E-mail Таманьгеотест

Главная / Услуги / Статические испытания грунтов сваями

Статические испытания грунтов сваями

Апрель 17, 2020

Статические испытания грунтов сваями

При строительстве зданий на свайных фундаментах обязательным мероприятием в рамках контроля качества строительных работ является испытания грунтов сваями на вертикальную вдавливающую нагрузку. На данном этапе устанавливается фактическая величина несущей способности сваи по грунту, которая определяется через значения предельных сопротивлений свай по грунту полученных в результате серии испытаний с последующей их статистической обработкой. В соответствие с последними изменениями в СП 24.13330.2011 (п.7.3.1.) рекомендуемое число испытаний для оценки несущей способности свай по грунту составляет не менее трех для сооружений класса КС-2 (нормальный уровень ответственности) и четырех — для сооружений класса КС-3 (повышенный уровень ответственности).

В процессе проведения испытаний операторами фиксируется вертикальное перемещение сваи по датчикам, расположенным на голове сваи в зависимости от прикладываемой нагрузки. Показания снимаются согласно требованиям п.8.2.2 ГОСТ 5686-2012 сразу после приложения нагрузки, затем последовательно три отсчета с интервалом 30 мин и далее через каждый час до условной стабилизации деформаций (затухания перемещения). В процессе испытаний ведется полевой журнал. Результатом проведения испытаний является отчет, подготовленный согласно требованиям ГОСТ 5686-2012, обязательной частью которого являются графические зависимости. На рисунках ниже приведены зависимости, построенные по результатам испытаний грунтов статической нагрузкой на сваи.

график нагрузка-осадка

В общем случае, при испытании сваи статической вдавливающей нагрузкой можно выделить несколько основных типов кривых зависимости «нагрузка- осадка».

графики нагрузка-осадка

В полевых исследованиях работы сваи под статической нагрузкой строятся кривые зависимости «нагрузка-осадка», которые служат характеристикой основных показателей в работе сваи с грунтовым массивом, а именно: сопротивление грунта по боковой поверхности и сопротивления грунта в основании сваи. После устройства сваи, ее выдерживают до 20 суток соответствии с требованиями ГОСТ 5686-2012) для реализации несущей способности. Данное время получило название «время отдыха», характеризующееся периодом рассеивания избыточного давления в поровой воде. При этом, в глинистых грунтах после истечения времени отдыха происходит увеличение несущей способности за счет, а в песчаных грунтах (для забивных свай) некоторое снижение, за счет релаксации напряжений.

Метод испытания свай статической нагрузкой дает наиболее надежные результаты, а результаты испытания, как правило, выполняются на стадии строительства, поэтому такие испытания чаще всего выполняют функцию контрольного подтверждения ожидаемой несущей способности.

Однако, в ряде случаев испытания грунтов сваями необходимо производить для назначения несущую способность свай следует принимать по результатам испытаний свай статической нагрузкой. К таким случаям относятся: проектирование свай-стоек на основаниях, сложенных выветрелыми, размягчаемыми, со слабыми прослойками скальными грунтами, проектирования свай в просадочных грунтах второго типа и т.д.
Схемы нагружения свай

Различные схемы нагружения свай (вдавливающая, выдергивающая и горизонтальная нагрузка)

Основные положения расчета несущей способности сваи в рамках проектирования изложены в технических нормативных документах СП 24.13330.2011 и др., в которых регламентируется определять несущую способность сваи Fd как сумму расчетного сопротивления грунта основания под нижним концом сваи и расчетного трения на ее боковой поверхности:

F= γс *  (γсR * R A + ∑γcf * fi * hi)

где, γс – коэффициент условий работы сваи в грунте; R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; A – площадь опирания на грунт сваи, м2; u – наружный периметр поперечного сечения сваи, м; fi – расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа; hi – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м; cR, cf – коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи.

Вместе с тем, исследования в области оценки несущей способности свай, выполненные для различных методов их устройства, предлагают различные поправочные коэффициенты, учитывающие те, или иные, технологические операции при устройстве свай.

