Как испытывать сваи для фундамента статической и динамической нагрузкой

Методика проведения статических испытаний грунтов сваями

Метод передачи нагрузки ступенями на сваи с достижением стабилизации деформаций является общим принципом для испытаний на вдавливающие, горизонтальные и выдергивающие нагрузки. Более подробно методика проведения испытаний , а именно режим нагружения, критерий завершения испытаний подробно рассмотрен в соответствующих разделах испытания свай на выдергивание, вдавливания и при приложении горизонтальной нагрузки.

Отдельным вопросом является испытания свай в многолетнемерзлых и специфических грунтах обладающих просадочными свойствами. При проведении таких испытаний возрастает трудоемкость их проведения за счет большего объема подготовительных работ (необходимость замачивания, контроля степени влажности грунта, применение дрен), а также увеличением продолжительности (длительности) испытаний, например, при испытании в многолетнемерзлых грунтах. Одним из путей повышения эффективности и снижения стоимости проведения испытания в данных грунтовых условиях для Заказчика является научно-техническое обоснование, позволяющее, например, отказаться от замачивания просадочных грунтов или применение методики релаксации напряжений (в отдельных случаях) при полевых испытаниях свай в многолетнемерзлых грунтах. Более подробно с методикой проведения испытаний и требованиями нормативно-технической документации можно ознакомиться в разделах испытания свай в просадочных и многолетнемерзлых грунтах.

Необходимо отметить, что требования ГОСТ 5686-2021 не распространяется на проведение испытаний в набухающих грунтах, в этом случае специалисты предлагают научно-техническое сопровождение и согласование программы статических испытаний на всех этапах.

На испытуемую сваю устанавливают домкрат, который упирается на грузовую платформу или систему металлических балок и производят ступенчатое нагружение грунта, прикладывая к свае вдавливающую нагрузку. Величина ступени должна быть не более 1/10 от максимальной нагрузки, указанной в программе испытаний. При заглублении нижних концов натурных свай в крупнообломочные грунты, гравелистые и плотные пески, а также глинистые грунты твердой консистенции допускается первые три ступени нагрузки принимать равными 1/5 наибольшей нагрузки. Выдержка каждой ступени производится до условной стабилизации деформаций. Критерий условной стабилизации – это осадка сваи ( не более 0,1 мм) за время наблюдения, которое зависит от физических свойств (консистенции) и наименования грунта и принимается по табличными значениями ГОСТ 5686-2020.

Особенностью грунтов является то, что при действии нагрузки, деформации в грунте происходят не мгновенно, а развиваются во времени, вследствие процессов консолидации и реологических процессов. В этой связи, на каждой ступени нагружения натурной сваи снимают отсчеты по всем приборам для измерения деформаций в такой последовательности: нулевой отсчет – перед нагружением сваи, первый отсчет – сразу после приложения нагрузки, затем последовательно три отсчета с интервалом 30 мин и далее через каждый час до условной стабилизации деформации (затухания перемещения).

Испытания считается завершенным если достигнуты следующие критерии:

• На стадии изысканий осадка сваи составляет величину более 40 мм;
• На стадии изысканий произошел «срыв» сваи.

При контрольных статических испытаниях вдавливающей нагрузкой:

• При испытании статикой буровых свай – достижение осадки в 20 мм (согласно новому ГОСТ 5686).
• При испытании забивных, набивных, вдавливаемых свай статической вдавливающей нагрузкой – достижение осадки, указанной в программе испытаний, но не более 40 мм. (положение нового ГОСТ 5686-2020).

Разгрузку сваи (натурной, эталонной или сваи-зонда) проводят после достижения наибольшей нагрузки ступенями, равными удвоенным значениям ступеней нагружения, с выдержкой каждой ступени не менее 15 мин.

Отсчеты по приборам для измерения деформаций снимают сразу после каждой ступени разгрузки и через 15 мин наблюдений. После полной разгрузки (до нуля) наблюдения за упругим перемещением сваи следует проводить в течение 30 мин при песчаных грунтах, залегающих под нижним концом сваи, и 60 мин – при глинистых грунтах, со снятием отсчетов через каждые 15 мин.

