Строительство траспортных сооружений, мостов, путепроводов и эстакад
Методы испытаний
Фундамент прочен ровно настолько, насколько он проверен. Так мы обеспечиваем его надежность.
1. Статическое испытание свай
Цель проведения статических испытаний.
Полевые испытания грунтов сваями, проводимые при инженерных изысканиях для строительства, выполняют в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-2012 с учетом положений соответствующих федеральных, территориальных и отраслевых нормативных документов, с целью получения данных, необходимых для обоснования выбора типа фундаментов, их параметров и способов устройства, в том числе:
— Определения вида и размеров свай и их несущей способности;
— Проверки возможности погружения свай на намечаемую глубину, а также относительной оценки однородности грунтов по их сопротивлению погружению свай;
— Определения зависимости перемещения свай в грунте от нагрузок и во времени.
В состав установки для испытания грунтов сваями статическими вдавливающими, выдергивающими или горизонтальными нагрузками должны входить:
— Устройство для нагружения сваи (домкраты или тарированный груз);
— Опорная конструкция для восприятия реактивных сил (система балок или ферм с анкерными сваями и/или грузовая платформа);
— Устройство для измерения перемещений сваи в процессе испытания (реперная система с измерительными приборами).
При проведении испытаний в вечномерзлых грунтах в состав оборудования дополнительно включаются термометрические устройства для измерения температуры грунта основания испытываемой сваи.
Подготовка к испытаниям.
Сваи, предназначенные для испытаний, должны соответствовать стандартам или техническим условиям на сваи.
Погружение или устройство испытываемых свай должно быть выполнено в соответствии с программой испытаний.
Свая с разрушенной головой, предназначенная для испытания статической вдавливающей нагрузкой, должна быть обрублена на участке разрушения, а торцевая поверхность обрубленного ствола сваи должна быть выровнена с образованием плоскости, имеющей отклонение не более 1/100 от проектного положения и сколы глубиной не более 2 см.
Перед испытанием статической выдергивающей нагрузкой сваю подготавливают в соответствии с намечаемым способом передачи нагрузки: через предварительно обнаженную продольную арматуру на длине до 15 см, боковое трение или другим способом.
Методика проведения испытаний.
При испытаниях набивными (буронабивными) сваями начало испытаний назначают не ранее достижения бетоном свай 80% проектной прочности.
Нагружение испытываемой сваи (натурной, эталонной или сваи-зонда) производят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки, значение которых устанавливается программой испытаний.
На каждой ступени нагружения натурной сваи снимают отсчеты по всем приборам для измерения деформаций в следующей последовательности: нулевой отсчет — перед нагружением сваи, первый отсчет — сразу после приложения нагрузки, затем последовательно четыре отсчета с интервалом 30 мин и далее через каждый час до условной стабилизации деформации (затухания перемещения).
Результаты
Результаты испытаний грунтов сваями оформляются в виде отчета, требования к подготовке которого должны отвечать требованиям ГОСТ 5686-2012.
Отчет состоит из основной части и приложений, представленных в графической и табличной форме. Данные, полученные в ходе проведения полевых экспериментальных исследований, оформляются в виде графических зависимостей в соответствии с выбранной методикой проведения испытаний.
Основной графической зависимостью, установленной по результатам испытаний является график «осадка-нагрузка».
Например, для методики испытаний методом релаксации напряжений (ускоренный метод для инженерных изысканий) результаты в графической форме предоставляются в соответствии с приложением «И», если испытания проводятся по стандартной методике (п.8.2. ГОСТ 5686) — зависимости должны отвечать требованиям приложения Л. Для оценки времени стабилизации осадок свайных фундаментов строят графики зависимости времени стабилизации вертикальных перемещений отдельно от каждой ступени, для анализа развития деформаций во времени при нагружении сваи.
Цель проведения испытаний — получить данные о фактической несущей способности сваи. Для испытаний на вертикальную и горизонтальную нагрузку существует единый подход к выбору критерия, за который следует принимать достижение сваей некоторой величины горизонтального перемещения или выхода сваи, для вдавливающих нагрузок данный подход зависит от жесткости и конструктивной схемы проектируемых зданий.
Для определения несущей способности сваи по грунту производится камеральная обработка результатов статических испытаний грунтов сваями. На основе оценки частного значение предельного сопротивления методами математической статистики устанавливается значение несущей способности сваи по результатам полевых испытаний.
2. Динамические ипытания
В настоящее время всё более широкое распространение получает новый метод полевых испытаний грунтов сваями, который в отечественной нормативной литературе получил название «контрольные испытания свай на вдавливающую нагрузку методом, использующим принципы волновой теории удара». В США и других западных странах данный метод известен как PDA-испытания свай (Pile Driving Analyzer) или испытания свай ударной нагрузкой по ASTM D4945.
