Полевые испытания грунтов сваями

Оценка несущей способности свай по результатам статических испытаний

Данный метод позволяет разработать проектное решение на основании фактического, а не расчетного значения несущей способности свайных конструкций по грунту.

Испытания статической нагрузкой проводятся:

на стадии изысканий (выбор рациональной конструкции свай, определение их количества и размещения в плане свайного поля);
при приемке погруженных свайных конструкций (определение фактических показателей их несущей способности по грунту).

24.13330

СП

Рекомендуемое количество испытуемых конструкций:

статические испытания свай и свай-штампов – до 1 % общего числа свай на объекте, но менее трех для сооружений класса КС-2 и четырех – для сооружений класса КС-3;
динамические испытания свай – до 2 % общего числа свай на объекте, но менее шести для сооружений класса КС-2 и девяти – для сооружений класса КС-3.

Подготовка к испытаниям

Испытуемые свайные конструкции должны соответствовать стандартам или ТУ, а их погружение – осуществляться в соответствии с программой выполнения работ. В качестве испытуемых могут использоваться натурные, эталонные или сваи-зонды.

F_d

– несущая способность

По результатам исследования минимально допустимого количества свай за их несущую способность (F_d) принимается наименьшее полученное частное предельное сопротивление.

Например, если в одном случае частное значение (в пределах одной площадки) составляет 800 кН, а по результатам второго испытания – 670 кН, то несущая способность будет соответствовать минимальному значению. При этом среднее значение составит 735 кН.

Для повышения достоверности определения несущей способности, необходимо выполнять больше исследований в пределах площадки, обеспечивающих их статистическую обработку. По результатам этой обработки определяется коэффициент надежности по грунту, который отражает изменчивость грунтовых условий площадки строительства. В этом случае несущую способность получаем как среднее (нормативное) значение, деленное на полученный коэффициент надежности по грунту (γ_n).

Принципиальные схемы установок для полевых испытаний грунтов

Грузовая платформа с грузом для вдавливающих нагрузок

усилие от домкрата, передающееся на сваю, воспринимается за счет собственного веса пригруза на платформе. Применение грузовой платформы ограничено ее грузоподъемностью (около 200 тонн).

Система балок и анкерных свай для вдавливающих нагрузок

реактивное усилие от домкрата воспринимается анкерами через систему металлических балок. При расчете количества и сечения используемых балок за основу берется наибольшая нагрузка на сваю (по условию обеспечения прочности и устойчивости).

Система упора для горизонтальных нагрузок

Установка с упорной системой и натяжным устройством

в качестве упора применяется система свай для восприятия горизонтальных нагрузок, а усилие создается гидравлическим домкратом или натяжным устройством.

Система балок и упора для выдергивающих нагрузок

Установка для испытаний выдергивающей нагрузкой

усилие от домкрата, передающееся на сваю, воспринимается за счет упора в грунт через систему металлических балок.

Испытания грунтов статической вдавливающей нагрузкой

Испытания грунтов статической выдергивающей нагрузкой

Испытания грунтов статической горизонтальной нагрузкой

Испытания грунтов со специфическими свойствами

Методика проведения испытания грунтов

статической вдавливающей нагрузкой

Испытуемая свая нагружается равномерно, без ударов. Значение ступеней нагрузки устанавливается программой испытаний, но принимается не более 1/10 максимального усилия, заданного в программе.

В случае заглубления нижних концов натурных свай в глинистые (твердой консистенции) и крупнообломочные грунты, а также гравелистые и плотные пески допускается три первые ступени нагрузки принимать равными 1/5 максимального усилия.

Если диаметр сваи составляет 800 мм и более, исследования по ее боковой поверхности и под нижним концом допускается проводить раздельно.

