СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ СВАЕЙ
METHOD FOR FOUNDATION SOIL PILE TESTING

Изобретение относится к строительству, а именно к способам испытания свай статической нагрузкой.
Известен способ измерения деформаций грунтов вблизи микромодельной сваи, включающий измерение осадки микромодельной сваи и вертикальных перемещений глубинных марок в грунте, расположенных на одной глубине от дневной поверхности грунтового массива, причем вертикальную нагрузку передают на сваю ступенями, а осадку микромодельной сваи и перемещения грунтовых марок одновременно измеряют после стабилизации их перемещения [Пономарев А.Б., Голубев К.В. Распределение напряжений и деформаций в активной зоне модели одиночной микромодельной сваи с уширением на конце при ее нагружении статической вертикальной нагрузкой // Городские агломерации на оползневых территориях. Матер. III Междунар. науч. конф., посвященной 75-летию строит, образования в Волгограде 14-16 декабря 2005 г., г. Волгоград. Ч. II. - С. 9-15].
Недостатками способа являются:
- режим приложения вдавливающей нагрузки ступенями с выдержкой до стабилизации осадки микромодельной сваи не соответствует режиму нагружения свай в фундаменте при строительстве сооружений, при котором нагрузка увеличивается практически постоянно [см. Россихин Ю.В., Битайнис А.Г. Осадки строящихся сооружений. - Рига: Зинатне, 1980. - 339 с.] и не позволяет связать ее с режимом нагружения сваи в фундаменте сооружения и строго обосновать их подобие;
- отсутствие измерений вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности микромодельной сваи не позволяет корректно описать деформации грунта в месте непосредственного взаимодействия его со сваей: непрерывность или разрыв вертикальных перемещений грунта относительно сваи, а также выявить появление в грунте трещин сдвига и отрыва.
Известен способ испытания грунтового основания сваей, 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, времени ее приложения и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки 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 [Патент на изобретение РФ №2502847, E02D 33/00 - прототип].
Недостатками способа являются:
- отсутствие измерений вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и в активной зоне грунтового основания не позволяет оценивать деформации грунтового основания, вызванные осадкой сваи и образованием трещин сдвига и отрыва [см. Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. Исследования работы оснований буронабивных свай // Строительство: Новые технологии - новое оборудование, 2019, №7, с. 18-23];
- не позволяет корректно описать деформации грунта в месте непосредственного взаимодействия его со сваей: непрерывность или разрыв трещиной сдвига и отрыва вертикальных перемещений грунта относительно сваи, а также выявить момент появления в грунтовом основании трещин сдвига и отрыва, вызванных осадкой сваи;
- отсутствие данных о размере и местоположении в грунтовом основании трещины сдвига и отрыва при нагружении сваи не позволяет определять размеры основания и зону его влияния на соседние сваи в свайном фундаменте.
Задача изобретения - повышение достоверности и точности определения места и времени образования в грунтовом основании трещины сдвига и отрыва, вызванной осадкой сваи при ее нагружении, необходимых для оценки размеров основания сваи.