Основой этого метода является принцип волновой теории удара, описывающей распространение в одноосном стержне упругой волны. Волна инициируется приложением к голове сваи соответствующей ударной нагрузки. Сигналы, поступающие от измерительных приборов во время прохождения ударной волны, обрабатываются по специальным программам и представляются на ЭВМ в виде искомой информации о несущей способности сваи. Сигналы, поступающие от измерительных приборов во время прохождения ударной волны, обрабатываются по специальным программам и представляются на ЭВМ в виде искомой информации о несущей способности сваи.
Подготовка к проведению испытаний свай методом, использующим принципы волновой теории удара
– Котлован вокруг сваи откопать на глубину не менее 2-х диаметров сваи и ширину не менее 1000 мм по периметру. На дне котлована допускается естественный приток воды на высоту не более 100 мм от дна котлована. При заводненности котлована на дно установить насос, организовать приямки для откачки воды.
– На сваю установить металлическую обечайку, образовавшиеся полости залить раствором. Обечайку не снимать до конца испытаний сваи. Край обечайки должен быть вровень с плоскостью оголовка.
– Плоскость оголовка зашлифовать до гладкой и ровной поверхности. Срезать выпуски арматуры. Плоскость оголовка должна быть строго горизонтальной.
– Зашлифовать две вертикальные площадки в теле сваи диаметром 150..200 мм. Площадки расположить диаметрально друг напротив друга. Площадки должны быть строго вертикальны.
– Для проведения испытаний обеспечить подъезд к свае для установки автокрана и выгрузки оборудования.
– При проведении испытаний обеспечить наличие автокрана с соответствующими грузоподъемными характеристиками для работы с грузом массой 10 тонн на заданном вылете стрелы;
– Обеспечить подводку напряжения U=220В к объекту испытания;
– Обеспечить наличие оборудования для сварки, газовой резки и обслуживающего персонала;
– Испытания проводить при достижении прочности бетона не менее 80%;
– Все размеры на эскизе даны в миллиметрах.
Испытания свай ударной нагрузкой состоят из нескольких последовательно выполняемых циклов, каждый из которых включает:
– Подъем молота на необходимую высоту (высота подъема молота для каждого удара задается в зависимости от качества получаемых сигналов о прохождении ударной волны по стволу сваи от предыдущего удара);
– Сброс молота по направляющей штанге, передача энергии удара молота на сваю;
– Регистрацию величины осадки сваи и сигналов, полученных от измерительных блоков, компьютерную обработку полученной информации, принятие оперативного решения о высоте подъема молота в очередном цикле.
Критерием завершения полевых испытаний является получение качественных и четких сигналов при приложении заданной динамической нагрузки.
Во время каждого удара регистрируется информация о: сжимающих и растягивающих напряжениях в бетоне сваи, сообщаемой свае величине энергии удара, сопротивлении сваи/грунта погружению, сопротивлении по подошве сваи, максимальном ускорении, структурной целостности тела сваи, осадке сваи. Вся эта информация записывается компьютером, установленным в передвижной лаборатории, обрабатывается и выдается на дисплей для принятия оперативных решений об энергии удара.
Испытания выполняются в соответствии с требованиями ГОСТ 5686, СНиП 2.02.03-85 и следующих документов:
– ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями» (п.8.4);
– «Технологический регламент проведения полевых испытаний несущей способности свай ударно-волновым методом » (М., ОАО «ГУП НИИОСП им Н.М. Герсеванова», 2001г.);
– «Методические рекомендации по проведению полевых испытаний свай в сооружениях ПГС с применением ударной нагрузки» (М., ГУП НИИОСП им Н.М. Герсеванова, 2002);
– «Методические рекомендации по проведению полевых испытаний свай методом ударной нагрузки» (М., ОАО «ЦНИИС», 2001г.).
Международные стандарты на применение этого метода:
— США ASTM D4945;
— Китай JGJ106-97;
— Австралия AS 2159;
— Бразилия NBR 13208;
и ещё в 48 странах мира.
Определение несущей способности сваи по результатам испытаний
После записи сигналов дальнейшая их обработка производится в лабораторных условиях на «главном» компьютере с применением программного комплекса. При обработке сигналов, полученных в ходе динамических испытаний, строится математическая модель испытаний при действии статических нагрузок с учетом физических свойств грунтов. Для моделирования сопротивления грунта применяется стандартный подход волнового уравнения с применением упругопластической и вязкоупругой модели для описания поведения грунта при статических и динамических нагрузках. Свая может моделироваться в виде стержня или в виде отдельных сегментов, взаимодействующих между собой.