нулевой отсчет – перед нагружением

первый отсчет – сразу после приложения усилия

последовательно три отсчета с интервалом 30 минут

через каждый час до условной стабилизации деформации (затухания перемещения)

первый отсчет – сразу после приложения усилия

два отсчета - с интервалом 15 минут

с интервалом 30 минут до условной стабилизации деформации

Испытание статической вдавливающей нагрузкой с использованием металлической балки и анкерных свай

Испытание при действии статической вдавливающей нагрузки с использованием металлической балки и анкеров

Испытание статической вдавливающей нагрузкой с использованием металлической балки и анкерных свай

Испытание при действии статической вдавливающей нагрузки с использованием металлической балки и анкеров

Испытание статической вдавливающей нагрузкой с использованием грузовой платформы и груза

Испытание при действии статической вдавливающей нагрузки с использованием грузовой платформы и груза

Испытание статической вдавливающей нагрузкой с использованием грузовой платформы и груза

Испытание при действии статической вдавливающей нагрузки с использованием грузовой платформы и груза

За критерий условной стабилизации деформации при испытании натурной сваей принимают осадку на данной ступени нагружения, не превышающую 0,1 мм за последние

60 минут

наблюдений

если под нижним концом сваи залегают песчаные или глинистые грунты (от твердой до тугопластичной консистенции)

2 часа

наблюдений

если под нижним концом сваи залегают глинистые грунты от мягкопластичной до текучей консистенции

Усилие при испытании натурной сваей должно быть доведено до значения, при котором общая осадка составляет не менее 40 мм. При испытании эталонной или сваей-зондом эта осадка должна быть не менее 20 мм. При меньших осадках продолжительность выдержки под нагрузкой на последней ступени нагружения, даже в случае достижения принятой условной стабилизации, должна составить не менее 5 часов, если в программе не указан другой срок выдержки стабилизации.

При заглублении нижних концов натурных свай в крупнообломочные, плотные песчаные и глинистые грунты твердой консистенции усилие должно быть доведено до значения, предусмотренного программой исследований, но не менее полуторного значения несущей способности сваи, определенной расчетом, и не более расчетного сопротивления ствола по материалу.

Процесс установки индикаторов измерения перемещений и испытания

Процесс установки индикаторов измерения перемещений и испытания

Разгрузку сваи (натурной, эталонной или сваи-зонда) проводят после достижения наибольшего усилия ступенями, равными удвоенным значениям ступеней нагружения, с выдержкой на каждой не менее 15 минут.

Отсчеты по приборам для измерения деформаций снимают сразу после каждой ступени разгрузки и через 15 минут наблюдений. После полной разгрузки (до нуля) наблюдения за упругим перемещением следует проводить в течение

30 минут

при песчаных грунтах, залегающих под нижним концом сваи

60 минут

при глинистых, со снятием отсчетов через каждые 15 минут

В процессе ведут журнал согласно ГОСТ 5686.

Методика проведения испытания грунтов

статической выдергивающей нагрузкой

Для испытания грунтовых массивов статической выдергивающей нагрузкой допускается использовать сваи, с помощью которых проводилось испытание статической вдавливающей нагрузкой. При этом продолжительность их «отдыха» принимают согласно ГОСТ 5686.

За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость выхода сваи из грунта на каждой ступени приложения выдергивающей нагрузки, но не более 0,1 мм за последние

Нагружение статической выдергивающей нагрузкой и снятие отсчетов по приборам проводят аналогично испытаниям статической вдавливающей нагрузкой.

2 часа

наблюдений

для свай в фундаментах зданий

и сооружений (кроме мостов)

1 час

наблюдений

для свай в фундаментах

опор мостов

Испытания статической выдергивающей нагрузкой

Исследования при действии статической выдергивающей нагрузки

Испытания статической выдергивающей нагрузкой

Исследования при действии статической выдергивающей нагрузки

Усилие при испытании грунтовых массивов выдергивающей нагрузкой при инженерных исследованиях для строительства должно быть доведено до значения, вызывающего подъем сваи из грунта не менее чем на 25 мм. При контрольных испытаниях максимальная выдергивающая нагрузка определяется программой.

Усилие при контрольном испытании выдергивающей нагрузкой не должно превышать расчетную выдергивающую нагрузку на сваю, указанную в проекте свайного фундамента.

В процессе ведут журнал согласно ГОСТ 5686.

Методика проведения испытания грунтов

статической горизонтальной нагрузкой

Приборы для измерения горизонтальных перемещений испытуемой сваи устанавливают в плоскостях, параллельных плоскости действия силы, не менее двух: на уровне поверхности грунта (в акваториях – поверхности воды) и на уровне приложения горизонтальной нагрузки.

Приложение статической горизонтальной нагрузки и снятие отсчетов по приборам проводят аналогично испытаниям вдавливающей нагрузкой.