В процессе статических испытаний свай на вдавливание ведут полевой журнал в соответствии с требованием ГОСТ 5686-2020. По результатам испытаний строят графические зависимости.

Испытание свай

Свайные конструкции тестируют перед возведением ростверка

Тестирование конструкций проводят перед началом возведения ростверка.

Правила и порядок тестирования опор указаны в документах ГОСТа 5686-2012.

Правила расчётов свайного основания зданий и сооружений утверждает СНиП на основании положений ГОСТа.

При проведении всего комплекса мероприятий в программе работ учитывают следующие обстоятельства:

1. Аналогичные исследования тестирования стоек на строительстве соседних зданий.
2. Возможные изменения гидрогеологических показателей.
3. Индивидуальность проектируемого строения.
4. Расчёт статической нагрузки.
5. Возможные смещения опорных конструкций в результате эксплуатации.
6. Проектные отметки верха стоек.

Согласно нормативной документации в программу испытаний включены следующие пункты:

• количество тестируемых конструкций;
• расположение точек погружения стоек в плане;
• минимальные смещения и деформации опоры при максимальных нагрузках;
• технология забивки стоек;
• максимальная глубина погружения конструкции до получения отказа;
• время перерыва между этапами забивки опор;
• направление и величина нагрузок оборудования.

Согласно ГОСТу количество конструкций, подвергаемых тестированию, может быть разным при каждом виде тестирования:

№	Вид тестирования	Количество тестируемых стоек, %
1	Динамические нагрузки	1 %, но не менее 7 штук
2	Статические вдавливающие усилия	0,5 %, но не менее 3 штук
3	Статические выдёргивающие усилия	3 % или 3 штуки

Контрольное тестирование опор проводят двумя способами:

• испытание свай статической нагрузкой;
• испытание свай динамической нагрузкой.

Испытание свай статической нагрузкой

Испытания проводят при строительстве крупных конструкций

Целью тестирования конструкции является сравнение фактической несущей способности сваи с расчётами проектной организации. На основании теста оценивают правильность проектной длины и диаметра поперечного сечения сваи.

Конструкцию подвергают вдавливающим или выдёргивающим нагрузкам, а также применяют горизонтальные силовые воздействия. Работы по статическому тестированию опор трудоёмкие и высоко затратные. Поэтому проводить их целесообразно при возведении крупных зданий и сооружений с ростверками большой площади.

После забивки сваи ей дают время на «отдых». За это время в нарушенных слоях грунта произойдёт восстановление структурных связей, и опора будет находиться в проектных условиях эксплуатации. Время отстоя сваи составляет:

• 1 день – обломочный грунт или плотный песок;
• 3 дня – песчаные грунты;
• 6 дней – глина;
• 10 дней – водонасыщенный грунт.

По достижению максимальной нагрузки переходят к постепенному ослаблению нагружения стойки.

Во время, когда происходит поэтапная разгрузка опоры, фиксируют поведение конструкции.

Результаты исследований заносят в специальный акт, в котором фиксируют все отклонения от нормативных показателей.

Акт подписывают представители заказчика, проектировщика и исполнитель, выполняющие данный вид работ.

Испытание свай динамической нагрузкой

Сваи начинают тестировать только после отстоя

Динамическое воздействие производят на установленную стойку с помощью силового оборудования. Данный метод проще и дешевле, чем статические испытания. Способ динамического тестирования не предназначен для винтовых свай и буронабивных опор.

К динамическому тестированию опор надо приступать только после отстоя сваи. Время отстоя назначают в зависимости от состояния грунта программой полевых испытаний. Тестовая забивка опоры осуществляется оборудованием, которое будет использовано в дальнейшем на основных работах.

Выполняя тестовое задание, фиксируют несущую способность по отказу, усреднённые значения опускания ствола после каждого удара силовой установки. Определают однородность грунта по сопротивлению почвы погружению стойки.

