Как определить несущую способность свай

Как определить несущую способность свай?

От того, насколько большой вес может выдержать свая, с учетом деформации почвы во время эксплуатации, зависит срок службы здания, его безопасность и ремонтопригодность в будущем. Перед тем, как устанавливать сваи, определяют их несущую способность — максимальную нагрузку, которую способна выдержать конструкция.

Оценивают несущую способность несколькими методами: с помощью расчетов, испытаний со статическими и динамическими нагрузками. Динамическое испытание считается наиболее точным методом, так как во время проверки создаются условия, приближенные к реальным.

Как определяется несущая способность опоры

Схема устройства свайного фундамента.

Несущую способность сваи обычно определяют, учитывая условия работы материала, служащего для ее изготовления, а также особенности грунта, куда обычно погружается свая. Вот почему сопротивление сваи действию нагрузки в вертикальном положении считают наименьшей величиной, используемой при вычислении, в ходе которого учитывают условия прочности материала сваи и грунта.

Прочность материала для изготовления сваи, механические свойства грунта и метод ее погружения оказывают влияние на несущую способность одиночной сваи. Следует отметить и то, что, независимо от вида одиночных свай, на их несущую способность влияют лишь два условия. А именно: сопротивление грунта основания сваи и сопротивление материала, из которого она изготовлена.

Расчет несущей способности опорного элемента – достаточно сложный и трудоемкий процесс. Специалист, проектирующий фундамент свайного типа, должен учитывать не только прочность элементов, но и экономический аспект, поскольку каждая запасная свая стоит немалых денег.

Несущая способность сваи с учетом материала определяется главным образом в фундаментах, имеющих низкий ростверк, согласно условиям прочности в грунтах с плотной структурой и устойчивости в грунтах со слабой структурой. Определить несущую способность сваи можно как посредством отдельных методов, так и посредством их комплексного использования.

Description

Изобретение относится к области строительства, в частности, к определению несущей способности свай в просадочных грунтах.

Известен способ определения несущей способности сваи расчетным методом (СНиП 2.02.03-85 с. 23-24).

Согласно этому способу несущая способность сваи определяется как сумма несущих способностей острия (пяты) сваи и трения на боковой поверхности сваи, за вычетом отрицательного трения от оседающего грунта при его замачивании. Сопротивление грунта под острием (пятой) сваи и на боковой поверхности берутся из таблиц в зависимости от глубины расположения слоя грунта, от консистенции для глинистых грунтов, от крупности и плотности для песчаных грунтов.

Известен также способ определения несущей способности сваи в просадочных грунтах по результатам полевых испытаний сваи (СНиП 2.02.03.-85 с. 14-15) с замачиванием просадочных грунтов (ГОСТ 5686-2012 с. 3) до коэффициента водонасыщения не менее 0,8.

Однако стоимость таких испытаний высока, так как требуются работы по прокладке временного водопровода и устройству дренажных скважин. Для определения отрицательного трения требуются испытания свай выдергивающими нагрузками как в грунтах природной влажности, так и в замоченных грунтах.

ГОСТ 5686-2012 п. 4.6 разрешает при соответствующем обосновании производить испытания свай в просадочных грунтах без их замачивания. 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 отрицательного трения).

Такие испытания предусматривают устройство лидирующей скважины для изоляции сваи от грунта в пределах просадочной толщи и испытание сваи на выдергивание. К тому же точность определения несущей способности сваи крайне низкая, так как непросадочные грунты, расположенные ниже просадочной толщи, снижают свои прочностные и деформационные свойства при замачивании.

Задачей изобретения является снижение стоимости и трудозатрат при определении несущей способности свай в просадочных грунтах, а также повышение точности ее определения.

Для решения поставленной задачи в способе определения несущей способности сваи в просадочных грунтах, включающем испытание сваи в грунтах природной влажности, отличающемся тем, что несущую способность сваи в замоченных грунтах определяют по формуле

где Fd₁ — несущая способность сваи в замоченных грунтах;

Fd₂ — несущая способность сваи в грунтах природной влажности, определенная по результатам полевых испытаний;

Fd₃ — несущая способность сваи в замоченных грунтах, определенная расчетом;

Fd₄ — несущая способность сваи в грунтах природной влажности, определенная расчетом;

а испытывают сваю, погруженную на проектную глубину, без изоляции от грунта ее верхней части в пределах просадочной толщи.

Испытание свай (испытание грунтов сваями по терминологии ГОСТ 5686) выполняют динамической, статической нагрузками или методом, использующим принципы волновой теории удара.

