Динамические испытания свай от 1 500 рублей

Динамические испытания свай — это полевые испытания, которые проводятся для определения контрольных отказов забивных свай.

Цена динамических испытаний от 1 500 руб.*

Испытания грунтов динамической (ударной или вибрационной) нагрузкой проводят забивными сваями для проверки возможности погружения свай на заданную глубину, оценки несущей способности сваи, определяемой по значению отказа, а также для относительной оценки однородности грунтов по их сопротивлению погружению.

Динамические испытания высокой деформации (или испытания динамической нагрузкой) это быстрый и экономичный метод оценки несущей способности сваи. Во время испытания к свае прикладывается нагрузка ударным молотом или подходящим падающим грузом. Возникающая волна напряжения распространяется вниз к основанию сваи и снова поднимается к вершине сваи. Вблизи вершины сваи волны напряжения регистрируются акселерометрами и датчиками путем измерения деформации и ускорения. Затем эти сигналы анализируются для оценки несущей способности сваи. По полученным результатам строят графики изменения отказов и зависимости общего числа ударов от глубины погружения сваи.

Во время забивки сваи та же установка для проведения динамических испытаний может использоваться для мониторинга и анализа в режиме реального времени работы молота, состояния подушки сваи, напряжений забивки и процесса забивки сваи в целом. Этот так называемый анализ забивки свай (или PDA) снижает риск повреждения как сваи, так и молота, и позволяет подрядчику забивать сваю на оптимальную глубину.

Задачи динамических испытаний

Оценка несущей способности сваи по грунту;
Контроль несущей способности сваи по величине ее фактического отказа на соответствие проектным значениям;
Оценка распределения нагрузки при забивке сваи для контроля ее целостности;
Подбор оборудования для забивки свай.

Методика проведения динамических испытаний свай

Для проведения динамических испытаний требуется ударный молоток. Молот в идеале должен быть достаточно большим, чтобы производить динамическую нагрузку сваи, не повреждая ее. Молоты и вибропогружатели, применяемые для проведения испытаний, выбираются в соответствии с требованиями ГОСТ 31550 и ГОСТ 31547.

При забивке сваи ведется подсчет числа ударов молота на каждый метр погружения и общего числа ударов, а на последнем метре - на каждые 10 см погружения. При вибропогружении сваи ведется учет времени на каждый метр погружения, а на последнем метре - времени на каждые 10 см погружения.

После установки свая должна «однохнуть». Длительность «отдыха» будет зависеть от типа грунта. Далее можно приступать к испытаниям свай на динамическую нагрузку.

Испытание сваи на динамическую нагрузку начинается с удара молота по оголовку сваи, начиная с меньшей высоты падения (обычно 0,5 м). Это необходимо для обеспечения правильности данных и настроек. При каждом ударе молота пара тензодатчиков получает сигналы, необходимые для вычисления силы, в то время как измерения от пары акселерометров интегрируются для получения скорости.

Далее динамическую нагрузку продолжают, увеличивая высоту молота примерно на 0,5 м до тех пор, пока фактический отказ не достигнет требуемых или предельных значений расчетного отказа. Расчетный отказ определяется в соответствии с аналитическими формулами или на основе волновой теории удара, фактический — в результате проведения динамических испытаний свай.

Если в ходе испытаний погруженные на проектную глубину сваи не дали расчетного отказа, то решение о возможности использования этих свай устанавливается на основе проведения статических испытаний грунтов сваями.

По результатам испытаний оформляется отчет в соответствии с ГОСТ 5686-2020. Отчет содержит текстовую часть и графические приложения. График зависимости общего количества ударов и осадки на каждый метр погружения приведен ниже.

Теория данного метода базируется на решении Герсеванова М. Н. в предположении энергетического баланса между ударной массой, сваей и грунтом. Данное выражение применяется без учета упругой работы грунта и сваи: (F_u^2∙S_a)/(η∙A)+F_u∙S_a=(m_1+ε^2∙(m_2+m_3)∙E_d)/(m_1+m_2+m_3)

На основе исследований Бахолдина Б. В. было предложено следующее выражение, которое учитывает упругую составляющую работы грунта и сваи: ((F_u^2∙θ)∙(S_a+S_el))/2 +F_u∙(S_a+S_el/2)=(m_4∙E_d)/(m_4+m_2 )

θ=1/4∙(n_p/A+n_f/A_f)∙(m_4/(m_4+m_2))∙√(2g∙(H-h))

Левая часть уравнений это работа по перемещению сваи в грунте, правая часть – доля кинетической энергии удара молота. Данные формулы и обозначения приведены в п.7.3.7 СП 24.13330.201

На практике динамические испытания используются для контроля несущей способности по грунту. Для этого, уравнение решается относительно величины отказа Sa: S_a≤(η∙A∙E_d)/(F_d∙(F_d+η∙A))∙(m_1+ε^2∙(m_2+m_3))/(m_1+m_2+m_3)

Рассчитанная по этой формуле для заданной несущей способности сваи по грунту величине Fu величина проектного отказа сваи Sa является контрольной цифрой. Если при испытаниях фактический отказ больше проектного, тогда принимается решение о проведении испытаний грунтов сваей статической нагрузкой, т.к. большее значение отказа говорит о меньшем сопротивлении грунта вокруг сваи и, как следствие, недостаточной несущей способности.