Многие исследователи отмечают неудовлетворительную сходимость между расчетной и фактической величинами несущей способности свай по грунту. Во многом это связано с несоответствием фактических сопротивлений грунта по боковой поверхности свай с теоретическими. Это связано, в первую очередь с тем, что табличные значения сопротивления, представленные в нормативных документах не зависят напрямую от параметров прочности грунта, а назначаются в соответствии с его физическим состоянием грунта — показателем консистенции. При этом при устройстве свай, выполненных по различным технологиям

происходят такие процессы, как изменения давления в поровой воде и скелете грунта, нарушение структурных связей в грунте под действием напряжений, возникновение «грунтовой рубашки» при забивке свай. Из этого следует сделать вывод об изменении влажности грунта, следовательно, и его физического состояния, как при непосредственном устройстве сваи (влажность повышается), так и в процессе отдыха грунта после устройства свайного поля (влажность грунта снижается).

Важным результатом данного сравнения является то, что на этих графиках отмечено преимущественное изменение величин трения по боковой поверхности зонда. Представленные графики характеризуют физическое состояние грунтов – показатель консистенции IL. Из этого следует сделать вывод об изменении влажности грунта как при непосредственном устройстве сваи (влажность повышается), так и в процессе отдыха грунта после устройства свайного поля (влажность грунта снижается). Количественно этот процесс во времени, при периодическом зондировании грунта на протяжении 10 месяцев был отмечен в полевых условиях и представлен в статье Дьяконова И. П. [28]. По показателю консистенции IL в современной практике определяется несущая способность свай, а значит, по степени изменения этого показателя можно судить о степени снижения несущей способности сваи на момент изготовления.

Для определения фактической несущей способности компанией «ТАМАНЬГЕОТЕСТ» было выполнено стандартное испытание вдавливающей нагрузкой в глинистом грунте полутвердой консистенции. Нагрузка прикладывалась гидравлическим домкратом, упирающимся в распределительную балку, прикрепленную к анкерным сваям. Критерием остановки испытания были назначена достигнутая сваей осадка в 4 см или до «срыва» сваи. Нагрузка прикладывалась ступенями по 10% от максимальной нагрузки. Результат испытания сваи статической вдавливающей нагрузкой представлен на рисунке. За фактическую несущую способность сваи принята нагрузка 130 тс. (предыдущая ступень перед «срывом» сваи). Соответствие ожидаемой и фактической несущей способности составило 30%!.

На основе результатов статистической обработки результатов испытаний 57 свай, выполненных по технологии «Fundex» в условиях слабых грунтов Дьяконовым И. П. и проф. Мангушевым Р. А. получено, что при использовании существующей расчетной методики фактические значения несущей способности оказываются ниже расчетных величин на 40%.

На основе исследований работы забивных свай проф. Винниковым Ю. Л. и Яковлевым В. С. установлено, что расчет выполненный по отечественным нормам занижает величину несущей способности свай в среднем для песков средней крупности на 29%, мелких на 35%, а пылеватых на 47%.

Исходя из вышеизложенного, следует сделать вывод о необходимости совершенствования расчетных формул, изложенных в нормативных документах. Для повышения достоверности и надежности получаемых проектных решений при проектировании свайных фундаментов необходимо опираться на результаты полевых экспериментальных исследований их работы. Наиболее надежным методом из которых является проведение испытаний статической нагрузкой на сваи. 

Этапы работ ООО НИЦ «ТАМАНЬГЕОТЕСТ» по проведению статических испытаний грунтов сваями (далее статических испытаний свай):

Рассмотрим каждый из этапов более подробно.

Составление и согласование программы проведения испытаний грунтов сваями (программы испытаний)

В соответствии с ГОСТ 5685-2012 разработка программы испытаний является обязательной. Требования к содержанию программы испытаний содержатся в ГОСТ 5686, а также в своде правил по проектированию свайных фундаментов. В программе необходимо отразить методику проведения испытаний в соответствии с фактическими грунтовыми условиями площадки строительства, обосновать ту или иную схему проведения испытаний (испытания при помощи балок и анкерных свай, грузовой платформой, ударной нагрузкой или методом волновой теории удара, самозаанкеривающимся сваей-штампом или методом погруженного гидравлического домкрата). Особенно важно обосновать максимальную нагрузку, которую необходимо достигнуть в процессе испытаний, а также определиться с критерием завершения испытаний. В отдельных случаев вместе с программой разрабатывается программа производства работ.

Ниже представлены некоторые фрагменты из программ испытаний.

Фрагмент 1

Таблица 2 – Перечень и последовательность выполнения подготовительных работ по устройству испытательных свай при статических испытаниях

Фрагмент 2

Блок-схема проведения работ по испытаниям свай статической вдавливающей нагрузкой

Фрагмент 3

После составления программы испытаний, она направляется Заказчику для согласования. После утверждения программы испытаний наступает второй этап – проведения испытаний.

