Полевые испытания грунтов сваями при действии статических вдавливающих, выдергивающих и горизонтальных нагрузок

Испытуемые свайные конструкции должны соответствовать стандартам или ТУ, а их погружение – осуществляться в соответствии с программой исследований, которая разрабатывается и согласовывается согласно Приложению А (ГОСТ 5686-2012).

В качестве испытуемых могут использоваться натурные, эталонные или сваи-зонды. 

Среди всех схем установок, представленных в Приложении Б ГОСТа 5686-2012, наиболее востребованы установки с использованием:

• грузовой платформой;
• системы балок и анкеров;
• упорной системы и натяжного устройства для горизонтальных нагрузок.

В первом случае усилие от домкрата, передающееся на сваю, воспринимается за счет собственного веса пригруза на платформе. 

 

Рисунок 1 – Принципиальная схема установки для исследований при действии вдавливающей нагрузки с использованием грузовой платформы

Так как применение грузовой платформы ограничено ее грузоподъемностью (около 200 тонн), при значительных усилиях используется система балок и анкеров. В этом случае реактивное усилие от домкрата воспринимается анкерами через систему металлических балок. При расчете количества и сечения используемых балок за основу берется наибольшая нагрузка на сваю (по условию обеспечения прочности и устойчивости).

Рисунок 2 – Принципиальная схема установки для исследований при действии вдавливающей нагрузки с использованием металлической балки и анкеров

В третьем случае – в качестве упора применяется система свай для восприятия горизонтальных нагрузок, а усилие создается гидравлическим домкратом или натяжным устройством.

Рисунок 3 – Принципиальная схема установки для исследований при действии горизонтальной нагрузки с использованием гидравлического домкрата и упора 

Испытуемая свая нагружается равномерно, без ударов. Значение ступеней нагрузки устанавливается программой испытаний, но принимается не более 1/10 максимального усилия, заданного в программе. 

В случае заглубления нижних концов натурных свай в глинистые (твердой консистенции) и крупнообломочные грунты, а также гравелистые и плотные пески допускается три первые ступени нагрузки принимать равными 1/5 максимального усилия. 

Если диаметр сваи составляет 800 мм и более, исследования по ее боковой поверхности и под нижним концом допускается проводить раздельно. 

На каждой ступени нагружения снимают отсчеты по всем приборам для измерения деформаций:

• нулевой отсчет – перед нагружением;
• первый отсчет – сразу после приложения усилия;
• последовательно три отсчета с интервалом 30 минут;
• через каждый час до условной стабилизации деформации (затухания перемещения).

При испытании грунтовых массивов эталонной или сваей-зондом отсчеты на каждой ступени нагружения снимают: 

• первый отсчет – сразу после приложения усилия;
• два отсчета – с интервалом 15 минут;
• с интервалом 30 минут до условной стабилизации деформации.

 

Рисунок 4 – Испытание при действии статической вдавливающей нагрузки с использованием металлической балки и анкеров

Рисунок 5 – Испытание при действии статической вдавливающей нагрузки с использованием грузовой платформы и груза

За критерий условной стабилизации деформации при испытании натурной сваей принимают осадку на данной ступени нагружения, не превышающую 0,1 мм за последние 60 минут наблюдений, если под нижним концом сваи залегают песчаные или глинистые грунты (от твердой до тугопластичной консистенции), или 2 часа наблюдений, если под нижним концом залегают глинистые грунты от мягкопластичной до текучей консистенции.

Усилие при испытании натурной сваей должно быть доведено до значения, при котором общая осадка составляет не менее 40 мм. При испытании эталонной или сваей-зондом эта осадка должна быть не менее 20 мм. При меньших осадках продолжительность выдержки под нагрузкой на последней ступени нагружения, даже в случае достижения принятой условной стабилизации, должна составить не менее 5 часов, если в программе не указан другой срок выдержки стабилизации.

