Геофизические исследования свайных фундаментов

Обновлено: 05.05.2024

Наличие свайных фундаментов должно быть указано в техническом задании на исследование грунтов. Основные сведения об этом включают: вид фундамента (ростверк, сваи), одиночные или кустовые, длину свай, способ передачи нагрузки на основание (стойки или висячие), а также передаваемые нагрузки на куст, сваю (из рабочего проекта здания) [37].

После ознакомления и анализа грунтовой обстановки на площадке реконструкции разрабатывают программу дополнительных инженерно-геологических изысканий, отвечающую задаче реконструкции и новым нагрузкам.

При наличии свайных фундаментов на объекте включают следующие работы:

− бурение скважин с описанием слоев и отбором проб;

− зондирование грунтов: статическое или динамическое;

− лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов, а также анализы надземных вод;

− прессиометрические исследования грунтов в скважинах;

− штамповые испытания грунтов;

− статические испытания опытных свай, забиваемых для определения их несущей способности (если требуется по программе);

− работы по исследованию влияния свайных фундаментов на ближайшую застройку.

В том числе для объектов 1-го и 2-го уровня ответственности обязательными видами работ являются: статическое зондирование, испытания грунтов прессиометрами и штампами. При статическом зондировании следует определять плотность и влажность грунтов с помощью радиоактивного каротажа (ГОСТ 19912).

При наличии фундаментов с рабочей плитой (свайно-плитных) в состав работ обязательно включать исследования штампами и натурными сваями [38].

При наличии на объектах винтовых свай предусматривать опытные нагружения аналогичных свай с испытаниями последних статическими нагрузками.

Если в проекте здания предусмотрено приложение на сваи горизонтальных усилий (до 5% от вертикальных), необходимо испытывать натурные сваи на горизонтальные нагрузки.

При передаче на сваи (по проекту) знакопеременных нагрузок, в том числе выдергивающих, испытания натурных свай должны выполняться с той же схемой нагружения. Несущую способность свай рассчитывают по известным методикам СНиП.

При забивке опытных свай вблизи существующих зданий необходимо предусмотреть измерения динамических колебаний конструкций здания.

Места испытаний грунтов прессиометрами, штампами, сваями назначают, анализируя данные буровых скважин и зондирования, в местах характерных точек литологического строения и в зонах наиболее нагруженных фундаментов.

Штампы, в основном, нужно использовать в скважинах (винтовые) площадью 600 см 2 с целью получения величин модуля деформации.

Количество буровых геологических и испытательных скважин (рекомендуется их разумное совмещение) назначается не менее 4-5 для получения геологической информации о грунтовых слоях, гидрогеологическом режиме территории и проведения необходимых по программе испытаний грунтов.

Общее количество данных для каждого литологического слоя должно быть достаточным для условий их статической обработки в соответствии с ГОСТ 20522, для получения нормативных и расчетных значений характеристик грунтов.

Глубина скважин должна быть не менее чем на 5 м ниже погруженных свай при их рядовом расположении и нагрузках на куст свай до 3 МН; и на 10 м ниже при нагрузках на куст более 3 МН и свайных полях до 10 х10 м и при наличии комбинированных фундаментов (свайно-плитных) глубина скважин должна превышать заглубление свай не менее чем на 15 м.

Нужно заметить, что зондирование для исследования свайных фундаментов является основным способом определения модуля деформации для объектов 1 геотехнической категории.

Для 2 и 3 категории объектов необходимо дублирование (сочетание) данных с результатами испытаний штампами и прессиометрами.

В результатах обработки проведенных работ необходимо установить:

− изменение гидрогеологических процессов;

− несущую способность свайного фундамента по реальным характеристикам грунтов;

− причины и характер деформаций оснований и фундаментов реконструируемого здания.

Особенности исследования оснований для подземных и заглубленных сооружений

Программа работ геотехнического мониторинга по изучению гидрогеологической обстановки на площадке реконструкции должна включать выяснение следующих данных:

− глубину залегания скальных пород;

− наличие и величину напора подземных вод, а также наличие и местонахождение водоупоров;

− месторасположение тоннелей, инженерных коммуникаций, старых подвалов, колодцев, надземных выработок;

− наличие и глубину залегания плывунов и грунтов склонных к проявлению тиксотропии.

Дополнительные изыскания по разработанной программе для реконструкции должны включать бурение и зондирование [39].

Количество скважин и точек зондирования назначать не менее 50% от количества скважин для нового строительства (заложенных в проекте), но не менее трех.

Глубину скважин Н_скв назначать не менее глубины, определенной по следующему расчету

где

Н_с

−

глубина заложения конструкции («стена в грунте», шпунтовая стенка и т.д.), но не менее 10 м ниже заглубленной конструкции. На указанную глубину должно быть пройдено не менее 30% скважин, но не менее трех.

При углублении подземного сооружения при реконструкции, в случае производства работ открытым способом, в котловане глубина скважин Н_скв должна быть не менее

где

Н_к

−

глубина котлована (подошвы сооружения).

При реконструкции подземных переходов глубина скважин также должна быть не менее [1,5H_к + 5 м], а располагать скважины нужно не далее чем на 30 м, а в сложных инженерно-геологических условиях – 10-15 м.

