СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАИ Российский патент 2013 года по МПК E02D33/00 

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения несущей способности натуральных свай в фундаменте сооружений.

Известен способ определения несущей способности сваи [ГОСТ 5686-94. Грунты. Методы полевых испытаний сваями. - М.: Изд. стандартов, 1996], включающий приложение на модельную сваю вдавливающей нагрузки ступенями с выдержкой каждой во времени до условной стабилизации осадки сваи. За несущую способность сваи принимают значение вдавливающей нагрузки последней ступени, после которой происходит непрерывное возрастание осадки сваи [СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. - М.: 2011. - 85 с.].

Способ имеет следующие недостатки:

- режим приложения вдавливающей нагрузки ступенями с выдержкой до стабилизации осадки сваи не соответствует режиму нагружения свай в фундаменте при строительстве сооружений, при котором нагрузка увеличивается практически постоянно [Россихин Ю.В., Битайнис А.Г. Осадки строящихся сооружений. - Рига: Зинатне, 1980. - 339 с.];

- неопределенная длительность испытаний, т.к. до начала испытаний не известно количество ступеней и время выдержки каждой ступени нагрузки до стабилизации осадки сваи;

- за несущую способность натуральной сваи в фундаменте сооружения принимается значение вдавливающей нагрузки, при которой наступает непрерывная осадка сваи и соответственно потеря ее несущей способности;

- низкая достоверность и точность определения несущей способности сваи натуральной сваи в фундаменте сооружения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения несущей способности забивных свай [Авт.св. СССР на изобретение №505769 E02D 3/00, E02D 33/00 и G09B 25/00, БИ №9, 1976 (прототип)], включающий приложение на модельную сваю непрерывно возрастающей нагрузки до наступления ее перемещения со скоростью 0,02-0,03 м/мин. Нагрузка, соответствующая этой скорости, принимается в качестве предельной несущей и моделируется на реальную (натуральную) сваю по формуле

$$P_P=P_M\frac{U_P}{U_M},\left(1\right)$$

где Р_P - несущая способность реальной (натуральную) сваи;

Р_M - предельная нагрузка на модельную сваю;

U_P и U_M - периметры сечений, соответственно, реальной и модельной свай.

Этот способ имеет следующие недостатки:

- погружение модельной сваи в грунт производится непрерывно возрастающей нагрузкой без учета ее размеров и свойств испытываемых грунтов [Денисенко В.В., Ляшенко П.А., Снежкин Б.А. Особенности поведения глинистых грунтов при сжатии постоянно возрастающей нагрузкой // Сб. науч. Тр. Гидропроекта, 1990, вып.143. - С.161-166] с произвольной скоростью до наступления перемещения сваи со скоростью 0,02-0,03 м/мин, что исключает возможность консолидации грунта вокруг сваи и снижает значение ее несущей способности;

- при определении несущей способности реальной (натуральную) сваи не учитываются соотношение длин модельной и реальной свай; расчетные длительности нагружения модельной сваи и реальной сваи в фундаменте сооружения; предельная допускаемая величина и скорость осадки реальной сваи в фундаменте сооружения, принимаемая из строительных норм в зависимости от конструкции здания или сооружения;

- за несущую способность реальной (натуральную) сваи в фундаменте сооружения принимается значение вдавливающей нагрузки, при которой наступает непрерывная осадка сваи со скоростью 0,02-0,03 м/мин и соответственно потеря ее несущей способности;

- низкая достоверность и точность определения несущей способности реальной сваи в фундаменте сооружения.

Задача изобретения - приближение условий испытания модельной сваи к условиям работы натуральной сваи в фундаменте сооружения.

Технический результат изобретения - повышение достоверности и точности определения несущей способности натуральной (реальной) сваи в фундаменте сооружения и сокращение трудозатрат.

