Способ испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей

Авторы патента:

Ляшенко Павел Алексеевич (RU)

Денисенко Виктор Викторович (RU)

Мариничев Максим Борисович (RU)

E02D1/02 - Основания и фундаменты; котлованы; насыпи (для гидротехнических сооружений E02B); подземные и подводные сооружения

Владельцы патента RU 2770294:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина" (RU)

Изобретение относится к строительству, а именно к способам испытания свай статической нагрузкой. Способ испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей включает приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы с погрешностью 100-200 Н и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной сваи. Предварительно, до приложения вдавливающей силы, прикладывают поперечный динамический импульс 22-25 Н⋅c к боковой поверхности модельной сваи перпендикулярно ее продольной оси на уровне 15-20 см от торца головы сваи, последовательно в трех равноудаленных точках, и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы сваи в грунте по осям приложения динамического импульса. Затем прикладывают к рабочей свае такой же поперечный динамический импульс и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы сваи в грунте на таком же уровне и в тех же направлениях, что для модельной сваи. Отношения максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы модельной сваи к значениям максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы рабочей сваи используют для корректировки значений упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочей сваи, вычисленных по условиям подобия. Технический результат состоит в повышении достоверности и точности определения упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочей буронабивной висячей сваи в фундаменте сооружения по условиям ее подобия модельной сваи. 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно к способам испытания грунтового основания статической нагрузкой на сваю.

Известен способ определения несущей способности сваи, включающий приложение к свае ударной нагрузки, измерение упругих вертикальных перемещений поверхности околосвайного грунта, расчет несущей способности сваи по грунту по формуле, учитывающей неоднородность грунта [Авт. св. СССР №715728, БИ №6, 1980].

Известен способ определения несущей способности сваи, включающий приложение к свае ударной нагрузки, измерение упругих вертикальных перемещений поверхности околосвайного грунта, дополнительное измерение ускорения колебаний околосвайного грунта и расчет несущей способности сваи по грунту по формуле, учитывающей вид грунта [Авт. св. СССР №715728, БИ №6, 1980 и авт. св. СССР №1059068, БИ №45, 1983].

Недостатками способов являются:

- определение несущей способности сваи производят по косвенным признакам, именно, посредством измерений параметров колебаний грунтов, окружающих сваю, в точках поверхности околосвайного грунта, удаленных от сваи на некоторое расстояние (10-15 ее диаметров), что снижает достоверность определения;

- расчеты несущей способности сваи производят по формулам, содержащим коэффициенты, полученные на основе корреляционного анализа экспериментальных данных, не относящихся напрямую к исследуемой свае, имеют низкую достоверность;

- указанными способами определяют некую упругую характеристику основания сваи, тогда как несущая способность является предельным значением сопротивления грунта, следовательно, предполагает существенное разрушение основания сваи.

Известно акустическое устройство для определения несущей способности и целостности свай, включающее генератор звуковой частоты, электродинамический возбудитель с регулировкой мощности динамических импульсов и приемник колебаний сваи с измерительным механизмом автоматической записи и воспроизведения колебаний сваи, позволяющее производить резонансные колебания сваи для анализа их параметров [Авт. св. СССР №393406, БИ №22, 1973].

Недостатком устройства является то, что оно не может использоваться для заявленных целей, так как:

- возбуждает резонансные колебания сваи, изменяющие деформационные свойства грунтов вокруг нее и не содержащие информацию о сопротивлении грунта осевой статической нагрузке, в частности, о несущей способности свай;

- используется для определения несущей способности свай, т.е. предельного сопротивления грунтового основания осевой (вертикальной) вдавливающей силе, путем возбуждения поперечных (горизонтальных) колебаний, что требует обоснования, так как не ясен принцип перехода от параметров колебаний сваи к несущей способности сваи по грунту.

Способ определения несущей способности сваи, включающий приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы с погрешностью 100-200 Η и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной свае [Патент РФ №2502847, БИ №36, 2013 - (прототип)].

Недостатком способа является:

- при переходе к расчету несущей способности рабочей сваи не учитывает индивидуальных особенностей буронабивных висячих свай, выполненных по одной технологии для одного фундамента, при их упругом взаимодействии с грунтом на боковой поверхности, что снижает эффективность использования условий подобия модельной и рабочей свай.

