СПОСОБ СТЕНДОВОГО ИСПЫТАНИЯ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА Российский патент 1998 года по МПК E02D33/00 

Изобретение относится к строительству зданий и сооружений на свайных фундаментах как гражданских так и промышленных.

Известны способы определения осадок одиночных свай (свайных фундаментов из одиночных свай).

1. Теоретический (Е.П.Сивцов "Расчет осадки одиночной сваи с учетом работы острия", Сборник НИИОСП N53, Москва, Госстройиздат, 1963 г.).

2. Аналитический (СНиП 2.02.03-85, раздел 6с. 19, приложение 3, с. 43,44).

3. В виде полевых испытаний пробных свай или эталонных разных конструкций (СНиП 2.02.03-85, раздел 5, с. 14 - 18).

Известные способы обладают следующими недостатками: первые два неточны по причине отсутствия в нормативных документах исходных данных, связанных с литологическими и генетическими особенностями грунтов.

Полевые испытания пробных свай статической вдавливающей нагрузкой в значительной степени компенсируют эти недостатки, но в силу того, что испытываются одиночные сваи и в короткий промежуток времени, измеряемый днями, и в построенном фундаменте работает не одна свая (куст, ряд и т.п.), взаимовлияя друг на друга в течение многих лет, то полученные результаты в виде осадки сваи не могут быть отождествлены с осадкой фундамента в натуре и поэтому нормами рекомендуется определять несущую способность сваи через осадку, уменьшенную в 5-10 раз.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ определения осадки сооружения (фундамента) согласно которому определение перемещений сооружения производят путем создания модели системы грунт-фундамент, представляющей собой модель сооружения, заключенного в грунтовую кассету с днищем и жестко закрепленной крышкой, в которой перемещения модели сооружения определяют под воздействием нагрузки, создаваемой гидродомкратом, с предварительной передачей бокового давления на грунт пуансонами гидрокамер. (SU, авторское свидетельство N875269, E 02 D 1/00, 1981)/
Недостатком такого способа определения перемещений сооружения является невозможность моделирования природного напряженного состояния грунта применительно к основаниям, простирающимся на значительную глубину (2 м и более) из-за отсутствия возможности создания трехосного сжатия, а также усложнение конструкции стенда при исследовании длинномерных сооружений (свайных фундаментов).

Задачей настоящего изобретения является определение перемещений свай, идентичных натуре, в свайном фундаменте от любых сочетаний нагрузок и воздействия, проведение расчета по второй группе предельных состояний (по деформациям) и на основе полученных оптимальных параметров свай снижение материалоемкости свайного фундамента.

Поставленная задача решается тем, что в способе стендового испытания свайного фундамента, включающим создание модели системы грунт-фундамент с модельными сваями и фрагментами грунтового основания, погружение модельных свай на заданную глубину в грунтовое основание с приложением нагрузки и измерением их перемещений, модель системы грунт-фундамент создают в масштабе 1: 1 к натуре в виде развертки отдельных элементов, соединенных между собой механически, каждый из которых состоит из модельных свай и фрагментов грунтового основания, причем модельные сваи выполняют в виде отдельных фрагментов свай, имеющих параметры натурных свай с суммарной их высотой равной высоте натурных свай, а разрез фрагментов грунтового основания в развертке составляет разрез натурного грунтового основания. Кроме того, грунт каждого из фрагментов основания подвергают до начала погружения модельный свай трехосному сжатию, формирующему природное напряжение состояние частиц, соответствующее глубине залегания, и поддерживают заданные давления в околосвайном грунтовом массиве, возникающие в результате погружения модельный свай и в процессе всего времени испытания.

Перемещения свайного фундамента, измеряемые от нагрузки, прикладываемой ступенями в соответствии с приращением масс строительных конструкций возводимого сооружения, являются искомыми, позволяющими произвести расчет по деформациям.

На фиг. 1 представлен геологический разрез для иллюстрации приема замены природного грунтового массива разверткой фрагментов грунтового основания с погруженными в них модельными сваями. На кровле фрагментов основания показаны эпюры нагрузок, эквивалентных природному давлению, показан также прием моделирования грунтовых вод с контролем уровня при помощи питательного бака с переливной трубой.