Для реконструкции линейных подземных сооружений необходимо предусматривать статическое зондирование и геофизические исследования.

Для подземных сооружений связанных с устроенными противофильтрационными завесами и дренажными системами, коэффициент фильтрации, градиент напора барражного эффекта и дебит подземных вод необходимо определять полевыми методами в скважинах путем откачек и пьезометрии (ГОСТ 23278).

Кроме этого для выяснения гидрогеологической обстановки на площадке нужно определить физико-механические характеристики несущих слоев грунта:

− модуль деформации (Е);

− коэффициент поперечной деформации (υ);

− параметры ползучести (δ);

− прочностные свойства (С, φ);

− коэффициент морозного пучения (К_h);

− нормативные и касательные силы пучения (σ_h, τ_h);

− коэффициент фильтрации (К_ф);

− модуль трещиноватости (М_i);

− коэффициент выветрелости (К_w).

При необходимости по специальной программе силами специализированных организаций по геотехнике следует выполнять измерения напряжений в массивах грунта и скальных пород, а также гидрогеологический режим подземных вод на территории.

В программу работ для геотехнических организаций следует включать наблюдения за окружающими зданиями, попадающими в зону влияния подземного строительства и реконструкции.

Усиление оснований

Искусственное вмешательство по усилению (упрочнению) грунтов оснований иногда становится необходимым в силу сложившейся ситуации по выводу здания из предаварийного состояния, а также закономерным плановым мероприятиям удержания строения в работоспособном состоянии, без прерывания его эксплуатации.

Искусственное закрепление грунтовых оснований относится к наиболее дешевым мероприятиям по восстановлению системы «фундамент-основание».

Причиной вывода из эксплуатационного равновесия работы системы являются:

- техногенные воздействия на грунты;

- неправильный режим эксплуатации здания;

- необоснованные дополнительные нагрузки на фундаменты;

- негативное влияние соседних зданий, построенных позднее.

Все перечисленные причины ведут к ухудшению прочностных и деформативных свойств грунтов под фундаментами, а иногда и к потере устойчивости несущего слоя грунта.

Несмотря на то, что грунты под подошвой фундаментов существующих зданий уплотняются со временем (в среднем на 10-25% и более), влияние перечисленных выше факторов вынуждает специалистов-геотехников применять оптимальные способы закрепления оснований. Выбор способа закрепления должен иметь научное обоснование на базе предварительных исследований реального состояния грунтов.

Для этой цели разрабатывается проект и программа работ. С учетом объемов работ разрабатывается проект производства работ (ППР) по усилению основания.

В пояснительной записке ППР выполняются необходимые расчеты и составляются технологические схемы процесса закрепления, оговариваются способы контроля качества работ, а также контроль достигаемого эффекта усиления грунтового основания.

Существует около 25-30 способов усиления грунтовых оснований.

Такое разнообразие позволяет избирательно, на научной основе, подобрать наиболее эффективный способ закрепления для практически любого многообразия возникших ситуаций.

На основании общего подхода все способы усиления можно разделить на традиционные и новые современные.

В статье предложен расчет напряженно-деформированного состояния основания под кольцевым свайным фундаментом при действии равномерно распределенной нагрузки по кольцу и кругу с использованием методов К.Е.Егорова и вычисление осадки по методике, применяемой для ленточных свайных фундаментов. Приведены предложенные и использованные конструкция и технология устройства фундаментов большеобъемных резервуаров с плавающей крышей. Представлены результаты натурных наблюдений за осадками емкостей в период гидравлических испытаний.

При проектировании оснований и фундаментов для большеобъемных вертикальных стальных цилиндрических резервуаров с плавающей крышей особое внимание уделяется расчетам по деформациям. Опасность возникновения существенных неравномерных осадок по периметру резервуара может привести к развитию недопустимых напряжений в сварных соединениях стенки и днища, к возникновению крена и заклиниванию конструкции плавающей крыши.

Как показали исследования [1], наибольшие напряжения и деформации возникают в районе уторного узла резервуара на расстоянии 3 – 4 м от стенки большеобъемных емкостей (V ≥ 10 тыс. м3). С целью обеспечения нормальной работы конструкций вертикальных стальных цилиндрических резервуаров в период эксплуатации необходимо на стадии проектирования правильно оценить величину осадки различных точек днища и стенки, а также степень неравномерности указанных перемещений.

Широко используемые в практике фундаменты стальных резервуаров представляют собой кольцевые или круглые плиты, опирающиеся на песчано-гравийные подушки или сваи. Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что устройство под стенкой резервуара жесткого монолитного железобетонного кольца позволяет снизить неравномерность осадок по периметру резервуара. Применение кольцевой свайной обоймы, в условиях слабых грунтов препятствующей выпору грунта из-под днища резервуара и ограничивающей горизонтальные перемещения грунта, также позволяет уменьшить среднюю осадку основания [2].