1
2
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе испытания грунтового основания 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, времени ее приложения и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки 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, согласно изобретения, на боковой поверхности модельной сваи размещают измеритель вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на уровне середины первого от дневной поверхности инженерно-геологического элемента, сложенного глинистым грунтом, в котором сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании, проведенном до испытания сваи, изменяется циклически, и на этом же уровне на расстоянии 1-2 диаметра сваи от ее оси размещают глубинную марку, при этом дополнительно регистрируют вертикальную деформацию грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальное перемещение глубинной марки синхронно регистрации осадки сваи, а по данным измерений рассчитывают ускорение g, мм/кПа, осадки сваи по формуле:
1
где f - скорость осадки сваи, мм/кПа;
1
1
s и P - I-е значения осадки сваи, мм, и вдавливающей силы, кПа;
I - номер регистрации значения осадки сваи; выделяют циклы изменения скорости осадки сваи, устанавливая их границы по последнему значению ускорения осадки сваи g при g<0 в каждом i-м цикле изменения скорости осадки сваи, где i - номер цикла изменения скорости осадки сваи, определяют минимальное значение скорости осадки сваи  на нисходящей ветви цикла скорости осадки сваи (при g<0) и максимальное значение скорости осадки сваи  на восходящей ветви цикла скорости осадки сваи (при g≥0), выделяют значения вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальных перемещений глубинной марки, синхронные всплеску скорости осадки сваи, определяемому по условиям
cr
принимают первый всплеск скорости осадки сваи за начало 2-го участка графика зависимости скорости осадки сваи от вдавливающей силы и за начало образования первой трещины сдвига и отрыва в грунтовом основании, рассчитывают длину проекции следа трещины сдвига и отрыва на горизонтальную плоскость L, м, и принимают ее за горизонтальный размер основания сваи:
где  - расстояние от глубинной марки до измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, м;
и  - вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и перемещения глубинной марки, мм, соответственно, синхронные значениям скорости осадки сваи  на восходящей ветви цикла скорости осадки сваи, принимаемые положительными, если их направление совпадает с направлением осадки сваи;
e.i
и  - вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и перемещения глубинной марки, мм, соответственно, синхронные значениям скорости осадки сваи f на нисходящей ветви цикла скорости осадки сваи, принимаемые положительными, если их направление совпадает с направлением осадки сваи, дополнительно определяют положение начала трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи по неравенству
где Н - глубина верхней границы инженерно-геологического элемента, в середине которого установлен измеритель вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, м;
cr
h - глубина точки начала трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи, м;
(G)
h - глубина точки размещения на боковой поверхности сваи измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, м.
Новизна заявляемого технического решения обусловлена тем, что на боковой поверхности модельной сваи размещают измеритель вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на уровне середины первого от дневной поверхности инженерно-геологического элемента, сложенного глинистым грунтом, в котором сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании, проведенном до испытания сваи, изменяется циклически, и на этом же уровне на расстоянии 1-2 диаметра сваи от ее оси размещают глубинную марку, при этом дополнительно регистрируют вертикальную деформацию грунта относительно с боковой поверхностью сваи и вертикальное перемещение глубинной марки синхронно регистрации осадки сваи, а по данным измерений рассчитывают длину проекции следа трещины сдвига и отрыва на горизонтальную плоскость, принимают ее за горизонтальный размер основания сваи в направлении от сваи на глубинную марку в заданном инженерно-геологическом элементе, и определяют положение начала трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи.
Применение измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи обеспечивает получение данных о вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи. Применение глубинной марки обеспечивает получение данных о вертикальной деформации грунта в активной зоне грунтового основания вокруг сваи.
Размещение измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и глубинной марки производят:
- в инженерно-геологическом элементе, сложенном глинистым грунтом, в котором сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании, проведенном до испытания сваи, изменяется циклически, что свидетельствует о возможности упруго-пластического разрушения грунта в этом инженерно-геологическом элементе с образованием трещины сдвига и отрыва [см.: 1) Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. В 2-х т.Т. 1. - М.: Изд-во ИЛ, 1954. - 647 с.; 2) Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. Схема работы под нагрузкой буронабивных свай в глинистых грунтах // Строительство: новые технологии - новое оборудование, 2019, №8. - С. 34-40];
- в первом от дневной поверхности инженерно-геологическом элементе, в котором возможно упруго-пластическое разрушение грунта с образованием трещины сдвига и отрыва, так как, по мере осадки сваи, трещины образуются сначала в верхних слоях [см.: 1) Григорян А.А. Расчет оснований свайных фундаментов в свете решения задач механики грунтов // Труды Международной научно-практической конф. по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. Т. 1, Пермь, 2004. - С. 200-205; 2) Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. Исследования работы оснований буронабивных свай // Строительство: новые технологии - новое оборудование, 2019, №7. - С. 18-23];
- на одном уровне, что обеспечивает определение положения трещины сдвига и отрыва в грунтовом основании относительно измерителя вертикальной деформации грунта на контакте с боковой поверхностью сваи и глубинной марки;
- на уровне середины инженерно-геологического элемента, что позволяет увеличить вероятность регистрации момента образования в грунтовом основании трещины сдвига и отрыва и определения ее размеров;
Размещение глубинной марки на расстоянии 1-2 диаметра сваи от ее оси обеспечивает удобство ее погружения в грунтовое основание рядом со сваей и гарантирует ее нахождение в активной зоне грунтового основания вокруг сваи.