Сущность испытаний свай динамическими нагрузками заключается в том, что в конце погружения замеряется отказ (погружение сваи от одного удара) и по величине отказа вычисляется несущая способность сваи.

Статические испытания свай выполняют нагружением их статическими нагрузками, прикладываемыми на сваю определенными ступенями и фиксацией перемещений на каждой ступени.

По графику зависимости перемещения сваи от нагрузки определяется несущая способность сваи в зависимости от конструкции здания или сооружения (СП24.13330.2011, М. Минрегион России, 2010). Метод испытаний с использованием волновой теории удара заключается в определении силового и скоростного отклика сваи на удар в осевом направлении, нанесенным ударником по верхнему торцу сваи. При этом в процессе испытаний предусматривается получение данных о действующей силе по регистрируемым значениям деформаций ствола сваи и об ускорении и скорости ее перемещения под действием ударного нагружения (Технический регламент проведения полевых испытаний несущей способности сваи методом ЭЛДИ, М.: «ЦНИ-ИС», 2001).

Пример осуществления предлагаемого изобретения

На строительной площадке жилого дома в г. Красноярске, сложенной просадочными грунтами второго типа по просадочности, выполнены статические испытания свай в грунтах природной влажности и после их полного водонасыщения. На этой же площадке выполнены испытания свай в грунтах природной влажности с освобожденным стволом на глубину просадочной толщи (сваи сечением 0,3×0,3 м, глубиной погружения 15 м от планировочных отметок, диаметр лидера 0,5 м, глубина 10 м).

Результаты испытаний представлены в таблице.

Коэффициент снижения несущей способности сваи составляет 600/800=0,75 и 650/850=0,76.

Несущая способность сваи по предлагаемому изобретению составит 0,75×1100=825 кН и 0,76×1150=874 кН.

В проекте принята несущая способность сваи 800 кН, что подтверждено испытаниями свай с замачиванием грунтового основания (900 кН).

Испытания свай с освобожденным стволом в пределах просадочной толщи показали при вдавливании несущую способность — 800 кН, при выдергивании 10 м сваи — 300 кН, т.е результирующая несущая способность сваи составит 800-300=500 кН.

Из приведенного примера видно, что определение несущей способности свай по предлагаемой методике сокращает сроки и стоимость испытаний не менее чем в 2-3 раза по сравнению с испытаниями с замачиванием грунтов и в 1,5 раза по сравнению с испытаниями в грунтах природной влажности на вдавливание с освобожденным стволом в пределах просадочной толщи и выдергивание сваи, погруженной на глубину просадочной толщи.

Буронабивные сваи — конструкции, обладающие наибольшими несущими характеристиками среди всех видов свай.

Это сваи, сформированные в результате заполнения бетоном предварительно пробуренной скважины, они укреплены арматурным каркасом и, как правило, обладают уширенной опорной пятой, которая способствует равномерному распределению оказываемой на почву нагрузки.

Рис. 1.4: Этапы создания буронабивных свай

Расчет несущих свойств буронабивных свай выполняется по формуле: Fdu = R×A+u×∫ ycf ×Fi×Hi, в которой:

• R — нормативное сопротивление почвы под опорной пятой сваи;
• А — площадь опорной пяты;
• u — периметр сечения свайного столба;
• Ycf — коэфф. условий работы грунта на боковой стенке столба (=1);
• Fi — среднее сопротивление боковой поверхности опорной пяты;
• Hi — толщина слоев почвы контактирующих с боковой стенкой свайного столба.
• R, Fi и Hi — это нормативные данные, которые вы можете взять из нижеприведенных таблиц.

Таблица 1.2: Расчетные сопротивления на боковых стенка свай (Fi)

Таблица 1.3: Расчетная толщина слоев почвы контактирующей с боковыми стенками сваи (Hi)

Таблица 1.4: Сопротивление разных типов грунтов под опорной подошвой сваи (R)

Увидеть усредненные показатели несущих характеристик буронабивных свай вы можете в нижеприведенной таблице.

Таблица 1.5: Несущая способность буронабивных свай

Испытание забивных свай статической нагрузкой.

Существует несколько методов определения несущей способности основания. Самый действенный из них – практическое испытание забивных свай статической нагрузкой. После установки опоры, её оставляют в покое на 2 – 3 суток. Затем ступенчатым домкратом оказывается нагрузка, сравнимая с давлением веса будущего сооружения. Прогибометром вычисляется степень усадки конструкции.