Расчет осадки кольцевого фундамента под стенку резервуара рекомендуется определять на базе решения осесимметричной задачи теории упругости. Для определения вертикальных компонент напряжений σz для фундаментов круглой и кольцевой формы К.Е.Егоровым [3] предложены зависимости, представленные в следующем виде:

для круглого фундамента, радиусом R (рис. 1):

где α – функция эллиптических интегралов, зависящая от соотношений

для кольцевого фундамента с внутренним и внешним радиусами соответственно R1 и R2 (рис. 2):

где α (m,t) и β (m,t) – функции, выраженные через эллиптические интегралы, зависящие от соответствующих радиусов кольца R1 < R2 и переменных

Рис. 1. Схема к определению осадок круглого фундамента, нагруженного равномерно распределенной нагрузкой

Рис. 2. Схема к определению осадок кольцевого фундамента, нагруженного равномерно распределенной нагрузкой

Рис. 3. Ленточные свайные фундаменты с расположением свай в один ряд (а), в два ряда (б), в три ряда (в)

Проведенные в Пермском государственном техническом университете под руководством проф. А.А.Бартоломея экспериментальные исследования работы ленточных свайных фундаментов в различных грунтовых условиях позволили предложить общую методику расчета осадок таких фундаментов при расположении свай в один, два и три ряда (рис. 3) [4,5,6].

Разработанный метод учитывает такие факторы, как глубина приложения нагрузки и передача ее через боковую поверхность и в плоскости острия свай, размеры фундамента, коэффициент бокового расширения грунта, напряжения и деформации во всей активной зоне.

При анализе закономерностей передачи нагрузки сваями грунтам основания установлены следующие зависимости:

характер передачи нагрузки через боковую поверхность свай:

в плоскости острия свай:

где an, bn - безразмерные коэффициенты, зависящие от эпюр передачи нагрузки по боковой поверхности и в плоскости острия свай; Р – нагрузка на свайный фундамент, кН/м; l – длина свай, м; h – глубина расположения рассматриваемой точки, м; d0 – ширина фундамента, м, для однорядного свайного фундамента; d 0 =d (d – диаметр сваи), для двухрядного d0=4d, для трехрядного d 0 =7d; x – расстояние от рассматриваемой точки до оси фундамента; n – число рядов свай; Р уд – удельная нагрузка по боковой поверхности и в плоскости острия свай, кПа.

На основе численного интегрирования А.А.Бартоломеем получена формула для определения осадки однорядных и многорядных свайных фундаментов:

где a n , b n - безразмерные коэффициенты, зависящие от вида эпюр передачи нагрузки по боковой поверхности и в плоскости острия свай;

– компоненты перемещений, вызванных силами трения по боковой поверхности и силами в плоскости нижних концов свай.

Для практического использования формула расчета осадок приведена к виду:

где S – осадка свайного фундамента, м; Р – нагрузка на свайный фундамент, кН/м;

; E – модуль деформации грунта активной зоны с учетом уплотнения грунта под сваями в результате их забивки, значения безразмерной компоненты перемещения δ0 табулированы для различных случаев.

На основе имеющихся решений разработан алгоритм программы для расчета на компьютере осадок кольцевого свайного фундамента, который учитывает известные методы определения напряжений в активной зоне основания и методы расчета полных осадок ленточных свайных фундаментов с учетом приложения нагрузки внутри массива и вида эпюр ее передачи по боковой поверхности и в плоскости острия свай.

Идея разработки данной методики расчета основания возникла при проектировании фундаментов двух стальных цилиндрических резервуаров емкостью 50 тыс. м3 (диаметр резервуара – 60,7 м, высота – 18,0 м) с плавающей крышей для хранения нефтепродуктов на территории нефтеперерабатывающего завода в Ленинградской области. Площадка строительства резервуаров расположена на территории ранее занятой бывшими искусственными прудами различной конфигурации и глубины, засыпанных насыпным грунтом. Основные инженерно-геологические элементы, слагающие основание, представлены насыпными грунтами, верхнечетвертичными озерно-ледниковыми отложениями в виде пылеватых суглинков и супесей, верхнечетвертичными ледниковыми отложениями в виде легких и тяжелых суглинков от полутвердой до твердой консистенции, подстилаемые верхнедевонскими пылеватыми твердыми глинами. Выполненные инженерно-геологические изыскания выявили наличие линз слабого грунта под пятном строительства одного из резервуаров в виде легкого мягкопластичного суглинка и пылеватой супеси.

Предварительные расчеты позволили рекомендовать в качестве фундаментов под резервуары фундамент-отсыпку под днище и кольцевой свайный фундамент с монолитным железобетонным ленточным ростверком под стенки резервуаров.

Кольцевой свайный фундамент для резервуара, у которого отмечено согласное напластование грунтов по пятну застройки, выполнен на 6-ти метровых железобетонных сваях сечением 0,35x0,35 м с двухрядным расположением свай в ростверке. Для кольцевого фундамента резервуара, в основании которого были обнаружены линзы, использованы 9-ти метровые железобетонные сваи сечением 0,35x0,35 м с трехрядным расположением свай (рис. 4).