Синхронная регистрация показаний всех измерений обеспечивает понимание причинно-следственной связи осадки сваи, вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и перемещений глубинной марки по совпадению данных во времени.
Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков является сущностью изобретения, обеспечивающей его новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость.
Пояснения к заявляемому способу испытания грунтового основания сваей изображены на:
фиг. 1 - принципиальная схема расположения в грунтовом основании бетонной модельной сваи с измерителем вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, глубинной марки и возникшей вследствие осадки сваи в грунтовом основании трещины сдвига и отрыва.
Для осуществления способа испытания грунтового основания сваей используют систему, состоящую из модельной буронабивной бетонной сваи 1, измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, глубинной марки 3, устройства 4 приложения вдавливающей силы, датчика 5 величины вдавливающей силы, датчика 6 осадки сваи, датчика 7 вертикальной деформации грунта относительно сваи, датчика 8 вертикальных перемещений глубинной марки, упорной конструкции 9, блока управления 10 и репера 11.
Измеритель 2 предназначен для измерения вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи представляет собой трубу 12 с боковым продольным сквозным пазом, из которого выступает поворотный элемент 13, соединенный через передаточный стержень 14 с датчиком 7 вертикальной деформации грунта относительно сваи [см. Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции // Заявка на изобретение №2020105074 от 3.02.2020 г.].
Глубинная марка 3 предназначена для измерения перемещений грунта в основании и представляет собой жесткий круглый штамп диаметром 20-25 мм, соединенный через передаточный стержень 15, размещенным в цилиндрическом корпусе 16, с датчиком 8 вертикальных перемещений глубинной марки. В качестве глубинной марки 3 может быть использован зонд установки статического зондирования с выдвижным сердечником, у которого конусный наконечник (индентор) заменен на цилиндрический [см. Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Способ испытания грунтов статическим зондированием / Патент на изобретение РФ №2398210, G01N 3/42 // Изобретения. Полезные модели, 2010, №24].
Устройство 4 предназначено для приложения на сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, и может иметь любой привод: гидравлический, пневматический или механический.
Датчик 5 предназначен для измерения приложенной вдавливающей силы с шагом измерения не более 100-200 Н и может быть выполнен, например, в виде динамометра сжатия с растровым фотоэлектронным преобразователем линейных перемещений.
Датчик 6 предназначен для измерения осадки сваи с шагом измерения 0,005 мм, датчик 7 предназначен для измерения вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи с шагом измерения 0,005 мм, а датчик 8 предназначен для измерения вертикальных перемещений глубинной марки с шагом измерения 0,005 мм. Датчики 6, 7 и 8 могут иметь одинаковую конструкцию, например, в виде растрового фотоэлектронного преобразователя линейных перемещений.
Конструкция 9 предназначена для создания упора для устройства 4 приложения вдавливающей силы и датчика 5 величины вдавливающей силы. В качестве упорной конструкции 9 и может быть использована любая конструкция, например, устройство для испытания грунтов статическими нагрузками [см. Авт.св. СССР №1366602, E02D 33/00. Устройство для испытания грунтов статическими нагрузками / Денисенко В.В., Байков О.Н., Антропов В.А. и др. // Открытия. Изобретения, 1988, №2].
Блок управления 10 предназначен для: задания постоянной скорости возрастания вдавливающей силы; включения устройства 4 приложения вдавливающей силы; индицирования на дисплее и регистрации в электронной памяти блока управления 10 величины приложенной вдавливающей силы, времени ее приложения, величины осадки сваи, величины вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и величины вертикального перемещения глубинной марки.
Способ испытания грунтового основания сваей осуществляют следующим образом.