Технический результат достигается тем, что в способе определения несущей способности сваи, включающем приложение на модельную сваю непрерывно возрастающей вдавливающей нагрузки до потери ее несущей способности, регистрацию вдавливающей нагрузки и осадки сваи и расчет несущей способности натуральной сваи в фундаменте сооружения:

непрерывно возрастающую вдавливающую нагрузку на модельную сваю прикладывают с постоянной скоростью, а ее величину принимают в зависимости от диаметра модельной сваи, влажности, пределов пластичности и коэффициента пористости грунта под нижним концом модельной сваи по формуле

$$U_m=\mathrm{0,048}{D}_m^2{10}^{\mathrm{0,106}+\mathrm{8,60}/I_P-\mathrm{1,1}W/W_L+\mathrm{1,01}e}\left(2\right)$$

где 0,048 - эмпирический коэффициент, кПа/мин;

U_m - скорость непрерывно возрастающей вдавливающей нагрузки, кН/мин;

D_m - диаметр модельной сваи, м;

I_P - число пластичности грунта под нижним концом модельной сваи;

W и W_L - влажность природная и влажность на пределе текучести, соответственно, грунта под нижним концом модельной сваи;

e - коэффициент пористости грунта под нижним концом модельной сваи,

регистрацию вдавливающей нагрузки и осадки модельной сваи производят непрерывно с погрешностью 100-200 Н для вдавливающей нагрузки и 0,005-0,010 мм для осадки сваи,

по данным регистрации вдавливающей нагрузки и осадки модельной сваи строят график зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки, который разбивают на три участка - на 1-й участок с постоянной линейной скоростью осадки модельной сваи, на 2-й участок с нелинейно увеличивающейся скоростью осадки модельной сваи в 5-10 раз большей, чем на 1-м участке, и на 3-й участок со скоростью осадки модельной сваи в 5-10 раз большей, чем на 2-м участке, а несущую способность натуральной сваи в фундаменте сооружения рассчитывают с использованием данных графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки по формуле

$${Ф}_n={\alpha }_{ф}{Ф}_m,\left(3\right)$$

где Ф_n - несущая способность натуральной сваи в фундаменте сооружения;

Ф_m - несущая способность модельной сваи, определяемая как значение вдавливающей нагрузки в конце 2-го участка графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки;

α_ф - коэффициент подобия несущей способности модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения свай

$${\alpha }_{ф}={\left(\frac{L_n}{L_m}\right)}^2\frac{D_n}{D_m}\frac{t_n}{t_m}{\left(\frac{S_n}{S_m}\right)}^{-1}{\left(\frac{V_n}{V_m}\right)}^2$$

где L_m и L_n - соответственно длины модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;

D_m и D_n - соответственно диаметры модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;

t_m и t_n - расчетные длительности испытания модельной сваи и нагружения натуральной сваи в фундаменте сооружения;

S_m - приращение осадки модельной сваи на 2-ом участке графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки перед исчерпанием несущей способности модельной сваи;

S_n - предельная осадка натуральной сваи в фундаменте сооружения, принимаемая из строительных норм в зависимости от конструкции здания или сооружения;

V_m - средняя скорость осадки модельной сваи на 2-м участке графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки;

V_n - допустимая скорость осадки натуральной сваи в фундаменте сооружения, принимаемая в зависимости от конструкции здания или сооружения (см. таблицу).

Таблица Предельные значения скорости деформации оснований фундаментов в зависимости от вида и конструктивных особенностей зданий и сооружений [Россихин Ю.В., Битайнис А.Г. Осадки строящихся сооружений. - Рига: Зинатне, 1980. - 339 с.] Вид сооружения Допустимая скорость осадки сваи, V_n, см/год (мм/час) Жилые и общественные многоэтажные здания:   - панельные и каркасно-панельные при L/B≥7 20 (0,023) - то же, при 4<L/B<1 30 (0,034) - с несущими стенами из крупных блоков и кирпича (кладка без армирования) при L/B>7 30 (0,034) - то же, при 4<UB<1 40 (0,045) - то же, усиленные поясами жесткости, располагаемыми не реже, чем через один этаж 40 (0,045) Производственные здания многоэтажные в полном каркасе 30 (0,034) Примечание: L - длина и B - ширина здания

Приложение на модельную сваю непрерывно возрастающей вдавливающей нагрузки с постоянной скоростью и определение этой скорости с учетом диаметра модельной сваи, влажности, пределов пластичности и коэффициента пористости грунта под нижним концом модельной сваи по формуле (2) более точно моделирует условия работы натуральной сваи в фундаменте сооружения при испытании модельной сваи и таким образом повышает достоверность определения несущей способности натуральной сваи в фундаменте сооружения.