Рис. 4. Конструкция кольцевого свайного фундамента для резервуара, в основании которого была обнаружена линза слабого грунта

После возведения резервуаров проводились их гидравлические испытания, во время которых были установлены регулярные геодезические наблюдения за осадками емкостей. В ходе наблюдений проводилась нивелировка металлических марок, которые приваривались к стенкам резервуаров с шагом 6 м по периметру. Резервуары заполнялись водой ступенями 2,5 м; 6,0 м; 11,0 м и 17,4 м согласно технологической карте проведения гидравлических испытаний. После каждой ступени нагружения определялись высотные отметки марок и приращение деформаций. На основании полученных данных построены графики развития осадок во времени с учетом загрузки основания (рис. 5).

Рис. 5а. Графики развития осадок во времени: а) - для резервуара, основание которого представлено согласным напластованием грунтов (длина свай l=6 м);

Рис. 5. Графики развития осадок во времени: б) – для резервуара, в основании которого расположена линза слабого грунта (длина свай l=9 м).

По результатам наблюдений получены следующие результаты:

I. Для резервуара, в конструкции фундамента которого использованы 6-ти метровые сваи:

а)средняя осадка ( Δ Sср) конструкции по периметру при заполнении до отметки 17,4 м составила 18 мм;

б)максимальная осадка ( Δ Smax) по периметру емкости – 22 мм;

в)максимальная неравномерность осадки ( Δ S) по периметру – 11 мм.

II. Для резервуара, в конструкции фундамента которого использованы 9-ти метровые сваи:

а)средняя осадка ( Δ Sср) конструкции по периметру при заполнении до отметки 17,4 м составила 12 мм;

б)максимальная осадка ( Δ Smax) по периметру емкости – 16 мм;

в)максимальная неравномерность осадки ( Δ S) по периметру – 11 мм.

Использование 9-ти метровых свай в кольцевом свайном фундаменте на неоднородном основании позволило снизить среднее значение неравномерности осадки по периметру резервуара в 1,8 раза (рис. 5, б).

Сотников С.Н., Мангушев Р. А. Проектирование и строительство резервуаров на слабых грунтах. // Обзорн. инф. Сер. «Нефтепромысловое строительство». – М.: ВНИИОЭНГ, 1981.

Основания и фундаменты резервуаров. / Иванов Ю. К., Коновалов П. А., Мангушев Р. А., Сотников С. Н. / Под ред. Коновалова П. А. – М.: Стройиздат, 1989.

Бартоломей А. А. Основы расчета ленточных свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам. / М.: Стройиздат, 1982.

Мангушев Р.А., Готман А.Л., Знаменский В.В., Пономарев А.Б. СВАИ И СВАЙНЫЕ ФУНДАЕНТЫ. Конструкции, проектирование и технологии / Под. ред.чл.-корр. РААСН, д.т.н., проф. Мангушева Р.А. – М.: Изд-во АСВ, 2015. – 320 с.

Справочник геотехника. 2-е издание дополненное и переработанное// Под ред. В.А.Ильичева и Р.А.Мангушева. – М.: АСВ, 2016. – 1068 с.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Простов Сергей Михайлович, Герасимов Олег Васильевич, Мальцев Евгений Анатольевич

Приведены физические основы и результаты экспериментального опробования сейсмического, электрофизического и индукционного методов при контроле глубины погружения свай с металлической арматурой. Илл. 11. Библиогр. 3 назв.

Текст научной работы на тему «Применение геофизических методов для определения глубины погружения буронабивных, буроинъекционных и железобетонных свай»

УДК 624.131.5: 624.131.32

С.М. Простов, О.В. Герасимов, Е.А. Мальцев

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ БУРОНАБИВНЫХ, БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СВАЙ

При укреплении оснований эксплуатируемых горнотехнических сооружений зачастую отсутствует документация о характеристиках свайного поля. При строительстве промышленных и гражданских объектов на ранее подготовленных фундаментах необходимо осуществление оценки величины заглубления отдельных свай для определения соответствия проектным требованиям1.

Рис. 1. Схема акустического зондирования сваи в грунте:

1 - акселерометр, 2 - устройство регистрации, 3 - молоток, 4 - свая

для зондирования сваи, находящихся в грунте, осложнено сильным затуханием акустического импульса. В Институте горного дела СО РАН разработан и апробирован опытный образец аппаратуры для определения длины свай в грунте акустическим методом. Прибор

1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ по проекту 05-05-64100

обеспечивает усиление, запись исходного ударного импульса и эхо-сигнала. Обработка первичной информации осуществляется на компьютере методом спектрально-резонансного анализа. Разность частот соседних пиков регистрируемых колебаний связана с продольным размером объекта [1].

Схема установки акустического зондирования представлена на рис. 1.

Возбуждение колебаний происходит ударом ручного молотка 3 вдоль оси сваи 4. Акселерометр 1 воспринимает колебания торца сваи, преобразуя их в электрический сигнал, который записывается устройством регистрации 2. Затем полученные данные в лабораторных условиях оцифровываются и обрабатываются на компьютере спектрально-резонансным ме-

На рис. 2, а представлен график изменения ускорения на торце набивной сваи диаметром

0,4 м после удара, записанный в полевых условиях. Этот сигнал содержит собственные высокие и низкие спектры частот, показанные на рис. 2, б.

