СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ СВАЕЙ Российский патент 2021 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к строительству, а именно к способам испытания свай статической нагрузкой.

Известен способ измерения деформаций грунтов вблизи микромодельной сваи, включающий измерение осадки микромодельной сваи и вертикальных перемещений глубинных марок в грунте, расположенных на одной глубине от дневной поверхности грунтового массива, причем вертикальную нагрузку передают на сваю ступенями, а осадку микромодельной сваи и перемещения грунтовых марок одновременно измеряют после стабилизации их перемещения [Пономарев А.Б., Голубев К.В. Распределение напряжений и деформаций в активной зоне модели одиночной микромодельной сваи с уширением на конце при ее нагружении статической вертикальной нагрузкой // Городские агломерации на оползневых территориях. Матер. III Междунар. науч. конф., посвященной 75-летию строит, образования в Волгограде 14-16 декабря 2005 г., г. Волгоград. Ч. II. - С. 9-15].

Недостатками способа являются:

- режим приложения вдавливающей нагрузки ступенями с выдержкой до стабилизации осадки микромодельной сваи не соответствует режиму нагружения свай в фундаменте при строительстве сооружений, при котором нагрузка увеличивается практически постоянно [см. Россихин Ю.В., Битайнис А.Г. Осадки строящихся сооружений. - Рига: Зинатне, 1980. - 339 с.] и не позволяет связать ее с режимом нагружения сваи в фундаменте сооружения и строго обосновать их подобие;

- отсутствие измерений вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности микромодельной сваи не позволяет корректно описать деформации грунта в месте непосредственного взаимодействия его со сваей: непрерывность или разрыв вертикальных перемещений грунта относительно сваи, а также выявить появление в грунте трещин сдвига и отрыва.

Известен способ испытания грунтового основания сваей, включающий приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы, времени ее приложения и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной свае [Патент на изобретение РФ №2502847, E02D 33/00. Способ определения несущей способности модельной сваи / Денисенко В.В., Ляшенко П.А. и др. // Изобретения. Полезные модели, 2013, №36. - (прототип)].

Недостатками способа являются:

- не обеспечивает подобие нагружения модельной и рабочей свай в фундаменте сооружения и, соответственно, достоверность получаемых результатов для рабочей сваи;

- отсутствие измерений вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и в активной зоне грунтового основания не позволяет оценивать деформации грунтового основания вокруг ствола сваи, вызванные осадкой сваи и образованием трещин сдвига и отрыва, положение мест образования трещин сдвига и отрыва и получать пространственное представление о форме грунтового основания сваи по всей ее длине, об асимметрии основания в разных его уровнях в процессе нагружения сваи [см. Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. Исследования работы оснований буронабивных свай // Строительство: Новые технологии - новое оборудование, 2019, №7, С. 18-23];

- отсутствие связи параметров размещения глубинных марок в плане вокруг ствола модельной сваи снижает достоверность оценки механического влияния рабочей сваи на соседние с ней сваи в фундаменте;

- отсутствие данных о размере и местоположении в грунтовом основании трещины сдвига и отрыва при нагружении сваи не позволяет определять размеры основания и зону его влияния на соседние сваи в свайном фундаменте;

- отсутствие измерения давления грунта непосредственно под нижним концом модельной сваи затрудняет оценку распределения сопротивления модельной сваи между нижним концом и боковой периферией основания сваи;

- формулировка условий подобия не учитывает существенные изменения параметров сопротивления основания в ходе нагружения сваи.

Задача изобретения - повышение достоверности и точности определения несущей способности рабочей сваи в фундаменте сооружения, сопротивления грунтового основания погружению сваи, определения размеров грунтового основания сваи в разных уровнях по длине сваи и сил, оказывающих влияние от испытываемой сваи на соседние сваи в данном свайном фундаменте.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе испытания грунтового основания сваей, включающем приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы, времени ее приложения и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной свае, согласно изобретения, в качестве модельной сваи используют натуральную буронабивную сваю в фундаменте сооружения, на нижнем конце модельной сваи размещают датчик давления грунта, на боковой поверхности модельной сваи размещают измерители вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на уровнях середины каждого инженерно-геологического элемента, сложенного глинистым грунтом, в котором сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании изменяется циклически, и на этих же уровнях размещают глубинные марки, не менее 4-х, по замкнутому контуру в плане радиусом 1-2 диаметра сваи от оси сваи в направлениях от оси модельной сваи на соседние рабочие сваи в данном свайном фундаменте и фиксируют их координаты в плане относительно сваи, при этом дополнительно регистрируют вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, вертикальные перемещения глубинных марок и давление грунта под нижним концом сваи синхронно регистрации осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, а после достижения конечного значения вдавливающей силы при ее постоянной величине до стабилизации осадки сваи по условию 0,005 мм/ч синхронно регистрируют осадку сваи, время ее наблюдения, вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальные перемещения глубинных марок во всех уровнях их размещения и давление грунта под нижним концом сваи синхронно осадке сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, а по данным измерений рассчитывают ускорение g_l, мм/кПа², осадки сваи по формуле:

