СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МОДЕЛЕЙ СВАЙ Российский патент 1994 года по МПК E02D33/00 

Изобретение относится к строительству, а именно к строительству на вечномерзлых и талых грунтах, и может быть использовано для проектирования и эксплуатации фундаментов зданий и сооружений на этих грунтах.

Известны способы испытания свай в мерзлых грунтах статической нагрузки, включающие загружение свай осевой статистической нагрузки, включающее загружение сваи осевой нагрузкой и позволяющие определить несущую способность сваи по результатам ее загружения пробной статической нагрузкой.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения несущей способности моделей сваи в грунте, включающее засыпку и уплотнение каждого слоя грунта, обжатие при помощи гидравлического воздействия до определенной величины давления в каждом слое грунта по заданной программе, внедрение модели сваи погружающим приспособлением на исследуемую глубину, затем создание этим же приспособлением статической нагрузки с одновременным заданным изменением напряженного состояния грунта (т. е. грунт сжимают).

Недостатками известного способа являются: сложность его осуществления, так как он требует трудоемких операций добычи, перевозки, послойной загрузки естественного грунта в рабочую камеру и уплотнения каждого его слоя; невысокая точность определения несущей способности свай из-за того, что произвести свойства (физические) естественного грунта после его загрузки и уплотнения не представляется возможным; ограниченность диапазона испытаний, поcкольку нельзя в полной мере смоделировать различные грунтовые условия и возможные их изменения вследствие воздействия различных внешних факторов, а также проводить испытания в автоматическом режиме.

Цель изобретения - повышение точности, расширение диапазона исследований за счет моделирования условий, близких к реальным.

Цель достигается тем, что в способе определения несущей способности моделей свай, включающем помещение грунта и модели сваи в рабочую камеру, приложение на модель сваи боковой нагрузки, различной по ее высоте и последующее осевое нагружение с измерением параметров для расчета несущей способности, согласно изобретению в рабочую камеру помещают в виде модели из материалов, изменяющих свои геометрические параметры под действием электрического поля, предварительно механически обжимают модель сваи с силой, постоянной по ее высоте, но различной или одинаковой по каждой отдельно взятой боковой грани модели сваи, причем величину силы обжатия рассчитывают в зависимости от типа самого слабого слоя натурного грунта и наличия внешних факторов, при этом последующее нагружение модели сваи различной нагрузкой по ее высоте осуществляют путем приложения грунта электрического поля разной величины, которую изменяют с одинаковой или различной закономерностью, а в качестве материалов для модели грунта используют пьезоэлектрики.

На фиг. 1 изображена схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2-5 - графики, иллюстрирующие способ.

Устройство содержит модель сваи 1, размещенную в камере 2 через отверстие в крышке 3, механические обжимные приспособления 4 с прижимными пластинами 5, на которых закреплены прижимные элементы 6 и диэлектрические пластины 7. Прижимные элементы 6 из пьезоэлектрического материала соединены через выпрямитель 8 и делитель напряжения 9 с электрической сетью.

Для приложения и измерения осевой нагрузки используют приспособление 10 с динамометром 11. Прижимные элементы 6 и диэлектрические пластины 7 представляют собой модель грунта.

Способ реализуют следующим образом.

Испытания свай проводят, моделируя условия, соответствующие различным конфигурациям свай (например, квадратной), типам и свойствам грунтов для различных температур. Перед началом испытаний по СНИП 2.02.04-88 выбирают величину сопротивления мерзлого грунта по поверхности смерзания со сваей Rⁿ_см или по СНИП 2.02.03-85 - сопротивление трения fⁿ_i по боковым поверхностям свай для талых грунтов, соответствующие самому слабому слою того или иного типа грунта (например, песчаного). Самым слабым грунтом называют грунт, у которого расчетные сопротивления Rⁿ_см и fⁿ_i имеют минимальные значения для данного конкретного случая испытаний свай.

Величины силы предварительного обжатия каждой грани модели свай, контролируемые с помощью динамометров (на фиг. 1 не показаны), рассчитывают соответственно для мерзлых грунтов N_пм и талых грунтов N_птпо формулам
N_nм= KRnс

_мF_см ;
N_пт= Kfni F_ст ; (1) где К - коэффициент подобия, который выбирают в соответствии с механическими свойствами (например, пластичностью или хрупкостью) модели грунта, (так, для кварца К= 1; F_см и F_ст - площади поверхностей контакта слабого слоя модели мерзлого или талого грунта с гранью модели сваи 1; численный коэффициент 1/4 взят для случая, когда обжатие производится четырьмя механическими обжигами приспособлениями (если обжимных приспособлений N, то этот коэффициент следует брать равным 1/N).

