СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БУРОНАБИВНОЙ СВАИ Российский патент 2009 года по МПК E02D33/00 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при изготовлении свайных фундаментов из буронабивных свай, применяемых, преимущественно, на строительных площадках вблизи существующих зданий, т.е. в стесненных условиях, обеспечивая повышение безопасности за счет минимизации передаваемого динамического воздействия на окружающие сооружаемый фундамент здания.

Любой фундамент должен обладать достаточной несущей способностью для того, чтобы воспринимать нагрузки от здания. Различают несущую способность как фундамента, так и отдельной сваи по условию прочности грунта основания и материала соответственно.

В процессе принудительного заглубления каждая свая закрытым нижним концом вначале сжимает грунт в направлении ее погружения, а затем отжимает в стороны, уплотняя его. В результате этого вокруг сваи образуется зона грунта с повышенной плотностью по сравнению с природной и, следовательно, с более высокими напряжениями.

Воздействующая на сваю осевая сжимающая нагрузка передается на окружающий массив грунта по поверхностям давления «А» (фиг.1), которые являются поверхностями главных нормальных напряжений. Форма и размеры этих поверхностей зависят от свойства грунтов, сечения, длины и способа погружения сваи.

Нагруженная свая оказывает давление на окружающий ее массив грунта, в каждой точке которого из-за этого возникают, кроме активных, равные по величине, но противоположные по знаку реактивные напряжения грунта: нормальные σ_о в уровне низа (подошвы) сваи, нормальные (обжимающие) σ_б и касательные τ на ее боковой поверхности (фиг.1). Этот массив называют зоной активного давления нагруженной сваи на грунт или сокращенно активной зоной [Глотов Н.М., Луга А.А. и др. Свайные фундаменты. М.: Транспорт, 1975, с.126-176].

По мере увеличения внешней силы на сваю вначале включается в работу боковая поверхность, а затем - нижний конец сваи. Для свай, опирающихся на практически несжимаемые скальные породы, крупноблочные отложения, плотные пески или твердые связные грунты, почти отсутствуют осадки основания, и поэтому почти не проявляются силы трения грунтов о боковую поверхность таких свай. Незначительные смещения верхней части сваи за счет ее упругой деформации приводят к появлению сил трения грунтов в пределах верхних слоев. Однако эти силы в общем балансе сил, характеризующих несущую способность сваи, составляют небольшую величину и поэтому, как правило, не учитываются в расчетах на действие вертикальных нагрузок.

Буронабивные сваи относятся к типу глубоких опор, строительство которых рекомендуется применять именно в случае вышеуказанных видов грунтов. Другими словами, несущая способность буронабивной сваи определяется прочностью грунта основания. Кроме того, буронабивные сваи применяются для фундаментов зданий и сооружений любого назначения при значительных сосредоточенных вертикальных и горизонтальных внешних нагрузках [Метелюк Н.С. и др. Сваи и свайные фундаменты (справочное пособие). Киев: Будiвельник, 1977, с.34-39].

Типичный способ сооружения буронабивной сваи состоит в том, что обсадную инвентарную трубу с теряемым наконечником погружают в грунт в режиме вращательных колебаний до ее остановки на уровне проектной отметки. После чего в трубу закладывают арматуру, заполняют ее бетоном и извлекают обсадную трубу также в режиме вращательных колебаний [Патент РФ №1730356, кл. E02D 5/38. Публ. 30.04.92].

Анализ вышеописанного процесса сооружения буронабивной сваи показывает, что при извлечении обсадной трубы под действием нормальных обжимающих напряжений σ_б, возникающих, как указано выше, в процессе сооружения сваи, бетон, находящийся в пластическом состоянии, уменьшает величину этих напряжений, а в конечном итоге, и величину касательных напряжений τ на боковой поверхности сваи. Это обстоятельство приводит к тому, что силы трения, действующие на сваю, в значительной мере уменьшаются, и ее несущая способность под действием осевой нагрузки определяется несущей способностью грунта на уровне низа сваи, ее подошвы. Для исправления этого недостатка рекомендуется использовать вибрационное или ударное уплотнение бетона, набравшего определенную прочность, что в какой-то мере увеличивает значение σ_о, а значит и τ. Однако это приводит к значительному усложнению технологии сооружения буронабивной сваи и снижению производительности. Следует отметить, что боковая поверхность буронабивных свай формируется в процессе ее производства по случайному закону, и, следовательно, площадь контакта сваи с грунтом имеет разброс в широком диапазоне, что не позволяет с помощью каких-либо аналитических расчетов учесть силы трения в несущей способности буронабивной сваи. Таким образом, несущая способность последней определяется нагрузкой на подошву сваи.