где ƒ_l - скорость осадки сваи, мм/кПа;

s_l и P_l - I-е значения осадки сваи, мм, и вдавливающей силы, кПа;

I - номер регистрации значения осадки сваи;

выделяют циклы изменения скорости осадки сваи, устанавливая их границы по последнему значению ускорения осадки сваи g при g<0 в каждом i-м цикле изменения скорости осадки сваи, где i - номер цикла изменения скорости осадки сваи, определяют минимальное значение скорости осадки сваи на нисходящей ветви цикла скорости осадки сваи при g<0, максимальное значение скорости осадки сваи на восходящей ветви цикла скорости осадки сваи при g≥0 и значения вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальных перемещений глубинных марок, синхронные всплескам скорости осадки сваи, определяемым по условиям

первый всплеск скорости осадки сваи принимают за начало 2-го участка графика зависимости скорости осадки сваи от вдавливающей силы и за начало образования в грунтовом основании первой трещины сдвига и отрыва, а последующие всплески скорости осадки сваи принимают за начало образования других трещин сдвига и отрыва в глинистых грунтах основания и рассчитывают горизонтальные размеры грунтового основания м, в каждом уровне в направлениях от измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на каждую глубинную марку по формулам:

где - расстояние глубинной марки до j-ого измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи в уровне его размещения, м;

и - вертикальные перемещения глубинной марки и вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи в j-ом уровне размещения, соответственно, синхронные всплескам значений скорости осадки сваи на восходящей ветви i-ого цикла скорости осадки сваи, принимаемые положительными, если их направление совпадает с направлением осадки сваи, мм,

где и - вертикальные перемещения глубинной марки и вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи в j-ом уровне размещения, соответственно, синхронные всплескам значений скорости осадки сваи на нисходящей ветви i-ого цикла скорости осадки сваи, принимаемые положительными, если их направление совпадает с направлением осадки сваи, мм,

дополнительно определяют положение начала каждой трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи по неравенству

где Н - глубина верхней границы инженерно-геологического элемента, в середине которого установлен измеритель вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, м;

- глубина точки начала трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи, м;

- глубина точки размещения на боковой поверхности сваи j-го измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, м,

строят карты перемещений марок для их значений, синхронных с всплесками значений скорости осадки сваи, и рассчитывают значения градиента перемещений глубинных марок в точках их размещения

где - вертикальные перемещения глубинной марки, синхронные всплескам значений скорости осадки сваи, мм,

и определяют направления наибольших уклонов поверхностей перемещений глубинных марок по значениям градиентов их вертикальных перемещений

где - градиент перемещений глубинных марок в точке размещения глубинной марки в j-ом уровне размещения, д. е.;

- наибольший уклон поверхности перемещений глубинных марок в точке размещения глубинной марки в j-ом уровне размещения, д. е.,

определяют приращения осадки модельной сваи на нисходящей ветви и на восходящей ветви и соответствующие им приращения вдавливающей силы и в каждом i-ом цикле изменения скорости осадки модельной сваи, рассчитывают приращения упругой деформаций грунтового основания на приращении вдавливающей силы и пластической деформаций грунтового основания на приращении вдавливающей силы в каждом i-ом цикле изменения скорости осадки модельной сваи по формулам:

и определяют приращения сопротивления грунтового основания погружению рабочей сваи и соответствующие им приращения упругих и пластических деформаций грунтового основания во всем диапазоне вдавливающей силы по формулам:

где - соответственно приращения упругих и пластических деформаций грунтового основания в каждом i-ом цикле изменения скорости осадки рабочей сваи, мм, и соответствующие им приращения вдавливающей силы, кН;

- коэффициенты подобия рабочей и модельной свай;

- соответственно диаметр рабочей и модельной сваи, м;

- соответственно скорость нагружения рабочей и модельной сваи, кН/ч;

- длительность восходящей части цикла изменения скорости осадки модельной сваи, с;

- параметры ползучести грунтового основания, с и мм, соответственно, определяемые из уравнения

затем определяют несущую способность рабочей сваи по условию ограничения ее осадки

где сумма приращений осадки рабочей сваи, мм;

s_u - предельное значение осадки основания сооружения, мм,

и дополнительно рассчитывают приращения вертикальной и горизонтальной составляющих упругой реакции грунтового основания для рабочей сваи на расстояниях, равных горизонтальным размерам основания в каждом j-м уровне размещения измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, по формулам:

где - расчетные приращения вертикальной и горизонтальной составляющих упругой реакции грунтового основания, кН, на расстояниях от оси модельной сваи;

где - длина части модельной сваи ниже j-ой трещины, испытывающая на боковой поверхности упругое сопротивление грунтового основания, м; G_e - упругая постоянная грунта, кПа;

- приращение вдавливающей силы в циклах изменения скорости осадки модельной сваи на участке испытания после j-го всплеска до (j+1)-го всплеска скорости ее осадки, кН;

- приращение упругой осадки грунтового основания на нисходящей части циклов изменения скорости осадки модельной сваи на участке испытания после j-го всплеска до (j+1)-го всплеска скорости ее осадки, мм;

- приращение упругой осадки грунтового основания на восходящей части циклов изменения скорости модельной осадки сваи на участке испытания после j-го всплеска до (j+1)-го всплеска скорости ее осадки, мм;

- приращение сопротивления грунта основания под нижним концом модельной сваи, синхронное приращению упругой осадки грунтового основания кН.