Длина сваи Ь при известной скорости распространения звука С вычисляется по формуле:

где /0 - низкая резонансная частота.

Величина /0 вычисляется как среднее арифметическое частотных интервалов между соседними значениями резонансных частот:

где А/п = /п+1— /п; /п - частота резонансного пика, усред-

ненная по данным многократных измерений; п - порядковый номер резонансного пика; т -количество резонансных частот в исследуемом интервале.

Использование акустического зондирования для определения длины сваи осложнено возникновением слабозатухающих резонансных колебаний в выступающей из грунта свободной части сваи, амплитудой изгибных колебаний, возникающих при ударе, несоосном с центром сваи. Вследствие этого погрешность определения длины сваи, находящейся в грунте, составляет ±4%.

Проходящая по всей длине сваи стальная арматура, обладающая высокой электропроводностью, позволяет считать сваю проводящим телом (зазем-лителем) и обосновать применение электромагнитных методов для определения заглубления сваи. Величина измеряемого сигнала будет зависеть от длины забитой части сваи и геологического строения вмещающих пород.

В институте геофизики СО РАН под руководством проф. Ю. А. Дашевского разработан способ определения длины забитой сваи на основе применения электромагнитных методов и последующего решения обратной задачи электромагнитных зондирований. Схема измерений представлена на рис. 3. Для каждого значения разноса г проводится два измерения: при подключении генератора тока к арматуре и при подключении тока к уединенному электроду, что позволяет определить удельные сопротивления и мощности слоев грунта.

Результаты измерений, полученные при подключении к электроду, в форме графика

Рис.2. График изменения во времени Тускорения торца скважины в форме электрического сигнала и (а), спектр сигнала (б)

рк(г) после обработки с помощью программного продукта SONET, позволяют определить параметры среды. Экспериментальные значения электрическо-

Рис. 3. Схема измерений: M, N - измерительные электроды; r - координата; pi - р3, , hi - h3 - параметры геоэлек-трического разреза

го поля, полученные при подключении генератора к свае, при использовании программного продукта PILE сравниваются с набором теоретических значений поля для предполагаемого диапазона возможных глубин. При наибольшем совпадении экспериментальных и теоретических зависимостей определяют глубину залегания сваи L.

Разработанная методика была реализована на опытном участке ООО "НООЦЕНТР-Д". Объектом исследования являлись две сваи крайнего ряда свайного поля. В ходе подготовки к измерениям сваи были отрезаны от остальных частей

фундамента во избежание гальванического контакта.

На первом этапе была построена трехслойная геоэлек-трическая модель вмещающего разреза: И1 = 1 м, р1 = 40 Омм, Н2 = 12 м, р2 = 20 Ом-м, р3 = 100 Ом-м (рис. 3).

На рис. 4. представлены результаты решения обратной задачи, позволившие определить глубину забитой части сваи. По результатам измерений аппаратурой АНЧ-3 при разносе АВ > 100 м построены графики рк(г). Установлено, что глубина погружения свай составляет

10,5 м. При погрешности изме-

рений менее 15 % и точности теоретического решения не хуже 95 % суммарная погрешность прогноза не превышает 18 %.

Возможность использования метода каротажа сопротивлений для определения глубины залегания свай изучена на опытном участке ОАО "НООЦЕНТР-Д". Для определения чувствительности данного метода проведен эксперимент на земной поверхности. Схема подключения электродов при моделировании приведена на рис. 5, а. Труба, моделирующая сваю, располагалась горизонтально на поверхности земли,

Рис. 4. Результаты эксперимента по определению фактической глубины забитых свай: 1, 2, 4, 8 - индекс Ь теоретических кривых, м; •- данные измерений для сваи № 1; ■ - данные измерений

Рис. 5. Схема подключения электродов при моделировании способа определения глубины залегания свай установками А1,3М0,бЫ (а) и

Рис. б. Результаты эксперимента на поверхности методом каротажа сопротивлений (КС): о-расстояние от трубы до МЫ - 1 м; □ - 2,5 м ; А - 4 м

установку перемещали вдоль трубы. Различные схемы подключения электродов при моделировании применяли для повышения информативности эксперимента при определении нахождения модели. Результаты, полученные при схеме измерений Л1,3М0,6М, позволяют определить место расположение края трубы, моделирующей сваю, с достаточно высокой точностью.

По результатам проведенных измерений зондом А1,3М0,6М с использованием аппаратуры АЭ-72, работающей на постоянном токе, получены графики, приведенные на рис. 6. Сопоставление полученных данных позволило установить, что по мере удаления измерительных электродов от трубы наблюдается выполаживание графиков, что говорит о необходимости размещения электродов на расстоянии не более

1,5 м от оси исследуемого объекта.

С целью определения длины свай в свайном поле строящегося жилого дома выполнены геофизические работы установками различного типа с точечной регистрацией данных через

0,1 м. Каротаж проведен по скважине, пробуренной на расстоянии 1,5 м от исследуемой сваи, служащей опорой колонны. Результаты измерений, выполненных методом каротажа сопротивлений (КС), приведены на графиках: последовательным однополюсным градиент - зондом А1,3М0,7 N с подключением электрода В на исследуемую сваю (рис. 7, а); зондом

А40M0,7N с подключением электрода В на сваю и заземлением электрода А в 40 метрах от сваи (в бесконечности) (рис.7, б).

