СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ СВАЕЙ С РОСТВЕРКОМ

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для испытания грунтового основания сваей с ростверком и определения распределения нагрузки на фундамент между сваей и ростверком в конкретных условиях строительства и распределения реактивных нормальных напряжений грунтового основания по подошве ростверка, необходимых для расчета внутренних усилий в теле свайного фундамента.

Известен способ измерения распределения внешней нагрузки на свайный фундамент между сваями и ростверком [Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б.С. Прогноз осадок свайных фундаментов / Под ред. А.А. Бартоломея. - М.: Стройиздат, 1994. -384 с.(с.50)], включающий установку на сваи (на две и более) сборного ростверка, опирающегося на грунтовое основание, установку на подошве ростверка, находящегося в контакте с поверхностью грунтового основания, датчиков давления грунта, нагружение фундамента гидравлическим домкратом через стальную раму, передающую нагрузку от домкрата на ростверк и сваи, измерение осадки свай и ростверка при увеличении силы домкрата. По данным датчиков давления рассчитывают силу сопротивления грунтового основания ростверку и определяют ее долю от общей силы, действующей со стороны домкрата на фундамент.

Недостатками известного способа являются:

- измерение сопротивление грунтового основания ростверку в ограниченном числе точек снижает достоверность определения сопротивления грунтового основания ростверку, которое значительно изменяется вдоль грани ростверка в промежутке между сваями;

- существенная зависимость сопротивления грунтового основания ростверку от конкретной конструкции фундамента (числа свай в фундаменте, расстояния между ними), поэтому испытание может проводиться только после устройства фундамента полностью или его типовых частей.

Известен способ оценки несущей способности свайных фундаментов с учетом влияния ростверка и элемент ростверка для его реализации [Патент РФ на изобретение №2238367 E02D 13/06, E02D 27/14, E02D 33/00, БИ №34, 2006 (прототип)], согласно которому предварительно определяют несущую способность одиночной сваи путем применения одиночных ударов по отказу в конце забивки сваи, затем надевают на голову сваи элемент ростверка, осуществляют подсыпку и притирку его к поверхности грунта, проводят динамическое испытание сваи с ростверком, затем по разности результатов несущей способности одиночной сваи и сваи с ростверком судят о вкладе ростверка в несущую способность фундамента.

Недостатками известного способа являются:

- раздельное испытание грунтового основания одиночной сваей и сваей с ростверком, монтаж ростверка, подсыпка и притирка его к поверхности грунта после испытания одиночной сваи делают недостоверной оценку вклада ростверка в несущую способность грунтового основания при его натурном нагружении сооружением вследствие субъективного влияния производимых действий на свойства грунтов основания ростверка;

- применение испытания сваи с ростверком динамической нагрузкой не соответствует их натурному нагружению в фундаментах сооружений, являющимся статическим, и, соответственно, реакция на него грунтового основания отличается от реакции на статическое нагружение и делает недостоверной оценку вклада ростверка в несущую способность грунтового основания при его натурном нагружении в фундаментах сооружений;

- при одном испытании можно получить только одно значение несущей способности всей подошвы ростверка, что не обеспечивает достоверность получаемых результатов испытания и определение распределения реактивных нормальных напряжений грунтового основания по подошве ростверка, необходимых для расчета внутренних усилий в теле свайного фундамента.

Задача изобретения - обеспечение идентичности испытания грунтового основания сваей с ростверком натуральным условиям их работы в фундаментах сооружений и повышение достоверности определения распределения нагрузки на фундамент между сваей и ростверком.

Технический результат изобретения - упрощение и удешевление определения распределения нагрузки на фундамент между сваей и ростверком в конкретных условиях строительства, определение распределения реактивных нормальных напряжений грунтового основания по подошве ростверка и повышение достоверности результатов при одном испытании.