Испытания статической горизонтальной нагрузкой с использованием системы натяжения

Исследования на действие статического горизонтального усилия с использованием системы натяжения

Испытания статической горизонтальной нагрузкой с использованием системы натяжения

Исследования на действие статического горизонтального усилия с использованием системы натяжения

За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость горизонтального перемещения на каждой ступени приложения горизонтальной нагрузки, не превышающую 0,1 мм за последние

2 часа

наблюдений

по приборам, расположенным на уровне

приложения горизонтальной нагрузки

При испытании горизонтальными нагрузками несущая способность определяется как усилие натяжения, соответствующее определенному горизонтальному перемещению в уровне приложения нагрузки. Величина перемещения, которая является критерием для определения несущей способности, назначается программой работ.

Усилие при контрольном испытании горизонтальной нагрузкой при строительстве не должно превышать расчетную горизонтальную нагрузку на сваю, указанную в проекте свайного фундамента.

В процессе ведут журнал согласно ГОСТ 5686.

Пример испытаний фундамента

статической вдавливающей нагрузкой

Объект

Ангар для производства NPK удобрений, расположенный в особой экономической зоне «Алабуга» (Елабужский муниципальный район Республики Татарстан).

Общая информация

Проектом было предусмотрено применение куста из винтовых свай, объединенных ж/б ростверком, часть из которых выполнялись наклонными, а часть – вертикальными. В проекте было заложено проведение испытаний статической вдавливающей и горизонтальной нагрузкой на фундамент с целью определения деформаций свайного фундамента при действии проектных усилий.

Особенность данных исследований, которые выполнялись на этапе инженерно-геологических изысканий, – проведение статических испытаний на совместное действие вдавливающих и горизонтальных нагрузок, так как раздельные не отражают реальную работу конструкции при эксплуатации.

Исследование на совместное действие вдавливающей и горизонтальной нагрузки

Исследование на совместное действие вдавливающей и горизонтальной нагрузки

Выводы

Грамотно составленная программа испытаний, учитывающая действительный характер работы свай в основании будущего здания, позволила правильно оценить несущую способность грунтов. Данный метод является наиболее достоверным, так как имитирует реальную работу фундамента и позволяет точно спрогнозировать вертикальные и горизонтальные деформации.

Методика проведения испытаний многолетнемерзлых грунтов статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками

При испытаниях многолетнемерзлых грунтов (МГ) должно быть исключено смерзание сваи с грунтовым массивом слоя сезонного оттаивания/промерзания, для чего следует проводить специальные мероприятия (проходка шурфа или бурение скважины размерами, превышающими максимальный размер поперечного сечения сваи, с полным заполнением зазоров материалом, исключающим возможность смерзания) до начала сезонного промерзания основания.

После устройства буроопускных, опускных и буронабивных свай в МГ не реже одного раза в неделю проводят измерение температуры основания по всей длине термометрического устройства с интервалом не более 1 м, в том числе обязательно на глубине расположения конца сваи.

При испытаниях бурозабивными и забивными сваями начало исследований назначают не ранее чем через неделю после их устройства, буронабивными – не ранее достижения бетоном 80 % проектной прочности.

Исследования МГ следует начинать только после полного вмерзания испытуемой сваи. При этом средняя температура по ее длине не должна быть выше температуры окружающего грунтового массива или температуры, предусмотренной программой исследований.

Испытания многолетнемерзлых грунтов статическими вдавливающими усилиями с использованием инвентарной палатки и тепловых пушек

Испытание МГ статическими вдавливающими усилиями с использованием инвентарной палатки с тепловыми пушками

Испытания многолетнемерзлых грунтов статическими вдавливающими усилиями с использованием инвентарной палатки и тепловых пушек

Испытание МГ статическими вдавливающими усилиями с использованием инвентарной палатки с тепловыми пушками

Нагружение проводят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки, значение которых определяется программой работ, но принимается не более 1/5 наибольшего усилия для первых трех ступеней и 1/10 – для последующих ступеней нагружения.

нулевой отсчет – перед нагружением

первый отсчет – сразу после приложения усилия

через 30 минут

через 1 час

через 16 часов

через 8 часов

через 4 часа

через 2 часа

через 24 часа

с интервалом 24 часа

Каждую ступень выдерживают до условной стабилизации деформации (осадки, выхода), но не менее 24 часов.