Новизна заявляемого технического решения обусловлена тем, что в заявляемом способе испытания грунтового основания сваей в качестве модельной сваи используют натуральную буронабивную сваю в фундаменте сооружения, на нижнем конце модельной сваи размещают датчик давления грунта, на боковой поверхности модельной сваи размещают измерители вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на уровнях середины каждого инженерно-геологического элемента, сложенного глинистым грунтом, в котором сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании изменяется циклически, и на этих же уровнях размещают глубинные марки, не менее 4-х, по замкнутому контуру в плане радиусом 1-2 диаметра сваи от оси сваи в направлениях от оси модельной сваи на соседние рабочие сваи в данном свайном фундаменте и фиксируют их координаты в плане относительно сваи. В процессе приложения вдавливающей силы дополнительно регистрируют вертикальную деформацию грунтов относительно боковой поверхности сваи, вертикальные перемещения глубинных марок, давление грунта под нижним концом сваи синхронно регистрации осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи. После достижения конечного значения вдавливающей силы при ее постоянной величине до стабилизации осадки модельной сваи по условию 0,005 мм/ч синхронно регистрируют осадку сваи, время ее наблюдения, вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальные перемещения глубинных марок во всех уровнях их размещения, давление грунта под нижним концом сваи синхронно осадке сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи. По данным измерений рассчитывают ускорение g₇ осадки сваи по формулам (1-2), выделяют циклы изменения скорости осадки сваи, устанавливая их границы по последнему значению ускорения осадки сваи g при g<0 в каждом i-м цикле изменения скорости осадки сваи, определяют минимальное значение скорости осадки сваи на нисходящей ветви цикла скорости осадки сваи при g<0, максимальное значение скорости осадки сваи на восходящей ветви цикла скорости осадки сваи при g≥0 и значения вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальных перемещений глубинных марок, синхронные всплескам скорости осадки сваи, определяемым по условиям (3), первый всплеск скорости осадки сваи принимают за начало 2-го участка графика зависимости скорости осадки сваи от вдавливающей силы и за начало образования в грунтовом основании первой трещины сдвига и отрыва, а последующие всплески скорости осадки сваи принимают за начало образования других трещин сдвига и отрыва в глинистых грунтах основания и рассчитывают горизонтальные размеры грунтового основания в каждом уровне в направлениях от измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на каждую глубинную марку по формулам (4-6), дополнительно определяют положение начала каждой трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи по неравенству (7), строят карты перемещений марок для их значений, синхронных с всплесками значений скорости осадки сваи, и рассчитывают значения градиента перемещений глубинных марок в точках их размещения по формуле (8) и определяют направления наибольших уклонов поверхностей перемещений глубинных марок по значениям градиентов их вертикальных перемещений по уравнению (9), определяют приращения осадки модельной сваи на нисходящей ветви и на восходящей ветви и соответствующие им приращения вдавливающей силы в каждом i-ом цикле изменения скорости осадки модельной сваи, рассчитывают приращения упругой деформаций грунтового основания на приращении вдавливающей силы и пластической деформаций грунтового основания на приращении вдавливающей силы в каждом i-ом цикле изменения скорости осадки модельной сваи по формулам (10-12) и определяют приращения сопротивления грунтового основания погружению рабочей сваи и соответствующие им приращения упругих и пластических деформаций грунтового основания во всем диапазоне вдавливающей силы по формулам (13-17), затем определяют несущую способность рабочей сваи по условию ограничения ее осадки по формуле (18) и дополнительно рассчитывают приращения вертикальной и горизонтальной составляющих упругой реакции грунтового основания для рабочей сваи на расстояниях, равных горизонтальным размерам основания в каждом j-м уровне размещения измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, по формулам (19-23).

Использование в качестве модельной сваи натуральной буронабивной сваи в фундаменте сооружения позволяет проводить испытания сваи в реальных условиях ее работы в фундаменте и, соответственно, обеспечивает повышение достоверности результатов регистрации вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальных перемещений глубинных марок во всех уровнях их размещения.

Размещение на нижнем конце модельной сваи датчика давления грунта и регистрация давления грунта под нижним концом сваи синхронно осадке сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи обеспечивает измерение фактического давления грунта под нижним концом сваи в реальных условиях ее работы в фундаменте и обеспечивает повышение точности и достоверности регистрации давления грунта под нижним концом сваи.

Применение измерителей вертикальных деформаций грунтов относительно боковой поверхности сваи обеспечивает получение данных о непрерывной или разрывной с бетоном деформации грунта вблизи боковой поверхности сваи.