Задача изобретения - повышение достоверности и точности определения упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочей буронабивной висячей сваи в фундаменте сооружения по условиям ее подобия модельной свае.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей, включающем приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы с погрешностью 100-200 Н и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной сваи, согласно изобретения, предварительно, до приложения вдавливающей силы, к боковой поверхности модельной сваи прикладывают поперечный динамический импульс перпендикулярно ее продольной оси на уровне 15-20 см от торца головы сваи последовательно в трех равноудаленных точках и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы сваи в грунте по осям приложения динамического импульса, затем прикладывают к рабочей свае такой же по величине поперечный динамический импульс и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы сваи в грунте на таком же уровне и в тех же направлениях, что для модельной сваи, причем отношения максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы модельной сваи к значениям максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы рабочей сваи используют для корректировки значений упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочей сваи, вычисленных по условиям подобия.

Новизна заявляемого технического решения заключается в испытании буронабивных висячих свай поперечным динамическим импульсом для корректировки значений упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочих свай, вычисленных по условиям подобия модельной свае.

Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков является сущностью изобретения, обеспечивающей его новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость.

Пояснения к заявляемому способу испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей изображены на:

фиг. 1 - схема приложения к голове модельной и рабочей свай динамического импульса и измерения амплитуды свободных поперечных колебаний головы свай в грунте (вид сбоку);

фиг. 2 - схема расположения осей приложения динамического импульса к голове модельной и рабочей свай и датчика перемещений для измерения амплитуды свободных поперечных колебаний головы свай в грунте (вид сверху);

фиг. 3 - график для определения значений уточняющего коэффициента k_d для рабочей сваи.

Способ испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей осуществляют следующим образом.

Предварительно, до приложения вдавливающей силы на буронабивную висячую модельную сваю 1, на ее боковой поверхности закрепляют на уровне 15-20 см от торца головы сваи в трех равноудаленных через 120° точках по осям I-I, II-II и III-III три одинаковые упругие накладки 2 толщиной по 45-65 мм, а на противоположной стороне от наладок 2 по осям I-I, II-II и III-III закрепляют упоры 3. Направления осей I-I, II-II и III-III фиксируют на плане площадки строительства.

Рядом со сваей 1 устанавливают ударник 4 на отдельной опоре 5. Высоту опоры 5 регулируют так, чтобы ось динамического импульса от ударника 4, совпадала с осью I-I и была перпендикулярна продольной оси сваи 1.

С противоположной от ударника 4 стороны сваи 1 устанавливают на отдельной опоре 6 датчик перемещений 7 и подводят его до контакта с упором 3. Высоту опоры 6 регулируют так, чтобы ось датчика перемещений 7 была перпендикулярна продольной оси сваи 1 и совпадала с осью I-I. Упоры 3 имеют гладкую поверхность, способствующую качественному и надежному контакту с датчиком перемещений 7.

Ударник 4 представляет собой груз 8 определенной массы, закрепленный на рычаге 9 определенной длины, шарнирно установленном на опоре 5. Масса груза 8, длина рычага 9 и толщина упругой накладки 2 имеют параметры, обеспечивающие создание поперечного динамического импульса.

Груз 8 ударника поднимают в верхнее исходное положение на высоту h и отпускают. При этом груз 8 падает вниз по дуге рычага 9, ударяет по накладке 2 и создает поперечный динамический импульс F⋅t, который передается свае 1 через упругую накладку 2. Возникающие при этом свободные поперечные колебания сваи 1 в грунте измеряют датчиком перемещений 7 и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы модельной сваи в грунте

Затем ударник 4 и датчик перемещений 7 последовательно переставляют на этом же уровне от торца сваи 1 в другие точки по осям II-II и III-III, равноудаленные от оси производят такие же динамические импульсы F⋅t и регистрируют значения максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы модельной сваи в грунте соответственно по осям II-II и III-III.

Аналогичным образом прикладывают к одной из рабочих свай такой же поперечный динамический импульс F⋅t, измеряют и регистрируют максимальные амплитуды свободного поперечного колебания головы рабочей сваи в грунте на таком же уровне и в тех же направлениях осей I-I, II-II и III-III, что у модельной сваи.