Проведение испытаний в соответствии с разработанной программой, а также требованиями ГОСТ 5686-2012

Перед непосредственным проведением испытаний с фиксаций показаний выполняется комплекс подготовительных работ, который включает в себя подготовки свай к испытаниям, монтаж нагрузочной системы, проверка качества работ (например, контроль сварных соединений), установка измерительного оборудования. Перед началом проведения испытаний Исполнитель уведомляет Заказчика и представителей технического надзора.

В процессе испытаний ведется полевой журнал отвечающий требованиям ГОСТ 5686-2012. Журнал заполняется обязательно ручкой, но не карандашом.

Подготовка к проведению испытаний

Проведение испытаний

Обработка результатов полевых испытаний, составление отчета

Камеральная обработка полевых экспериментальных исследований выполняется с целью определения частного значения предельного сопротивления сваи с построением обязательных (требование ГОСТ 5686-2012) графических зависимостей. Определенные таким образом частные значения предельного сопротивления сваи (для каждой сваи в отдельности) необходимы для оценки несущей способности сваи. Между данными величинами существует взаимосвязь:

Fd = γcFu,n / γс,g, [ф. (7.18), СП 24.13330.2011]

где γc — коэффициент условий работы сваи; в случае вдавливающих или горизонтальных нагрузок γc = 1; Fu,n — нормативное значение предельного сопротивления сваи, кН; γc,g — коэффициент надежности по грунту.

Коэффициент надежности по грунту определяется на основе статистической обработки данных частных предельных сопротивлений свай по грунту в соответствии с ГОСТ 20522-2012 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний».

Результатом работ по исследованию несущей способности свай по грунту в полевых условиях (натурных условиях) является технический отчет (далее отчет). Отчет состоит из текстовой и графической части. Требования к оформлению графиков испытаний свай содержаться в приложениях ГОСТ 5686-2012. Важным требованием в построению графиков «осадка-нагрузка», или перемещения сваи от времени по ступеням нагружения является масштаб графиков. Например, в соответствии с п. 8.7.2 ГОСТ 5686-2012 масштаб графиков при испытании натурной сваи статической вдавливающей нагрузкой принимают равным по вертикальной оси — 1 см к 1 мм осадки сваи, а по горизонтальной оси 1 см соответствует 50 кН нагрузки; 1 мм, равный 10 мин выдержки нагрузки. Существует ряд исследований посвященных влиянию масштаба графика на интерпретацию результатов, например определение «срыва» сваи. Влияние эффекта выражено сильнее для свай, испытанных в слабых грунтах. В зависимости от выбранного масштаба, несущая способность сваи по грунту может быть занижена, что ведет к недоиспользованию резервов грунта основания. Принятый в ГОСТе масштаб обоснован исследованиями, проведенными в ЛИСИ (СПбГАСУ).

В выводах и рекомендациях отражается информация о несущей способности сваи по грунту, определенной по результатам испытаний, а также делается проверка (для случая контрольных испытаний) выполнения условия по первой группе предельных состояний.

Определение несущей способности свай по результатам статических испытаний в просадочных грунтах

Просадкой является вертикальное перемещение, нарастающее в результате деформаций, развивающихся в процессе замачивания грунтов основания при напряжениях от собственного веса грунта и веса сооружения. Грунт, проявляющий данное свойство, относится к особому виду структурно неустойчивых грунтов, данный грунт называется просадочным. Отличительной особенностью строительных свойств просадочных грунтов является их высокая пористость (пористость достигает 50%, коэффициент пористости > 1) и высокое значение коэффициента фильтрации. Данные грунты обладают, как правило, твердой и полутвердой консистенцией. По числу пластичности чаще относятся к суглинкам. Просадочность является одной из характерных особенностей лессовых грунтов (осадочная горная порода, по генезису, как правило, относятся к эоловым грунтам). Данные грунты преобладают в районах Краснодарского края, Ростовской области.

До 1930 г., в отечественной и зарубежной технической литературе лессовые грунты относили к грунтам, обладающими благоприятными строительными свойствами, однако, исследованиями Ю.М. Абелева на основе проведения штамповых испытаний с замачиванием выявило неизвестную раннее их особенность – явление просадки, а именно дополнительной осадки, вызванной замачиванием грунта основания.