Несущую способность свай всех типов определяют, как наименьшее из значений, полученных по условию сопротивления грунта основания (по грунту) и по условию сопротивления материала (по материалу). Расчеты несущей способности свай по материалу производят в соответствии с нормами проектирования бетонных, железобетонных и прочих конструкций. Несущую способность свай по грунту определяют по нормам проектирования свайных фундаментов аналитическим и полевым методами.

Из-за большого многообразия грунтовых условий действующие нормы не в состоянии предложить единую методику определения несущей способности грунтов с достаточно высокой степенью точности. Поэтому при больших объемах свайных работ несущую способность уточняют на основании результатов полевых испытаний, к числу которых относятся зондирование грунтов, испытание свай динамической и статической нагрузками.

Метод испытания свай статической нагрузкой позволяет с более высокой степенью достоверности определять их несущую способность. Сущность этого метода испытаний заключается в непосредственном определении величины (предельного значения) нагрузки, воспринимаемой испытуемой сваей в момент начала резкого увеличения ее перемещения.

Испытания проводят одной из трех видов статических нагрузок: осевой вдавливающей; горизонтальной; осевой выдергивающей.

В практике отечественного и зарубежного фундаментостроения применяют несколько методов испытаний свай статической нагрузкой, в том числе: метод ступенчатого нагружения; метод непрерывного нагружения; метод равновесия.

Однако независимо от метода испытаний наступление предельного состояния по несущей способности характеризуется резким увеличением смещения сваи.

Испытания свай всех видов, в том числе динамическими и статическими нагрузками, производят в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-96 «Методы полевых испытаний сваями», принятого за ближайший технический предшественник (прототип). Количество испытуемых свай устанавливается программой испытаний и принимается при испытаниях статической вдавливающей нагрузкой до 1% общего количества свай в фундаменте, но не менее 2-х штук.

Для определения несущей способности буронабивной сваи на месте предполагаемого свайного поля осуществляют ее сооружение, которое включает вращательное погружение инвентарной обсадной трубы с теряемым конусообразным наконечником. При достижении проектной глубины погружения обсадной трубы во внутреннюю полость последней вводят заранее заготовленный металлический арматурный каркас, который устанавливают на наконечник, соединенный с обсадной трубой. Затем обсадную трубу заполняют бетоном и делают выдержку во времени, пока бетоном не будет достигнуто не менее 80% проектной прочности. В случае приложения к свае статической вдавливающей нагрузки используют установку, представляющую собой батарею гидравлических домкратов, упираемых в устройство из нескольких стальных балок, которые закреплены на анкерных сваях. Перемещение сваи допускается измерять любыми приборами с точностью не менее 0,1 мм. Наиболее удобными являются прогибомеры. Для измерения перемещения сваи рекомендуется использовать не менее двух приборов. ГОСТ 5686-96 регламентирует порядок испытания свай, вдавливаемых статической ступенчато-возрастающей нагрузкой. Согласно ему статическое испытание следует продолжать до тех пор, пока от воздействия нагрузки осадка (перемещение) сваи достигнет 20 мм и более для фундаментов зданий и сооружений с предельной величиной средних осадок 15 см и не менее 40 мм для сооружений с предельной величиной средних осадок 30 см.

Существенным недостатком описанного способа является то, что он дает приблизительную величину нагрузки, характеризующую несущую способность буронабивной сваи. Это вызвано тем, что осевое усилие (аналог несущей способности), которое фиксируется на гидравлических домкратах, есть сумма нормальных сил в подошве сваи и сил трения на боковой поверхности последней, действующих со стороны грунта. С определенной долей достоверности можно говорить о сумме двух составляющих - постоянной и переменной. Действительно, если учесть особенность взаимодействия грунта и бетона, заполняющего скважину при удалении из нее обсадной трубы, то становится очевидным факт снижения боковых, нормальных напряжений в грунте, создающих касательные напряжения τ, изменение которых происходит по случайному закону. В настоящее время отсутствуют какие-либо аналитические или эмпирические методики определения сил трения, действующих на боковые поверхности буронабивной сваи. Следует также отметить, что касательные напряжения τ со временем подвергаются релаксации, т.е. уменьшаются. Таким образом, величина нагрузки на гидравлических домкратах, полученная по способу-прототипу, недостоверно характеризует несущую способность буронабивной сваи, т.к. несет в себе переменную во времени, трудно учитываемую составляющую.

Задачей изобретения является повышение точности определения несущей способности буронабивной сваи за счет получения возможности выделения из величины нагрузки, получаемой на гидравлических домкратах, части, характеризующей несущую способность сваи со стороны ее подошвы, и части, зависящей от сил трения. Такое разделение позволяет более точно характеризовать несущую способность буронабивной сваи.