Непрерывная регистрация вдавливающей нагрузки и осадки модельной сваи с погрешностью 100-200 H для вдавливающей нагрузки и 0,005-0,010 мм для осадки сваи позволяет строить детализированный график зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки и выделять на нем три участка - 1-й участок с постоянной, в целом, линейной скоростью осадки модельной сваи, 2-й участок с нелинейно увеличивающейся скоростью осадки модельной сваи, в целом, в 5-10 раз большей, чем на 1-м участке, и 3-й участок со скоростью осадки модельной сваи в 5-10 раз большей, чем на 2-м участке, а затем за несущую способность модельной сваи принимать значение вдавливающей нагрузки в конце 2-го участка графика, т.е. значение вдавливающей нагрузки до наступлении потери несущей способности модельной сваи и т.о. повышает точность и достоверность определения несущей способности натуральной сваи в фундаменте сооружения.

Определение несущей способности натуральной сваи в фундаменте сооружения по формуле (3) с коэффициентом подобия несущей способности модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения свай, определяемым по формуле (4) и учитывающим длины и диаметры модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения, расчетные длительности испытания модельной сваи и нагружения натуральной сваи в фундаменте сооружения, приращение и среднюю скорость осадки модельной сваи на 2-ом участке графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки перед исчерпанием несущей способности модельной сваи, предельную осадку и допустимую скорость натуральной сваи в фундаменте сооружения, повышает точность и достоверность определения несущей способности натуральной сваи в фундаменте сооружения.

Моделирование работы сваи под нагрузкой основано на положениях теории подобия. Потеря несущей способности сваи происходит вследствие наступления предельного состояния грунта под нижним концом сваи. В этом месте образуется зона предельного равновесия грунта. Основываясь на работах [Григорян А.А. Расчет оснований свайных фундаментов в свете решения задач механики грунтов // Труды Международной научно-практической конф. по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. Т.1, Пермь, 2004, с.200-205; Ляшенко П.А., Остапенко А.И. Лабораторное моделирование буроинъекционной сваи //b Научный журнал Куб-ГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - №02(66). С.245-260. http://ej.kubagro.ru/201 l/02/par723.pdf], зону предельного равновесия схематически можно представить в виде уплощенной с боков 4-хгранной пирамиды, основание которой служит подошвой условного фундамента в момент разрушения его основания.

При сделанных предположениях работа силы сопротивления сваи определяется скоростью уплотненного грунта под нижним концом сваи и длительностью перемещения сваи с постоянной скоростью.

Тогда работу силы сопротивления модельной сваи выразим формулой (5), а силы сопротивления натуральной сваи в фундаменте сооружения - формулой (6):

$${Ф}_m{S}_m=Q_{m}g{V}_m{t}_m,\left(5\right)$$

$${Ф}_m{S}_m=Q_{n}g{V}_n{t}_n,\left(6\right)$$

где Q_m и Q_n - масса области уплотненного грунта под нижним концом сваи перед исчерпанием ее несущей способности соответственно модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;

g - ускорение свободного падения,

остальные обозначения приведены в формулах (3) и (4).

Сравнивая формулы (6) и (5), получаем условие подобия модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения

$${\alpha }_{ф}={\alpha }_L^2{\alpha }_D{\alpha }_t{\alpha }_S^{-1}{\alpha }_V^2,\left(7\right)$$

где $${\alpha }_{ф}=\frac{{Ф}_n}{{Ф}_m}\left(8\right)$$ - коэффициент подобия несущей способности модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;

$${\alpha }_L=\frac{L_n}{L_m}\left(9\right)$$ - коэффициент подобия длины модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;

$${\alpha }_D=\frac{D_n}{D_m}\left(10\right)$$ - коэффициент подобия диаметров модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;

$${\alpha }_V=\frac{V_n}{V_m}\left(11\right)$$ - коэффициент подобия скоростей осадки сваи перед исчерпанием несущей способности модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;

$${\alpha }_t=\frac{t_n}{t_m}\left(12\right)$$ - коэффициент подобия расчетных длительностей осадки сваи перед исчерпанием несущей способности модельной сваи и нагружения натуральной сваи в фундаменте сооружения;

$${\alpha }_S=\frac{S_n}{S_m}\left(13\right)$$ - коэффициент подобия приращение осадки сваи перед исчерпанием несущей способности модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения.