Применение глубинных марок обеспечивает получение данных о вертикальной деформации грунта в активной зоне грунтового основания вокруг сваи.

Размещение измерителей вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и глубинных марок:

- в инженерно-геологических элементах, сложенных глинистым грунтом, в которых сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании, проведенном до испытания сваи, изменяется циклически, и, соответственно, возможно их упруго-пластическое разрушение с образованием трещин сдвига и отрыва [см.: 1) Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. В 2-х т. Т. 1. - М.: Изд-во ИЛ, 1954. - 647 с.; 2) Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. Схема работы под нагрузкой буронабивных свай в глинистых грунтах // Строительство: новые технологии - новое оборудование, 2019, №8. - С. 34-40], обеспечивает получение данных для определения размеров этих трещин;

- на уровне середины инженерно-геологических элементов, сложенных глинистым грунтом, гарантирует регистрацию момента образования в грунтовом основании сваи трещин сдвига и отрыва, повышает точность определения их размеров в направлении на глубинные марки и, соответственно, повышает точность определения горизонтальных размеров грунтового основания сваи в этих уровнях.

Размещение глубинных марок на уровнях размещения измерителей вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи не менее четырех по замкнутому контуру в плане радиусом 1-2 диаметра сваи от оси сваи в направлениях от оси модельной сваи на соседние рабочие сваи в данном свайном фундаменте обеспечивает получение данных о вертикальных деформациях грунта в активной зоне грунтового основания вокруг сваи и повышение точности определения сил, оказывающих влияние от испытываемой сваи на соседние сваи в данном свайном фундаменте.

Размещение глубинных марок на расстоянии 1-2 диаметра сваи от ее оси обеспечивает возможность их погружения в грунтовое основание рядом со сваей и гарантирует их нахождение в активной зоне грунтового основания вокруг сваи.

Синхронная регистрация осадки сваи, времени ее наблюдения, вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальных перемещений глубинных марок во всех уровнях их размещения и давления грунта под нижним концом сваи синхронно осадке сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, а после достижения конечного значения вдавливающей силы при ее постоянной величине до стабилизации осадки модельной сваи по условию 0,005 мм/ч, обеспечивает получение данных для оценки ползучести грунта под нижним концом сваи и повышает достоверность результатов.

Построение карт перемещений глубинных марок для их значений, синхронных всплескам значений скорости осадки сваи, расчет значения градиента перемещений глубинных марок в точках их размещения и определение направлений наибольших уклонов поверхностей перемещений глубинных марок по значениям градиентов их вертикальных перемещений позволяют уточнять форму трещин сдвига и отрыва, возникающих в разных уровнях.

Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков является сущностью изобретения, обеспечивающей его новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость.

Пояснения к заявляемому способу испытания грунтового основания сваей изображены на:

фиг. 1 - пример схемы размещения относительно сваи измерителей вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, датчика давления грунта и глубинных марок на уровнях середины каждого инженерно-геологического элемента, сложенного глинистым грунтом, наружных контуров трещин сдвига и отрыва в этих уровнях, возникших в грунтовом основании вследствие осадки сваи: Go - грунтовое основание; Tr - трещина в грунте; I - техногенный грунт; II - суглинок твердый; III - суглинок тугопластичный; IV - песок средней плотности; V - суглинок тугопластичный; VI - песок плотный;

фиг. 2 - принципиальная схема системы для испытания грунтового основания сваей: Go - грунтовое основание; Tr - трещина в грунте; Н - глубина верхней границы инженерно-геологического элемента, в середине которого установлен измеритель 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи; h^(G) - глубина точки размещения на боковой поверхности сваи измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи; l^(М) - расстояние от глубинной марки 3 до измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи; h_cr - глубина точки начала трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи; L_cr - горизонтальный размер грунтового основания в направлении от измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на глубинную марку 3;

фиг. 3 - пример схемы размещения глубинных марок в одном из инженерно-геологического элементов, сложенном глинистым грунтом, и карты перемещений глубинных марок, отражающей расположение относительно сваи 1 следов 17 трещин сдвига и отрыва, измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, глубинных марок 3, линий наружного контура 18 трещины сдвига и отрыва, линий 19 равных значений перемещений глубинных марок и векторов 20 градиентов перемещений глубинных марок U^(M) (сечение А-А).

Для осуществления способа испытания грунтового основания сваей используют систему, состоящую из модельной буронабивной бетонной сваи 1, измерителей 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, глубинных марок 3, датчика 4 давления грунта, устройства 5 приложения вдавливающей силы, датчика 6 величины вдавливающей силы, датчика 7 осадки сваи, датчиков 8 вертикальной деформации грунта относительно сваи, датчиков 9 вертикальных перемещений глубинных марок, упорной конструкции 10, блока управления 11 и репера 12.