На графиках КС при измерении зондом A40M0,7N в зоне острия сваи (И = 11,5 м) отмечается минимумом рк, а в средней зоне имеет место переход от плюсовых значений к минусовым. Графики A40M0,7N и A40M0,5N практически совпа-

дают, что говорит о высокой воспроизводимости результатов измерений. Для более точной оценки проведен каротаж зондами A1,3M0,7N, при этом острие сваи также отмечается началом возрастания значений рк. Аналогичные результаты получены на втором опытном участке.

По результатам каротажа и анализа имеющейся информации об инженерно-

геологическом строении участка массива глубина погружения свай находится в интервалах: для сваи № 1 Ь = 10,5-11,5 м (рис. 7, а); для сваи № 2 Ь = 6,57,5 м (рис. 7, б).

Бурение скважины и особенно поддержание ее целостности в неустойчивых глинистых грунтах в ряде случаев требует значительных затрат.

Кроме того, обеспечение электрического контакта электродов зонда со стенками скважины затруднено вследствие их неровности. Указанное заставляет отдавать предпочтение бес-скважинным методам электрофизического контроля с земной поверхности.

Физические основы бес-скважинного экспресс-метода заключаются в том, что ввиду высокой проводимости арматуры железобетонная свая представляет собой заземлитель, весьма близкий по параметрам к стержневому. Как показывает опыт геоэлектрических изысканий, при глубине погружения сваи И < 20 м относительные вариации Лрк = 20-30 %, т.е. массив можно считать квазиод-нородным по электрическим свойствам. Геоконтроль погру-

По второму способу, считая,

Рис. 7. Результаты определения глубины залегания сваи методом КС на периметре здания (а), на его выступающей части (б)

жения сваи может быть реализован 2-электродным методом (рис. 8).

Для стержневого заземлите-ля диаметром ^ и с глубиной погружения I электросопротивление составит [2]

где Кэ - коэффициент завися-

щий от формы дополнительного электрода (при й = 0,015 м ,1 = 0,5 м, Кэ = 4,88; при I = 1 м Кэ = 5,58).

Текст научной работы на тему «Метод расчета свайных фундаментов по результатам полевых исследований несущей способности свай»

ТЕОРИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

А.Н. Драновский, М.А. Прыгунов

МЕТОД РАСЧЕТА СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАЙ

В соответствии с требованиями норм [1], расчет свайных фундаментов должен производиться по двум группам предельных состояний.

Основным является расчет по определению количества свай. Он сводится к выполнению условия

где Ы1се - расчетное продольное усилие, передаваемое на сваю в составе фундамента от действующих расчетных нагрузок, соответствующих первой группе предельных состояний; р - расчетная несущая способность грунта основания сваи (в дальнейшем НСС); у - коэффициент надежности, зависящий от достоверности способа определения НСС; - введенное нами обозначение расчетного сопротивления сваи по несущей способности грунта основания.

Следующим этапом расчетов является расчет свайного фундамента по второй группе предельных состояний - по деформациям.

Методы расчета деформаций свайных фундаментов обладают, как известно, низкой точностью. Например, при расчете осадок свайных фундаментов как условных фундаментов на естественном основании, рекомендуемым [1], расчетные осадки часто в 1,5-1,8 раза превышают фактические [2]. Для ленточных фундаментов разница оказывается еще более существенной.

Неточность расчетов осадок свайных фундаментов обусловлена сложностью работы системы сваи-ростверк-грунтовый массив, трудностью учета таких факторов, как взаимодействие свай, изменения свойств грунтов в межсвайном пространстве и под подошвой свайного фундамента в процессе строительства и эксплуатации, изменения свойств грунтов при изменении гидрогеологических условий, явления ползучести.

Один из крупнейших специалистов в области расчетов свайных фундаментов по деформациям А.А.Бартоломей считает, что при осадках свайных фундаментов, близких к предельно допустимым, когда возникает сложное и неоднородное напряженно-деформированное состояние активной зоны и превалируют нелинейные и реологические процессы, наиболее приемлемы инженерные методы расчета осадок, косвенно учитывающие названные факторы [2].

Учитывая вышеизложенное, предлагается инженерный метод расчета свайных фундаментов, позволяющий соблюсти требования норм, не производя расчетов свайных фундаментов по деформациям (осадкам). Он опирается на следующие положения.

Известны разные способы определения НСС. Они могут быть классифицированы по основополагающему теоретическому принципу. Можно выделить три основных класса способов определения НСС:

класс А - способы, основанные на теории предельного состояния;

класс Б - способы, основанные на экспериментальном или теоретическом определении зависимости "осадка сваи - нагрузка";

класс В - способы, основанные на теории энергетического баланса.

