Статические и динамические испытания свай

Капитальность и эксплуатационная безопасность габаритных зданий, сооружений зависит от многих факторов, в их число входит способность грунтового основания выдержать многотонную статическую внешнюю нагрузку. Связь между грунтом и надземной частью строений обеспечивает фундамент, одним из вариантов его конструкции является группа заглубленных и связанных между собой на поверхности столбчатых элементов, свай. Именно они через ростверк (объединяющую площадку) воспринимают нагрузку от зданий, сооружений, равномерно распределяют ее по основанию, придавая строениям устойчивость на протяжении всего периода эксплуатации. Принимая во внимание важную роль свайного фундамента, свод строительных правил СП 24.13330.2021 предусматривает необходимость проведения испытаний свай на площадке, выбранной под строительство. Эта работа позволяет подтвердить способность фундамента с запасом выдержать предполагаемые нагрузки, своевременно выявить ошибки выбора его типа и мощности. Испытания проводятся при инженерных изысканиях для проектирования объекта, при строительстве, а иногда и в эксплуатационный период. Они включают в себя динамические и статические исследования по методикам ГОСТ 5686-2020 и ASTM D1143, определение качества (сплошности) конструкций неразрушающим сейсмоакустическим способом по условиям стандартов СП 45.13330.2017, ASTM D5882. Испытания свай – ответственная задача, правильность ее решения прямо влияет на безопасность человека и окружающей среды, и, именно поэтому, право выполнения таких работ на уровне закона предоставлено специализированным организациям, аккредитованным Федеральной службой «Росаккредитация». В Москве и Московской области испытания свай производит строительная лаборатория ООО «ТехЛабКонтроль». Предприятие располагает мощной материально-технической базой, современным испытательным оборудованием, специально обученным персоналом с большим опытом работы в данном направлении. Услуги предоставляются на договорной основе, недорого, с безусловным соблюдением сроков, установленных нормативно-технической документацией.

Цели и условия полевых испытаний свай

Полевые испытания свай ведутся в соответствии с требованиями технического задания заказчика по предварительно разработанной и утвержденной программе, учитывающей физико-механические характеристики грунта на строительной площадке и предполагаемые условия работы свайного фундамента. Целями исследований являются:

• обоснование выбора конструкции фундамента;
• определение технических параметров и несущей способности отдельных свай по грунту;
• проверка возможности забивки сваи на глубину, заданную проектом;
• оценка однородности грунтов по сопротивляемости погружению свай;
• изучение состояния и поведения свай в грунте в зависимости нагрузок и во времени;
• оценка несущей способности фундамента.

Испытания проводятся по методикам соответствующих государственных стандартов приложением динамических и статических нагрузок, сплошность конструкций оценивается сейсмоакустическим способом. Для этих целей используются следующие виды свай:

• натурная – обычная, применяемая в реальном строительстве;
• эталонная – инвентарная забивная поперечником 114 мм с коническим наконечником и муфтой трения;
• свая-зонд – отличается от эталонной диаметром (127 мм) и условиями использования.

Испытания нагружением проводятся на группе свай, их количество и вид назначается программой с учетом геологических условий конкретной строительной площадки, при этом оценка качества грунтов выдергивающими и горизонтальными нагрузками, а также исследования многолетнемерзлых пород проводится только конструкциями натурного типа. Анализ полученных материалов позволяет установить предельно возможную глубину забивки свай, максимальные нагрузки, напряжения и несущую способность, с высокой точностью смоделировать условия и параметры работы будущего фундамента.

Методы испытаний

Основным документом, определяющим методы испытаний нагрузками, является ГОСТ 5686-2020. Детали работы регламентируются программой, которая устанавливает количество и места расположения точек погружения конструкций, другие условия для получения максимально точной информации о технических параметрах свай и грунтов.

