмерительного датчика верхнего яруса упирается в плиту с отверстием, а верх каждого силоизмерительного датчика остальных ярусов упирается в расположенную непосредственно над ним опорную пластину полого штока, в торцах смежных полых секций и в верхнем торце нижней части сваи сделаны по периметру сваи прямоугольные сплошные выемки, в которые установлены прокладки из эластичного водонепроницаемого материала, верхняя и нижняя поверхности которых приклеены.
У заявляемого технического решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами указанных известных технических решений. Так, отсоединение полых секций от центрального анкерного стержня и снабжение каждой из них, кроме верхней, концентрично установленным полым штоком с прикрепленной к нему вверху опорной пластиной образует новую связь между полой секцией и силоизмерительными датчиками, позволяющую расположить силоизмерительные датчики над головой сваи. Новое расположение силоизмерительных датчиков позволяет применять съемные силоизмерительные датчики заводского изготовления, которые после окончания сезона измерений перед каждым следующим зимним сезоном можно снимать для тарировки и в случае необходимости заменять на новые. Это позволяет с высокой гарантированной надежностью проводить длительные (в течение многих зимних сезонов) измерения касательных сил пучения с учетом влияния сил трения немерзлого грунта, что повышает точность и надежность окончательных результатов измерений. Возможность тарировки каждого силоизмерительного датчика по отдельности, а не всей сваи в сборе, как у прототипа, также повышает точность измерений, так как для тарировки одного силоизмерительного датчика требуется нагружающая установка с меньшим предельным силовым усилием, чем для тарировки каждой секции у прототипа. Это значит, что отклонения усилий, передаваемых нагружающей установкой (одинакового класса точности) при тарировке силоизмерительного датчика, от фактических будут тоже меньше. Кроме того, исключается возможность повреждения силоизмерительных датчиков при забивке сваи, так как их устанавливают после забивки сваи, в отличие от прототипа. Устройство сплошных прямоугольных выемок по периметру торцов смежных полых секций и верхнего торца нижней части и установка в них эластичных водонепроницаемых прокладок позволяет забивать сваю без повреждения прокладок. Эти прокладки повышают надежность и длительность измерений касательных сил пучения, препятствуя попаданию в зазоры между полыми секциями включений грунта и воды (льда), и позволяют использовать сваю при расположении уровня подземных вод в пределах глубины промерзания грунта.
По сравнению с устройством [А.с. 1046418] заявляемое техническое решение имеет новые свойства - возможность измерения сил трения немерзлого грунта и возможность раздельного по глубине промерзания измерения касательных сил пучения, что повышает точность измерений касательных сил пучения в процессе промерзания грунта (например, для учета воздействия этих сил в период строительства) за счет учета поправок на силы трения немерзлого грунта и отсутствия воздействия сил трения на полые секции, расположенные выше нижней границы промерзания грунта.
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где приведены: на фиг.1 - конструкция сваи в рабочем состоянии после погружения в грунт, на фиг.2 - горизонтальный разрез А-А верхней полой секции сваи, на фиг.3 - схема расположения силоизмерительных датчиков (вид сверху), на фиг.4 - вертикальный разрез Б-Б полых секций сваи, на фиг.5 - свая в сборе для забивки в грунт.
Свая для измерения касательных сил морозного пучения грунтов состоит из полых секций 1 в верхней части сваи (в пределах ожидаемой максимальной глубины промерзания грунта), через полости которых пропущен центральный анкерный стержень 2, жестко заделанный в нижней части сваи 3. Центральный анкерный стержень 2 сверху имеет резьбу и навинченную на нее гайку 4, опирающуюся нижней опорной плоскостью на плиту 5 с отверстием для пропуска центрального анкерного стержня. Каждая полая секция, кроме верхней, снабжена концентрично установленным на полой секции 1 и жестко соединенным с ней полым штоком 6, имеющим внутренний диаметр как у полости секции, а наружный немного меньше диаметра полости вышерасположенной секции. Каждый полый шток 6 коаксиально пропущен через полости вышерасположенных секций и полых штоков до выхода над головой сваи и снабжен сверху жестко соединенной с ним опорной пластиной 7. Наибольшую длину имеет шток самой нижней полой секции. Длину каждого полого штока 6 до опорной пластины 7 определяют как сумму величин устанавливаемых зазоров между смежными торцами полых секций и высот самих полых секций, расположенных выше, с учетом длины, необходимой для размещения ярусами силоизмерительных датчиков ниже опорной пластины этого полого штока.
На торец верхней секции 1 и на каждую опорную пластину 7 установлены по три силоизмерительных датчика 8. Силоизмерительные датчики 8 верхнего яруса упираются верхом в плиту 5. Силоизмерительные датчики остальных ярусов - в расположенные непосредственно над ними опорные пластины 7. В качестве силоизмерительных датчиков рекомендуется использовать жесткие (предельная деформация не более 3 мм) силоизмерительные датчики заводского изготовления с высоким классом точности.