Важным аспектом, обеспечивающим достоверность полученных результатов (отказов) является предшествующий испытаниям «отдых» сваи. Отказ сваи полученный без времени отдыха называется ложным отказом. Время отдыха регламентируется требованиями ГОСТ 5686-2012 и устанавливается в зависимости от вида грунта. Максимальное время отдыха сваи (20 суток) соответствует слабым глинистым грунтам, в которых происходит тиксотропное нарушение структуры.

Из-за высокой скорости приложенной нагрузки динамическое испытание под нагрузкой не может учитывать эффекты, связанные со временем, такие как осадка, отдых или ползучесть. Следовательно, следует проявлять осторожность при рассмотрении результатов испытаний, проведенных в почвах, которые могут проявлять эти особенности. Однако использование динамических испытаний после калибровки в пределах определенного геологического профиля позволит проводить более комплексные испытания с меньшими затратами по сравнению со статическими испытаниями.

Как правило, динамическое испытание сборной железобетонной сваи с использованием молота для забивки свай занимает около 15 минут, а буронабивной монолитной сваи, требующей использования отдельного падающего груза, — 30 минут.

Динамические испытания за рубежом имеют совершенно другую теоретическую базу, методика, интерпретация результатов в корне отличаются от испытаний свай динамической нагрузкой в РФ. Рассмотрим в качестве примера метод динамических испытаний распространенный в США, Канаде, Австралии, а также в ряде европейских стран. Метод динамических испытаний стандартизирован американским обществом по испытаниям материалов (ASTM). D4945-17 «Standard Method for High Strain Testing of Piles.» - в данном документе содержатся требования к проведению и анализу результатов испытаний. В отличие от российских норм, динамическому испытанию могут быть подвергнуты все типы свай, в том числе устраиваемые в скважинах (буровые, набивные и т.д.).

Метод динамических испытаний основан на исследованиях (Rausche, F., Moses, F., Goble, G. G.), проведенными в 1960-х и 1970-х годах в Case Western Reserve University, штат Огайо.

По результатам динамических испытаний оценивается сопротивление грунта по измерениям силы и скорости, полученным на верхней части сваи от воздействия сбрасываемого веса. Удар создает сжимающую волну, которая движется вниз по стволу фундамента.

К стволу сваи закрепляют тензодатчики и акселерометры. Эти датчики подключены к системе (например, PDA), которая записывает, обрабатывает и отображает данные, а с помощью программного обеспечения, рассчитываются конечные результаты.

Существует несколько программных комплексов, позволяющих производить оценку несущей способности по результатам динамических испытаний. Рассмотрим одну из самых коммерчески успешных программ CAPWAP (Cаse Pile Wave Analysis), которая реализуется в PDA.

CAPWAP — это метод итеративного подбора кривой, при котором отклик сваи, определенный в модели волнового уравнения, сопоставляется с измеренным откликом фактической сваи за один удар молота. Модель сваи состоит из серии непрерывных сегментов, а общее сопротивление внедренной части сваи представлено серией пружин (статическое сопротивление) и демпферов (динамическое сопротивление). Статическое сопротивление формулируется на основе идеализированной упругопластической модели почвы, где граница текучести определяет смещение, при которой грунт изменяется от упругого до пластического поведения. Динамическое сопротивление формулируется с использованием модели вязкого демпфирования, которая является функцией параметра демпфирования и скорости.

Силы и ускорения, действующие на фактическую сваю во время первоначального удара, регистрируются с помощью тензодатчика и акселерометра, установленных на голове сваи. Измеренное ускорение используется в качестве входных данных для модели сваи. Сигнал силы-времени на голове сваи рассчитывается с использованием модели и сравнивается с измеренным сигналом силы-времени. Параметры распределения сопротивления грунта, землетрясения и демпфирования впоследствии изменяются (калибруются), пока не будет достигнуто совпадение между измеренными и рассчитанными сигналами. Пример сравнения измеренного и рассчитанного сигнала силы от одной из свай показан на рисунке.

Пример сопоставления измеренного и рассчитанного сигнала

Рис. Пример сопоставления измеренного и рассчитанного сигнала (Goble,1993).

После достижения приемлемого соответствия сигналов, по результатам расчетов, дают оценку несущей способности сваи по грунту.

Интерпретация результатов

Для определения несущей способности свай, забиваемых при фактических отказах более 2 мм используют формулу расчета частного предельного сопротивления Fu, согласно п. 7.3.7 СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты».