Испытания динамической нагрузкой

Динамические испытания позволяют проверить возможность забивки свай до отметки, указанной в проекте, оценить однородность и несущую способность грунта. Методика предполагает производство вибрационного или ударного воздействия на укрепленный оголовок натурной, эталонной или сваи-зонда с оценкой изменения их параметров по величине отказа и сопротивляемости грунтового основания погружению конструкции. Результаты испытаний определяются количеством ударов молота или временем вибропогружения на каждый метр забивки (на последнем этапе – на каждые 10 см) до отказа. Появление этого состояние определяется заглублением не более 2 мм после каждого удара или одной минуты вибрации, замеры производятся отказомером. Забивка сваи производится не непрерывно, а с промежутками, «отдыхом» для стабилизации структуры грунта, этот отрезок времени устанавливается программой работ. Результаты работы оформляются в виде линейных графиков изменения отказа по отметкам заглубления и зависимости количества ударов от глубины забивки.

Испытания свай статическими нагрузками

Статические методы испытаний позволяют с максимальной точностью определить несущую способность конструкций, технические параметры подстилающих грунтов и смоделировать работу будущего фундамента. Основные способы производства работ:

• испытания свай вдавливающей нагрузкой;
• контрольные испытания способом, использующим принцип волновой теории удара;
• испытания выдергиванием;
• испытания свай в просадочных грунтах;
• испытания конструкций горизонтальными нагрузками;
• испытания свай в многолетнемерзлых грунтах.

Работа с забивными сваями начинается после завершения их «отдыха», буронабивными – после набора бетоном 80% проектной прочности, для ее проведения выбираются самые наихудшие точки строительной площадки. Перед началом испытаний сваи подвергаются осмотру и подготовке применительно к выбранному способу передачи нагрузки. При частичном разрушении головной части после забивки, она должна быть механически обработана, торец выровнен эталонная свая проверяется на прямолинейность и уровень износа стыков. В зимний период, грунт на строительной площадке оттаивают на толщину промерзания в радиусе, предусмотренном методикой испытаний с сохранением положительной температуры до завершения работы. Испытания свай в просадочных грунтах ведутся при их естественной влажности с замачиванием основания. В отдельных случаях это может исключаться или выполняться локально. При проведении испытательных работ статическими методами используется следующее оборудование:

• механизмы для нагружения сваи – сваевдавливающая установка, масляная станция, домкраты, тарированный груз;
• упорная система для регистрации реактивных сил (грузовая платформа с системой балок, ферм);
• реперная система для исключения воздействия окружающей среды на показания приборов;
• прогибомеры, термометры.

Все средства измерений, предназначенные к применению при статических испытаниях, должны быть поверены или калиброваны в установленном порядке, а испытуемые сваи подготовлены в объеме, предусмотренном государственным стандартом и утвержденной программой испытаний.

Испытания вдавливающей нагрузкой

Полевые испытания свай вдавливающей нагрузкой ведутся на натурных, эталонных или сваях-зондах плавно-равномерным, ступенчатым нагружением конструкции до достижения предусмотренного программой максимума с постоянными измерениями скорости и величины осадки. Время завершения вдавливания определяется условной стабилизацией процесса, ее критерием является скорость осадки, не превышающая 0,1 мм за время, определенное стандартом для грунта конкретной категории. Для висячих свай нагрузка должна быть доведена до уровня, при котором суммарная осадка составит не менее 40 мм, для эталонных и буронабивных – не менее 20 мм. После достижения максимума нагрузки производится ступенчатая разгрузка с удвоенной, относительно нагружения, скоростью с замерами деформаций в начале и конце каждой ступени. Эталонные и сваи-зонды после испытаний осторожно, без рывков извлекаются из грунта, усилие должно прилагаться строго по оси конструкции.

Испытания свай на вдавливание способом принципа волновой теории удара

Данный метод применим для определения и оценки сопротивления буронабивных и забивных вертикальных свай нагрузке вдавливания. Его суть заключается в получении результатов скоростного и силового отклика на удар сваебойного молота по верхнему торцу конструкции. Это позволяет ориентировочно оценить сопротивление грунта погружению сваи, определить зависимость осадки от нагрузки.