Каждый торец полых секций и верхний торец нижней части сваи имеет металлическую пластину 9, соединенную сваркой с продольной арматурой 10 и металлической трубой, образующей полость секции. Торцы смежных полых секций и верхний торец нижней части сваи имеют по периметру небольшие прямоугольные сплошные выемки, в которые установлены прокладки 11 из эластичного водонепроницаемого материала, например резины. Верхняя и нижняя поверхности прокладок приклеены к полым секциям. Для предотвращения смещений секций (и облегчения сборки сваи) одна из смежных металлических пластин 9 полой секции имеет штыри 12, а другая - соосные с ними отверстия 13. Пространство между стенками полых штоков, между внутренними стенками полых секций и наружными стенками полых штоков, а также пространство между анкерным стержнем и внутренними стенками полого штока и нижней полой секции заполняют не затвердевающим вязким гидрофобным материалом, например солидолом.
Для обжатия секций сваи перед забивкой и защиты штоков с опорными пластинами 7 для забивки сваи в грунт применяют специальный наголовник 14.
На голову сваи после снятия показаний силоизмерительных датчиков устанавливают съемный защитный кожух 15, который в случае необходимости может быть утеплен.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Перед забивкой сваи в грунт ее собирают как показано на фиг.5 и закручиванием гайки 4 обжимают торцы секций путем передачи на них давления от плиты 5 через специальный наголовник 14. Опорные пластины 7 могут привариваться к штокам 6 как до забивки (в заводских условиях), так и после забивки сваи на опытной площадке. Расстояние от верхней секции до ближайшей опорной пластины 7 и расстояние (в свету) между опорными пластинами равно высоте силоизмерительного датчика плюс величина устанавливаемого зазора (1…3 мм) между торцами смежных секций.
После забивки сваи специальный наголовник снимают и на самую верхнюю опорную пластину устанавливают силоизмерительные датчики согласно схеме, приведенной на фиг.3. Поверх силоизмерительных датчиков укладывают плиту 5 и слегка прижимают к ним закручиванием гайки 4 (зазор между торцом нижней полой секции и торцом нижней части сваи предварительно устанавливать необязательно, так как он образуется при растяжении центрального анкерного стержня под действием на сваю касательных сил пучения). Затем устанавливают силоизмерительные датчики следующего яруса на опорную пластину 7, которая с помощью домкратов подтягивается вверх до упора силоизмерительных датчиков в вышерасположенную опорную пластину. После установки самого нижнего (первого) яруса силоизмерительных датчиков на торец верхней полой секции подтягивать вверх эту секцию необязательно, так как она в начале промерзания (пучения) грунта поднимется сама (скорость пучения грунта в начале промерзания, как правило, наибольшая за зимний сезон) до упора силоизмерительных датчиков в расположенную над ними опорную пластину полого штока.
При проведении измерений касательных сил морозного пучения грунтов со всех силоизмерительных датчиков каждого яруса снимают показания. Силоизмерительные датчики каждого яруса фиксируют алгебраическую сумму действующих на полую секцию сваи касательных сил пучения промерзшего грунта и сил трения незамерзшего грунта. Причем силоизмерительные датчики первого яруса фиксируют воздействие этих сил на верхнюю (первую) полую секцию, второго яруса - на первую и вторую полые секции, третьего яруса - на первую, вторую и третью полые секции и т.д. Силы трения на полую секцию действуют только при расположении нижней границы промерзания выше нижнего торца секции, а касательные силы пучения - при расположении нижней границы промерзания ниже верхнего торца секции. Глубина промерзания грунта, соответствующая моменту измерения касательных сил пучения, определяется с помощью установленного недалеко от сваи мерзлотомера или ручным бурением скважины малого диаметра (20…30 мм). Касательные силы морозного пучения, действующие на отдельную полую секцию, вычисляют с учетом (прибавлением) поправок на силы трения немерзлого грунта (когда нижняя граница промерзания выше нижнего торца секции), определяемые вычислением по данным показаний силоизмерительных датчиков для расположенной в незамерзшем грунте полой секции, и на собственный вес этой полой секции со штоком. Суммарные касательные силы морозного пучения определяют как сумму касательных сил пучения, действующих на полые секции, или по показаниям силоизмерительных датчиков верхнего яруса с увеличением их на величину сил трения, действующих на боковые поверхности полых секций, и величину собственного веса полых секций со штоками.
Использование новых элементов - отсоединение полых секций от центрального анкерного стержня, снабжение каждой полой секции, кроме верхней, концентрично установленным полым штоком с закрепленной сверху на нем опорной пластиной и пропущенным коаксиально через полости вышерасположенных секций и штоков, и установка силоизмерительных датчиков ярусами над головой сваи, а также установка эластичных прокладок в выемки в торцах полых секций, - приводят к появлению новых свойств у заявляемого технического решения, а именно в повышении надежности, точности и длительности измерений касательных сил пучения, действующих на забивные сваи в процессе промерзания грунта, в том числе и за счет одновременного измерения (с помощью тех же силоизмерительных датчиков) сил трения немерзлого грунта, действующих на полые секции ниже границы промерзания и учитываемых в поправках к касательным силам пучения.
Расположение силоизмерительных датчиков ярусами над головой сваи, позволяющее использовать съемные силоизмерительные датчики заводского изготовления с высоким классом точности и регулярно тарировать их после окончания каждого сезона измерений, дает возможность проконтролировать надежность и точность выполненных измерений. Возможность проведения длительных (в течение многих зимних сезонов) измерений касательных сил морозного пучения и сил трения немерзлого грунта тоже повышает надежность и точность получаемых результатов за счет учета в статистической обработке длинного ряда данных измерений.