По полученным данным вычисляют отношение значений максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы модельной сваи к значениям максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы рабочей сваи и определяют значения уточняющих коэффициентов по известной зависимости их от этого отношения:

где k_d.I, k_d.II и k_d.III - уточняющие коэффициенты, д. ед., по осям I-I, II-II и III-III регистрации максимальных амплитуд свободного поперечного колебания в грунте головы модельной мм, и головы рабочей мм, свай;

K - функция, связывающая уточняющий коэффициент с отношением значений максимальных амплитуд свободного поперечного колебания в грунте модельной и рабочей свай, д. ед.

Затем на модельную сваю прикладывают вдавливающую силу для испытания по известной из прототипа методике. По полученным результатам испытаний вычисляют приращения упругого сопротивления рабочей сваи на каждом приращении упругого сопротивления модельной сваи [Ляшенко П.Α., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. Учет взаимодействия бетонных свай в основании фундамента // Строительство: новые технологии - новое оборудование, 2020, №6. С. 27-33] по условиям подобия, при этом используют уточняющие коэффициенты, определенные для каждой сваи в данном фундаменте, подобной модельной свае:

где - приращения упругого сопротивления грунтового основания рабочей и модельной свай, кН, в i -ом приращении упругого сопротивления модельной сваи;

α_D - коэффициент подобия упругого сопротивления грунтового основания рабочей и модельной свай, д. ед.;

k_d - среднее значение уточняющего коэффициента, вычисляемое по формуле, д. ед.:

Упругая накладка 2 защищает сваю от местного разрушения при ударе грузом 8. Упор 3 обеспечивает заданный интервал времени между приложением динамического импульса и регистрацией перемещения головы сваи 1, а также создает гладкий контакт датчика перемещений 7 с поверхностью сваи 1, что уменьшает погрешность измерений амплитуды свободных поперечных колебаний головы сваи 1.

В качестве ударника 4 может быть использовано любое ударное устройство, обеспечивающее создание стабильно повторяющегося динамического импульса.

В качестве датчика перемещений 7 может быть использован любой малоинерционный датчик, например, электроиндукционный преобразователь линейных перемещений, виброграф или сейсмоприемник любой конструкции.

Для построения графика k_d=K(u^{m)/u^{n)) были произведены расчеты для буронабивных висячих свай диаметром 0,63 м и длиной 20-40 м, испытанных поперечным динамическим импульсом F⋅t=22 Н⋅c, прикладываемым через упругую накладку толщиной 60 мм на уровне 20 см от торца головы сваи (фиг. 3). Динамический импульс обеспечивался поперечным ударом падающего по дуге 0,5 м груза массой 5 кг с высоты 1 м над точкой удара. Амплитуду свободных поперечных колебаний головы свай в грунте измеряли через упор толщиной 50 мм, в котором время прохождения акустического сигнала составляет 10 мс. Погрешность измерения амплитуды 1 мкм. По значениям отношения максимальных амплитуд определены уточняющие коэффициенты k_d, рассчитаны их средние значения для каждой испытанной сваи (таблица 1).

Изготовление буронабивных висячих свай включает бурение скважин в грунте, установку арматурных каркасов, бетонирование, твердение бетона в естественных условиях в грунте. На всех этапах происходит формирование контакта бетона с грунтом на боковой поверхности сваи, детали которого не поддаются строгому контролю, но которые влияют на сопротивление грунта внешней нагрузке. При этом степень этого влияния индивидуальна и в рабочих сваях не известна. Учет этого влияния на рабочие сваи, выполненные в одинаковых условиях и по одной технологии с модельной, обеспечивает повышение точности и достоверности определения упругого сопротивления грунта рабочим сваям на их боковых поверхностях.

При выполнении свай в одинаковых условиях возможна оценка погрешности определения упругого сопротивления грунта по представительной выборке рабочих свай. В приведенном примере коэффициент вариации значений сопротивления составил 5,1% (таблица 2).

Измерение амплитуд свободного поперечного колебания головы свай в трех радиальных осях позволяет учесть природную анизотропию упругих свойств грунтов. Анизотропия сопротивления, в данном примере, выражена слабо, но проявилась в большем значении уточняющего коэффициента по оси II-II, чем по осям I-I и III-III (таблица 2).