На фиг. 2 - 5 представлена принципиальная схема моделирования трехосного сжатия с показом эпюр давлений на примере верхнего контура фрагмента грунтового основания.

На фиг. 6, 7 изображена в разрезе принципиальная конструкция модельной сваи в положении ее деталей соответственно при погружении и при осажденном нижнем конце.

На фиг. 8, 9 изображен общий вид стенда с размещенными на нем элементами развертки (фрагментами основания) в момент испытания свайного фундамента статической вдавливающей нагрузкой (штампы, домкраты камер сжатия не показаны).

На фиг. 10, 11 изображена в разрезе верхняя часть фрагмента основания во взаимодействии с нагрузочным штампом, снабженным колодцами, соответственно вид сбоку и сверху. Изображены также ростверк и рычаги механической части.

На фиг. 12 - 14 изображена принципиальная схема взаимодействия домкратов стенок с насосной станцией.

На фиг. 15 изображена принципиальная схема обеспечения заданного уровня бокового давления на грунт в автоматическом режиме.

Способ осуществляют следующим образом.

Природный грунтовый массив 1 в размерах его активной части преобразуется в сборный вариант путем расчленения по высоте на отдельные элементы (фрагменты натурного грунтового основания) 2, каждый из которых размещают в нескольких подобранных по высоте жестких ограждающих конструкциях, замкнутых в плане (контурах) 3. Внутри контуров имеются расположенные по периметру подвижные стенки 4, перемещающиеся на катках 5 в направляющих 6, закрепленных на ребрах жесткости 7. Вертикальные ребра подвижных стенок соединены гибкими компенсаторами 8. Окаймляя внутреннее пространство подвижные стенки образуют камеры сжатия 9, в которых грунт получает боковое давление 10 под воздействием гидродомкратов 11, упирающихся в несущие конструкции 12, а через нагрузочные штампы 13, расположенные на кровле каждого фрагмента грунтового основания - вертикальную нагрузку 14, эквивалентную природной, т.е. грунт каждого фрагмента основания подвергают трехосному сжатию, формирующему природное напряжение состояние его частиц в соответствии с глубиной залегания. Укладку грунта в камеры сжатия в пределах каждого фрагмента основания производят последовательно снизу вверх, обеспечивая идентичность физико-механических, деформационных свойств грунтов с грунтами натуры, моделируя уровень грунтовых вод при помощи питательного бака 15 с переливной трубой 16 и отключающими устройствами 17. Контролируют все параметры грунтов во всех фрагментах основания известными методами (зондированием, отбором проб и т.п.). Для пропуска зондов и модельных свай в нагрузочных штампах предусмотрены соответственно отверстия 18 и 19.

Сопряжение контуров 3 по высоте осуществляют через уплотнительные прокладки 20, а пропуск штоков домкратом через стенки контуров - с использованием сальников 21.

Попутно с укладкой грунта размещают в исследуемых сечениях основания датчики, тензометры, что дает возможность совместно с датчиками на модельных сваях регистрировать изменения напряженного состояния грунта в околосвайном массиве и в сжимаемой толще (ниже нижних концов свай).

Конструкция модельных свай 22 разной длины (под высоту фрагмента основания) позволяет разделить работу боковых поверхностей 23, нижние торцы которых должны в рабочем положении находиться на уровне верха нижних контуров, от работы концов 24 путем осаждения последних через внутренние штанги 25 на величину, превышающую сдвиговую осадку и ожидаемую осадку всего фундамента.

Фрагменты грунтового основания 2 в виде развертки природного грунтового основания монтируют на стенде, представляющем собой прочную, жесткую платформу 26, расчлененную несущими конструкциями в виде колонн 27, ригелей 28 и балок 29 на пролеты, в которых размещают элементы развертки. На ригелях 28 монтируют механическую часть стенда в виде рычагов 30, обеспечивающих равенство перемещений модельных свай во всех фрагментах основания. Типы опорных частей 31 рычагов 30 принимают в зависимости от вида перемещений.

В каждый фрагмент грунтового основания 2 гидродомкратами погружают модельные сваи 22, пропуская их через отверстия 19, имеющиеся в нагрузочных штампах 13 в соответствии с планом фундамента и в той последовательности как это будет при производственном погружении на глубину, когда нижние торцы боковых поверхностей 23 достигнут верха нижних контуров 3.

