Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПОЛОЙ ЗАБИВНОЙ СВАИ С УШИРЕННЫМ ОСНОВАНИЕМ

Изобретение относится к области строительства, в частности к испытаниям в полевых условиях статической вдавливающей вертикальной нагрузкой с раздельным определением несущей способности забивных (вдавливаемых) полых круглых свай с закрытым нижним торцом и наружным диаметром до 600 мм, а также призматических квадратных свай с круглой внутренней сквозной полостью с наружным размером в поперечном сечении до 400 мм и др. с уширенным основанием из жесткого грунтового материала преимущественно в слабых влажных и переувлажненных глинистых, а также при соответствующем обосновании просадочных лессовых, насыпных и т.п. специфических грунтах, подстилаемых несущим слоем грунта с необходимыми физико-механическими характеристиками. Кроме того, предлагаемый способ может быть использован с некоторой интерпретацией при устройстве фундаментов из железобетонных конических полых свай и пустотелых блоков.

Известны способы испытаний забивных полых свай с закрытым нижним торцом, включающих забивку свай до подстилающего несущего слоя грунта, поэтапного приложения к ним статической вдавливающей нагрузки с определением их несущей способности (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М., 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты 2018 год. Последняя редакция; Руководство по проектированию свайных фундаментов / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1980 с дополнениями в 2017 г.; СТО 36554501-018-2009 Стандарт организации. Проектирование и устройство свайных фундаментов и уплотненных оснований из набивных свай в пробитых скважинах. НИЦ «Строительство», 2010; и др.; ГОСТ 5686-2012. Грунты. Методы полевых испытаний сваями; ГОСТ 19804.5-83 Сваи полые круглого сечения и сваи оболочки железобетонные цельные с ненапрягаемой арматурой. Конструкция и размеры; ГОСТ 19804.3-80 Сваи забивные железобетонные квадратного сечения с круглой полостью. Конструкция и размеры (с Изменениями №1) и др.

Основным недостатком существующих технических решений является высокая трудоемкость по раздельному определению несущей способности рассматриваемого типа свай по торцу и боковой поверхности, связанная с необходимостью испытания двух свай на вдавливающие и выдергивающие нагрузки.

В общем случае, как известно, статические испытания забивных полых свай включают их поэтапное нагружение вдавливающей вертикальной нагрузкой с измерением осадок. Результаты испытаний оформляются в виде графиков зависимости осадки от нагрузки и изменения осадки во времени по ступеням нагружения и по полученным данным принимается (назначается) несущая способность этих фундаментов по грунту основания.

Следует отметить, что при анализе прототипа, описанных выше технических решений и др. литературных источников полностью отсутствует информация о несущей способности полых свай при наличии под их торцом уширенного основания из втрамбованного жесткого грунтового материала.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения, принятым за прототип, является «Способ испытания сваи в просадочном грунте» с закрытым торцом по авторскому свидетельству SU 1719552 от 15.03.92. БИ №10, включающий с некоторой интерпретацией поэтапное выполнение следующих основных технологических операций, а именно:

- устройство бурением лидерной скважины на глубину до несущего слоя грунта с выполнением в нижней ее части уширения, равным 1,05-1,5d - диаметра (размера по диагонали) сваи, например, с помощью складного трехножевого уширителя, забивку (погружение) сборной железобетонной сваи с закрытым нижним торцом копровой или вдавливающей установкой до верха уширения с нагружением сваи отдельными ступенями с замером осадок от каждой ступени до ее срыва и построением графика зависимости осадки сваи от нагрузки с определением величины нагрузки, воспринимаемой силами трения и сцепления по боковой поверхности сваи, с последующим вычислением (назначением) несущей способности по ее боковой поверхности;

- разгрузку и добивку сваи до проектной глубины погружения с повторным ее нагружением отдельными ступенями до срыва или расчетной осадки и по результатам выполненного нагружения строят график зависимости осадки сваи от нагрузки с последующим определением (назначением) суммарной несущей способности забивной сваи по торцу и ее боковой поверхности.

По разнице величин суммарной несущей способности забивной сваи и по ее боковой поверхности вычисляют несущую способность сваи по ее торцу.

Основными недостатками этого способа испытания полой сваи является отсутствие информации по учету уширенного основания из втрамбованного жесткого грунтового материала под торцом сваи, а также необходимость выполнения лидерной скважины на глубину до несущего слоя грунта для устройства уширения. Кроме того, следует отметить, что наличие лидерной скважины снижает и тем самым искажает фактическую величину несущей способности сваи по ее боковой поверхности в пределах глубины ее выбуривания. Кроме того, способ применим только для лессовых посадочных грунтов II типа по просадочности.

Таким образом, выполненным анализом установлено, что, как отмечалось выше, не обнаружено ни одного источника, из которого был бы известен способ испытания забивных полых и др. типов забивных свай, когда раздельно определяется их несущая способность при наличии уширенного основания, а при его устройстве применяется традиционная наиболее распространенная и эффективная технология - из втрамбованного (уплотненного) жесткого грунтового материала (обычно щебня, жесткого бетона и т.п.) с использованием только вдавливающей нагрузки.