Поставленная задача решается следующим образом. Способ определения несущей способности буронабивной сваи включает сооружение последней путем вращательного погружения в грунт инвентарной обсадной трубы с теряемым наконечником. После чего трубу заполняют арматурным каркасом и бетоном, при достижении им проектной прочности прикладывают к свае статическую вдавливающую нагрузку и измеряют при этом ее перемещение. Особенностью способа является то, что перед заполнением обсадной трубы бетоном в ней устанавливают стакан, между днищем которого и наконечником размещают датчик усилия, связанный с регистрирующей аппаратурой, которую располагают на поверхности грунта. Стакан и датчик в обсадную трубу вводят совместно с арматурным каркасом и высоту стакана принимают не менее 1,5 наружного диаметра обсадной трубы. Датчик усилия изолируют от окружающего пространства по периметру стакана с помощью кольца, выполненного из упругоэластичного материала, которое устанавливают также между наконечником и днищем стакана.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что датчик усилия позволит выделить из показаний усилия на гидравлических домкратах ту часть внешней нагрузки, которая более точно характеризует несущую способность буронабивной сваи, отделив при этом переменную и нестабильную часть в виде сил трения, приложенных к боковой поверхности сваи.

На чертежах, прилагаемых к описанию, даны изображения:

- на фиг.1 - характера напряженного состояния грунта вокруг нагруженной сваи;

- на фиг.2-6 - различных стадий сооружения буронабивной сваи, предназначенной для определения ее несущей способности;

- на фиг.7 - установки для испытания буронабивной сваи статической нагрузкой.

Для описания способа определения несущей способности буронабивной сваи используются следующие конструктивные элементы и узлы:

обсадная труба - 1; теряемый наконечник - 2; арматурный каркас - 3; стакан - 4 с днищем - 5; датчик усилия - 6; кабель - 7; блок регистрирующей аппаратуры - 8; уплотняющее кольцо - 9; масса бетона - 10; анкерные сваи - 11; анкерные балки - 12; упорная плита - 13; силовой гидравлический цилиндр - 14; оголовник - 15; реперная система - 16 с прогибомером - 17.

Предлагаемый способ определения несущей способности буронабивной сваи осуществляется следующим образом.

Известно, что тип свайного фундамента, длину и сечение свай выбирают в зависимости от геологических и гидрологических условий строительной площадки, конструктивных особенностей и размеров сооружения, величины нагрузок, передаваемых на основание, опыта строительства и производственных возможностей строительной организации.

Буронабивные сваи различных видов рекомендуется применять для фундаментов зданий и сооружений в следующих случаях:

- при больших сосредоточенных вертикальных и горизонтальных нагрузках;

- на площадках со слоистыми геологическими условиями строительства, затрудняющими применение забивных свай;

- на стесненных площадках, где сложно транспортировать и устанавливать забивные сваи;

- вблизи существующих зданий и сооружений, в которых могут возникнуть недопустимые деформации элементов несущих конструкций или оборудования при забивке или вибрационном погружении свай.

Типовая буронабивная свая устраивается на фундаментном поле в соответствии с принятой для него схемой, определяемой конфигурацией и нагрузочной характеристикой будущего сооружения, а также геологическими и гидрологическими параметрами грунта. Применяют фундаменты в виде совокупности одиночных буронабивных свай или кустов, состоящих из 2-5 свай, объединенных общим монолитным ростверком.

