Что такое динамическое испытание свай
Испытание свай – динамические и статические способы
Еще задолго до начала строительства капитального сооружения производится целый комплекс мероприятий, обеспечивающих правильный выбор и дальнейшие расчеты конструктивных элементов, в частности, фундаментов. Испытание свай выполняется на этапе инженерных изысканий и контрольных проверок в период строительства. В процессе работ определяется несущая способность и возможные деформации, после чего данные сверяются с расчетными показателями, указанными в проектной документации. При необходимости, производится корректировка типа и габаритов свай, а также технологии их заглубления.
Общие положения
Полевые испытания свай проводятся до начала их массовой установки. Основным документом, регламентирующим порядок работы, является ГОСТ 5686-2012. На него ссылаются СНиП и СП, определяющие правильность расчетов и устройства свайных фундаментов.
Следует отметить, что данный государственный стандарт не охватывает грунтовые породы:
Рассматриваемый ГОСТ не имеет ничего общего с исследованиями, проводимыми в целях определения выносливости свай при возникновении сейсмических или нетипичных динамических нагрузок, появляющихся в процессе эксплуатации объекта.
Испытание грунта производится сваями:
Соответствующие СНиП и ГОСТ допускают динамические и статические варианты испытания грунтов сваями. В процессе проверки определяется неоднородность погружения свай, а также зависимость их подвижек от временных факторов и нагрузок. Площадки и число точек испытаний определяется проектом, учитывающим наиболее характерные места застраиваемой территории.
Техническим заданием на проведение испытательных работ является специально составленная программа полевых испытаний.
Особенности динамических испытаний
Под динамическими нагрузками понимают воздействие ударов или вибраций на забивную сваю. Такой метод дешевле и проще статического варианта испытания, но он не подходит для винтовых и буронабивных свай.
Следует отметить, что динамические испытания свай выполняют после их заглубления и «отдыха», продолжительность которого находится в зависимости от грунтовых условий и назначается программой полевых испытаний. При забивке, согласно СНиП, должно применяться то оборудование, которое предполагается использовать в основных работах. Исследования определяют показатели:
Итоги заносят в акт испытания свай динамической нагрузкой, а для установления стоимости работ составляется смета.
Особенности статических испытаний
Проверка производится с использованием вдавливающих или выдергивающих нагрузок, а также горизонтальных усилий. Как указано в СНиП, испытания забивных свай могут выполняться только после их «отдыха», а буронабивных или инъекционных – не ранее приобретения бетоном 80-процентной прочности.
В случае испытания свайной конструкции вдавливающими усилиями, воздействие на нее выполняют равномерно и безударно, но ступенчато. Данное условие касается как нагрузки, так разгрузки сваи. Все результаты фиксируются в соответствующем журнале.
Для контрольных испытаний забивных и буронабивных свай применяют принцип волновой теории удара, заключающийся в нанесении резкого мощного толчка подвесным молотом в направлении вертикальной оси, что способствует определению сопротивления грунта и моделированию осадки фундаментного ствола.
Статические испытания свай на выдергивающую нагрузку не используют для бетонных, винтовых, буронабивных, составных и уширенных книзу свай. Горизонтальные усилия прилагают как минимум в двух точках, фиксируя возможные отклонения свайного столба. Нагрузки в этом случае принимают не по таблицам СНиП, а по указанным в проектной документации расчетным показателям.
Что входит в программу полевых испытаний
На основании определенного перечня документации, различных характеристик и требований составляется программа испытания грунтов сваями. ГОСТ указывает, что на этапе инженерных изысканий должны учитываться:
Программа для контрольных испытаний грунтов сваями составляется, опираясь на принятые в проектной документации:
В число регламентируемых ГОСТ пунктов программы входит:
Одно из приложений ГОСТ указывает требуемое количество исследуемых точек. При динамических способах испытаний – до 1% всех свай, но более шести штук. При вдавливающих статических усилиях – до 0,5%, но более двух единиц, а при выдергивающих – более 2% или трех свай. Подобные требования выдвигает и СНиП.
В состав программы испытаний грунта сваями должно входить ТЭО (технико-экономическое обоснование), подтверждающее или опровергающее смысл проведения исследований.
Смета
Исходя из основного перечня работ, составляется смета, в которой перечисляется детальный список производимых мероприятий с расчетом их стоимости. В нее входит:
Согласно данным специализированных компаний, стоимость динамического испытания, подтвержденного лабораторным заключением, может составить не менее 8тыс.р. за одну сваю, а статического – более 40тыс.р.