Затем осуществляют дополнительное обжатие модели сваи моделью грунта для этого прикладывают к нему электрическое поле, величину которого изменяют по слоям модели грунта, прилегающим к равным боковым граням модели сваи по определенной закономерности, в соответствии с изменением температуры t_z и глубины залегания Z естественного мерзлого или талого грунта, т. е. в зависимости от расчетных сопротивлений R^z_см и f_i^z . Величины электрического поля, прикладываемого к модели грунта, выбирают исходя из линейной зависимости абсолютных приращений геометрических параметров его слоев Δ h и Δ l от электрического напряжения U Δ h = d U
(2)
для продольного обратного пьезоэффекта,
Δl= d (-U) (3)
для поперечного обратного пьезоэффекта, где h - толщина, l - длина слоя модели грунта, d - пьезоэлектрический модуль (для кварца d = 2,33 ˙10^-2 м/В).

Затем строят график изменения прикладываемого электрического напряжения от расчетных сопротивлений R^z_см или f^z_i, в соответствии с которыми и подают электрическое напряжение на тот или иной слой модели грунта, прилегающий к разным граням модели сваи, с одинаковой или различной закономерностью.

Установив на крышку 3 погружающее приспособление 10 с динамометром 11, создают погружающим приспособлением возрастающую осевую нагрузку на модель сваи 1, фиксируют динамоментром 11 максимальную силу осевой нагрузки в момент срыва (начала поступательного движения) модели сваи или замеряют ее осадку.

По результатам испытаний определяют экспериментальную несущую способность модели сваи Φ_э, которую сравнивают с теоретической несущей способностью Φ_т, рассчитанной по формулам соответственно для мерзлого и талого грунтов (Φ_тм, Φ_тт)
Φ_тм= kf·m(RZс

_м·F_смi),
Φ_тт= Kf·mfZi·F_стi, (4) где f - коэффициент трения поверхности модели сваи 1 о поверхность модели грунта; m - коэффициент условий работы грунта (m = 0,1-1,1); n - число слоев модели грунта, R^z_см и fzi - расчетные сопротивления i-х слоев мерзлого и талого естественных грунтов для температуры t_z и глубины его залегания Z˙ F^z_cмi и F_стi - площади поверхностей контактов i-х слоев модели мерзлого или талого грунтов.

Сравнив Φ_эиΦ_т делают вывод о фактической несущей способности сваи в конкретных грунтовых условиях и о правильности выбранных конструкций и размеров сваи.

Кроме того, результаты испытаний, проведенные по предложенному способу, позволяют учитывать изменения геологической обстановки территории застройки под воздействием внешних факторов, путем варьирования силы прижатия прижимных элементов в связи с различными величинами сопротивлений R^z_см и f^z_i.
Провели испытания, моделируя условия, соответствующие различным конфигурациям свай и типам грунтов.

В первом примере смоделированы условия для испытания квадратной сваи длиной 10 м (рабочая длина сваи 8 м) и площадью поперечного сечения 0,16 м², погружаемой в песчаный вечномерзлый грунт.

Для данного конкретного случая определили изменение температуры t_z от глубины залегания естественного грунта. Результат представлен на фиг. 2. Далее по СНИП 2.02.04-88 выбрали значения расчетного сопротивления для всего интервала температур (t_z = (-0,3) - (-1,5)^оС. Затем построили график R^z_см = f(t_z) (см. фиг. 3, кривая 1) и график изменения прикладываемого электрического напряжения U от сопротивления R^z_см (см. фиг. 4, кривая 1).

Из фиг. 3 видно, что самый слабый слой мерзлого грунта находится при температуре - 0,3^оС и ей соответствует расчетное сопротивление Rⁿ_см = 5˙10⁴ Н/м², для которого по формуле (1) рассчитали постоянную силу обжатия одним обжимным приспособлением
N_n= 5·10⁴·4·10^-4= 5,0 H , после чего приступили к определению несущей способности модели сваи. Для этого использовали устройство, изображенное на фиг. 1. Модель сваи установили в рабочую камеру 2 через отверстие в крышке 3 и с помощью каждого механического обжимного приспособления 6 создали силу обжатия N_n = 5,0 Н. Затем повысили обжатие модели сваи, приложив к каждому слою модели грунта электрическое напряжение в соответствии с фиг. 4 (кривая 1).