Из уравнения (8) получаем уравнение (3), подставляя уравнения (8)-(13) в уравнение (7), получаем уравнение (4).

Способ определения несущей способности сваи реализуется, например, с помощью устройства, состоящего из модельной сваи, упорной системы, узла приложения непрерывно возрастающей вдавливающей нагрузки, узла непрерывной регистрации вдавливающей нагрузки и узла непрерывной регистрации осадки сваи.

Пояснения к предлагаемому способу определения несущей способности сваи и один из вариантов конструкции устройства для реализации этого способа схематично приведены на чертеже,

где на фиг.1 - принципиальная блок-схема устройства для реализации способа определения несущей способности сваи;

фиг.2 - график зависимости скорости осадки сваи от вдавливающей нагрузки.

Устройство для реализации способа определения несущей способности сваи состоит из модельной сваи 1, упорной системы 2, узла приложения непрерывно возрастающей вдавливающей нагрузки 3, узла непрерывной регистрации вдавливающей нагрузки 4 и узла непрерывной регистрации осадки сваи 5.

Способ определения несущей способности сваи осуществляется следующим образом.

На модельную сваю прикладывают непрерывно возрастающую вдавливающую нагрузку с постоянной скоростью, а ее величину принимают в зависимости от диаметра модельной сваи, влажности, пределов пластичности и коэффициента пористости грунта под нижним концом модельной сваи по формуле (2).

В процессе вдавливания модельной сваи непрерывно регистрируют вдавливающую нагрузку и осадку модельной сваи с погрешностью 100-200 H для вдавливающей нагрузки и 0,005-0,010 мм для осадки сваи.

По данным регистрации вдавливающей нагрузки и осадки модельной сваи строят график зависимости скорости осадки опытной сваи от вдавливающей нагрузки (см. фиг.2) и разбивают его на три участка:

- 1-й участок (участок FD-1), на котором средняя скорость осадки опытной сваи $$V_m^{\left(1\right)}$$ , в целом, мала, и осадка увеличивается линейно, т.е. пропорционально вдавливающей силе Р_m;

- 2-й участок (участок FD-2), на котором осадка опытной сваи увеличивается нелинейно к вдавливающей силе, а среднее значение скорости осадки опытной сваи $$V_m^{\left(2\right)}$$ существенно увеличивается по сравнению с 1-м участком (участком FD-1), т.е. $$V_m^{\left(2\right)}\ge \left(5÷10\right)V_m^{\left(1\right)}$$ ;

- 3-й участок (участок FD-3), на котором скорость осадки опытной сваи существенно увеличивается по сравнению со 2-м участком (участком FD-2), т.е. $$V_m^{\left(3\right)}\ge \left(5÷10\right)V_m^{\left(2\right)}$$ ;

В начале 3-го участка (участка FD-3) увеличение вдавливающей нагрузки Р_m прекращают, а значение вдавливающей нагрузки в конце 2-го участка принимают как значение несущей способности модельной сваи Ф_m и рассчитывают несущую способность натуральной сваи в фундаменте сооружения Ф_n по формуле (3).

Заявляемый способ определения несущей способности сваи позволяет увеличить достоверность и точность определения несущей способности натуральной сваи в фундаменте сооружения, сократить трудозатраты при испытаниях и таким образом создать определенный практический и экономический эффект.