Как проводят динамические испытания свай?
Динамические испытания буронабивных свай производятся с целью определения несущей и вдавливающей способности представленных железобетонных изделий.
Технология, с помощью которой производится тестирование вдавливающей способности и несущих характеристик, регламентируется отдельными положениями СНиПа и ГОСТа 5686-94.
Динамические испытания несущей способности свай
Для произведения точной оценки вдавливающей способности изделий, активно применяется осциллографический анализатор забивки.
После этого данные о вдавливающей и статической нагрузке, испытываемой сваями, согласно требованиям СНиПа и ГОСТа 5686-94 фиксируются в соответствующей документации. Туда же вносятся данные, касательно характеристик грунтов.
Особенности и назначение испытаний
Динамические испытания для буронабивных свай, как и оценка их вдавливающей способности, производятся с ориентировкой на любой из типов грунтов, в который буде производится забивка.
Вне зависимости от ряда характерных особенностей грунтов, в которые будет производиться забивка представленных буронабивных железобетонных изделий, все работы осуществляются с четкой ориентировкой на требования ГОСТа и СНиПа.
Динамическое и статическое испытание свай, как и испытания грунтов, производится при возведении таких объектов, как:
Динамические испытания свай в процессе
Такими сваями производится тестовая забивка. При этом нагружающим устройством, расположенным над сваями является специальный гидравлический молот падающего или ударного типа.
Если на строительной площадке отсутствует такой агрегат, с помощью которого осуществляется работа над сваями, то смета подразумевает наличие альтернативного устройства для проведения забивки.
В таком случае, программа испытаний буронабивных железобетонных изделий позволяет применять самостоятельно изготовленный молот трубчатого типа.
Исходя из требований ГОСТа и СНиПа, вес этого молота для буронабивных свай равен 3,2 тоннам. Его монтаж производится из элементов, находящихся между сваями.
Сборка производится с ориентировкой на регламенты ГОСТа и СНиПа, монтаж осуществляется с помощью крана, в пространстве между сваями, в том месте, где в дальнейшем будут проводиться испытания грунтов.
Динамические испытания свай производятся, согласно требованиям ГОСТа и СНиПа на определенных этапах работ, смета утверждается заранее. Итак, испытания буронабивных свай производятся:
Динамические испытания свай
В итоге составляется акт испытания свай динамической нагрузкой. Стоит отметить, что динамические и статические испытания буронабивных изделий и исследования грунтов производятся:
ГОСТ и СНиП позволяет при проведении испытаний использовать то же оборудование, что и при осуществлении забивки, эти положения четко обозначают нужное расстояние между сваями при проведении работ.
Конечный результат испытания буронабивных изделий представлен в виде полученной величины отказа свай. Это глубина, на которую погружается свая при одном ударе молота.
Все текущие измерения буронабивных свай производятся при помощи специального прибора – отказометра. При произведении замеров, параметр точности такого устройства равен 1 мм.
Данный аппарат при соответствующей настройке может производить точные замеры расстояния между сваями. Все этапы проводимых измерительных работ проводятся согласно требованиям СНиПа.
Основные преимущества испытания динамической нагрузкой
Испытание сваи в эксплуатируемом здании перед надстройкой
Метод динамических испытаний имеет ряд неопровержимых преимуществ перед статическим методом. При реализации такого метода доступна высокая степень мобильности, он достаточно экономичен и применим ко всем видам существующих в настоящее время свай.
Представленный метод дает реальную возможность значительно увеличить параметр несущей способности изделия. Все это производится в соответствии с положениями СНиПа.
Такое увеличение параметра возможно в том случае, если свая, во время осуществления забивки, погружается своим острием в слабый слой, который имеет большую сжимаемость.
В грунтах глинистого типа, которые отличаются своей однородностью в пределах площади фундамента здания, при осуществлении погружения свай на одинаковую глубину, величина отказов может разниться.
Вкупе с небольшим интервалом погружения предоставленные данные могут вводить в заблуждение, в связи с чем может сформироваться мнение от разных значениях несущей способности изделий.
В таком случае рекомендуется внимательно сверить полученные результаты с теми, которые были получены в ходе проведения статических изысканий. В процессе выявится одно общее значение уровня сопротивляемости представленных железобетонных изделий.
Технология проведения динамических испытаний
В большинстве случаев, проведение динамических испытаний инициируется три раза. Первый раз все действия производятся над уже имеющимися в наличии изделиями, которые отобраны для проведения работ и строительства. Это происходит до начала действий с проектом свайного фундамента.