Технический результат достигается тем, что в способе испытания грунтового основания сваей с ростверком, включающем приложение силы на сваю с ростверком в виде жесткой квадратной плиты в плане, регистрацию приложенной силы и осадки сваи с ростверком и расчет сопротивления грунта, плиту ростверка выполняют горизонтально и симметрично расположенной относительно сваи, под ростверком размещают упругую пластину, имеющую размеры плиты ростверка в плане, толщину 0,05-0,1 размера сторон плиты ростверка, модуль упругости 30-50 МПа и координатную прямоугольную сетку на боковых сторонах, подводят ростверк до полного соприкосновения упругой пластины с поверхностью грунтового основания и жестко закрепляют на голове сваи, при этом регистрацию приложенной силы и осадки сваи с ростверком производят синхронно с одновременной полнообзорной видеорегистрацией боковых сторон упругой пластины и рассчитывают сопротивление фунтового основания ростверку и свае по формулам

и

где P_r - сила сопротивления грунтового основания нагруженному ростверку;

P_s - сила сопротивления грунтового основания нагруженной свае;

P - сила, приложенная к свае с ростверком;

Е - модуль упругости упругой пластины;

Δε - относительное сжатие упругой пластины под действием нагруженного ростверка и сопротивления фунтового основания нагруженному ростверку;

S_r - площадь поверхности упругой пластины в плане;

S_s - площадь поперечного сечения сваи.

В частности:

горизонтальное и симметричное расположение плиты ростверка относительно сваи и жесткое закрепление ее на голове свае обеспечивает равномерное распределение силы на подошве ростверка, предотвращает перекос подошвы ростверка относительно сваи, обеспечивает монолитную работу сваи и ростверка и идентичность испытания сваи с ростверком натуральным условиям их работы в фундаментах сооружений, повышает достоверность результатов испытания;

размещение под ростверком упругой пластины, имеющей размеры плиты ростверка в плане, толщину 0,05-0,1 размера сторон плиты ростверка и модуль упругости 30-50 МПа обеспечивает сжимаемость упругой пластины под действием нагруженного ростверка и сопротивления грунтового основания нагруженному ростверку, а по величине сжимаемости упругой пластины и ее модуля упругости - определение сопротивления (реакции) грунтового основания нагруженному ростверку и в любой точке подошвы ростверка;

выполнение на боковых сторонах упругой пластины координатной прямоугольной сетки обеспечивает отображение величины деформации по боковым сторонам упругой пластины в неограниченном количестве произвольных точек;

выполнение упругой пластины и плиты ростверка квадратной формы упрощает полнообзорную видеорегистрацию боковых сторон упругой пластины, обработку результатов видеорегистрации и определение величины сжатия упругой платины в неограниченном количестве произвольных точек боковых сторон упругой пластины и подошвы ростверка;

подведение ростверка до полного соприкосновения упругой пластины с поверхностью грунтового основания исключает подсыпку грунта и притирку подошвы ростверка и нарушение природного сложения грунтового основания и повышает достоверность результатов испытания;

синхронная регистрация приложенной силы и осадки сваи с ростверком с одновременной полнообзорной видеорегистрацией боковых сторон упругой пластины обеспечивает определение сопротивления грунтового основания ростверку в неограниченном количестве произвольных точек подошвы ростверка и повышает достоверность результатов испытаний в одном испытании;

предложенные формулы позволяют рассчитывать сопротивление грунтового основания ростверку и свае.

Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков обеспечивает новый положительный эффект и является сущностью изобретения.

Пояснения к заявляемому способу испытания грунтового основания сваей с ростверком и один из вариантов конструкции устройства для реализации этого способа схематично приведены на чертеже, где на:

фиг.1 - принципиальная блок-схема устройства для реализации способа испытания грунтового основания сваей с ростверком;

фиг.2 - устройство для испытания грунтов сваей с ростверком (вид сверху).

Устройство для реализации способа испытания грунтового основания сваей с ростверком состоит из сваи 1, ростверка 2, упругой пластины 3, упорной системы 4, блока 5 приложения силы на сваю с ростверком, регистратора 6 приложенной силы на сваю с ростверком, регистратора 7 осадки сваи с ростверком, видеорегистраторов 8 деформации упругой пластины с кронштейнами 9.

Свая 1 может иметь круглую или квадратную форму в поперечном сечении.

Ростверк 2 выполняют в виде жесткой квадратной плиты, горизонтально и симметрично расположенной относительно сваи 1.

Упругая пластина 3 имеет такие же форму и размеры в плане, что и плита ростверка 2, толщину 0,05-0,1 размера сторон плиты ростверка, модуль упругости 30-50 МПа и координатную прямоугольную сетку 10 на боковых сторонах.

Упорная система 4 может быть выполнена, например, в виде жесткой упорной балки и анкеров.

Блок 5 приложения силы на сваю с ростверком может быть выполнен, например, в виде гидродомкрата со стабилизатором давления.