Технология сооружения буронабивной сваи состоит из ряда последовательных операций, первая из которых состоит в том, что полую обсадную трубу 1, снабженную теряемым наконечником 2, связанным с последней с помощью устройства типа торцевой зубчатой муфты, устанавливают в захватном механизме станка, например, финской фирмы «Junttau» (не показан). Затем с помощью гидравлических домкратов сообщают обсадной трубе 1 вращательно-поступательное движение с крутящим моментом Т и осевым усилием F, что значительно облегчает ее погружение (фиг.2). На один из концов, подготовленного заранее арматурного каркаса 3 устанавливают и закрепляют стакан 4, на днище 5 которого монтируют датчик усилия 6, связанный кабелем 7 с аппаратурой 8 измерения усилия. На днище 5 установлено уплотнительное кольцо 9 из упругоэластичного материала, например пористой резины, которое располагается по периметру стакана 4 так, что датчик 6 оказывается в центре (фиг.3 и 4). С помощью подъемного крана (не показан) арматурный каркас 3 в сборе со стаканом опускается в обсадную трубу 1, погруженную ранее на проектную глубину. Каркас 3 через днище 5 стакана 4 и датчик 6 усилия опирается на наконечник 2, при этом датчик 6 усилия оказывается замкнут в кольцевую полость, образованную кольцом 9, изолирующим этот датчик от наружного пространства. Диаметр стакана 4 выбирают менее внутреннего диаметра обсадной трубы 1 на несколько миллиметров, а его высота назначается не более 1,5-2 внешних диаметров обсадной трубы 1. После установки арматурного каркаса 3 осуществляют заполнение обсадной трубы 1 бетонной смесью 10 по выбранной технологии. Извлечение сопровождают вращательным движением обсадной трубы с крутящим моментом Т* и усилием F* (фиг.6). Сформированная свая подвергается испытанию на несущую способность не ранее того, как бетон сваи достигнет 80% от проектной прочности. Испытания проводятся на установке, изображенной на фиг.7, которая является одной из практически применяемых. На голову сваи, которая предварительно подготовлена, надевается оголовник 15, а нагружающий гидравлический цилиндр 14, в свою очередь, через плиту 13 и анкерные балки 12 замкнут на анкерные сваи 11, закрепленные в грунте. Нагружение сваи осуществляют со скоростью 0,5-1,5 мм/мин. Испытания осуществляются в соответствии с пп.2, 4, 5 и 8 ГОСТ 5686-96 методом циклических нагружений до достижения осадки буронабивной сваи не менее 40 мм. Отсчеты осадки ведутся по прогибомеру 17. Общая нагрузка на сваю фиксируется по показаниям прибора силового гидравлического цилиндра 14. Одновременно снимаются показания с датчика 6 усилия, которые по кабелю 7 передаются в аппаратуру 8 регистрации этих показаний. Нагрузка, развиваемая на силовом гидравлическом домкрате 14, будет отличаться в большую сторону от показания силы на датчике 6. Разница между двумя этими показаниями является нагрузочной способностью сваи за счет силы трения, величина которой не только на стадии сооружения сваи, но и ее эксплуатации непостоянна и нестабильна и имеет тенденцию к уменьшению. Таким образом, за практически приемлемую и более точно определяемую несущую способность сваи следует принять нагрузку, зафиксированную датчиком усилия в подошве сваи, при этом, считая силы трения фактором запаса по несущей способности, который по ряду методик, в частности, принятых в США, учитывается в виде коэффициента запаса.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении свайных фундаментов из буронабивных свай. Способ определения несущей способности буронабивной сваи включает предварительное сооружение буронабивной сваи путем вращательного погружения в грунт инвентарной обсадной трубы с теряемым наконечником, последующее заполнение инвентарной обсадной трубы арматурным каркасом и бетоном и, при достижении последним проектной прочности, приложение статической вдавливающей нагрузки к свае и измерение ее перемещения. Перед заполнением инвентарной обсадной трубы бетоном в ней устанавливают стакан, между днищем которого и наконечником размещают датчик усилия, связанный с регистрирующей аппаратурой, которую располагают на поверхности грунта. Датчик усилия изолируют от окружающего пространства по периметру стакана посредством кольца, выполненного из упругоэластичного материала, которое устанавливают также между наконечником и днищем стакана. Стакан и датчик усилия вводят в инвентарную обсадную трубу совместно с арматурным каркасом. Испытание сваи осуществляют методом циклических нагружений после набора проектной прочности, при этом одновременно снимают показания с датчика усилий для выделения из показаний усилий части внешней нагрузки, характеризующей несущую способность буронабивной сваи, отделения переменной и нестабильной части в виде сил трения. Технический результат состоит в повышении точности определения несущей способности буронабивной сваи. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения несущей способности буронабивной сваи, включающий предварительное сооружение буронабивной сваи путем вращательного погружения в грунт инвентарной обсадной трубы с теряемым наконечником, последующее заполнение инвентарной обсадной трубы арматурным каркасом и бетоном и при достижении последним проектной прочности приложение статической вдавливающей нагрузки к свае и измерение ее перемещения, отличающийся тем, что перед заполнением инвентарной обсадной трубы бетоном в ней устанавливают стакан, между днищем которого и наконечником размещают датчик усилия, связанный с регистрирующей аппаратурой, которую располагают на поверхности грунта, при этом датчик усилия изолируют от окружающего пространства по периметру стакана посредством кольца, выполненного из упругоэластичного материала, которое устанавливают также между наконечником и днищем стакана, причем стакан и датчик усилия вводят в инвентарную обсадную трубу совместно с арматурным каркасом, а испытание сваи осуществляют методом циклических нагружений после набора проектной прочности, при этом одновременно снимают показания с датчика усилий для выделения из показаний усилий части внешней нагрузки, характеризующей несущую способность буронабивной сваи, отделения переменной и нестабильной части в виде сил трения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высоту стакана принимают равной не менее 1,5 наружного диаметра инвентарной обсадной трубы.