ИСПЫТАНИЕ ЗАБИВНЫХ СВАЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ.

Динамические испытания схожи со статическими по принципу проведения действий. Опорные столбы погружают в грунт, оставляют отдыхать. По истечении периода времени начинается воздействие нагрузками. Именно в этом моменте выражается разница в процессах. Давление происходит посредством дизель молота, который передает ударную нагрузку. После каждого (до 10) ударов мера осадки фиксируется прогибометром. Чаще всего этот вид испытаний происходит в совокупности с предыдущим.

Определить несущую способность грунта помогают специальные расчеты и зондирование. Однако этих данных недостаточно, и они не могут стать единственной основой для расчетов свайного фундамента. Точные результаты можно получить при проведении испытании грунтов натурными сваями. При использовании такого метода к исследуемым сваям прилагается нагрузка, расчет которой определятся СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты». Воздействие нагрузки на натурные сваи могут быть как статичными (статические испытания), так и динамическими.

Динамические испытания

Цена испытаний свай, выполненных динамическим методом, намного ниже статических. Технология этого метода простая. Свая погружается в грунт, а по мере ее погружения растет сопротивление грунта. Расчет производится на основе связи между несущей способности сваи и энергией удара при погружении свай в почву. Забивка рабочих свай позволяет определить наиболее слабые места свайного поля, а также несущую способность свай для расчета и назначения рациональной длины свай.

Динамические испытания свай не требуют высоких затрат, наличия дорогостоящего оборудования, отличаются мобильностью и подходят для разных видов свай. Минусом этого вида изысканий является возможная неточность при расчете величины несущей способности свай. Как правило, динамическое испытание может завысить этот показатель. Поэтому такие испытания важно проводить только опытным специалистам и не использовать их на сыпучих и подвижных основаниях.

Преимущества испытания свай в ООО «Мостовое бюро»

Наша компания реализует испытания грунтов сваями на строительных объектах разной сложности.
Мы используем приборный комплекс PDR производства нидерландской фирмы «Allnamics». Комплекс предназначен для проведения контрольных испытаний свай на вдавливающую нагрузку на основе волновой теории удара в соответствии с разделом 8.4 ГОСТ 5686-2012. По сути, испытания на вдавливающую нагрузку методом, использующим принципы волновой теории удара, аналогичны динамическим испытаниям свай. Отличие лишь в необходимостью фиксации значений деформаций ствола сваи и ускорений и ее перемещения под воздействием ударного нагружения при помощи приборного комплекса PDR.

Комплектация приборного комплекса PDR соответствует приложению Н ГОСТ 5686-2012. Прибор состоит из двух комбинированных датчиков деформаций и акселерометров, устанавливаемых на испытуемой свае в соответствии с приложением Н ГОСТ 5686-2012.

Во время проведения испытаний по волновой теории приборный комплекс PDR фиксирует данные о действующей силе по регистрируемым значениям деформации ствола сваи и об ускорении и скорости её под воздействием ударного нагружения с частотой не менее 50кГц. Данные через беспроводной передатчик Wi-Fi передаются на компьютер для дальнейшего анализа и хранения.

Значения деформаций продольного сжатия сваи и ускорений сваи в зоне установки датчиков во время удара молота при дальнейших расчетах позволяют вычислить следующие параметры:

• среднее по сечению сжимающее напряжение во время удара;
• фактическая переданная энергия молота;
• КПД молота;
• величины упругого и остаточного отказов;
• статическую несущую способность сваи.

По результатам испытаний имеется возможность определить, имеются ли повреждения сваи, которые могут возникнуть во время погружения.

Приборный комплекс PDR способен проводить необходимые замеры, как на вертикальных, так и на наклонных сваях. Несущая способность сваи может быть определена, как для сплошных, так и для составных свай.

Для контроля упругих и остаточных отказов, наши специалисты используют лазерный триангуляционный датчик LS5, который записывает отказограмму со значениями отказов за каждый удар. Записи производятся параллельно с работой приборного комплекса PDR.

Использование данного приборного комплекса имеет ряд преимуществ перед другими видами испытаний:

• Скорость и простота монтажа оборудования (до 40 мин/свая);
• Скорость проведения испытаний (до 10 свай в смену);
• Экономическая выгода по сравнению со статическими испытаниями;
• Определение наличия дефектов в испытуемых сваях;
• Определение корректной работы сваебойного оборудования;
• Достоверность и расширенный спектр получаемых результатов.