Результаты исследований заносят в акт динамического испытания конструкций. В акте отмечают все отклонения от проектных значений. Подробнее о динамическом испытании свай смотрите в этом видео:

Пример исходных данных указываемых в проекте:

1. Марка сваи – С 70.30-6 (серия 1.011.1-10, выпуск 1) – 76 штук (6 из них пробные (контрольные) на которых будет проводится испытание динамической нагрузкой);2. Максимальный отказ свай – 2,22см (по расчету);3. Расчетный отказ принят при заглублении свай в грунт дизель-молотом С-996, весом ударной части молота 1,8т при свободном падении с высоты h=2,8м, через деревянные прокладки общей толщиной 10см, укладываемые на головы свай;4. Расчетная максимальная нагрузка на сваю от здания – 14,0 т;5. Расчетная нагрузка на сваю по грунту с учетом коэффициента надежности (1,4) – 17,24 т – это сколько свая должна выдерживать;6. Инженерно-геологический разрез с описанием;

7. Чертежи с отметками верха свай после забивки и срубки оголовков, план свайного поля, с указанием мест забивки контрольных свай (на которых будет проводится испытание).

Обычно на объект завозятся только контрольные сваи, потому что после проведения динамических испытаний указанная в проекте марка свай либо подтвердится, либо их придется менять на более длинные или менять сечение, а может быть наоборот. Место забивки испытываемых свай не должно совпадать с основными (рабочими) сваями, т.к. при испытании они могут либо провалиться, либо разрушится либо отказ будет больше максимального расчетного отказа и т.д. Используемое строительной организацией сваебойное оборудование должно соответствовать указанному в проекте, на основании которого рассчитан проектный отказ.

Если оборудование не соответствует указанному в проекте, проектная организация должна выполнить перерасчет отказа сваи для сваебойной установки которая будет применяться при испытании и забивке.

1. Забивка пробных (контрольных) свай, при этом сваи не добиваются до проектной отметки на величину необходимую для добивки (см. пункт 3)

Важно: при погружении свай в процессе забивки на величину менее 0,1 см от одного удара работы следует прекратить, так как такой режим работы выведет из строя сваебойное оборудование (требование ТР 108-00 “Технические рекомендации по натурным испытаниям грунтов железобетонными сваями в условиях строительства” п. 5.37

).

При забивке сваи ведутся подсчеты числа ударов молота на каждый метр погружения и общего числа ударов, а на последнем метре – на каждые 10 см погружения.

2. Отдых – это перерыв между окончанием забивки и добивкой. За время отдыха грунт обволакивающий сваю частично восстанавливает свою структуру, нарушенную во время забивки. В соответствии с п. 7.2.3 ГОСТ 5686-2012 “Грунты. Методы полевых испытаний сваями” продолжительность “отдыха” устанавливается программой испытаний в зависимости от состава, свойств и состояния прорезаемых грунтов и грунтов под нижним концом сваи, но не менее : 3 сут – при песчаных грунтах, кроме водонасыщенных мелких и пылеватых; 6 сут – при глинистых и разнородных грунтах. В случае прорезания песчаных, крупнообломочных, плотных песчаных или глинистых грунтов твердой консистенции продолжительность отдыха допускается сократить до 1 сут. Более продолжительный срок отдыха устанавливают: – при прорезании водонасыщенных мелких и пылеватых песков – не менее 10 сут; – при прорезании глинистых грунтов мягко- и текучепластичной консистенции – не менее 20 сут.

Продолжительность отдыха необходимо согласовать с проектировщиком.

3. Добивка и определение отказов каждой контрольной сваи после “отдыха”. Добивку сваи до проектной отметки производят последовательно залогами из 3 и 5 ударов. Для каждого залога определяют средний отказ в сантиметрах. Высота падения ударной части молота при добивке должна быть одинаковой для всех ударов (в нашем случае h=2,8 м). При этом удары дизельного молота должны быть холодными, без подачи топлива в цилиндр молота.

Величина отказа измеряется специальным прибором – отказомером, который крепится на свае. Отказомер позволяет получить график перемещения сваи при её добивке (отказограмму).