Измерители 2 предназначены для измерения вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи. Каждый измеритель 2 представляет собой корпус 13 с боковым продольным сквозным пазом, из которого выступает поворотный элемент 14, соединенный через передаточный стержень 15 с датчиком 8 вертикальной деформации грунта относительно сваи [см. // Положительное решение от 28.07.2020 г. по заявке на изобретение РФ №2020105074 от 3.02.2020 г. Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции / Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Мариничев М.Б.].

Глубинные марки 3 предназначены для измерения перемещений грунта в основании. Каждая глубинная марка 3 представляет собой жесткий круглый штамп диаметром 20-25 мм, соединенный через передаточный стержень 16, размещенным в цилиндрическом корпусе 17, с датчиком 9 вертикальных перемещений глубинной марки. В качестве глубинной марки 3 может быть использован зонд установки статического зондирования с выдвижным сердечником, у которого конусный наконечник (индентор) заменен на цилиндрический [см. Патент на изобретение РФ №2398210, G01N 3/42. Способ испытания грунтов статическим зондированием / Денисенко В.В., Ляшенко П.А. // Изобретения. Полезные модели, 2010, №24].

Датчик 4 давления грунта предназначен для измерения величины давления грунта под нижним концом сваи в процессе приложения вдавливающей силы.

Устройство 5 предназначено для приложения на сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, и может иметь любой привод: гидравлический, пневматический или механический.

Датчик 6 предназначен для измерения приложенной вдавливающей силы с шагом измерения не более 100-200 Н и может быть выполнен, например, в виде динамометра сжатия с растровым фотоэлектронным преобразователем линейных перемещений.

Датчик 7 предназначен для измерения осадки сваи с шагом измерения 0,005 мм, датчики 8 предназначены для измерения вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи с шагом измерения 0,005 мм, а датчики 9 предназначены для измерения вертикальных перемещений глубинных марок с шагом измерения 0,005 мм. Датчики 7, 8 и 9 могут иметь одинаковую конструкцию, например, в виде растрового фотоэлектронного преобразователя линейных перемещений.

Конструкция 10 предназначена для создания упора для устройства 5 приложения вдавливающей силы и датчика 6 величины вдавливающей силы. В качестве упорной конструкции 10 и может быть использована любая конструкция, например, устройство для испытания грунтов статическими нагрузками [см. Авт.св. СССР №1366602, E02D 33/00. Устройство для испытания фунтов статическими нагрузками / Денисенко В.В., Байков О.Н., Антропов В.А. и др. // Открытия. Изобретения, 1988, №2].

Блок управления 11 предназначен для: задания постоянной скорости возрастания вдавливающей силы; включения устройства 5 приложения вдавливающей силы; индицирования на дисплее и регистрации в электронной памяти блока управления 11 величины приложенной вдавливающей силы, времени ее приложения, величины осадки сваи от датчика 7, величин вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи от датчиков 8 и величин вертикальных перемещений глубинных марок от датчиков 9.

Способ испытания грунтового основания сваей осуществляют следующим образом.

В грунтовом основании изготавливают модельную буронабивную бетонную сваю 1, на нижнем конце которой размещают датчик 4 давления грунта. По длине сваи размещают измерители 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на уровнях середины каждого инженерно-геологического элемента, сложенного глинистым грунтом, в котором сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании, проведенном до испытания сваи, изменяется циклически, и на этих же уровнях размещают глубинные марки 3, располагая их не менее четырех по замкнутому контуру в плане радиусом 1-2 диаметра сваи от оси сваи и фиксируют их координаты в плане относительно сваи.

Каждый измеритель 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи размещают в соответствующем инженерно-геологическом элементе так, чтобы его корпус 13 с передаточным стержнем 15 выходил на дневную поверхность и не мешал другому измерителю вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, размещенном в другом инженерно-геологическом элементе.

Глубинные марки 3 размещают в направлениях от оси модельной сваи 1 на соседние рабочие сваи в данном свайном фундаменте.

Каждую глубинную марку 3 погружают в грунтовое основание со скоростью до 1,5 м/мин цилиндрическим корпусом 17 зонда статического зондирования [см. Патент на изобретение РФ №2398210, G01N 3/42. Способ испытания грунтов статическим зондированием / Денисенко В.В., Ляшенко П.А. // Изобретения. Полезные модели, 2010, №24] сначала на 5-6 см выше проектного уровня h^(G), а затем с помощью сердечника 16 глубинную марку 3 погружают со скоростью не более 5 мм/мин, для предотвращения нарушения природного сложения грунта, на проектный уровень h^(G), совпадающий с уровнем положения поворотного элемента 14 измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи.

Каждую глубинную марку 3 в соответствующем уровне размещают так, чтобы ее цилиндрический корпус 17 с передаточным стержнем 16 выходил на дневную поверхность и не мешал другой глубинной марке, размещенной в другом уровне.

На сваю 1 устанавливают устройство 5 приложения вдавливающей силы с датчиком 6 величины вдавливающей силы и монтируют упорную конструкцию 10.

К торцу сваи 1 подводят датчик 7 осадки сваи, к каждому передаточному стержню измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи подводят датчик 8 вертикальной деформации грунта относительно сваи, а к каждому сердечнику 16 подводят датчик 9 вертикальных перемещений глубинной марки. Все датчики 7 и 9 устанавливают на одном репере 12, а все датчики 8 - на измерителях 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи.