В основу анализа несущей способности сваи по грунту положена волновая теория удара, то есть исследование распространения волн напряжения в упругом стержне при продольных колебаниях во время и после воздействия ударной нагрузки. Распространение волн напряжения определяется решением уравнения продольных колебаний стержня. Решение ищется в виде суперпозиции прямой и обратной волны. Исходными данными и граничными условиями для решения уравнения являются показания датчиков приборного комплекса PDR, установленных на свае.

Все используемое оборудование внесено в Госреестр СИ.

Нами был разработан стандарт организации «Определение несущей способности сваи по грунту (Rst)по результатамдинамическихиспытанийкомплексом PDR с использованиемпрограммногообеспечения Allnamics PDA/DLT и AllWave DLT фирмы Allnamics», который получил положительную рецензию от производителя:

Испытания свай и анализ результатов проводятся в соответствии с требованиями следующих нормативных документов:

• ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний»;
• СП 24.13330.2011 «СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»;
• СП 45.13330.2012 «СНиП 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты».

Как можно определить несущую способность

Для определения сопротивления основания конструкции учитывается материал изготовления, в каких условиях необходимо работать и какие особенности имеет грунт. Несущая способность сваи зависит от материала изготовления, от особенностей земли, от конструкции и от того, каким методом опору будут устанавливать. Но не стоит забывать о том, что основными факторами выступает сопротивление грунта и материал изготовления.

Для того чтобы вычислить сопротивление пневмосваи, применяются несколько методов:

• С помощью математических и расчётных методов. Подобный способ не является достаточно эффективным, поскольку он включает только теоретические аспекты;
• С помощью тестовых статических нагрузок. Достаточно хорошая методика определения, но требует значительных денежных затрат.
• С помощью динамических испытаний. Специальный молоток бьёт несколько раз по основаниям конструкции, которые уже установили, после чего фиксируется уровень осадки опоры. Преимущества метода: можно применять прямо на объекте. Минус: недостаточная точность.
• С помощью зонда. Метод, в котором скомбинированы два предыдущих. Одновременно происходит регистрация нагрузок на поверхность и на основание конструкции. Фиксируют показатели специальные датчики.

Расчёт несущей способности сваи должен проводить хороший специалист. Сам этот процесс очень сложный и требует больших затрат времени и сил. Квалифицированный конструктор обязан учитывать не только материалы основания и её прочность, но ещё и обратить внимание на экономическую сторону, так как дополнительная пневмосвая обойдётся заказчику немалых денег.

Для того чтобы обеспечить прочность фундамента и избежать его продавливания или оседания, потребуется большая мощность в слое грунта. Когда элементы конструкции находятся очень близко друг к другу, то возможные деформации грунта будут обязательно между собой пересекаться. А когда опоры далеко друг от друга, то возникающие деформации не будут пересекаться между собой. Если сваи слишком часто установлены, то это уменьшает величину несущей способности.

3. Нагрузки на грунт

В конечном счете, давление от здания, передающееся на сваю, передается на грунт. Поэтому несущая способность сваи – это не только способность материала сваи выдержать те или иные нагрузки, а величина, связывающая как прочность самой сваи, так и прочность грунта.

Несущая нагрузка опоры в общепринятом смысле – это такое давление, которое выдерживает свая от элемента стоящего на ней здания без ее продвижения вглубь грунта. Другими словами – это способность опоры уравновешивать давление от веса здания и силу сопротивления грунта.

Существует несколько методов определения несущей способности сваи:

• Расчетный (теоретический)
• Динамический
• Пробный

Теоретический метод основан на табличных данных СНиП 11-17-77. В них приведены примерные значения несущей способности той или иной сваи в зависимости от того или иного грунта.

Приведем алгоритм расчета несущей способности сваи. Геологические испытания грунта на участке позволяют определить сопротивляемость грунтов. Для этого нужно знать состав грунта на той глубине, на которую погружается свая.

Основные нагрузки на фундамент

Табличные данные, полученные опытным путем, дают возможность оценить сопротивляемость того или иного грунта, то есть его несущую способность.

Приведем некоторые табличные значения из данных по сопротивлению глиняных и песчаных грунтов, наиболее распространенных для возведения зданий (в кг/см2):

Суглинки и супеси – 3-4

Пески средние – 15

Пески мелкие – 8

Пески пылеватые — 5

Насыпной грунт без уплотнения – 1

Насыпной грунт с уплотнением – 1.5

Особенности грунтов в расчете несущей способности свай

Сила F, с которой лопасть сваи давит на грунт, определяется по формуле:

S – площадь опоры, т.е. лопасти

Ro – прочностная характеристика грунта

Площадь опоры приблизительно берется равной площади лопасти, в проекции, без учета ее изгиба. Упрощенно для расчета площади берется радиус лопасти, а площадь круга высчитывается по известной формуле S=пR2.