Испытание свай динамической нагрузкой
В процессе определяется показатель уровня неоднородности грунтовых отложений в том месте, где будет производиться строительство.
Следующий после этого этап производится непосредственно в момент забивки. В процессе производится оценка несущих качеств изделия и исследование свойств несущих грунтовых слоев и ослабленных участков.
После окончания работ производится заключительный этап испытания. Он дает самые достоверные данные о несущих способностях после того, как они некоторое время побыли в грунте.
При осуществлении забивки в процессе наблюдения за текущими изменениями отказов можно выявить те слои грунта, которые являются несущими.
Также это позволяет произвести сравнительную оценку параметров несущей способности уже забитых изделий, для того, чтобы выявить возможные ослабленные участки.
В слоях глинистого типа пробная забивка производится с помощью молота, который проводит короткую серию ударов. Это позволяет сохранить нетронутой структуру грунта.
Все текущие динамические испытания проводятся при содействии того оборудования и техники, которое задействовалось при выполнении основного спектра работ.
По завершению становится доступным значение величины отказа. Оно равно степени погружения изделия в грунт после осуществления по нему одного удара молотом.
Испытания свай динамической (ударной) нагрузкой по методу ЭЛДИ
Точность тех данных, которые будут получены, напрямую коррелирует с высотой молота и удельным весом его ударной части.
Сюда также входить параметры веса сваи, и ее наголовника. Некоторое внимание уделяется уровню точности производимых замеров при упругих перемещениях изделия в грунте после нанесения удара.
Испытания грунтов
При строительстве здания и последующем его вводе в эксплуатацию грунты песчаного и глинистого типа подвергаются уплотнению в результате влияющей на них статической нагрузки.
Испытания грунтов оказывает очень серьезное влияние на весь процесс возведения здания. Это связанно с тем, что от параметров несущей способности грунта напрямую зависят характеристики прочности и устойчивости всей строящейся конструкции.
Эта процедура производится для того, чтобы подробно изучить физико-механические характеристики грунтов, определить особенности их геологической структуры и выявить условия, которые оказывают влияние на равновесие всей почвенной массы на данном участке. В большинстве случаев проводятся два обязательных этапа испытаний такого типа.
Испытания свай на прочность
Лабораторные позволяют определить нужные параметры физико-механических качеств грунтов, а полевые выявляют уровень сопротивления почвы в ее естественных условиях.
Проводимые работы помогают составить наиболее оптимальный график выполнения работ и спрогнозировать степень устойчивости будущего здания.
Кроме того, это способствует выбору наиболее эффективного способа, направленного на укрепление фундамента. Эти процедуры также проводятся для того, чтобы избежать обрушения возведенных зданий.
Испытания могут проводиться не только на открытых строительных площадках, но и при исследовании уже готово фундамента. Если строительство осуществляется на старом фундаменте, то грунт обязательно подвергается процедуре обязательного изучения.
Статическое испытание свай
При выборе оборудования, которое необходимо для корректных испытаний такого рода, ориентировка осуществляется на особенности способа, посредством которого будет проводиться погружение. Сейчас активно применяются такие способы, как:
Испытания свай статической нагрузкой по ГОСТ 5686-94
Статическое испытание свай начинается с того, что обозначается численность уже существующих изделий, и тех мест, где будет производиться их дальнейшая забивка.
После этого производится погружение пробных железобетонных конструкций. Все текущие испытательные работы проводятся с участием тех конструкций, которые лежат в областях с наихудшими грунтовыми условиями.
Все испытательные работы начинаются с того, что выжидается период «отдыха» сваи. Те конструкции, погружение которых будет производиться с помощью других способов, приводят в готовность не раннее, чем за сутки до начала процесса.
Все работы начинаются только после того, как изделие, изготовленное из бетона, застывает на 80% своей прочности. Все работы производятся равномерно без осуществления ударов и с соблюдением степеней нагрузки на конструкцию. Порядок действий устанавливается заранее и отображается в программе испытаний.
При осуществлении заглубления нижних концов конструкции в грунты обломочного типа допускается достижение трех ступеней (уровней) нагрузки, которые составляют 1/5 всех нагрузок, объединенных суммарно.
Первая пробная свая должна обладать высокой прочностью, благодаря этому может быть обеспеченно получение всех необходимых характеристик. В случае необходимости свая подвергается усилению с помощью подключения внешней обоймы.
