18. Испытание свай статической нагрузкой

Сущность этого метода испытаний, называемого иногда методом пробных нагрузок, заключается в непосредственном определении величины (предельного значения) нагрузки, воспринимаемой испытуемой сваей в момент начала резкого увеличения ее деформаций. Этот метод обеспечивает получение наиболее достоверных данных о несущей способности испытанных свай. Испытания проводят одной из трех видов статических нагрузок: осевой вдавливающей, горизонтальной; осевой выдергивающей.

Основными задачами испытаний свай являются:

– определение их несущей способности и деформаций (перемещений);

– проверка возможности их погружения;

– контрольная проверка или уточнение несущей способности и деформаций погруженных свай.

В зависимости от поставленных задач испытания проводят до начала или в период проектирования и строительства фундаментов.

Если необходимо уточнить только несущую способность, то испытывают отдельные сваи возводимого фундамента: сваи, не давшие расчетного отказа и сваи, которые в период эксплуатации сооружения будут воспринимать наибольшие нагрузки.

Наиболее распространенным является испытание сваи статической осевой сжимающей нагрузкой. Нагрузку на сваю прикладывают ступенями, составляющими 1/10…1/15 от ожидаемого значения предельной нагрузки. К следующей ступени нагрузки переходят после того, как произойдет затухание осадок от предыдущей ступени. Нагрузку, при которой осадка сваи длительно (1 сут. и более) не затухает или резко возрастает (по сравнению с осадкой за предыдущую ступень), называют критической, а нагрузку на одну ступень меньше критической – предельной F_u.

18. Расчетный отказ и выбор оборудования для погружения свай

Забивка свай сопровождается изменением естественной структуры грунта, что может увеличить или уменьшить его прочность, а следовательно, и несущую способность сваи. При погружении свая должна вытеснять грунт в объеме, равном объему сваи.

Погружение сваи путем забивки. Сваи забивают в грунт специальными снарядами ударного или вибрационного действия, или, весьма ограничено, задавливанием.

Снаряды ударного действия называются молотами, которые бывают подвесные, паровоздушные, дизельные и гидравлические.

Простейшим типом является подвесной молот, который представляет собой металлическую отливку массой от 0,25 до 4,0 т. Подвесной молот прост по конструкции, ни производительность его мала, поэтому его редко для погружения свай небольших размеров или когда отсутствует более совершенное оборудование.

Паровоздушные молоты по конструкции и принципу действия подразделяют на молоты одиночного и двойного действия. В молоте одиночного действия под давлением пара поднимается только ударная часть, а удары по свае производятся при свободном ее падении. Такие молоты бывают с ручным и автоматическим управлением. В молоте двойного действия давлением пара или сжатого воздуха поднимается не только ударная часть, но и ускоряется ее падение и увеличивается энергия удара. Такие молоты более производительны и работают автоматически, но имеют меньшую ударную часть, что ограничивает их применение при забивке тяжелых свай. Паровоздушными молотами одиночного и двойного действия можно забивать сваи с наклоном до 1:1.

Дизель–молоты работают по принципу двухтактных дизельных двигателей. По конструкции различают штанговые и трубчатые дизель–молоты.

Трубчатыми дизель–молотами можно забивать сваи с наклоном до 1:3, а штанговыми – с наклоном до 1:4.

При свайных работах для подъема и направления свай и подвешивания молотов применяют копры или краны В акваториях сваи забивают с применением плавучих копров. Успешная забивка свай обеспечивается правильным выбором типа и веса молота по отношению к весу, несущей способности и размером свай. Механизмы ударного действия следует выбирать по величине минимальной энергии по формуле:

  1,75α∙Р_св

где Е – требуемая энергия удара молота, Дж;

Р_св – расчётная нагрузка, передаваемая на сваю, кН;

α – коэффициент, равный 25Дж/кН;

В зависимости от требуемой величины энергии удара определяют сваебойный агрегат.

Принятый тип молота проверяют по коэффициенту применяемости

k  ,

где G_n – полный вес молота, кН;

q – масса сваи (включая массу наголовника и подбабка), кН;

Е_d – расчётное значение энергии удара, кДж.

При молотах ударного действия интенсивность погружения принято измерять величиной перемещения сваи от одного удара. Это перемещение носит название отказа сваи (среднее арифметичсекое значение осадки от серии ударов – «залога».