К классу А относятся экспериментальные и теоретические способы, позволяющие определить предельное сопротивление сваи, при котором полностью исчерпывается несущая способность грунтов основания сваи. Типичными представителями этого класса являются способ определения НСС по результатам статического зондирования и практический расчетный способ, по которому НСС вычисляется с помощью табличных значений расчетных сопротивлений грунтов под нижним концом и по боковой поверхности свай, приведенных в [1].

К классу В относится способ динамического испытания свай в полевых натурных условиях.

К классу Б относятся способы математического моделирования напряженно-деформированного состояния системы свая-грунтовый массив и способ полевых натурных испытаний свай пробной статической нагрузкой, называемый в дальнейшем способом пробных испытаний.

Наиболее достоверным - эталонным - считается способ пробных испытаний. Недостатки его известны: трудоемкость, высокая стоимость, краткосрочность испытаний.

Из наименее дорогих и трудоемких наибольшей достоверностью обладает способ определения НСС по результатам статического зондирования, что общепризнано [3]. В дальнейшем будем называть его способом статического зондирования.

Для определения пригодны способы всех

ТЕОРИД ИНЖЕНЕРНЫ! СООРУЖЕНИЙ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

классов, однако на практике применяют наименее дорогие.

Для оценки деформативности свай могут быть использованы только способы класса Б. Теоретические способы еще не завоевали достаточного доверия. Поэтому при проектировании объектов I и II классов рекомендуется испытывать сваи пробной нагрузкой. При пробных испытаниях возможны два основных случая.

Рис. График зависимости "осадка - нагрузка"

Во втором, наиболее распространенном случае, предельное сопротивление сваи Е достигается при осадке сваи £ > 20-40мм либо вообще не достигается. Для этого случая (см. рис.) нормы [1] считают нужным принимать в качестве частного значения предельного сопротивления сваи вдавливающей нагрузке такую нагрузку, под воздействием которой испытываемая свая получает осадку, равную определяемую по формуле

где Зиш - предельное значение средней осадки фундамента здания, устанавливаемое указаниями СНиП 2.02.01-83; £ - коэффициент перехода от предельного значения осадки 8ит1 к осадке сваи, полученной при краткосрочных испытаниях с условной стабилизацией осадки, соответствующей требованиям ГОСТ 5686-78.

Коэффициент С, учитывает различие между осадкой одиночной сваи и фактической осадкой свайного фундамента здания или сооружения. При значении коэффициента £ , равном 0,2, осадка свайных фундаментов здания или сооружения в процессе эксплуатации увеличится в среднем в 5 раз по сравнению с осадкой одиночной сваи, полученной при ее испытании пробной статической нагрузкой. Такое увеличение осадок свайных фундаментов обосновывается результатами наблюдений за осадками зданий и сопоставлением их с осадками одиночных свай, полученных при испытаниях.

Значение коэффициента £ по мере накопления сравнительных данных уточняется. В СНиП 11-Б.5-67

значение Q принималось равным 0,1 , в СНиП 2.02.0385 - 0,2.

Определив значение F *, соответствующее осадке S, вычисленной по формуле (2), следует, как указывает п.5.3 [1], определить НСС по формуле

где g— 1; g* - коэффициент надежности по грунту, зависящий от числа испытанных свай.

Выше нами обозначено: F - частное значение

условной величины F, соответствующее осадке S; F - нормативное значение условного предельного сопротивления сваи.

С таким подходом норм [1] к определению НСС нельзя согласиться, так как найденное условное значение F не является предельным сопротивлением сваи по несущей способности, а является частным значением сопротивления сваи по второй группе предельных состояний - по осадке.

Поэтому предлагается ввести новое понятие расчетного сопротивления сваи по второй группе предельных состояний FRn и определять его по формуле

где Е , у и у имеют те же значения, что и в

Естественно, что значение величины Еш зависит от значения 5 , то есть от вида здания, его конструктивной схемы, приспособленности к восприятию неравномерных деформаций.

Однако значение Еи не должно зависеть от этих факторов, как это следует из [1]. Значение Еи следует определять способом статического зондирования по формуле

где Е - нормативное значение предельного сопротивления сваи по результатам статического зондирования, ус и у^ имеют те же значения, что и в формуле (3).

При определении количества свай, входящих в состав фундамента, предлагается одновременно исходить из условий Iго и IIго предельных состояний:

где Еи определяется по результатам статического зондирования, а Ет< - по данным пробных испытаний натурных свай.

Дальнейшее проектирование свайного фундамента регламентируется тем из условий (6) и (7), которое

ТЕОРИД ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

требует применения большего количества свай. В тех случаях, когда регламентирующим является условие (7), предлагаемый метод расчета позволяет сократить число свай не менее чем в 1,4 раза и существенно уменьшить размеры ростверков.

Предложения о необходимости определения количества свай по значениям нагрузок, соответствующих IIй группе предельных состояний, звучали и раньше [2,5]. При этом предполагалось исключить из рассмотрения расчет по первой группе предельных состояний. В предлагаемом методе расчет по первой группе предельных состояний сохраняется, если регламентирующим оказывается условие (6).

Из предлагаемого метода следует, что при изменении конструктивной схемы здания и его приспособленности к неравномерным деформациям может измениться регламентирующее условие для расчета свайного фундамента.