Регистратор 6 приложенной силы на сваю с ростверком может быть выполнен, например, в виде цифрового датчика давления с блоком памяти.

Регистратор 7 осадки сваи с ростверком может быть выполнен, например, в виде цифрового датчика линейных перемещений с блоком памяти.

Видиорегистраторы 8 деформации упругой пластины размещены со всех боковых сторон ростверка 2 по его осям симметрии с обеспечением полного обзора боковых сторон упругой пластины 3 и жестко закреплены на ростверке 2 с помощью кронштейнов 9.

На всех боковых сторонах упругой пластины 3 выполнена координатная прямоугольная сетка 10.

Способ испытания грунтового основания сваей с ростверком осуществляется следующим образом.

На голове сваи 1, погруженной в грунтовое основание, подводят ростверк 2, выполненный в виде горизонтально и симметрично расположенной относительно сваи жесткой квадратной плиты, с упругой пластиной 3 до полного соприкосновения упругой пластины 3 с поверхностью грунтового основания и жестко закрепляют на голове сваи. При необходимости поверхность грунтового основания предварительно выравнивают путем снятия выпуклостей, не нарушая природное сложение грунтового основания.

Монтируют упорную систему 4, блок 5 приложения силы на сваю с ростверком, регистратор 6 приложенной силы на сваю с ростверком, регистратор 7 осадки сваи с ростверком и видеорегистраторы 8 деформации упругой пластины. Видеорегистраторы 8 деформации упругой пластины размещают со всех боковых сторон ростверка 2 по его осям симметрии так, чтобы они имели полный обзор боковых сторон упругой пластины 3, и жестко закрепляют с помощью кронштейнов 9. Видеорегистраторы 8 деформации упругой пластины 8 могут также устанавливаться на самостоятельной реперной системе, установленной на грунтовом основании.

После монтажа устройства для испытания грунтового основания сваей с ростверком с помощью блока 5 приложения силы на сваю с ростверком производят приложение силы на сваю 1 с ростверком 2.

С помощью регистратора 6 приложенной силы на сваю с ростверком, регистратора 7 осадки сваи с ростверком и видеорегистраторов 8 деформации упругой пластины производят синхронную регистрацию приложенной силы на сваю с ростверком, осадки сваи 1 с ростверком 2 и одновременную полнообзорную видеорегистрацию боковых сторон упругой пластины 3, имеющих координатную прямоугольную сетку 10.

По данным синхронной регистрации силы, приложенной на сваю с ростверком, осадки сваи с ростверком и видеорегистрации боковых сторон упругой пластины вычисляют:

величину сжатия упругой пластины (как разницу начальной и сжатой средней высоты упругой платины) и силу сопротивления грунтового основания нагруженному ростверку по формуле (1);

силу сопротивления грунтового основания нагруженной свае по формуле (2).

При этом по данным видеорегистрации боковых сторон упругой платины определяют величину ее сжатия в любой момент испытания в любом неограниченном количестве произвольных точек боковых сторон и среднее значение величины сжатия упругой пластины.

По величине сжатия упругой пластины в различных точках ее боковых сторон в любой момент испытания вычисляют величину сжатия упругой пластины в любых точках по подошве ростверка, используя, например, формулу Коши [Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. - М.: Физматгиз, 1958. - 678 с.].

По величине деформации упругой пластины в любых точках по подошве ростверка в любой момент испытания грунтового основания и модуля упругости упругой пластины с помощью формулы (1) вычисляют силу сопротивления грунтового основания нагруженному ростверку (реактивное нормальное напряжение на поверхности грунтового основания) в этих точках, при этом число и положение точек по подошве ростверка, в которых можно определить реактивное нормальное напряжение на поверхности грунтового основания, не ограничено, т.е. определяют распределение силовой реакции по подошве ростверка.

Кроме того, по данным видеорегистрации боковых сторон упругой платины определяют величину осадки грунтового основания (как разницу величины осадки сваи с ростверком и средней величины сжатия упругой платины) и модуль деформации грунтового основания.

Таким образом, изобретение упрощает и удешевляет испытания грунтового основания сваей с ростверком, обеспечивает идентичность испытания свай с ростверком натуральным условиям их работы в фундаментах сооружений, повышает достоверность определения распределения нагрузки на фундамент между сваей и ростверком в конкретных условиях строительства при одном испытании, позволяет определять распределение силовой реакции по подошве ростверка, оценивать достоверность результатов испытаний и точнее подбирать сечения ростверка.