Уместно также отметить, что уширенное основание из втрамбованного щебня до настоящего времени и испытания свай с его учетом в натурных (полевых) условиях выполняют только для буронабивных, набивных и т.п. свай, но без раздельного определения несущей способности свай по их торцу и боковой поверхности.

Технической проблемой предлагаемого изобретения является устранение приведенных выше недостатков прототипа, а именно: повышение точности определения несущей способности свай за счет исключения образования лидерной скважины, получение более полной информации о несущей способности сваи, а также расширение области его применения по грунтовым условиям.

Техническая проблема решается способом испытания забивной полой сваи с закрытым нижним торцом, включающим погружение сваи, ступенчатое нагружение сваи статической вдавливающей нагрузкой, формирование уширенного основания, определение несущей способности сваи по боковой поверхности и определение суммарной несущей способности сваи по торцу и боковой поверхности, при этом, согласно изобретению, осуществляют погружение полой сваи с башмаком-пробойником на торце на заданную глубину и затем производят ее ступенчатое нагружение статической вдавливающей нагрузкой до условной стабилизации и определяют несущую способность сваи F_d, равную сумме несущих способностей сваи по торцу F_dR и боковой поверхности F_df;

затем разгружают сваю и вставляют в ее полость и в полость башмака-пробойника обсадную инвентарную трубу-штангу со съемным наконечником, погружают башмак-пробойник на глубину формирования уширенного основания с образованием под сваей скважины-полости,

затем извлекают трубу-штангу и вводят во внутреннюю полость сваи расширитель скважины, с помощью которого подрезают или уплотняют грунт под торцом сваи, после чего извлекают из полости сваи расширитель и вновь осуществляют ступенчатое нагружение сваи и определяют ее несущую способность по боковой поверхности F_df;

затем разгружают сваю, устанавливают в полость башмака-пробойника башмак-уширитель, и осуществляют формирование уширенного основания путем послойной отсыпки в скважину-полость над башмаком-уширителем жесткого грунтового материала на высоту до нижнего торца сваи и уплотнения его торцом съемного наконечника трубы-штанги до нижнего торца сваи;

после чего добивают сваю до состояния «отказа», вновь осуществляют ее ступенчатое нагружение и определяют величину несущей способности сваи F'_d, равной сумме ее несущих способностей по торцу в уширенном основании F'_dR и боковой поверхности F_df, после чего, вычисляя разницу между каждым суммарным значением F_d и F'_d и величиной несущей способности F_df по боковой поверхности сваи, определяют раздельно несущую способность сваи по торцу соответственно в уплотненном грунте F_dR и в уширенном основании F'_dR.

Кроме того, в качестве жесткого грунтового материала при соответствующем обосновании возможно использовать экологически чистые не склонные к распаду отходы промышленных производств, близкие по гранулометрическому составу к песчаным грунтам.

Кроме того, при относительно плотном сложении несущего слоя грунта забивку сваи и формирование в нем скважины-полости целесообразно осуществлять составным башмаком-пробойником с поочередным погружением его частей в несущем слое грунта основания.

Предпочтительно также в качестве расширителя скважины использовать модернизированный складной наиболее распространенный трехножевой уширитель с грунтоприемником и подрезкой грунта только в верхней части скважины-полости под торцом сваи.

Технический результат, достигаемый предложенным способом испытания полой сваи, заключается в повышении информативности способа путем обеспечения возможности определения несущей способности сваи при наличии уширенного основания, а также в упрощении реализации способа путем применения только вдавливающей статической нагрузки по сравнению с прототипом и ранее известными из нормативной и технической литературы способами. Кроме того, повышается точность испытаний вследствие отсутствия лидерной скважины, вносящей искажения в результаты испытаний.

Предлагаемый способ испытания полой сваи с уширенным основанием из втрамбованного жесткого грунтового материала поясняется чертежами, на которых показана последовательность выполнения основных технологических операций по раздельному определению ее несущей способности.

На фиг. 1 изображена свая после ее установки на башмак-пробойник, погружения ее на расчетную глубину, ступенчатого нагружения, разгрузки и установки в внутреннюю полость ее и башмака-пробойника инвентарной трубы-штанги со съемным наконечником.

На фиг. 2 изображено образование скважины-полости под нижним торцом сваи путем погружения в несущий слой грунта на расчетную глубину башмака-пробойника инвентарной обсадной трубой-штангой со съемным наконечником.

На фиг. 3 изображена свая и скважина-полость после установки во внутреннюю полость сваи на башмак-пробойник расширителя.

На фиг. 4 изображены свая и сформированное из втрамбованного жесткого грунтового материала уширенное основание над башмаком-уширителем.

На фиг. 1-4 возможная уплотненная зона грунта природного сложения условно не показана.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - полая свая;

2 - башмак-пробойник с внутренней полостью;

3 - инвентарная обсадная труба-штанга со съемным наконечником;

4 -скважина-полость;

5 - расширитель скважины-полости;

6 - башмак-уширитель;

7 - уширенное основание из втрамбованного жесткого грунтового материала после добивки сваи с погружением ее торца в уширенное основание до «отказа».