Моделирование перехода уплотненных грунтовых ядер, идущих перед нижними концами модельных свай, из одного фрагмента основания в другой с воспроизведением всех физических явлений, происходящих в натуре, осуществляют путем оставления их в нижних контурах предыдущих фрагментов основания и формирования таких же ядер в следующем фрагменте с использованием колодцев 32, установленных на нагрузочные штампы 13.

Для устранения усилий трения грунта о боковые поверхности модельных свай в пределах колодцев, последние делают с разъемными стенками, чтобы перед испытанием фундамента освободить их от грунта. Расстояние от низа штампа до верха нижнего контура в одном фрагменте основания представляет собой часть рабочей высоты боковых поверхностей модельных свай, а во всех - всю рабочую высоту свай, обеспечивающую равенство площадей боковых поверхностей модельных свай и натуры.

Закреплением в гнездах 33 ростверков 34 боковых поверхностей 23 модельных свай 22 и пропуском внутренних штанг 25 через отверстия 35 в ростверках производят объединение свай в каждом фрагменте основания во фрагмент свайного фундамента, кроме последнего элемента, в котором ростверком 34 закрепляются только внутренние штанги 25, т.к. работают только нижние концы 24 модельных свай, и нижерасположенный грунт представляет собой сжимаемую толщу.

Осаждением домкратами нижних концов 24 свай через внутренние штанги 25 (кроме последнего элемента развертки) подготавливают для работы все боковые поверхности свай. Все ростверки через штанги 36 соединяют с механической часть стенда (с рычагами 30) с устранением люфтов.

Прикладывая нагрузки в первом элементе развертки с приращением, соответствующим увеличению масс надфундаментных конструкций предстоящего строительства, получают абсолютную искомую осадку фундамента в одной частном определении.

Подобную операцию проделывают для другого сечения плана фундаментов здания или сооружения. По полученным абсолютным осадкам определяют относительную разность осадок и сравнивают ее с допустимой относительной разностью осадок, т.е. выполняют расчет по деформациям.

Автоматическое обеспечение заданного среднего уровня давления в грунте в местах контакта с подвижными стенками в каждом фрагменте грунтового основания осуществляется следующим образом.

Зная площадь подвижных стенок 4 и величины давлений грунта в точках контакта со стенками на уровне середины каждого контура (средние давления), которые возникнут в момент погружения модельных свай, а также, зная параметры домкратов 11 (площадь поршня) определяют соответствующие давления в жидкости домкратов. Подвижными контактами 37 и 38 электроконтактного манометра (ЭКМ) 39 устанавливают интервалы (соответственно верхний и нижний пределы) средних давлений, которые необходимо достичь в результате погружения модельных свай и затем удерживать в течение заданного срока. Перепускной клапан (ПК) 40 поджатием или ослаблением пружины 41 винтом 42 настраивают на сбрасывание давления при достижении верхнего предела, при этом вентиль 43 на трубопроводе слива жидкости из системы домкратов - закрыт, вентиль 44 на трубопроводе привода домкратов подвижной стенки, рядом с которой погружают сваи, - открыт, аналогичные вентили у остальных домкратов подвижных стенок - закрыты, трубопровод на линии домкраты - насосная станция 55 перекрыт обратным клапаном 46, вентили 47 и 48 соответственно на трубопроводах к ЭВМ и ПК - открыты.

Погружение первый свай вблизи той или иной подвижной стенки избыточным давлением в грунте отодвигает ее, создавая в жидкости домкратов давление, которое фиксируется ЭКМ и при достижении верхнего предела, стабилизируется, т.к. сработает перепускной клапан.

Данный цикл повторяют пока не погрузят все модельные сваи.

После стабилизации давления происходит снижение его в результате явления релаксации, при этом контакт указательной стрелки 49 ЭКМ, перемещаясь в сторону уменьшения давления, коснется подвижного контакта 38 нижнего предела, замкнув электрическую цепь на линии нулевой провод 50 - фаза 51 через катушку 52 магнитного пускателя (МП) 53. Замкнутыми контактами 54 МП включает в работу электромотор 55 насосной станции 45, кроме того, по нулевому проводу 50 в пускателе создается блокировка. Работой насоса 56 создают давление в жидкости домкратов при открытых вентилях 44, в результате чего подвижные стенки 4 создают боковое давление, превышающее нижний предел давления. Это приводит к размыканию контактов 38 и 39, но работа электромотора 55 продолжается, т. к. в МП произошла блокировка электрической цепи по нулевому приводу 50.