Сделанный выше вывод о возможности сокращения количества свай подтверждается множеством экспериментальных исследований разных авторов, установивших, что нагрузки на свайные фундаменты во многих случаях могут быть увеличены на 30-50% [2, 4]. Это свидетельствует о реальной

возможности внедрения предлагаемого метода расчета в практику проектирования зданий и сооружений. В этом случае экономия средств, затрачиваемых на возведение свайных фундаментов, превысит расходы на проведение пробных испытаний свай.

1. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. Нормы проектирования. М.: 1986.

2. Бартоломей А. А. Основы расчета ленточных свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам. М.: Стройиздат, 1982. - 219с.

3. Беда В.И., Кулачкин Б.И., Радкевич А.И., АлександровскийЮ.В., ОстюковБ.С., ПерепелкинИ.З. Оценка несущей способности забивных свай // Материалы Международной научно-практической конференции Усиление оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений. Пенза, 2000. С. - 15-17.

4. Трофименков Ю.Г., Ободовский А.А. Свайные фундаменты для жилых и промышленных зданий. М.: Стройиздат, 1970. - 239с.

5. Лапшин Ф.К. Расчет свай по предельным состояниям. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1979. - 152 с.

Кто сталкивался с обследованием свайных фундаментов? Интересует опыт определения длины свай, несущей способности (проектные данные не сохранились), а так же прохождение обследованием экспертизы в госорганах.

слышал, что длина свай определяется георадаром, несущую способность по конструктивным характеристикам (их определяете воочую, есть такая возможность кстати??)

ГОСТ Р 2010 года при прохождении экспертизы поможет ей пройти.

длина свай определяется геофизическими методами, в принципе можно выдернуть и посмотреть)
ростверки уже есть или только свайное поле?

По городу полно бегает людей с ИДС, Спекрами и другими приборами. Кто дороже, кто дешевле. Почему на форум а не к ним?
Несущая способность сваи в ростверке 200-600000 т.р в зависимости от сложности.

Поясню ситуацию.
1. Отечественные приборы для диагностики свай, производимые "Стройприбор" и «Интерприбор» (Челябинск), во первых не сертифицированы Госстроем, во вторых по отзывам на различных форумах - полное фуфло, в третьих стоят достаточно не дешево.
2. Зная геологию, сечение и длину сваи можно определить по СП 50-102-2003 "Проектирование и устройство свайных фундаментов" теоретическую нагрузку на сваю, которая В ОБЯЗАТЕЛЬНОМ порядке должна быть подтверждена испытаниями.
3. В нормативных документах про обследование свайных нет ни слова, единственное упоминание только в ТСН 50-302-2004 "Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге". Там рекомендуют выломать сваю из ростверка и провести ее испытание. На мой взгляд полный бред.
4. Ну и исходя из всего вышеперечисленного, вопрос остается прежним - кто сталкивался?

Так все и сталкиваются: выламывают сваю из ростверка и испытывают. Что здесь бредового? А у приборов погрешность +-2м, проще по геологии угадать.

Ну и вырезали, вставляли домкрат и давилии. Потом восстанавливали. Самое сложное и дорогое когда ниже воды. Но бредового тут ничего нет.

. заказывали прозвон свай основоположникам этих обследований. пока на одном объекте не сравнили с случайно найденной исполнительной документацией. ошибка в 2 раза. указали. тихо исправили.

В экспертизе мы что скажем - "угаданная длина сваи составляет 14м".
С выламыванием все тоже не так просто - если здание эксплуатируется, а сваи находятся на пределе несущей способности? Выламываем одну из четырех свай и получаем перегруз 25%?
К тому же встречал реализованные проекты, где под небольшим зданием использовано 5 типов свай. Что все испытывать?

В экспертизе нужно представить фактическую несущую способность сваи. А длину вполне реально определить по геологии, это будет точнее, чем колдовать приборами с такой погрешностью, не зря ведь приборы не сертифицированы.

С выламыванием все тоже не так просто - если здание эксплуатируется, а сваи находятся на пределе несущей способности? Выламываем одну из четырех свай и получаем перегруз 25%?

На пределе сваи не находятся, если все было запроектировано по СНиП с соответствующими коэффициентами надежности. Если нет проекта и исполнительной документации по другому несущую способность сваи не определить. В программе испытаний следует предусмотреть обратное включение сваи в работу фундамента.

К тому же встречал реализованные проекты, где под небольшим зданием использовано 5 типов свай. Что все испытывать?

В зависимости от того, какая цель. Если вы проводите обследование для определения возможности дальнейшей эксплуатации без изменения нагрузок, в здании нет дефектов, свидетельствующих о неравномерных деформациях фундаментов, тогда на фундаменты можно вообще не смотреть.
В случае увеличения нагрузок или изменения конструктивной схемы здания без испытаний не обойтись.

Читайте также:

Геофизические исследования свайных фундаментов

Текст научной работы на тему «Применение геофизических методов для определения глубины погружения буронабивных, буроинъекционных и железобетонных свай»

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — А. Н. Драновский, М. А. Прыгунов

Текст научной работы на тему «Метод расчета свайных фундаментов по результатам полевых исследований несущей способности свай»