При заглублении нижних концов натурных свай в крупнообломочные, плотные песчаные и глинистые грунты твердой консистенции усилие должно быть доведено до значения, предусмотренного программой исследований, но не менее полуторного значения несущей способности сваи, определенной расчетом, и не более расчетного сопротивления ствола по материалу.

Рисунок 6 – Процесс установки индикаторов измерения перемещений и испытания

Разгрузку сваи (натурной, эталонной или сваи-зонда) проводят после достижения наибольшего усилия ступенями, равными удвоенным значениям ступеней нагружения, с выдержкой на каждой не менее 15 минут.

Отсчеты по приборам для измерения деформаций снимают сразу после каждой ступени разгрузки и через 15 минут наблюдений. После полной разгрузки (до нуля) наблюдения за упругим перемещением следует проводить в течение:

• 30 минут – при песчаных грунтах, залегающих под нижним концом сваи;
• 60 минут – при глинистых, со снятием отсчетов через каждые 15 минут.

В процессе ведут журнал согласно ГОСТ 5686-2012.

Пример проведения работ по испытаниям грунтов сваями при действии статической вдавливающей нагрузки

ОБЪЕКТ: Ангар для производства NPK удобрений, расположенный в особой экономической зоне «Алабуга» (Елабужский муниципальный район Республики Татарстан).

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Проектом было предусмотрено применение куста из винтовых свай, объединенных ж/б ростверком, часть из которых выполнялись наклонными, а часть – вертикальными. В проекте было заложено проведение испытаний статической вдавливающей и горизонтальной нагрузкой на фундамент с целью определения деформаций свайного фундамента при действии проектных усилий. Особенность данных исследований, которые выполнялись на этапе инженерно-геологических изысканий, – проведение статических испытаний на совместное действие вдавливающих и горизонтальных нагрузок, так как раздельные не отражают реальную работу конструкции при эксплуатации.

Рисунок 7 – Исследование на совместное действие вдавливающей и горизонтальной нагрузки. 

ВЫВОДЫ: Грамотно составленная программа испытаний, учитывающая действительный характер работы свай в основании будущего здания, позволила правильно оценить несущую способность грунтов. Данный метод является наиболее достоверным, так как имитирует реальную работу фундамента и позволяет точно спрогнозировать вертикальные и горизонтальные деформации. 

Для испытания грунтовых массивов статической выдергивающей нагрузкой допускается использовать сваи, с помощью которых проводилось испытание статической вдавливающей нагрузкой. При этом продолжительность их «отдыха» принимают согласно ГОСТ 5686-2012.

Рисунок 8 – Исследования при действии статической выдергивающей нагрузки 

Нагружение статической выдергивающей нагрузкой и снятие отсчетов по приборам проводят аналогично испытаниям статической вдавливающей нагрузкой. 

За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость выхода сваи из грунта на каждой ступени приложения выдергивающей нагрузки, но не более 0,1 мм за последние 2 часа наблюдений для свай в фундаментах зданий и сооружений (кроме мостов), а для свай в фундаментах опор мостов – не более 0,1 мм за последний час наблюдений. 

Усилие при испытании грунтовых массивов выдергивающей нагрузкой при инженерных исследованиях для строительства должно быть доведено до значения, вызывающего подъем сваи из грунта не менее чем на 25 мм. При контрольных испытаниях максимальная выдергивающая нагрузка определяется программой.

Усилие при контрольном испытании выдергивающей нагрузкой не должно превышать расчетную выдергивающую нагрузку на сваю, указанную в проекте свайного фундамента.

В процессе ведут журнал согласно ГОСТ 5686-2012.

Приборы для измерения горизонтальных перемещений испытываемой сваи устанавливают в плоскостях, параллельных плоскости действия силы, не менее двух: на уровне поверхности грунта (в акваториях – поверхности воды) и на уровне приложения горизонтальной нагрузки.