Динамическое испытание свай автокраном (видео)
Динамические испытания свай от 3 000 рублей
Сущность этого метода испытаний свай сводится к вычислению несущей способности свай на основании данных о величине их заглубления на последнем этапе принудительного погружения или при контрольной добивке. Испытания свай динамической нагрузкой проводят для определения возможной глубины их погружения и изменения величины отказов, а также для оценки несущей способности свай.
Задачи динамических испытаний
Виды динамических испытаний свай по величине отказа
Основой формулы для определения несущей способности свай является положение о том, что энергия импульса (удара) погружающего оборудования расходуется на выполнение полезной работы, т.е. непосредственно на заглубление сваи, и на потери, связанные с преодолением сопротивлений упругой деформации наголовника и погружаемой сваи и т.п.
В практике отечественного фундаментостроения длительное время применяется формула Н.М. Герсеванова, принятая в СП 24.13330.2011. Формула имеет следующий вид:
Несмотря на достоинства формулы Н.М. Герсеванова, в ней не учитываются потери энергии на упругую деформацию грунта и сваи, что ограничивает область применения данной формулы отказами менее 2мм. Поэтому для определения несущей способности свай, забиваемых при отказах менее 2 мм используют формулу в видоизмененном виде с учетом «упругой» части:
Методика проведения динамических испытаний свай
Комплекс работ по динамическому испытанию свай включает подсчет общего количества ударов и общей осадки на каждый метр погружения.
Добивку свай после «отдыха» следует производить тем же молотом и при той же высоте подъема ударной части. Полученный при добивке отказ испытуемых свай должен быть равен или меньше расчетного отказа.
По результатам испытаний оформляется отчет в соответствии с ГОСТ 5686-2012. Отчет содержит текстовую часть и графические приложения. График зависимости общего количества ударов и осадки на каждый метр погружения приведен ниже.
Если погруженные на проектную глубину сваи не дали расчетного отказа при забивке и добивке, то решение о возможности использования этих свай устанавливается на основе проведения статических испытаний грунтов сваями.
Оборудование и измерительные приборы
ООО НПО «ГЕОСМАРТ» имеет в своем арсенале уникальное оборудование, позволяющее раздельно определять упругую и остаточную часть отказа свай. Это необходимо в случае, если расчетный отказ сваи (среднее значение от 10 ударов) составляет менее 2 мм. В этом случае упругая часть отказа является слагаемым в формуле для определения несущей способности свай по результатам динамических испытаний.
Измерительная аппаратура состоит из датчиков деформаций и акселерометров, которые устанавливаются на сваю. Блок сбора данных считывает сигналы с датчиков, сохраняет данные в режиме реального времени и передает их с помощью беспроводного подключения (по Wi-Fi) к полевому компьютеру инженера. Беспроводное соединение предлагает большие преимущества, т.к. позволяет инженеру выполнять свою работу на безопасном расстоянии от сваи и без проблем, связанных с необходимой длиной кабеля, который может выйти из строя во время транспортировки или укладки.
Динамические испытания свай при отказах более 2 мм
Основой формулы для определения несущей способности свай является положение о том, что энергия импульса (удара) погружающего оборудования расходуется на выполнение полезной работы, т.е. непосредственно на заглубление сваи, и на потери, связанные с преодолением сопротивлений упругой деформации наголовника и погружаемой сваи и т.п.
В практике отечественного фундаментостроения длительное время применяется формула Н.М. Герсеванова, принятая согласно п.7.3.7 формула 7.20 СП 24.13330.2011. Формула имеет следующий вид:
А – площадь, ограниченная наружным контуром сплошного или полого поперечного сечения ствола сваи (независимо от наличия или отсутствия у сваи острия), м 3 ;
Ed – расчетная энергия удара молота, кДж;
m1 – масса молота, т; m2 – масса сваи и наголовника, т; m3 – масса подбабка, т;
ε − коэффициент восстановления удара, принимаемый при забивке железобетонных свай и свай-оболочек молотами ударного действия с применением наголовника с деревянным вкладышем ε 2 =0,2/
Динамические испытания с определением упругого отказа
Несмотря на достоинства формулы Н.М. Герсеванова, в ней не учитываются потери энергии на упругую деформацию грунта и сваи, что ограничивает область применения данной формулы отказами менее 2мм. Поэтому для определения несущей способности свай, забиваемых при отказах менее 2 мм используют формулу в видоизмененном виде с учетом «упругой» части:
где sa – фактический (остаточный) отказ, равный вертикальному перемещению от одного удара сваи.