F_u=(η∙A∙M)/2∙[√(1+((4∙E_d)/(η∙A∙s_a))∙((m_1+ε^2∙(m_2+m_3))/(m_1+m_2+m_3)-1)]

При проведении расчетов при фактическом отказе менее 2 мм, значение предельного сопротивления сваи Fu, определяют по формуле, где учитывается потеря энергии на упругую деформацию грунта и сваи:

F_u=1/(2∙θ)∙(2∙s_a+s_el)/(s_a+s_el)∙[√(1(8∙E_d∙(s_a+s_el))/(2∙s_a+s_el)^2)∙m_4/(m_4+m_2)∙θ-1] Где

h - коэффициент, значение которого зависит от материала сваи, кН/м²;

А – площадь, ограниченная наружным контуром сплошного или полного поперечного сечения ствола сваи (независимо от наличия или отсутствия у сваи острия), м²;

М – коэффициент, принимаемый при забивке свай молотами ударного действия равным единице, а при вибропогружении свай – в зависимости от вида грунта под их нижними концами;

E_d – расчетная энергия удара молота, кДж, или расчетная энергия вибропогружателей;

s_a – фактический остаточный отказ, равный значению погружения сваи от одного удара молота, а при применении вибропогружателей – от их работы в течении 1 мин, м;

s_el – упругий отказ сваи (упругие перемещения грунта и сваи), определяемый с помощью отказомера, м;

m₁ – масса молота или вибропогружателя, т;

m₂ – масса сваи и наголовника, т;

m₃ – масса подбабка (при вибропогружении свай m₃ = 0), т;

m₄ – масса ударной части молота, т;

e – коэффициент восстановления удара; при забивке железобетонных свай молотами ударного действия с применением наголовника с деревянным вкладышем e² = 0,2, а при вибропогружателе e² = 0;

q – коэффициент, 1/кН.

Фактический отказ сваи s_a, должен быть меньше или равен проектного значения отказа s, рассчитанного по формуле:

s=(η∙A∙E_d)/(F_d∙(F_d+η∙A))∙(m_1+ε^2∙(m_2+m_3))/(m_1+m_2+m_3)

Расчетная нагрузка, передаваемая на сваю N рассчитывается из условия

N≤(γ_0∙F_d)/(γ_n∙γ_k)

где

g₀ – коэффициент условий работы, учитывающий повышение однородности грунтовых условий при применении свайных фундаментов;

g_n – коэффициент надежности по назначению сооружения;

g_k – коэффициент надежности по грунту.

Испытание свай динамической нагрузкой хорошо подходит для использования в режиме испытаний пробной нагрузкой и при правильном использовании обеспечивает обширный и экономически эффективный метод проверки того, что сваи соответствуют техническим требованиям. Однако метод имеет определенные ограничения, такие как:

Мобилизованное статическое сопротивление грунта не обязательно представляет собой «предельную мощность», так как полная мобилизация опорного сопротивления часто требует такой большой энергии для создания необходимого движения за удар молота, что свая может быть повреждена во время испытания.
Прогнозируемое сопротивление грунта обычно находится в пределах плюс-минус 15 % по сравнению с результатами испытаний на статическую нагрузку. Однако в некоторых почвенных условиях может наблюдаться менее удовлетворительная степень корреляции.
Прогнозируемая кривая отклонения нагрузки не будет учитывать ползучесть или осадку грунта, а также не может точно смоделировать начало разрушения при взаимодействии сваи с грунтом.

Общие причины явно плохой корреляции между результатами испытаний динамической и статической нагрузки включают:

Сравнение результатов, полученных для разных свай;
Эффекты осадки/отдыха, связанные со временем;
Сравнение свай разной длины;
Неверные предположения о типе почвы.

Часто задаваемые вопросы:

Для оценки стойкости свай при воздействии бокового давления возможно использование гидравлического домкрата, устанавливаемого между грузовой платформой или горизонтальной опорной балкой и сваей.

Благодаря использованию динамической нагрузки в испытаниях, методика проверки несущей способности свай претерпела значительные изменения. Процесс определения несущей способности свай с использованием этого нового метода проходит в разы быстрее, чем при проведении статических испытаний. Для выполнения испытаний по проекту доступна возможность проверить несколько свай за день, в зависимости от требований проекта.

При выполнении задач с переменными нагрузками требуется специализированное оборудование, например, балки, анкерные сваи и тяжелые грузы, в отличие от задач с постоянными нагрузками. Интересно, что исследования свидетельствуют о том, что результаты испытаний с переменной нагрузкой согласуются с предварительными расчетами по надежности, за исключением случаев упругих отказов. Этот факт позволяет рассматривать такие испытания как важный инструмент для проверки соответствия стандартам проектирования.

Компания «ТАМАНЬГЕОТЕСТ» располагает данным оборудованием, позволяющем проводить динамические испытания по требованиям ASTM (Американское общество по испытанию материалов, англ. American Society for Testing and Materials), а также осуществлять измерение напряжений в сваях при их забивке для контроля целостности сваи (при использовании гидромолотов).

*Указанные на сайте цены не являются публичной офертой. Цены ориентировочные более точно можно узнать по телефону.