24 часа

наблюдений

За критерий условной стабилизации принимают скорость осадки (выхода) сваи на данной ступени нагружения, не превышающую 0,2 мм за последние 24 часа наблюдений.

Усилие должно быть доведено до значения, при котором на данной ступени нагружения не происходит стабилизации деформации. Исследование на этой ступени заканчивают после достижения значения осадки (выхода), не менее чем в три раза превышающего значение на предыдущей ступени при общей осадке не менее 25 мм или выходе не менее 10 мм.

Если усилие доведено до наибольшего значения, заданного программой, и при этом скорость осадки (выхода) превышает 0,2 мм/сут, то испытания допускается прекратить.

Разгрузку проводят ступенями, равными удвоенным значениям ступеней загружения. Продолжительность выдержки каждой ступени принимают не менее 15 мин.

В процессе ведут журнал согласно ГОСТ 5686.

Методика проведения испытаний просадочных грунтов

статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками

Забивку или устройство свай, предназначенных для испытаний в просадочных грунтовых массивах, проводят при природной влажности основания.

Замачивание основания свай в просадочных грунтах следует начинать перед исследованием и продолжать вплоть до его окончания.

Замачивание основания следует проводить через специальные траншеи, устраиваемые по периметру испытуемых свай на расстоянии 1 м от их боковой поверхности (см. приложение Г ГОСТ 5686).

> 0,5 м

ширина траншеи

1,1 — 1,5 м

глубина траншеи

При длине свай более 6 м со дна траншеи для ускорения замачивания грунтового массива следует бурить дренажные скважины числом не менее трех с расположением их на равных расстояниях от оси сваи. Скважины и траншеи сразу после их проходки следует засыпать гравием или щебнем. Во время замачивания основания и в процессе исследования в траншее следует поддерживать постоянный уровень воды, слой которой должен быть не менее высоты засыпки.

> 20 см

диаметр скважин

0,8L

длина скважин, L – глубина погружения сваи

Испытание просадочных грунтов статическими вдавливающими нагрузками с предварительным замачиванием

Испытание просадочных грунтов статическими вдавливающими нагрузками с предварительным замачиванием

Расход воды на замачивание до начала испытания должен быть не менее 20 м³ на каждый метр длины сваи. Время, затрачиваемое на замачивание, устанавливают первоначально ориентировочно из расчета не менее суток на каждый метр глубины погружения и окончательно устанавливают на основании результатов определения степени влажности образцов грунта, отобранных при контрольном бурении скважины на расстоянии 1 м от боковой поверхности сваи. Контрольное бурение скважины должно быть проведено непосредственно перед началом исследования. Грунтовый массив считается замоченным при коэффициенте водонасыщения Sr ≥ 0,8.

Испытания просадочных грунтов с замачиванием следует проводить на специально отведенной опытной площадке, расположенной на расстоянии не менее 1,5 Н от строящегося объекта со стороны понижения рельефа площадки (Н – общая толщина всех просадочных слоев).

Просадочные свойства грунтов и толщина просадочных слоев на опытной и застраиваемой площадках должны быть идентичными.

При соответствующем обосновании исследования таких грунтов допускается проводить без их замачивания на опытной и застраиваемой площадках. При этом испытания должны включать в себя вдавливание сваи с нижней частью, заглубленной в подстилающие непросадочные грунты, и с верхней частью, изолированной от грунта в пределах просадочной толщи, а также испытание на выдергивание сваи, погруженной на всю глубину просадочной толщи (для оценки значения сил негативного трения).

При исследованиях просадочных грунтов с замачиванием допускается применять локальное замачивание до коэффициента водонасыщения Sr ≥ 0,8 в объеме грунта вокруг испытуемой сваи, ограниченном расстоянием от оси сваи 5d при забивных и 3d при набивных сваях (где d – диаметр или наибольший размер поперечного сечения).

> 20 м³ на метр
длины сваи

расход воды на замачивание
до начала испытания

> суток на метр глубины погружения

первоначально устанавливаемое
время на замачивание

Sr ≥ 0,8

требуемый коэффициент
водонасыщения

Точки испытания грунта необходимо закрепить на местности с использованием геодезических методов. Планово-высотная привязка этих точек после проведения исследований должна контролироваться.

При необходимости следует провести вертикальную планировку площадки для установки оборудования для испытаний.