Устройство 5 приложения вдавливающей силы, датчик 6 величины вдавливающей силы, датчик 7 осадки модельной сваи, датчик 4 давления грунта, датчики 8 вертикальной деформации грунта относительно сваи и датчики 9 вертикальных перемещений глубинных марок подключают к блоку управления 11.

В блоке управления 11 задают скорость постоянного возрастания вдавливающей силы, которую определяют в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта [см. Патент на изобретение РФ №2502847, E02D 33/00. Способ определения несущей способности модельной сваи / Денисенко В.В., Ляшенко П.А. и др. // Изобретения. Полезные модели, 2013, №36].

Затем включают устройство 5 приложения вдавливающей силы и производят приложение на сваю 1 вдавливающей силы с заданной непрерывно возрастающей с постоянной скоростью. В процессе приложения на сваю 1 вдавливающей силы на дисплее блока управления 11 индицируются и регистрируются в электронной памяти блока управления 11 с шагом 0,005 мм синхронно осадке сваи следующие значения: приложенной на сваю 1 вдавливающей силы, времени ее приложения, давления грунта под нижним концом сваи 1, осадки сваи 1, вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи 1 от каждого датчика 8 и вертикальных перемещений глубинных марок 3 от каждого датчика 9.

После достижения конечного значения вдавливающей силы при ее постоянной величине регистрируют осадку модельной сваи до стабилизации осадки сваи 1 по условию 0,005 мм/ч, время ее наблюдения, вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальные перемещения глубинных марок 3 во всех уровнях их размещения и давление грунта под нижним концом сваи синхронно осадке сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи.

По полученным данным измерений рассчитывают ускорение g_l осадки сваи 1 по формулам (1-2), выделяют циклы изменения скорости осадки сваи, устанавливая их границы по последнему значению ускорения осадки сваи g при g<0 в каждом i-м цикле изменения скорости осадки сваи, определяют минимальное значение скорости осадки сваи на нисходящей ветви цикла скорости осадки сваи при g<0, максимальное значение скорости осадки сваи на восходящей ветви цикла скорости осадки сваи при g≥0 и значения вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи 1 и вертикальных перемещений глубинных марок 3, синхронные всплескам скорости осадки сваи, определяемым по условиям (3), первый всплеск скорости осадки сваи принимают за начало 2-го участка графика зависимости скорости осадки сваи от вдавливающей силы и за начало образования в грунтовом основании первой трещины сдвига и отрыва, а последующие всплески скорости осадки сваи принимают за начало образования других трещин сдвига и отрыва в глинистых грунтах основания и рассчитывают горизонтальные размеры грунтового основания в каждом уровне в направлениях от измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи 1 на каждую глубинную марку 3 по формулам (4-6), дополнительно определяют положение начала каждой трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи 1 по неравенству (7), строят карты перемещений глубинных марок 3 в каждом уровне их размещения по известной методике [см. Марфенко С.В. Геодезические работы по наблюдению за деформациями сооружений. Учебное пособие. - М: МИИГАиК, 2004. - 36 с.] для их значений, синхронных с всплесками значений скорости осадки сваи, и рассчитывают значения градиента перемещений глубинных марок 3 в точках их размещения по формуле (8) и определяют направления наибольших уклонов поверхностей перемещений глубинных марок 3 по значениям градиентов их вертикальных перемещений по уравнению (9), определяют приращения осадки модельной сваи на нисходящей ветви и на восходящей ветви и соответствующие им приращения вдавливающей силы в каждом i-ом цикле изменения скорости осадки модельной сваи, рассчитывают приращения упругой деформаций грунтового основания на приращении вдавливающей силы и пластической деформаций грунтового основания на приращении вдавливающей силы в каждом i-ом цикле изменения скорости осадки модельной сваи по формулам (10-12) и определяют приращения сопротивления грунтового основания погружению рабочей сваи и соответствующие им приращения упругих и пластических деформаций грунтового основания во всем диапазоне вдавливающей силы по формулам (13-17), затем определяют несущую способность рабочей сваи по условию ограничения ее осадки по формуле (18) и дополнительно рассчитывают приращения вертикальной и горизонтальной составляющих упругой реакции грунтового основания для рабочей сваи на расстояниях, равных горизонтальным размерам основания в каждом j-м уровне размещения измерителя 2 вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, по формулам (19-23).

Изобретение позволяет:

- повысить достоверность и точность определения размеров грунтового основания сваи, размеров трещин сдвига и отрыва в грунте путем непосредственного измерения деформаций грунта в разных уровнях грунтового основания;

- разделить осадку основания модельной сваи на упругую и пластическую части для дальнейших расчетов сопротивления и деформаций оснований рабочих свай и фундамента в целом;

- строго обосновать использование испытываемой сваи в качестве модели рабочих свай в том же фундаменте;

- получить данные для оценки соотношения сил сопротивления грунта вокруг ствола сваи и под ее нижним концом путем раздельного измерения этих величин;

- получить данные для оценки взаимодействия смежных свай в фундаменте сооружения путем вычисления реакции грунта на периферии основания сваи;

- использовать испытываемую сваю для мониторинга основания фундамента в процессе строительства и эксплуатации сооружения;

- определить параметры анизотропии деформаций грунтов в основании сваи по наибольшим уклонам поверхностей перемещений грунтов, вызванных перемещением сваи.