Рисунок 9 – Исследования на действие статического горизонтального усилия с использованием системы натяжения

Приложение статической горизонтальной нагрузки и снятие отсчетов по приборам проводят аналогично испытаниям вдавливающей нагрузкой.

За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость горизонтального перемещения на каждой ступени приложения горизонтальной нагрузки, не превышающую 0,1 мм за последние 2 часа наблюдений по приборам, расположенным на уровне приложения горизонтальной нагрузки.

При испытании горизонтальными нагрузками несущая способность определяется как усилие натяжения, соответствующее определенному горизонтальному перемещению в уровне приложения нагрузки. Величина перемещения, которая является критерием для определения несущей способности, назначается программой работ.

Усилие при контрольном испытании горизонтальной нагрузкой при строительстве не должно превышать расчетную горизонтальную нагрузку на сваю, указанную в проекте свайного фундамента.

В процессе ведут журнал согласно ГОСТ 5686-2012.

Особенности подготовки.

При испытаниях многолетнемерзлых грунтов (МГ) должно быть исключено смерзание сваи с грунтовым массивом слоя сезонного оттаивания/промерзания, для чего следует проводить специальные мероприятия (проходка шурфа или бурение скважины размерами, превышающими максимальный размер поперечного сечения сваи, с полным заполнением зазоров материалом, исключающим возможность смерзания) до начала сезонного промерзания основания. 

После устройства буроопускных, опускных и буронабивных свай в МГ не реже одного раза в неделю проводят измерение температуры основания по всей длине термометрического устройства с интервалом не более 1 м, в том числе обязательно на глубине расположения конца сваи.

При испытаниях бурозабивными и забивными сваями начало исследований назначают не ранее чем через неделю после их устройства, буронабивными – не ранее достижения бетоном 80 процентов проектной прочности.

Исследования МГ следует начинать только после полного вмерзания испытуемой сваи. При этом средняя температура по ее длине не должна быть выше температуры окружающего грунтового массива или температуры, предусмотренной программой исследований.

Рисунок 10 – Испытание МГ статическими вдавливающими усилиями с использованием инвентарной палатки с тепловыми пушками

Проведение испытания статической выдергивающей нагрузкой МГ сваями, входящими в состав свайного фундамента, не допускается.

Нагружение проводят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки, значение которых определяется программой работ, но принимается не более 1/5 наибольшего усилия для первых трех ступеней и 1/10 – для последующих ступеней нагружения.

На каждой ступени снимают отсчеты по всем приборам для измерения деформаций в такой последовательности: нулевой отсчет – перед нагружением, первый отсчет – сразу после приложения усилия, затем последовательно: через 30 мин, 1, 2, 4, 8, 16 и 24 часа, и далее с интервалом 24 часа.

Каждую ступень выдерживают до условной стабилизации деформации (осадки, выхода), но не менее 24 часов.

За критерий условной стабилизации принимают скорость осадки (выхода) сваи на данной ступени нагружения, не превышающую 0,2 мм за последние 24 часа наблюдений.

Усилие должно быть доведено до значения, при котором на данной ступени нагружения не происходит стабилизации деформации. Исследование на этой ступени заканчивают после достижения значения осадки (выхода), не менее чем в три раза превышающего значение на предыдущей ступени при общей осадке не менее 25 мм или выходе не менее 10 мм.

Если усилие доведено до наибольшего значения, заданного программой, и при этом скорость осадки (выхода) превышает 0,2 мм/сут, то испытания допускается прекратить.

Разгрузку проводят ступенями, равными удвоенным значениям ступеней загружения. Продолжительность выдержки каждой ступени принимают не менее 15 мин.

В процессе ведут журнал согласно ГОСТ 5686-2012.

Особенности подготовки.

Забивку или устройство свай, предназначенных для испытаний в просадочных грунтовых массивах, проводят при природной влажности основания.

Замачивание основания свай в просадочных грунтах следует начинать перед исследованием и продолжать вплоть до его окончания.