Специалисты компании «ТАМАНЬГЕОТЕСТ» в своей практической деятельности часто сталкиваются с задачами, связанными с оценкой несущей способности свай в просадочных грунтах. На просадочность оказывают влияние механический и менералогический состав лессовых грунтов, наличие водно-растворимых соединений. Н.М. Герсеванов отмечал, что» степень просадочности лессовидных грунтов под влиянием замачивания неоднородна. Некоторые из них обладают этим свойством в сильной степени, подвергаясь осадкам при замачивании под влиянием лишь собственного веса, другие дают осадки только под влиянием давления возводимых на них построек, наконец, третьи совсем не склонны давать просадки при замачивании».

В дальнейшем, в нормах проектирования оснований зданий и сооружений, а также свайных фундаментов был принят подход, при котором выделяется два типа проявления просадочных свойств грунтов. Первый тип по просадочности характеризуется только просадкой от действия внешней нагрузки, при этом величина внешнего давления должна быть больше характеристики начального просадочного давления psl, определенного по результатам компрессионных испытаний по схеме «двух кривых». Второй тип просадочности – просадка, возникающая под действием давления от собственного веса грунта при замачивании.

Необходимость проведения статических испытаний свай в грунтах, обладающих просадочными свойствами

Согласно п. 9.12 СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 Опечаткой, с Изменениями N 1, 2, 3) «проведение статических испытаний свай в грунтах II типа по просадочности является обязательным при отсутствии фондовых материалов по таким испытаниям».

В соответствии с п. 9.11 несущая способность Fd, кН, свай в грунтовых условиях II типа по просадочности, работающих на вдавливающую нагрузку определяется по результатам статических испытаний свай с локальным замачиванием. При этом необходимо провести серию испытаний на вдавливающую (проектная длина сваи) и выдергивающую нагрузку (длина сваи равна мощности просадочной толщи) и определить несущую способность сваи по грунту как разность между несущей способностью свай на вдавливающую нагрузку и несущей способностью свай на выдергивающую нагрузку.

 

Проведение статических испытаний свай для грунтов I типа необходим в том случае, если отсутствует опыт строительства на застраиваемой территории. Согласно п.9.7 несущую способность свай, применяемых в грунтовых условиях I типа следует определять по результатам проведенных статических испытаний с локальным замачиванием грунта в пределах всей длины сваи.

Методика проведение статических испытаний свай в просадочных грунтах с локальным замачиванием

Проведению статических испытаний свай с замачивание предшествует большой объем подготовительной работы. Методика проведения испытаний с замачиванием подробно изложена в ГОСТ 5686-2012.

Устройство щебеночной траншеи и монтаж системы для замачивания

Замачивание и проведение статических испытаний

Испытания свай с замачиванием являются наиболее трудоемкими и дорогостоящими в сравнении с другими видами полевых испытаний. Это связано еще и с тем, что помимо большого объема подготовительных работ, связанных с бурением, расходом воды и временем замачивания, лабораторным контролем степени водонасыщения грунта, понадобиться устройство дополнительных свай, так как испытуемые сваи должны устраиваться за пределами свайного поля в соответствии с требованиям ГОСТ 5686-2012. Согласно п 4.6 ГОСТ 5686-2012: «Испытания просадочных грунтов с замачиванием следует проводить на специально отведенной опытной площадке, расположенной на расстоянии не менее 1,5H от строящегося объекта со стороны понижения рельефа площадки (H — общая толщина всех просадочных слоев грунта)».

Во многих случаях, специалисты компании «ТАМАНЬГЕОТЕСТ» обосновывают перед Заказчиком проведение статических испытаний без замачивания, тем более, что ГОСТ 5686-2012 это разрешает. Статические испытания грунтов сваями без замачивания позволяют существенно снизить расходы при их выполнении при обеспечении требуемого уровня надежности результатов. Один из последних случаев из практики – выполнение испытаний свай с замачиванием (Ростовская обл.), при этом проектировщики не предусмотрели дополнительных испытаний за пределами свайного поля. Из этой ситуации могло быть два выхода – устройство дополнительных свай или обоснование проведения контрольных испытаний без замачивания в пределах свайного поля. Изучив исходные данные, в частности, отчет об инженерно-геологических изысканиях, выполнив серию расчетов одиночных свай, нам удалось в программе испытаний грунтов сваями согласовать проведение статических испытаний без замачивания.


Получить квалифицированную консультацию кандидата технических наук

Краснодар +7 (861) 210-26-56

ОТПРАВИТЬ ЗАЯВКУ