Основным преимуществом измерения упругого отказа в процессе динамических испытаний является более достоверное определение несущей способности сваи Fd. Что позволяет более полно использовать резервы несущей способности основания и, как следствие, эффективно проектировать свайные фундаменты.
Ниже представлена формула, по которой определяется допускаемая нагрузка на сваю N. В соответствии с этой формулой значение нагрузки, которую можно передать на сваю с регистрацией упругого отказа будет на 15% выше, по сравнению с аналогичной сваей, которая подвергалась испытанием без измерения упругого отказа.
На рисунке ниже представлена диаграмма перемещения сваи после одиночного удара молота.
Свая после каждого удара перемещается в три этапа: вначале она перемещается на некоторую максимальную глубину, затем упругими силами грунта выталкивается вверх и после быстрозатухающих колебаний останавливается в грунте на отметке, отличающейся от положения ее до удара на некоторую величину, называемую остаточным отказом. Разность величин погружения свай на максимальную глубину и остаточного отказа называют упругим отказом.
В соответствие с Приложением Д СП 45.13330.2012 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» расчетный отказ для ж/б свай длиной свыше 25 метров, а также стальных трубчатых свай следует оценивать расчетом, основанным на волновой теории. Ниже приведен пример расчета отказа металлической сваи с закрытым нижним концом, погружаемой забивкой. Геометрические параметры сваи: длина 35 метров, диаметр ствола 325 мм, для обустройства одного из объектов месторождения нефтегазовой отрасли.
Проектный и фактический отказ
Для оценки достаточности принятых проектных решений в части фундаментов из забивных свай используют понятия проектного и фактического отказа.В соответствии с требованиями по обеспечению эксплуатационной надежности и технической безопасности зданий и сооружений, фактический отказ должен быть меньше или равен проектному значению отказа. То есть должно выполняться следующее условие: Sa≤S
Расчет проектного отказа сваи определяется по формуле Н.М. Герсеванова, выраженной относительно несущей способности сваи по грунту:
где:
η – коэффициент для железобетонных свай, η=1500 кН/м 2 ;
A – площадь поперечного сечения сваи, А = 0.09 м 2 ;
Ed – расчетная энергия удара молота;
ε2 = 0,2 – коэффициент восстановления удара;
m1 – масса молота, т;
m2 – масса сваи с наголовком, т;
m3 – масса подбабка, т.
Проектный отказ на этапе разработки проектных решений позволяет произвести выбор сваебойного оборудования при погружении свай длиной до 25 м.
Выбор своебойного оборудования
В соответствие с Приложением Д СП 45.13330.2012 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» расчетный отказ для ж/б свай длиной свыше 25 метров, а также стальных трубчатых свай следует оценивать расчетом, основанным на волновой теории. Более подробно про основы данного метода можно прочитать в разделе cтатических испытаний свай методом PDA.
Ниже приведен пример расчета отказа металлической сваи с закрытым нижним концом, погружаемой забивкой. Геометрические параметры сваи: длина 35 метров, диаметр ствола 325 мм, для обустройства одного из объектов месторождения нефтегазовой отрасли.
Цель расчета сводится к выбору необходимого оборудования для погружения свай. В случае неправильного выбора сваебойного оборудования при забивке сваи фиксируется «ложный» отказ, когда свая погружается маломощным молотом. При этом нижние концы не достигают проектных отметок. Малая энергия удара молота расходуется в основном на разрушение голов свай, а не на их погружение.
Расчетный отказ, полученный по результатам расчета, сравнивают с фактическим, измеренным в ходе динамических испытаний после отдыха свай. Если фактический отказ превышает расчетный, необходимо предусмотреть проведение дополнительных статических испытаний.
При погружении составных ж/б свай как правило применяют гидравлические молоты с возможностью изменения энергии удара. При этом необходимо контролировать уровень напряжений, возникающих в свае при их забивке для недопустимости ее разрушения, вследствие превышения напряжений предельному значению прочности материала сваи. Ниже приведен пример регистрации сжимающих и растягивающих напряжений в теле сваи при забивке (на объекте «Леруа Мерлен» в г. Кемерово).
Применение автоматизированных средств измерений позволяет получать результаты в графическом виде непосредственно в процессе испытаний.
Ниже приведен график зависимости глубины погружения от количества ударов, глубины погружения от уровня напряжения в материале сваи, мобилизация динамического сопротивления в процессе забивки.