Испытания с интенсивным замачиванием основания в котлованах до полного проявления просадки грунтового массива от его собственного веса, назначаемые при освоении новых территорий, должны проводиться по специальным программам, составляемым проектной организацией.

Методика проведения штамповых

испытаний грунтов

Штамповые испытания грунтов – полевой метод оценки модуля деформации грунтов природного сложения, а также искусственных оснований. Позволяет получить данные о характеристиках сжимаемости грунта, важнейшая из которых – штамповый модуль деформации.

В ходе испытаний штамп (жесткая металлическая конструкция, недеформируемая при приложении внешнего давления) вдавливается в грунт.

Типы штампов определяет ГОСТ 20276.1 «Грунты. Метод испытания штампом».

Плоские

I, II, III, IIIa площадью 600, 1 000, 2 5000 и 5 000 см²

Винтовые

выполняются в форме винтовой лопасти, которая позволяет погрузить штамп на заданную глубину без нарушения структуры грунта

Нормативные документы оценивают штамповые испытания как эталонный с точки зрения точности метод оценки модуля деформации грунтов. Так, в соответствии с п. 5.3.5 СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений»: «Наиболее достоверными методами определения деформационных характеристик дисперсных грунтов являются полевые испытания статическими нагрузками в шурфах, дудках или котлованах с помощью штампов площадью 2500-5000 см², а также в скважинах или в массиве с помощью плоского штампа или винтовой лопасти-штампа площадью 600 см² или прессиометров».

Когда речь идет о несвязных грунтах, метод испытания грунтов штампами – единственный способ, позволяющий получить наиболее достоверную информацию о деформационных характеристиках дисперсных грунтов.

Испытания грунтов штампом

Штамповые испытания проводятся на этапе инженерных изысканий. Могут выполняться в том числе в котлованах, шурфах, скважинах.

Контрольные испытания грунтов

штампами решают задачи:

оценка выполнения проектных требований в части достаточности величины приведенного модуля деформации основания E, мПа (кг/см²) при его закреплении;
оценка расчетного сопротивления основания буронабивных свай R, МПа.

Для каждого исследуемого инженерно-геологического элемента необходимо выполнить минимум два испытания, а если расхождение в результатах превышает 25 % - еще одни в соответствии с п. 5.3.19 СП 22.13330.

Требования ГОСТ 20276.1 «Грунты. Метод испытания штампом» к установке для проведения штамповых испытаний:

должна обеспечивать необходимую жесткость конструкции при передаче ступеней давления, указанных в программе испытаний;
должна быть устойчивой;
должна соответствовать требованиям безопасности труда в строительстве.

Работы проводят по утвержденной программе штамповых испытаний. На каждой ступени прикладываемого давления выполняются измерения вертикальных перемещений (осадки) штампа.

Величина ступеней давления определяется:

Для несвязных

грунтов

исходя из плотности сложения и степени влажности

Для глинистых

грунтов

исходя из коэффицента пористости и показателя консистенции

Так как осадка развивается постепенно, устанавливается определенная периодичность, с которой снимаются показания на каждой ступени до наступления условной стабилизации (критерий для перехода на следующую ступень).

Максимальное время стабилизации различается для разных грунтов:

для маловлажных песков средней крупности – 30 минут

для глинистых грунтов текучей консистенции – 3 часа

для органо-минеральных и органических грунтов – 4 часа

Результаты

По результатам проведения полевых статических испытаний грунтов устанавливаются экспериментальные зависимости между действующим усилием и соответствующим этому значению вертикальным перемещением (осадкой) сваи, а также развитием осадки во времени на каждой ступени (стабилизация деформацией). В зависимости от критерия предельно допустимого значения осадки, который зависит от жесткости и конструктивного решения возводимого здания, производится оценка несущей способности свай в соответствии с СП 24.13330.

Результаты исследований оформляются в виде отчета, требования к подготовке которого должны соответствовать требованиям ГОСТ 5686.

Отчет состоит из основной части и приложений, представленных в графической и табличной форме. Данные, полученные в ходе проведения полевых экспериментальных исследований, оформляются в виде графических зависимостей в соответствии с выбранной методикой проведения исследований.

Основной графической зависимостью, установленной по результатам испытаний, является график «осадка-нагрузка».

Примеры работ