Испытания выдергивающей нагрузкой

Этим испытаниям подвергаются ненапряженные, «отдохнувшие» после забивки сваи, продолжительность «отдыха» определяется свойствами грунта на строительной площадке. Сила выдергивания прикладывается по оси конструкции плавно-равномерно, ступенчато. Показателем условной стабилизации служит скорость выхода на каждой ступени приложения силы, это не более 0,1 мм за два часа наблюдений (для свай опор мостов – за один час). При проведении изысканий, предельная выдергивающая нагрузка должна быть последовательно доведена до уровня, поднимающего сваю из грунта на отрезок, не более 0,0001 ее длины. Допустимая ширина щелей в теле железобетонных конструкций – не более 0,3 мм.

Испытания горизонтальной нагрузкой

Целью испытаний является оценка устойчивости свайного фундамента при появлении напряжений, которые могут возникнуть при горизонтальном сдвиге нестабильного грунта. Для измерений используется как минимум два фиксирующих прибора-прогибомера, крепящихся к свае на поверхности грунта и на отметке приложения нагрузки в плоскостях, параллельных направлению силы сдвига. Приложение испытательной нагрузки производится горизонтально, ступенчато, равномерно, без рывков со снятием отсчетов на каждой ступени до достижения максимума, предусмотренного программой испытаний. Показателем условной стабилизации процесса является скорость горизонтального смещения конструкции на каждой ступени приложения силы, это не более 0,1 мм за последние два часа контроля по приборам, установленным в плоскости вектора нагрузки.

Испытания свай в многолетнемерзлых грунтах

Оценка несущей способности мерзлых грунтов проводится на натурных и буронабивных сваях. Методика предусматривает стандартные испытания статической нагрузкой, вдавливающей и выдергивающей. При этом, извлечение из грунта свай, входящих в конструкцию строящегося фундамента, не допустимо. Состав и основные условия испытаний те же, что и для немерзлых грунтов, некоторые различия заключаются в величине промежутков времени замеров деформаций. Показателем условной стабилизации процесса является скорость осадки/выхода сваи на рассматриваемой ступени приложения силы, это не более 0,2 мм за последние сутки. Разгрузка контрукции после испытания проводится ступенчато, вдвое быстрей нагружения, но не быстрее 15-ти минут на каждой ступени.

Испытания свай сейсмоакустическим методом

Данный метод относится к неразрушающим и позволяет выявить неоднородности, дефекты в толще бетона, определить геометрические размеры (длину) сваи, произвести оценку ее сплошности. При проведении испытаний используется принцип акустической дефектоскопии – искусственного возбуждения волновых колебаний в теле сваи от механического воздействия, улавливание и замер мощности отраженной волны. Техника исследования предполагает использование ручного молока для запуска звуковой волны, и приборов: акселерометра, показывающего зависимость ускорения перемещения волны от времени или велосиметра, фиксирующего изменение скорости ее прохождения. Сейсмоакустические испытания позволяют оперативно произвести объективную оценку качества отдельных свай и всего фундамента при экспертном обследовании строящихся и находящихся в эксплуатации зданий, сооружений.

Оформление результатов испытаний

В ходе испытаний свай, исполнители ведут полевой журнал, где регистрируют условия исследований и все полученные результаты. На завершающем этапе работы проводится обработка результативной базы, систематизирование деталей, составление графиков зависимости деформаций и других изменений физического состояния свай от степени и характера внешних нагрузок. Полученные материалы включатся в состав технического отчета и, вместе с ним, передаются заказчику. Они позволяют сделать обоснованный вывод о несущей способности свай, грунта, свайного фундамента, своевременно внести необходимые изменения в проект, выбрать правильную тактику производства работ, сделать оценку возможности строительства на выбранном земельном участке.