Обычно для свай различных диаметров лопасти выполняются по одним стандартам, т.е ширина лопасти увеличивается с увеличением диаметра трубы. Общепринятые стандарты для лопастей:

1. Для трубы 89 мм – 250 мм
2. Трубы 108 мм – 300 мм
3. Трубы 133 мм – 350 мм

Следует отметить, что с углублением плотность грунта возрастает, что также вносить изменения в расчеты.

Для упрощения расчетов можно воспользоваться следующей таблицей для наиболее распространенных свай с диаметром 89 и 108 мм с лопастью 300 мм:

Динамические испытания с определением упругого отказа

Основным преимуществом измерения упругого отказа в процессе динамических испытаний является более достоверное определение несущей способности сваи Fd. Что позволяет более полно использовать резервы несущей способности основания и, как следствие, эффективно проектировать свайные фундаменты.
Ниже представлена формула, по которой определяется допускаемая нагрузка на сваю N. В соответствии с этой формулой значение нагрузки, которую можно передать на сваю с регистрацией упругого отказа будет на 15% выше, по сравнению с аналогичной сваей, которая подвергалась испытанием без измерения упругого отказа.

ɣk — коэффициент надежности, принимаемый равным:

1,25 — если несущая способность сваи определена расчетом по результатам статического зондирования грунта, по результатам динамических испытаний сваи, выполненных с учетом упругих деформаций грунта, а также по результатам полевых испытаний грунтов эталонной сваей или сваей-зондом;

1,4 — если несущая способность сваи определена расчетом, в том числе по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта;

На рисунке ниже представлена диаграмма перемещения сваи после одиночного удара молота.

Свая после каждого удара перемещается в три этапа: вначале она перемещается на некоторую максимальную глубину, затем упругими силами грунта выталкивается вверх и после быстрозатухающих колебаний останавливается в грунте на отметке, отличающейся от положения ее до удара на некоторую величину, называемую остаточным отказом. Разность величин погружения свай на максимальную глубину и остаточного отказа называют упругим отказом.

В соответствие с Приложением Д СП 45.13330.2012 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» расчетный отказ для ж/б свай длиной свыше 25 метров, а также стальных трубчатых свай следует оценивать расчетом, основанным на волновой теории. Ниже приведен пример расчета отказа металлической сваи с закрытым нижним концом, погружаемой забивкой. Геометрические параметры сваи: длина 35 метров, диаметр ствола 325 мм, для обустройства одного из объектов месторождения нефтегазовой отрасли.

Для расчета взаимодействия сваи с окружающим массивом грунта на основе решения волнового уравнения необходимо задать характеристики грунтовых условий площадки строительства. Характеристики могут задаваться на основе данных статического зондирования или на основе табличных данных (сводная таблица физико-механических свойств грунтов).
Пример задания грунтовых условий приведен ниже.

Цель расчета сводится к выбору необходимого оборудования для погружения свай. В случае неправильного выбора сваебойного оборудования при забивке сваи фиксируется «ложный» отказ, когда свая погружается маломощным молотом. При этом нижние концы не достигают проектных отметок. Малая энергия удара молота расходуется в основном на разрушение голов свай, а не на их погружение.
Расчетный отказ, полученный по результатам расчета, сравнивают с фактическим, измеренным в ходе динамических испытаний после отдыха свай. Если фактический отказ превышает расчетный, необходимо предусмотреть проведение дополнительных статических испытаний.
При погружении составных ж/б свай как правило применяют гидравлические молоты с возможностью изменения энергии удара. При этом необходимо контролировать уровень напряжений, возникающих в свае при их забивке для недопустимости ее разрушения, вследствие превышения напряжений предельному значению прочности материала сваи. Ниже приведен пример регистрации сжимающих и растягивающих напряжений в теле сваи при забивке (на объекте «Леруа Мерлен» в г. Кемерово).

Применение автоматизированных средств измерений позволяет получать результаты в графическом виде непосредственно в процессе испытаний.
Ниже приведен график зависимости глубины погружения от количества ударов, глубины погружения от уровня напряжения в материале сваи, мобилизация динамического сопротивления в процессе забивки.

Получите консультацию специалиста по телефону:
Инженер ООО НПО «Геосмарт» Александр +7-908-579-39-03