Продолжающийся рост давления приводит к тому, что контакт указательной стрелки 49 коснется подвижного контакта 37 верхнего предела давления, замкнув электрическую цепь на линии ноль 50 - фаза 51 через замкнутые контакты 57 реле 58 и катушку реле 59, при этом катушка разомкнет контакты 57 реле и, следовательно, обеспечит катушку 52 МП. МП отключает электромотор 55. Снижение давления приводит к повторению цикла.

Аналогичным образом оборудованы остальные контуры 3 в пределах одного фрагмента основания. Подключение их к насосной станции 45 производят через вентили 60. При необходимости всеми операциями управляют вручную. Для этого на трубопроводах к домкратам установлены показывающие манометры 61, а электромотор 55 насосной станции включают в работу пакетным выключателем 62 от самостоятельной линии питания при закрытом вентиле 47 ЭКМ (указательная стрелка остановлена). Манипулируя открытием и закрытием вентилей, приводят в движение при необходимости как одну подвижную стенку, так и любые их сочетания. Возврат подвижных стенок в исходное положение может осуществляться простейшим механическим путем (лебедкой) при открытом вентиле 43 слива жидкости и вентилях при домкратах 44.

Способ стендового испытания свайного фундамента имеет следующие преимущества:
1. Способ позволяет определить максимальные осадки свай в разных сечениях плана фундаментов, затем по этим данным - относительную разность осадок и сравнить ее с допустимой, т.е. выполнить расчет по деформациям. Приближение абсолютных осадок к максимально допустимым при соблюдении допустимой относительной деформации означает, что определены рациональные длины свай и их сечения, т.е. найдено самое экономичное решение свайных фундаментов.

2. На стенде можно производить испытания не только отдельных фундаментов, но и целых частей здания или сооружения (их моделей) путем устройства над группой фундаментов или лентой (их развертками) надфундаментных конструкций (их моделей).

3. Выполнив подвижные стенки из прозрачного материала можно расширить круг знаний в поведении системы грунт-фундамент.

Использование: в области строительства для испытания свайных фундаментов. Сущность: в способе стендового испытания свайного фундамента, включающем создание модели системы "грунт-фундамент" с модельными сваями и фрагментами грунтового основания, погружение модельных свай на заданную глубину с приложением нагрузки и измерением перемещений, упомянутую модель создают в масштабе 1: 1 к натуре в виде развертки отдельных элементов, соединенных между собой механически. Каждый элемент состоит из модельных свай и фрагментов грунтового основания. Модельные сваи выполняют в виде отдельных фрагментов свай с параметрами натурных свай, а разрез фрагментов грунтового основания в развертке составляет разрез натурного грунтового основания. До начала погружения модельных свай грунтофрагменты подвергают трехосному сжатию с целью формирования природного напряжения состояния, которое поддерживают в процессе испытания. 1 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ стендового испытания свайного фундамента, включающий создание модели системы грунт фундамент с модельными сваями и фрагментами грунтового основания, погружение модельных свай на заданную глубину в грунтовое основание с приложением нагрузки и измерением их перемещений, отличающийся тем, что создают модель системы грунт фундамент в масштабе 1 1 к натуре в виде развертки отдельных элементов, соединенных между собой механически, каждый из которых состоит из модельных свай и фрагментов грунтового основания, причем модельные сваи выполняют в виде отдельных фрагментов свай, имеющих параметры натурных свай с суммарной их высотой, равной высоте натурных свай, а разрез фрагментов грунтового основания в развертке составляет разрез натурного грунтового основания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что грунт каждого из фрагментов основания подвергают до начала погружения модельных свай трехосному сжатию, формирующему природное напряженное состояние частиц, соответствующее глубине залегания, и поддерживают заданные давления в околосвайном грунтовом массиве, возникающие в результате погружения модельных свай и в процессе всего времени испытания.