Оформление результатов испытаний
Результаты оформляются в виде отчета в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний грунтов сваями», в котором содержится следующая информация:
– График зависимости осадки сваи от нагрузки с учетом упругой деформации грунта (как и по результатам стандартных статических испытаний);
– Несущую способность сваи на сжатие по грунту с распределением по подошве и боковой поверхности;
– Изменение несущей способности по глубине сваи, характер изменения сил сопротивления грунта по боковой поверхности сваи в тс/м2;
Частное значение предельного сопротивления сваи определяется по графику осадка/нагрузка в зависимости от принятого критерия в соответствии с требованием СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. Для определения несущей способности требуется провести минимум два испытания, наименьшее частное значение предельного сопротивления определяет несущую способность сваи, полученную по результатам полевых испытаний.
Использование этого метода позволит отказаться от проведения дорогостоящих и трудоемких статических испытаний свайных фундаментов любого типа. И существенно минимизировать время, затраченное на определение статической несущей способности фундаментов и анализ эффективности использования оборудования для забивки свай, тем самым сокращая сроки строительства свайных фундаментов.
Сравнительная таблица статических и динамических испытаний грунтов сваями:
3. Штамповые испытания грунтов
Цель испытания
Испытание грунта штампом проводят в соответствии с ГОСТ 20276-2012 для определения следующих характеристик деформируемости дисперсных грунтов:
— модуля деформации Е минеральных, органо-минеральных и органических грунтов;
— начального просадочного давления рsl и относительной деформации просадочности εsl для просадочных глинистых грунтов при испытании с замачиванием.
Характеристики определяют по результатам нагружения грунта вертикальной нагрузкой в забое горной выработки с помощью штампа.
Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимости осадки штампа от нагрузки.
Оборудование и приборы
В состав установки для испытания грунта штампом входит:
— штамп;
— устройство для создания и измерения нагрузки на штамп;
— анкерное устройство (для установок без грузовой платформы);
— устройство для измерения осадок штампа (прогибомеры, датчики перемещений);
— устройство для замачивания и контроля влажности грунта (при испытании просадочных грунтов).
Проведение испытаний
Работы по испытанию грунтов штампами ведутся по утвержденной программе штамповых испытаний, составленной в соответствии с ГОСТ 20276-2012. В программе работ по проведению испытаний отражаются места испытаний, величины и количество степеней нагрузки, время стабилизации деформаций.
Число испытаний зависит от оценки степени неоднородности грунтов основания, требований точности вычисления модуля деформации Е и вида сооружения. Минимальное число частных испытаний для величины Е должно быть не менее 3.
Испытаниям подвергают все основные несущие слои грунтов. Если в пределах активной зоны залегает один достаточно мощный однородный слой, то испытания проводят на одном горизонте (глубине), примерно соответствующем отметке заложения основных фундаментов. Мощность испытуемого слоя должна быть не меньше двух диаметров штампа. При наличии более тонких слоев или их чередовании могут быть получены только средние значения показателей деформируемости для комплекса слоев.
Обработка результатов испытаний.
По результатам испытания грунтов статической нагрузкой оценивают их сжимаемость, количественной характеристикой которой служит модуль деформации Е. Значение Е, Мпа является график S=f(p), выражающий зависимость осадки грунта под штампом от удельного давления. Для расчета осадок сооружений по принятой в практике теории линейно-деформируемого слоя необходимо одно постоянное значение модуля деформации, что и явилось основанием построения прямолинейного участка, как минимум, по четырем точкам.
Формула для определения модуля деформации по результатам испытаний в соответствии с ГОСТ 20276-2012 имеет вид:
где v — коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 — для песков и супесей; 0,35 — для суглинков; 0,42 — для глин;
Кp — коэффициент, принимаемый в зависимости от заглубления штампа h/D (h -глубина расположения штампа относительно поверхности грунта, см;
D – диаметр штампа, см);
К1 — коэффициент, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа;
Δp — приращение давления на штамп, МПа, равное pn — p0;
?S — приращение осадки штампа, соответствующее Δp, см, определяемое по усредняющей прямой.
Коэффициент Кp принимают равным 1 при испытаниях грунтов штампами в котлованах, шурфах и дудках.
4. Испытание буронабивных свай на сплошность
Метод ультразвуковой дефектоскопии (диагностики)
Этот метод контроля неразрывности бетонной конструкции основывается на разности скоростей движения ультразвуковой волны в средах, отличающихся по структуре, механическим и физическим свойствам.