Рисунок 11– Испытание просадочных грунтов статическими вдавливающими нагрузками с предварительным замачиванием

Замачивание основания следует проводить через специальные траншеи, устраиваемые по периметру испытываемых свай на расстоянии 1 м от их боковой поверхности (см. приложение Г ГОСТ 5686-2012). Ширина траншеи должна составлять не менее 0,5 м, глубина – от 1,1 до 1,5 м.

При длине свай более 6 м со дна траншеи для ускорения замачивания грунтового массива следует бурить дренажные скважины числом не менее трех с расположением их на равных расстояниях от оси сваи. Диаметр скважин принимают не менее 20 см, длину – 0,8L, где L – глубина погружения сваи. Скважины и траншеи сразу после их проходки следует засыпать гравием или щебнем. Во время замачивания основания и в процессе исследования в траншее следует поддерживать постоянный уровень воды, слой которой должен быть не менее высоты засыпки.

Расход воды на замачивание до начала испытания должен быть не менее 20 м3 на каждый метр длины сваи. Время, затрачиваемое на замачивание, устанавливают первоначально ориентировочно из расчета не менее 1 суток на каждый метр глубины погружения и окончательно устанавливают на основании результатов определения степени влажности образцов грунта, отобранных при контрольном бурении скважины на расстоянии 1 м от боковой поверхности сваи. Контрольное бурение скважины должно быть проведено непосредственно перед началом исследования. Грунтовый массив считается замоченным при коэффициенте водонасыщения Sr ≥ 0,8.

Испытания просадочных грунтов с замачиванием следует проводить на специально отведенной опытной площадке, расположенной на расстоянии не менее 1,5 Н от строящегося объекта со стороны понижения рельефа площадки (Н – общая толщина всех просадочных слоев).

Просадочные свойства грунтов и толщина просадочных слоев на опытной и застраиваемой площадках должны быть идентичными.

При соответствующем обосновании исследования таких грунтов допускается проводить без их замачивания на опытной и застраиваемой площадках. При этом испытания должны включать в себя вдавливание сваи с нижней частью, заглубленной в подстилающие непросадочные грунты, и с верхней частью, изолированной от грунта в пределах просадочной толщи, а также испытание на выдергивание сваи, погруженной на всю глубину просадочной толщи (для оценки значения сил негативного трения).

При исследованиях просадочных грунтов с замачиванием допускается применять локальное замачивание до коэффициента водонасыщения Sr≥0,8 в объеме грунта вокруг испытываемой сваи, ограниченном расстоянием от оси сваи 5 d при забивных и 3 d при набивных сваях (где d – диаметр или наибольший размер поперечного сечения).

Примечание: испытания с интенсивным замачиванием основания в котлованах до полного проявления просадки грунтового массива от его собственного веса, назначаемые при освоении новых территорий, должны проводиться по специальным программам, составляемым проектной организацией.

Точки испытания грунта необходимо закрепить на местности с использованием геодезических методов. Планово-высотная привязка этих точек после проведения исследований должна контролироваться.

При необходимости следует провести вертикальную планировку площадки для установки оборудования для испытаний.

По результатам проведения полевых статических испытаний грунтов устанавливаются экспериментальные зависимости между действующим усилием и соответствующим этому значению вертикальным перемещением (осадкой) сваи, а также развитием осадки во времени на каждой ступени (стабилизация деформацией). В зависимости от критерия предельно допустимого значения осадки, который зависит от жесткости и конструктивного решения возводимого здания, производится оценка несущей способности свай в соответствие с СП 24.13330-2011.

Результаты исследований оформляются в виде отчета, требования к подготовке которого должны соответствовать требованиям ГОСТ 5686-2012.

Отчет состоит из основной части и приложений, представленных в графической и табличной форме. Данные, полученные в ходе проведения полевых экспериментальных исследований, оформляются в виде графических зависимостей в соответствии с выбранной методикой проведения исследований.

Основной графической зависимостью, установленной по результатам испытаний, является график «осадка-нагрузка».