Изобретение относится к строительству, а именно к способам испытания свай статической нагрузкой. Способ испытания грунтового основания сваей включает приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, синхронную регистрацию вдавливающей силы, времени ее приложения и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, причем в качестве модельной сваи используют натуральную буронабивную сваю в фундаменте сооружения, на нижнем конце модельной сваи размещают датчик давления грунта, на боковой поверхности модельной сваи размещают измерители вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и на уровнях измерителей размещают глубинные марки по замкнутому контуру в плане радиусом 1-2 диаметра сваи от оси сваи, в направлениях от оси модельной сваи на соседние рабочие сваи в данном свайном фундаменте, при этом дополнительно регистрируют вертикальную деформацию грунта относительно боковой поверхности сваи, вертикальные перемещения глубинных марок, давление грунта под нижним концом сваи синхронно регистрации осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, а после достижения конечного значения вдавливающей силы при ее постоянной величине до стабилизации осадки модельной сваи по условию 0,005 мм/ч синхронно регистрируют осадку сваи, время ее регистрации, вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальные перемещения глубинных марок во всех уровнях их размещения и давление грунта под нижним концом сваи синхронно осадке сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи. По данным измерений выделяют циклы изменения скорости осадки сваи, выделяют значения вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальных перемещений глубинных марок, синхронные всплескам скорости осадки сваи, рассчитывают длины проекций следов трещин сдвига и отрыва на горизонтальную плоскость и принимают их за горизонтальные размеры основания сваи, дополнительно определяют положение начала трещины сдвига и отрыва грунта, определяют направления наибольших уклонов поверхностей перемещений глубинных марок. По полученным данным рассчитывают приращения упругой и пластической деформации грунтового основания в каждом цикле изменения скорости осадки модельной сваи, определяют приращения сопротивления грунтового основания погружению рабочей сваи и соответствующие им приращения упругих и пластических деформаций грунтового основания во всем диапазоне вдавливающей силы и определяют несущую способность рабочей сваи по условию ограничения ее осадки. Рассчитывают приращения вертикальной и горизонтальной составляющих упругой реакции грунтового основания для рабочей сваи на расстояниях, равных горизонтальным размерам основания. Технический результат состоит в повышении достоверности и точности определения несущей способности рабочей сваи в фундаменте сооружения, сопротивления грунтового основания погружению сваи, определения размеров грунтового основания сваи в разных уровнях по длине сваи и сил, оказывающих влияние от испытываемой сваи на соседние сваи в данном свайном фундаменте. 3 ил.

Способ испытания грунтового основания сваей, включающий приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы, времени ее приложения и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной сваи, отличающийся тем, что в качестве модельной сваи используют натуральную буронабивную сваю в фундаменте сооружения, на нижнем конце модельной сваи размещают датчик давления грунта, на боковой поверхности модельной сваи размещают измерители вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на уровнях середины каждого инженерно-геологического элемента, сложенного глинистым грунтом, в котором сопротивление погружению зонда со скоростью 5 мм/мин при статическом зондировании изменяется циклически, и на этих же уровнях размещают глубинные марки, не менее 4-х, по замкнутому контуру в плане радиусом 1-2 диаметра сваи от оси сваи в направлениях от оси модельной сваи на соседние рабочие сваи в данном свайном фундаменте и фиксируют их координаты в плане относительно сваи, при этом дополнительно регистрируют вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, вертикальные перемещения глубинных марок и давление грунта под нижним концом сваи синхронно регистрации осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, а после достижения конечного значения вдавливающей силы при ее постоянной величине до стабилизации осадки сваи по условию 0,005 мм/ч синхронно регистрируют осадку сваи, время ее регистрации, вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальные перемещения глубинных марок во всех уровнях их размещения и давление грунта под нижним концом сваи синхронно осадке сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, а по данным измерений рассчитывают ускорение g_l, мм/кПа², осадки сваи по формуле

где ƒ₁ - скорость осадки сваи, мм/кПа;

s_l и P_l - I-е значения осадки сваи, мм, и вдавливающей силы, кПа;

I - номер регистрации значения осадки сваи;

выделяют циклы изменения скорости осадки сваи, устанавливая их границы по последнему значению ускорения осадки сваи g при g<0 в каждом i-м цикле изменения скорости осадки сваи, где i - номер цикла изменения скорости осадки сваи, определяют минимальное значение скорости осадки сваи на нисходящей ветви цикла скорости осадки сваи при g<0, максимальное значение скорости осадки сваи на восходящей ветви цикла скорости осадки сваи при g≥0 и значения вертикальных деформаций грунта относительно боковой поверхности сваи и вертикальных перемещений глубинных марок, синхронные всплескам скорости осадки сваи, определяемым по условиям