Способ испытания забивной полой сваи с уширенным основанием осуществляют следующим образом.

Перед погружением (забивкой или продавливанием) сваю 1 с башмаком-пробойником 2 устанавливают на точке ее будущего погружения, например, штанговым дизель-молотом или вдавливающей установкой на заданную глубину. Погружают сваю 1 с башмаком-пробойником 2 на заданную глубину и нагружают ее статической вдавливающей нагрузкой ступенями до условной стабилизации (по ГОСТ 5686-2012) и по графику зависимости осадки от нагрузки определяют ее несущую способность F_d, равную сумме несущих способностей сваи по торцу F_dR и боковой поверхности F_df. Затем сваю 1 разгружают, вставляют в ее полость и внутреннюю полость башмака-пробойника 2 обсадную инвентарную трубу-штангу со съемным наконечником 3 (фиг. 1).

Погружают башмак-пробойник 2 торцом съемного наконечника трубы-штанги 3, опущенной во внутреннюю полость сваи 1, на расчетную глубину формирования уширенного основания в несущем слое грунта с образованием в нем скважины-полости 4 (фиг. 2).

Опускают в полость сваи 1 расширитель 5 скважины-полости 4 и либо подрезают, либо уплотняют грунт природного сложения под нижним обрезом сваи 1, после извлечения расширителя 5 снова нагружают ступенями сваю 1 вертикальной вдавливающей нагрузкой до условной стабилизации и определяют несущую способность F_df сваи по ее боковой поверхности (фиг. 3).

Разгружают сваю 1, вставляют во внутреннюю полость башмака-пробойника 2 башмак-уширитель 6, отсыпают в скважину-полость 4 послойно жесткий грунтовый материал и формируют уширенное основание 7 из жесткого грунтового материала торцом съемного наконечника инвентарной обсадной трубы-штанги 3 до нижнего обреза сваи 1, после чего добивают сваю 1 с погружением ее торца в уширенное основание 7 до состояния «отказа» и окончательным его формированием и образованием возможной уплотненной зоны окружающего его грунта природного сложения. После этого снова нагружают сваю 1 ступенями статической вдавливающей нагрузкой до условной стабилизации с определением суммарной величины несущей способности F'_d под торцом и боковой поверхности сваи (фиг. 4).

Вычисляя разницу между каждым суммарным значением F_d и F'_d и величиной несущей способности F_df по боковой поверхности сваи 1, определяют раздельно несущую способность сваи по торцу в уплотненном грунте F_dR и в уширенном основании F'_dR.

Углы заострения башмака-пробойника 2 принимают в интервале 30-90° (в среднем 60°), башмака-уширителя 6 - 60-90°, торца съемного наконечника трубы-штанги 3 - 120-180° или устанавливают их опытным путем, как и состояние «отказа» при добивке сваи 1.

В случае необходимости для минимизации проникновения свободной воды в процессе погружения сваи 1 на верхний обрез башмака-пробойника 2 укладывают противофильтрационную прокладку, а при формировании уширенного основания 7 используют смесь из щебня и глинистого грунта по аналогии с СТО 36554501-018-2009 или применяют др. методы.

При относительно плотном сложении несущего слоя грунта забивку сваи 1 и формирование в нем скважины-полости 4 осуществляют составным башмаком-пробойником 2 с поочередным погружением его частей в несущем слое грунта основания по аналогии с патентом RU 2678172.

В качестве расширителя 5 (уширителя) скважины под нижним обрезом сваи 1 может быть использован, например, смонтированный на штанге-келли модернизированный складывающийся трехножевой уширитель с подрезкой грунта только в верхней части скважины-полости 4, т.е. под торцом сваи 1, диаметром не менее 1,05-1,1 диаметра (размера в поперечном сечении) скважины-полости 4 или наружного диаметра (размера в поперечном сечении) сваи 1. Трехножевой уширитель имеет накопитель (грунтоприемник) осыпающегося подрезаемого грунта в его нижней части. Может также использоваться модернизированное оборудование (раздвижное устройство) для армирования подошвы сваи по патенту RU 2310722.

В качестве расширителя 5 может быть также использован уширитель пяты, применяемый, например, при устройстве буронабивных и набивных свай или может быть использовано оборудование для локального уплотнения грунта на стенке скважины-полости 4 под торцом сваи 1.

В качестве жесткого грунтового материала при соответствующем обосновании возможно использовать экологически чистые не склонные к распаду отходы промышленных производств, близкие по гранулометрическому составу к песчаным грунтам.

Кроме того, для реализации предлагаемого способа целесообразно в некоторых случаях использовать комбинированное бурозабивное оборудование, например, серии Reline, совмещающего операции по забивке-добивке сваи 1 и бурению лидерной скважины для подрезки грунта под ее торцом или применять др. аналогичное навесное оборудование.

Благодаря предлагаемому способу испытания полых забивных свай с уширенным основанием из втрамбованного (уплотненного) жесткого грунтового материала появляется возможность получения более полной информации о несущей способности на разных стадиях их устройства.