Обзор современных видов статических испытаний свай

Появление современных методик, таких как метод замозаанкеривающей сваи-штампа (метод Остерберга) позволяет более полно оценить работу свай с грунтом, а именно определить раздельную величину сил сопротивления под пятой сваи и по ее боковой поверхности, установить характер распределения сил трения по стволу сваи. Данные испытания проводятся, как правило, при строительстве уникальных и технически сложных объектов и являются наиболее эффективным решением при испытании свай в диапазоне нагрузок свыше 1500 тс. имеет опыт проведения испытаний методом погруженного домкрата (при помощи силовых ячеек, предварительно установленных в тело сваи) при строительстве опор мостовых переходов через р. Амур, Тулому, Колу, Обь.

В настоящее время все большую популярность приобретает метод PDA (метод использующий принцип волновой теории удара) или испытания свай ударной нагрузкой. Данный метод был появился в предыдущей редакции ГОСТ 5686-2012. На протяжении более чем 8 лет успешно зарекомендовал при испытании свай, изготовленных по различным технологиям. Наиболее эффективно применять данный метод для буровых свай в диапазоне нагрузок 400-900 тс. За счет установленной системы датчиков на голове сваи и математических моделей, описывающих динамические и статические составляющие сопротивления сваи инженер-геотехник может оценить как предельное сопротивление сваи, так и общее сопротивление по боковой поверхности ствола сваи. Главным преимуществом данного метода является высокая производительность (до 10 свай в смену), а высокая надежность результатов обеспечивается корреляцией полученных данных с результатами испытаний свай по стандартной методике.

Когда необходимы испытания свай

Непосредственно динамические испытания проводятся в ряде случаев:

1. Перед проектированием фундамента проводится пробная забивка. В этом случае изучается неоднородность грунта и несущие возможности проектных и пробных свай;
2. Во время основного процесса погружения свай — так можно определить несущие и слабые участки имеющейся площадки, чтобы оборудовать наиболее качественное свайное поле;
3. После окончания работ во время приемки — для получения окончательных и достоверных данных о несущих характеристиках опор после продолжительного «отдыха» (в обязательном порядке применяется, если грунт глинистый).

Стоит отметить, что очень важно соблюдать ГОСТ испытания грунтов сваями — только так можно гарантировать прочность будущего фундамента. И именно для этого проводятся тесты по динамическим нагрузкам

При составлении проектной документации учитываются данные состава грунта и его особенности. Исходя из имеющихся данных, подбираются соответствующие опоры по составу материала и глубине их погружения. Эта информация обязательно прописывается в проекте.

Стоит отметить, что самой документации недостаточно для того, чтобы устанавливать рабочие опоры. Предварительно необходимо провести испытание свай с использованием пробных вариантов опор. Первоначально на строительный объект поставляются контрольные сваи, которые подбираются исходя из заявленной документации. В ходе испытания можно будет изменять марку используемых опор или глубину их погружения, которые ранее были прописаны в проекте.

Технология штамповых испытаний буронабивных свай

Штамповые испытания буронабивных свай очень похожи на статические. Технология заключается в испытании грунта у основания бетонного стержня с использованием штампа – металлической трубы с заглушкой. Принцип тот же, что и у статических – зависимость осадки от нагрузки.

Испытания проводятся со ступенчатым повышением вдавливающей нагрузки. Начинают с уплотнения грунта нагрузкой на уровне подошвы от 0,5 кгс/см2. Величина первой ступени зависит от массы элементов рабочей установки, передающей давление. Минимальное время между ступенями предварительного уплотнения зависит от типа грунта:

• на песчаных и крупнообломочных – 5 минут;
• на глинистых – полчаса.

Все остальные ступени испытаний выдерживаются до стабилизации осадки. Условная стабилизация – приращение осадки максимум 0,1 мм за полчаса на песках и крупнообломочных, за час – на глинах. Каждую следующую ступень выдерживают не меньше, чем предыдущую.

Величина ступени также зависит от грунта и располагается в диапазоне от одной десятой до одной пятнадцатой предельной расчетной нагрузки. На крупнообломочном грунте, гравелистом или плотном песке, твердой глине ради ускорения процесса допустимо принимать величину первых трех ступеней от одной пятой до одной восьмой.

Отличие штамповых испытаний от статических – во времени проведения. Статические обычно проводятся по окончании устройства свайного поля, штамповые – в первой скважине. В этом их преимущество: если в расчеты вкралась ошибка, это будет ясно до монтажа фундамента.