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения несущей способности натуральных свай в фундаменте сооружений. Сущность: непрерывно возрастающую вдавливающую нагрузку на модельную сваю прикладывают с постоянной скоростью, а ее величину принимают, в зависимости от диаметра модельной сваи, влажности, пределов пластичности и коэффициента пористости грунта под нижним концом опытной сваи, исходя из формулы. Регистрацию вдавливающей нагрузки и осадки модельной сваи производят непрерывно с погрешностью 100-200 H для вдавливающей нагрузки и 0,005-0,010 мм для осадки сваи. По данным регистрации вдавливающей нагрузки и осадки модельной сваи строят график зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки, который разбивают на три участка - на 1-й участок с постоянной линейной скоростью осадки модельной сваи, на 2-й участок с нелинейно увеличивающейся скоростью осадки модельной сваи в 5-10 раз большей, чем на 1-м участке, и на 3-й участок со скоростью осадки модельной сваи в 5-10 раз большей, чем на 2-м участке, а несущую способность натуральной сваи в фундаменте сооружения рассчитывают с использованием данных графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки по формуле. Технический результат: повышение достоверности и точности определения несущей способности натуральной (реальной) сваи в фундаменте сооружения и сокращение трудозатрат. 1 табл., 2 ил.

Способ определения несущей способности сваи, включающий приложение на модельную сваю непрерывно возрастающей вдавливающей нагрузки до потери несущей способности сваи, регистрацию вдавливающей нагрузки и осадки сваи и расчет несущей способности натуральной сваи в фундаменте сооружения, отличающийся тем, что непрерывно возрастающую вдавливающую нагрузку на модельную сваю прикладывают с постоянной скоростью, а ее величину принимают в зависимости от диаметра модельной сваи, влажности, пределов пластичности и коэффициента пористости грунта под нижним концом опытной сваи по формуле:
$$U_m=\mathrm{0,048}{D}_m^2{10}^{\mathrm{0,106}+\mathrm{8,60}/I_P-\mathrm{1,1}W/W_L+\mathrm{1,01}e}$$ ,
где U_m - скорость непрерывно возрастающей вдавливающей нагрузки;
D_m - диаметр модельной сваи;
I_P - число пластичности грунта под нижним концом модельной сваи;
W и W_L - влажность природная и влажность на пределе текучести, соответственно, грунта под нижним концом модельной сваи;
e - коэффициент пористости грунта под нижним концом модельной сваи,
регистрацию вдавливающей нагрузки и осадки модельной сваи производят непрерывно с погрешностью 100-200 H для вдавливающей нагрузки и 0,005-0,010 мм для осадки сваи, по данным регистрации вдавливающей нагрузки и осадки модельной сваи строят график зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки, который разбивают на три участка - на 1-й участок с постоянной линейной скоростью осадки модельной сваи, на 2-й участок с нелинейно увеличивающейся скоростью осадки модельной сваи в 5-10 раз большей, чем на 1-м участке, и на 3-й участок со скоростью осадки модельной сваи в 5-10 раз большей, чем на 2-м участке, а несущую способность натуральной сваи в фундаменте сооружения рассчитывают с использованием данных графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки по формуле:
Ф_n=α_ф+Ф_m,
где Ф_n - несущая способность натуральной сваи в фундаменте сооружения;
Ф_m - несущая способность модельной сваи, определяемая как значение вдавливающей нагрузки в конце 2-го участка графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки;
α_ф - коэффициент подобия несущей способности модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения свай
$${\alpha }_{ф}={\left(\frac{L_n}{L_m}\right)}^2\frac{D_n}{D_m}\frac{t_n}{t_m}{\left(\frac{S_n}{S_m}\right)}^{-1}{\left(\frac{V_n}{V_m}\right)}^2$$ ,
где L_m и L_n - соответственно длины модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;
D_m и D_n - соответственно диаметры модельной сваи и натуральной сваи в фундаменте сооружения;
t_m и t_n - расчетные длительности испытания модельной сваи и нагружения натуральной сваи в фундаменте сооружения;
S_m - приращение осадки модельной сваи на 2-ом участке графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки перед исчерпанием несущей способности модельной сваи;
S_n - предельная осадка натуральной сваи в фундаменте сооружения, принимаемая из строительных норм в зависимости от конструкции здания или сооружения;
V_m - средняя скорость осадки модельной сваи на 2-м участке графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей нагрузки;
V_n - допустимая скорость осадки натуральной сваи в фундаменте сооружения, принимаемая в зависимости от конструкции здания или сооружения.