В грунтовом основании изготавливают модельную буронабивную бетонную сваю 1, в которой размещают измеритель 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи так, чтобы его поворотный элемент находился в горизонтальном положении на уровне середины первого от дневной поверхности инженерно-геологического элемента, в котором сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании, проведенном до испытания сваи, изменяется циклически.
На этом же уровне на расстоянии 1-2 диаметра сваи от ее оси размещают глубинную марку 3 путем ее погружения в грунтовое основание со скоростью до 1,5 м/мин цилиндрическим корпусом 16 зонда статического зондирования [см. Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Способ испытания грунтов статическим зондированием / Патент на изобретение РФ №2398210, G01N 3/42 // Изобретения. Полезные модели, 2010, №24] сначала на 5-6 см выше проектного уровня а затем с помощью сердечника 15 глубинную марку 3 погружают для предотвращения нарушения природного сложения грунта со скоростью не более 5 мм/мин на проектный уровень совпадающий с уровнем положения поворотного элемента 13 измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи.
На сваю 1 устанавливают устройство 4 приложения вдавливающей силы с датчиком 5 величины вдавливающей силы и монтируют упорную конструкцию 9.
К торцу сваи 1 подводят датчик 6 осадки сваи, к передаточному стержню измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи подводят датчик 7 вертикальной деформации грунта относительно сваи, а к сердечнику 15 подводят датчик 8 вертикальных перемещений глубинной марки. Датчики 6 и 8 устанавливают на одном репере 11, а датчик 7 - на измерителе 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи.
Устройство 4 приложения вдавливающей силы, датчик 5 величины вдавливающей силы, датчик 6 осадки модельной сваи, датчик 7 вертикальной деформации грунта относительно сваи и датчик 8 вертикальных перемещений глубинной марки подключают к блоку управления 10.
В блоке управления 10 задают скорость постоянного возрастания вдавливающей силы, которую определяют в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта [см. Денисенко В.В., Ляшенко П.А., Остапенко А.И. и др. Способ определения несущей способности модельной сваи / Патент на изобретение РФ №2502847, E02D 33/00 // Изобретения. Полезные модели, 2013, №36].
Затем включают устройство 4 приложения вдавливающей силы и производят приложение на сваю 1 вдавливающей силы с заданной непрерывно возрастающей с постоянной скоростью. В процессе приложения на сваю 1 вдавливающей силы на дисплее блока управления 9 с шагом 0,005 мм осадки сваи индицируются и запоминаются в электронной памяти блока управления 9: величина приложенной на сваю 1 вдавливающей силы, время ее приложения, величина осадки сваи 1, величина вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи 1 и величина вертикального перемещения глубинной марки 3.
1
1
По данным измерений рассчитывают ускорение g и скорость f осадки сваи по формулам (1)-(2), выделяют циклы изменения скорости осадки сваи, устанавливая их границы по последнему значению ускорения осадки сваи g при g<0 в каждом i-м цикле изменения скорости осадки сваи, где i - номер цикла изменения скорости осадки сваи, определяют минимальное значение скорости осадки сваи  на нисходящей ветви цикла скорости осадки сваи (при g<0) и максимальное значение скорости осадки сваи  на восходящей ветви цикла скорости осадки сваи (при g≥0), выделяют значения вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальных перемещений глубинной марки, синхронные всплеску скорости осадки сваи, определяемому по условиям (3), принимают первый всплеск скорости осадки сваи за начало 2-го участка графика зависимости скорости осадки сваи от вдавливающей силы и за начало образования в грунтовом основании первой трещины сдвига и отрыва, рассчитывают длину проекции следа трещины сдвига и отрыва на горизонтальную плоскость используя по формулы (4)-(6) и принимают ее за горизонтальный размер основания сваи. Кроме того определяют положение начала трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи по неравенству (7).
Таким образом, изобретение позволяет определять длину проекции следа на горизонтальную плоскость и положение в грунтовом основании начала трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи, вызванной нагружением сваи вертикальной вдавливающей силой. Знание размеров и положения трещины сдвига и отрыва в грунтовом основании позволяет оценить размеры основания сваи, повысить точность и достоверность оценки сопротивления сваи нагрузке и зоны ее влияния.