Методика обследования свай методом УЗД
Ультразвуковая волна передается от датчика-излучателя к датчику-приемнику в виде импульсов с заданной частотой (см. схему 1).
Датчики перемещают по наполненным водой трубкам, установленным в каркас исследуемой конструкции.
В качестве регистрируемого параметра используется амплитуда ультразвуковой волны, проходящей через контролируемый участок сваи и время ее прохождения. Измеряемое время прохождения ультразвуковой волны и её энергия однозначно связаны с качеством бетона.
Сигналы, поступающие от измерительных приборов во время прохождения ультразвуковой волны, регистрируются и обрабатываются на ПК, а затем выдаются в виде искомой информации о целостности и однородности ствола сваи.
Все испытания по этому методу соответствуют как стандарту D 6760-14, так и ГОСТУ 17624-2012. Оба документа регламентируют условия проведения ультразвуковых испытаний сплошности и прочности бетона.
Подготовка свай к обследованию УЗД
Заблаговременно, в арматурный каркас сваи должны быть установлены специальные металлические трубки доступа диаметром 57 мм располагающиеся крест-накрест в количестве не менее четырёх трубок на каждую сваю. С обеих сторон трубки должны иметь герметичные заглушки.
Перед проведением обследования верхние заглушки необходимо демонтировать, проверить трубки на отсутствие в них посторонних предметов, затем при заполнении их водой проверить герметичность. В случае отсутствия герметичности необходимо обеспечить непрерывную доливку трубок водой.
Проведение контроля методом УЗД
Прозвучивание бетона сваи должно быть выполнено по шести сечениям: по двум диаметральным и четырем хордовым сечениям (см. схему 2), по всей длине сваи.
Прозвучивание необходимо производить в горизонтальных сечениях, непрерывно перемещая датчики по высоте.
Обследования свай методом УЗД должно состоять из нескольких последовательно выполняемых циклов, каждый из которых включает:
– Спуск приемника и излучателя до нижней точки сваи;
– Регистрация сигналов, полученных от датчика-приемника через каждые 0,5 м, компьютерную обработку полученной информации, принятие оперативного решения о необходимости дополнительного спуска датчиков;
– Перестановка датчиков в другое сечение сваи.
Критерием завершения обследования является получение качественных и четких сигналов во всех возможных сечениях. Все датчики, используемые при проведении обследований, прошли заводскую калибровку.
Сейсмоакустическая дефектоскопия свай
Метод Соник позволяет делать экспертную оценку актуального состояния сваи, то есть определять ее грунтовую длину, а также производить анализ целостности и структуры сваи. Данный метод является экспресс-контролем и не разрушает бетон сваи. Он может применяться для проведения испытаний любого типа сваи вне зависимости от того, какая технология использовалась для ее устройства.
В основе метода лежит принцип акустической дефектоскопии. Она позволяет производить анализ движения акустической волны и ее отражений в исследуемой свае. Удар молотком по торцу сваи в направлении, параллельном свайной оси, порождает акустическую волну.
Возникшее вследствие механического воздействия возбуждение, посредством акустической волны проходит по свае. В случае имеющихся дефектов целостности конструкции, в ней возникают отраженные волны, движущиеся к источнику возбуждения. При этом чем сильнее дефекты и больше их количество, тем будет выше значение коэффициента отраженной волны, которое и зарегистрирует прибор.
Этим методом экспресс-контроля можно не только определять дефекты свай, но и узнать фактическую ее длину. Точность измерения составляет около 5-10%, что является вполне неплохим результатом. Основное достоинство данного метода – высокая скорость проведения испытаний, которая позволяет проверить несколько десятков свай за один день.
Контроль сплошности бетона и длины свай проводится в соответствии с требованиями следующих документов:
1.Технологический регламент по применению неразрушающего экспресс-контроля сплошности свай методом «СОНИК». М., ОАО «ЦНИИС», 2002.
2.ASTM D 5882-96. Standard Test Method for Low Strain Integrity Testing of Piles. Стандартный метод испытания целостности свай низкими напряжениями.
Для обеспечения качественной регистрации волны, предварительно производится зачистка поверхности бетона головы сваи для установки датчика. Для получения достоверной информации, измерения выполняются не менее чем в 3-х различных точках подготовленной поверхности. Для возбуждения импульсов, выполняется не менее 15-20 ударных воздействий в каждой точке с использованием тарированного пластмассового молотка с контролем качества каждого регистрируемого сигнала на полевом компьютере.
Зарегистрированные сигналы фиксируются в памяти компьютера для последующей обработки и анализа.
Результаты обследования оформляются в виде протокола.