При забивке свай длиной 25м определение расчетного отказа сваи S_a (при условии, что S_a  0,002м) возможно по формуле:

S_a = ,

где М – коэффициент, принимаемый при забивке свай молотами ударного действия, равный I;

– коэффициент, принимаемый в зависимости от материала сваи: для железобетонных свай с наголовником 1500кН/м²; деревянных свай: с подбабком – 800кН/м²; без подбабка - 1000кН/м²;

А – площадь поперечного сечения сваи в м²;

Е_d – расчётная энергия удара молота, кДж;

F_d – несущая способность свай, кН;

m₁ – полная масса молота, т;

m₂ – масса сваи с наголовником, т;

m₃ – масса подбабка, т;

² = 0,2 – коэффициент восстановление удара.

По величине отказа можно судить о качестве забивки сваи: чем меньше отказ, тем очевидно, больше ее несущая способность по грунту.

В начале свая погружается быстро, затем по мере возрастания сил трения и сопротивления грунта под нижним концом погружение замедляется и, наконец, практически прекращается. Грунт, окружающий сваю, уплотняется тем легче, чем он рыхлее, а в водонасыщенных грунтах чем больше и его водопроницаемость.

Маловлажный или сухой песчаный грунт, особенно плотного сложения, оказывает значительное сопротивление погружению. При некоторой глубине забивки отказ практически становится равным нулю и дальнейшая попытка забить сваю приводит к разрушению ее ствола. При этом сопротивление грунта часто носит временный характер, и в результате релаксации (рассеивания) внутренних напряжений оно постепенно снижается, Поэтому, если возобновить забивку сваи через два–три дня, она опять легко погружается в грунт, Это явление носит название ложного отказа. При погружении свай в пески и супеси нужно через несколько дней производить повторную добивку контрольных свай, на основе которой устанавливают истинный отказ, характеризующий действительную несущую способность свай в фундамента.

В песчаные грунты сваю значительно легче погрузить частыми ударами и вибрацией. Кроме того, в песчаных грунтах эффективен подмыв. Чем крупнее частицы несвязного грунта (песчано–гравийного и т.п.) и чем больше его плотность, тем труднее погрузить сваю, тем большую мощность должны иметь сваебойные снаряды и подмывные устройства.

Погружение свай в глинистые грунты в большей степени зависит от их консистенции. В текучие, текучепластичные и пластичные грунты сваи погружаются легко. Забивка свай в такие грунты сопровождается тиксотропными явлениями: нарушением связности (разжижением) и последующим восстановлением ее. Практически это выражается в том, что грунт, разжиженный забивкой сваи, слабо сопротивляется ее погружению, но после прекращения забивки, в течение некоторого времени происходит упрочнение грунта, и несущая способность свай возрастает в несколько раз ( в 1,5…2 раза и более). Происходит явление, называемое засасыванием сваи.

В водонасыщенных глинах поры полностью заполнены свободной водой и уплотнить их можно только за счет вытеснения воды. Так как коэффициент фильтрации глины весьма мал и скорость движения воды внутри грунтового массива низка, на ее вытеснение требуется некоторое время. В этих условиях больший эффект можно ожидать от задавливания сваи статической нагрузкой, чем от забивки. Истинный отказ сваи, забитой в слабые глинистые грунты, нужно определять после ее «отдыха». Низкая уплотняемость и разжижение глин определяют выбор сваебойного снаряда: как правило, рекомендуется забивать сваи в глинистые грунты молотами одиночного действия с большим весом ударной части и небольшой частотой ударов. В глинах с неполным водонасыщением уплотнение происходит за счет свободных пор. В процессе забивки свай часть связной воды переходит в свободную, которая уменьшает силы трения между грунтом и сваей. При этом нарушаются внутренние связи между частицами грунта и грунт разжижается, значительно теряя свою несущую способность. В полутвердых и твердых связных грунтах явления засасывания почти не наблюдается. Из–за высокой плотности таких грунтов забивка в них свай происходит со значительными трудностями. Учитывая большую несущую способность таких грунтов, обычно ограничиваются заглублением в них низа свай на 1…3 м.

Несущую способность F_d, кН, определяют делением предельной нагрузки

F_u на коэффициент надежности _g, т.е.

F_d = (5.7)

где _с – коэффициент условия работы (для вдавливающих нагрузок = 1).

F_u,n – нормативное значение силы сопротивления сваи, определяемое по величине частных значений предельных сопротивлений свай F_u в зависимости от количества испытаний свай.

После достижения критической нагрузки обычно производят разгрузку сваи. При этом нагрузку, приложенную к голове сваи, уменьшают ступенями в 2–3 раза большими, чем при загружении сваи. Каждую нагрузку выдерживают до стабилизации перемещения (подъема) головы сваи.