Установив на крышку 3 погружающее приспособление 10 с динамометром 11, создали возрастающую осевую нагрузку на модель сваи 1 и определили экспериментальную несущую способность Φ_т. Она оказалась равной 98 Н. Предварительно рассчитанная теоретическая несущая способность Φ_т имела величину 96 Н. Следовательно, проведенные испытания показали, что фактически несущая способность выбранной системы "грунт-свая" соответствует требуемой.

Второй пример аналогичен первому, только вместо песчанного грунта испытания вели в глинистом грунте. Соответствующие этому грунту зависимости R^z_см от t_z и U от R^z_см представлены на фиг. 3, кривая 2 и на фиг. 4, кривая 2. По фиг. 2 выбрали Rⁿ_см = = 4 ˙10⁴ Н/м² и рассчитали N_nм= 4,0 Н. Несущие способности моделей свай соответственно оказались равны Φ_э = 85 Н; Φ_т= 81 Н.

В третьем примере испытания проводили для той же сваи, что и в первых двух примерах, однако нижняя половина сваи находилась в мерзлом грунте, а верхняя - в талом (см. фиг. 5, кривая 1).

Этому состоянию соответствуют графики зависимостей R^z_см и f^z_iот номера слоя модели грунта n, а также зависимость U = = f(n), (см. фиг. 5, кривая 2).

Самому слабому слою грунта при этом соответствует Rⁿ_см = 2,3 ˙ 10⁴ Н/м² и сила предварительного обжатия N_n = 2,3 Н. Экспериментальная несущая способность модели сваи Φ_э , 63 Н; теоретическая несущая способность Φ_т = 60 Н.

Таким образом, приведенные примеры показывают, что несущие способности выбранных свай соответствуют необходимым критериям.

Изобретение позволяет учесть широкий спектр факторов, влияющих на несущую способность свай, находящихся в естественных условиях, в том числе и изменения геокриологической обстановки территории застройки при воздействии внешних условий, т. е. расширить диапазон измерений. Кроме того, использование способа позволяет отказаться от дорогостоящих длительных натурных испытаний, а также проводить испытания в автоматическом режиме, поскольку подачу необходимого электрического напряжения на разные группы прижимных элементов можно осуществить по ранее заданной программе.

(56) Руководство по полевым испытаниям свай в вечномерзлых грунтах. М. : Стройиздат, 1977, с. 8-12.

Авторское свидетельство СССР N 642426, кл. E 02 D 1/00, 1976.

Использование: при испытании моделей свай, для проектирования и эксплуатации свайных фундаментов зданий и сооружений на вечномерзлых и талых грунтах. Сущность: способ определения несущей способности моделей свай включает погружение грунта и модели сваи в камеру и приложение к последней боковой и осевой нагрузок. В камеру в качестве грунта помещают модель из материалов, изменяющих свои геометрические параметры под действием электрического поля, например, пьезоэлектрики. Модель сваи сначала механически обжимают силой, постоянной по высоте, но различной или одинаковой по каждой отдельной боковой грани. Силу обжатия рассчитывают в зависимости от самого слабого слоя грунта в натуре, а также его температуры влажности и других факторов. Затем к модели грунта прикладывают электрическое поле разной величины по высоте модели сваи, обеспечивая различные величины обжатия за счет свойств материала модели грунта. Величину поля изменяют с одинаковой или различной закономерностью. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МОДЕЛЕЙ СВАЙ, включающий помещение грунта и модели сваи в рабочую камеру, приложение к модели сваи боковой нагрузки, различной по ее высоте, и последующее осевое нагружение с измерением параметров для расчета несущей способности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, расширения диапазона исследований путем моделирования условий, близких к реальным, в рабочую камеру помещают грунт в виде модели из материалов, изменяющих свои геометрические параметры под действием электрического поля, предварительно механически обжимают модель сваи с силой, постоянной по ее высоте, но различной или одинаковой по каждой отдельно взятой боковой грани модели сваи, причем величину силы обжатия рассчитывают в зависимости от типа самого слабого слоя естественного грунта и наличия внешних факторов, при этом последующее нагружение модели сваи различной нагрузкой по ее высоте осуществляют путем приложения к модели грунта электрического поля разной величины, которую изменяют с одинаковой или различной закономерностью. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материалов для модели грунта используют пьезоэлектрики.