первый всплеск скорости осадки сваи принимают за начало 2-го участка графика зависимости скорости осадки сваи от вдавливающей силы и за начало образования в грунтовом основании первой трещины сдвига и отрыва, а последующие всплески скорости осадки сваи принимают за начало образования других трещин сдвига и отрыва в глинистых грунтах основания и рассчитывают горизонтальные размеры грунтового основания м, в каждом уровне в направлениях от измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи на каждую глубинную марку по формулам

где - расстояние глубинной марки до j-го измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи в уровне его размещения, м;

и - вертикальные перемещения глубинной марки и вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи в j-м уровне размещения соответственно, синхронные всплескам значений скорости осадки сваи на восходящей ветви i-го цикла скорости осадки сваи, принимаемые положительными, если их направление совпадает с направлением осадки сваи, мм,

где и - вертикальные перемещения глубинной марки и вертикальные деформации грунта относительно боковой поверхности сваи в j-м уровне размещения соответственно, синхронные всплескам значений скорости осадки сваи на нисходящей ветви i-го цикла скорости осадки сваи, принимаемые положительными, если их направление совпадает с направлением осадки сваи, мм,

дополнительно определяют положение начала каждой трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи по неравенству

где Н - глубина верхней границы инженерно-геологического элемента, в середине которого установлен измеритель вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, м;

- глубина точки начала трещины сдвига и отрыва на боковой поверхности сваи, м;

- глубина точки размещения на боковой поверхности сваи j-го измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, м,

строят карты перемещений марок для их значений, синхронных с всплесками значений скорости осадки сваи, и рассчитывают значения градиента перемещений глубинных марок в точках их размещения

где - вертикальные перемещения глубинной марки, синхронные всплескам значений скорости осадки сваи, мм, и

определяют направления наибольших уклонов поверхностей перемещений глубинных марок по значениям градиентов их вертикальных перемещений

где - градиент перемещений глубинных марок в точке размещения глубинной марки в j-м уровне размещения, д. е.;

- наибольший уклон поверхности перемещений глубинных марок в точке размещения глубинной марки в j-м уровне размещения, д. е.,

определяют приращения осадки модельной сваи на нисходящей ветви и на восходящей ветви и соответствующие им приращения вдавливающей силы и в каждом i-м цикле изменения скорости осадки модельной сваи, рассчитывают приращения упругой деформаций грунтового основания на приращении вдавливающей силы и пластической деформаций грунтового основания на приращении вдавливающей силы в каждом i-м цикле изменения скорости осадки модельной сваи по формулам

и определяют приращения сопротивления грунтового основания погружению рабочей сваи и соответствующие им приращения упругих и пластических деформаций грунтового основания во всем диапазоне вдавливающей силы по формулам

где и и - соответственно приращения упругих и пластических деформаций грунтового основания в каждом i-м цикле изменения скорости осадки рабочей сваи, мм, и соответствующие им приращения вдавливающей силы, кН;

- коэффициенты подобия рабочей и модельной свай;

и - соответственно диаметр рабочей и модельной свай, м;

и - соответственно скорость нагружения рабочей и модельной свай, кН/ч;

- длительность восходящей части цикла изменения скорости осадки модельной сваи, с;

и - параметры ползучести грунтового основания, с, и мм, соответственно определяемые из уравнения

затем определяют несущую способность рабочей сваи по условию ограничения ее осадки

где сумма приращений осадки рабочей сваи, мм;

s_u - предельное значение осадки основания сооружения, мм, и

дополнительно рассчитывают приращения вертикальной и горизонтальной составляющих упругой реакции грунтового основания для рабочей сваи и на расстояниях, равных горизонтальным размерам основания в каждом j-м уровне размещения измерителя вертикальной деформации грунта относительно боковой поверхности сваи, по формулам

где и - расчетные приращения вертикальной и горизонтальной составляющих упругой реакции грунтового основания, кН, на расстояниях от оси модельной сваи;

где - длина части модельной сваи ниже j-й трещины, испытывающая на боковой поверхности упругое сопротивление грунтового основания, м;

G_e - упругая постоянная грунта, кПа;

- приращение вдавливающей силы в циклах изменения скорости осадки модельной сваи на участке испытания после j-го всплеска до (j+1)-го всплеска скорости ее осадки, кН;

- приращение упругой осадки фунтового основания на нисходящей части циклов изменения скорости осадки модельной сваи на участке испытания после j-го всплеска до (j+1)-го всплеска скорости ее осадки, мм;

- приращение упругой осадки грунтового основания на восходящей части циклов изменения скорости модельной осадки сваи на участке испытания после j-го всплеска до (j+1)-го всплеска скорости ее осадки, мм;

- приращение сопротивления грунта основания под нижним концом модельной сваи, синхронное приращению упругой осадки грунтового основания кН.