Минус – точность ниже, чем у статических. Главным образом, за счет того, что н.с. определяется только по лобовому сопротивлению грунта, боковое не учитывается. Другие особенности метода:

• учитывается осадка однородного слоя под штампом на глубину сжимаемой толщи. Она примерно вдвое больше ширины подошвы штампа. Погрешность измерений тем выше, чем меньше однородность;
• в процессе испытаний не допускается разуплотнение грунта на уровне забоя, изменение влажности, промерзание;
• штамп должен плотно прилегать к грунту;
• время между очисткой скважины и испытаниями – максимум 4 часа. На глинистом или обводненном грунте – максимум 2. Если прошло больше времени, перед началом испытаний очистку следует повторить;
• расположение обсадной трубы и штампа должно обеспечить сохранность естественной структуры слоя. Ножевая секция обсадки не доходит до забоя примерно на метр.

Оглавление

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

3 Термины и определения

4 Общие положения

5 Оборудование и приборы

6 Подготовка к испытаниям

7 Испытания грунтов динамической нагрузкой на сваи

     7.1 Общие требования

     7.2 Проведение испытаний

     7.3 Обработка результатов

8 Испытания грунтов статическими вдавливающими, выдергивающими и горизонтальными нагрузками на сваи

     8.1 Общие требования

     8.2 Испытания грунтов сваями статическими вдавливающими, выдергивающими и горизонтальными нагрузками

     8.3 Проведение при инженерных изысканиях для строительства ускоренного испытания грунтов эталонными сваями на вдавливающую нагрузку

     8.4 Проведение контрольного испытания грунтов сваями на вдавливающую нагрузку методом, использующим принципы волновой теории удара

     8.5 Проведение испытания грунтов сваями статической выдергивающей нагрузкой

     8.6 Проведение испытания грунтов статической горизонтальной нагрузкой

     8.7 Обработка результатов

9 Испытания многолетне-мерзлых грунтов статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками

     9.1 Общие требования

     9.2 Проведение испытаний многолетне-мерзлых грунтов статической вдавливающей и выдергивающей нагрузками при инженерных изысканиях для строительства

     9.3 Проведение контрольного испытания грунтов сваей в многолетне-мерзлых грунтах

     9.4 Проведение ускоренного испытания многолетне-мерзлых грунтов статической вдавливающей нагрузкой

     9.5 Обработка результатов

Приложение А (обязательное) Требования к программе полевых испытаний грунтов сваями

Приложение Б (рекомендуемое) Принципиальные схемы установок для полевых испытаний грунтов сваями

Приложение В (рекомендуемое) Схемы конструкций эталонной сваи и сваи-зонда и определение осадки забивной сваи по результатам полевого испытания грунтов эталонной сваей

Приложение Г (рекомендуемое) Расположение выработок для локального замачивания грунта в основании сваи

Приложение Д (рекомендуемое) Форма журнала полевого испытания грунтов динамической нагрузкой

Приложение Е (рекомендуемое) Образец графического оформления результатов полевого испытания грунтов динамической нагрузкой

Приложение Ж (рекомендуемое) Рекомендации по проведению при инженерных изысканиях для строительства ускоренного полевого испытания эталонной сваей грунтов статической вдавливающей нагрузкой методом релаксации напряжений

Приложение И (рекомендуемое) Форма журнала полевого испытания грунтов статическими вдавливающими, выдергивающими и горизонтальными нагрузками

Приложение К (рекомендуемое) Требования к приборам и оборудованию, используемым для оценки сопротивления грунтов основания свай при их испытании методом, основанным на принципах волновой теории удара

Приложение Л (рекомендуемое) Образец графического оформления результатов полевого испытания грунтов статической вдавливающей нагрузкой

Приложение М (рекомендуемое) Образец графического оформления результатов полевого испытания грунтов статической выдергивающей нагрузкой

Приложение Н (рекомендуемое) Образец графического оформления результатов полевого испытания грунтов статической горизонтальной нагрузкой

Приложение П (рекомендуемое) Форма журнала полевого испытания многолетне-мерзлых грунтов статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками

Приложение Р (рекомендуемое) Рекомендации по проведению ускоренного полевого испытания многолетне-мерзлых грунтов статической вдавливающей нагрузкой с динамометрическим загружением

Приложение С (рекомендуемое) Образец графического оформления инженерно-геокриологического разреза для полевых испытаний многолетне-мерзлых грунтов сваями

Приложение Т (рекомендуемое) Образцы графического оформления результатов полевого испытания многолетне-мерзлых грунтов статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками при инженерных изысканиях для строительства

Приложение У (рекомендуемое) Образцы графического оформления результатов контрольного испытания сваи в многолетне-мерзлых грунтах статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками при строительстве

Приложение Ф (обязательное) Определение частного значения предельно длительного сопротивления сваи в многолетне-мерзлых грунтах по результатам полевых испытаний грунтов сваями

Методика проведения испытания грунтов статической вдавливающей нагрузкой

Нагружение испытуемой сваи (натурной, эталонной или сваи-зонда) проводят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки, значение которых устанавливается программой испытаний, но принимается не более 1/10 заданной в программе наибольшей нагрузки на сваю. При заглублении нижних концов натурных свай в крупнообломочные грунты, гравелистые и плотные пески, а также глинистые грунты твердой консистенции допускается первые три ступени нагрузки принимать равными 1/5 наибольшей нагрузки. Примечание — Для свай диаметром 800 мм и более допускаются раздельные испытания по боковой поверхности натурной сваи и под ее нижним концом. На каждой ступени нагружения натурной сваи снимают отсчеты по всем приборам для измерения деформаций в такой последовательности: нулевой отсчет — перед нагружением сваи, первый отсчет — сразу после приложения нагрузки, затем последовательно три отсчета с интервалом 30 мин и далее через каждый час до условной стабилизации деформации (затухания перемещения). При испытании грунтов эталонной сваей или сваей-зондом отсчеты на каждой ступени нагружения снимают в такой последовательности: первый отсчет — сразу после приложения нагрузки, затем два отсчета — с интервалом 15 мин и далее — с интервалом 30 мин до условной стабилизации деформации.

Расхождения в показаниях приборов не должны превышать следующих значений: 50% — при осадках менее 1 мм; 30% — при осадках от 1 до 5 мм; 20% — при осадках более 5 мм. За критерий условной стабилизации деформации при испытании натурной сваей принимают осадку сваи на данной ступени нагружения, не превышающую 0,1 мм за последние 60 мин наблюдений, если под нижним концом сваи залегают песчаные грунты или глинистые грунты от твердой до тугопластичной консистенции, или 2 ч наблюдений, если под нижним концом сваи залегают глинистые грунты от мягкопластичной до текучей консистенции. Нагрузка при испытании натурной сваей должна быть доведена до значения, при котором общая осадка сваи составляет не менее 40 мм. При испытании эталонной сваей или сваей-зондом эта осадка должна быть не менее 20 мм. При меньших осадках продолжительность выдержки сваи под нагрузкой на последней ступени нагружения, даже в случае достижения принятой условной стабилизации, должна составить не менее 5 ч, если в программе испытаний не указан другой срок выдержки стабилизации. При заглублении нижних концов натурных свай в крупнообломочные, плотные песчаные и глинистые грунты твердой консистенции нагрузка должна быть доведена до значения, предусмотренного программой испытаний, но не менее полуторного значения несущей способности сваи, определенной расчетом, и не более расчетного сопротивления ствола сваи по материалу. Разгрузку сваи (натурной, эталонной или сваи-зонда) проводят после достижения наибольшей нагрузки ступенями, равными удвоенным значениям ступеней нагружения, с выдержкой каждой ступени не менее 15 мин. Отсчеты по приборам для измерения деформаций снимают сразу после каждой ступени разгрузки и через 15 мин наблюдений. После полной разгрузки (до нуля) наблюдения за упругим перемещением сваи следует проводить в течение 30 мин при песчаных грунтах, залегающих под нижним концом сваи, и 60 мин — при глинистых грунтах, со снятием отсчетов через каждые 15 мин. В процессе испытания ведут журнал согласно ГОСТ 5686-2012.