Способ испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей требует для своей реализации малых затрат времени, что позволяет осуществлять как тотальный контроль, так и оценку по представительной выборке сопротивления буронабивных висячих свай, изготовленных в одинаковых инженерно-геологических условиях.

Способ испытания грунтового основания буронабивной висячей сваей, включающий приложение на модельную сваю вдавливающей силы, непрерывно возрастающей с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи и физических свойств грунта, синхронную регистрацию вдавливающей силы с погрешностью 100-200 Н и осадки сваи с шагом 0,005 мм осадки сваи, разбиение графика зависимости скорости осадки модельной сваи от вдавливающей силы на три участка по средней скорости осадки сваи в каждом из них и расчет несущей способности рабочей сваи по значению вдавливающей силы в конце 2-го участка графика и по коэффициентам подобия модельной свае, отличающийся тем, что предварительно, до приложения вдавливающей силы, прикладывают поперечный динамический импульс 22-25 Н⋅c к боковой поверхности модельной сваи перпендикулярно ее продольной оси на уровне 15-20 см от торца головы сваи, последовательно в трех равноудаленных точках, и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы сваи в грунте по осям приложения динамического импульса, затем прикладывают к рабочей свае такой же поперечный динамический импульс и регистрируют максимальную амплитуду свободного поперечного колебания головы сваи в грунте на таком же уровне и в тех же направлениях, что для модельной сваи, причем отношения максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы модельной сваи к значениям максимальных амплитуд свободного поперечного колебания головы рабочей сваи используют для корректировки значений упругого сопротивления грунта на боковой поверхности рабочей сваи, вычисленных по условиям подобия.

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения морозного пучения грунта в лабораторных условиях. Способ определения морозного пучения грунта включает размещение образца в трубчатой капсуле с открытым верхом и его замораживание.

Прибор для измерения несущей способности строительного материала // 2766826

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к приборам для замера плотности щебеночного основания для оценки равномерности уплотнения железнодорожного пути, и может быть использовано при проведении ремонтно-восстановительных работ железнодорожного пути, при проведении экспертизы качества выполненных работ при обследованиях пути.

Способ выбора параметров геодинамического полигона на геодинамически опасных объектах освоения недр // 2761547

Изобретение может быть использовано в добывающей и строительной промышленностях для геодинамического мониторинга территорий и предназначено для отслеживания и прогноза опасных геодинамических процессов, вызванных деятельностью человека. Способ выбора параметров геодинамического полигона включает определение месторасположения геодинамически опасных объектов освоения недр в изучаемом районе, закладку опорных и рабочих пунктов, проведение маркшейдерских и геофизических измерений.

Устройство для отбора почвенных образцов // 2761236

Изобретение относится к устройствам для отбора почвенных проб, устанавливаемых на транспортные средства, и может быть использовано в сельском хозяйстве при агрохимическом анализе почв. Заглубляемый узел устройства для отбора почвенных образцов состоит из полого бура, установленного в подшипниках, закрепленного при помощи стакана и болтов к пластине платформы, установленной на раме.

Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно железобетонной конструкции // 2760557

Изобретение относится к строительству, а именно к устройствам для измерения деформаций грунтов. Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции включает корпус, чувствительный элемент, шарнирно закрепленный одним концом в корпусе, а другим концом проходящий через боковое отверстие в корпусе, и датчик величины поворота чувствительного элемента.

Способ определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных температурах в натурных условиях и устройство для его осуществления // 2758288

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для определения параметров прочности мерзлых и оттаивающих грунтов при проведении геомеханических изысканий для проектирования и обследования оснований различных сооружений в криолитозоне. Способ определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных температурах в натурных условиях включает нагружение штампа максимальным значением сжимающей нагрузки, ступенчатым нагружением штампа касательной сдвигающей нагрузкой до сдвиговых деформаций, близких к предельным, дальнейшее испытание в режиме ползучести - релаксации до стабилизации касательных напряжений, последующее ступенчатое уменьшение вертикальной сжимающей нагрузки и выдерживание во времени релаксирующей касательной нагрузки до стабилизации ее значений, затем уменьшение абсолютного значения отрицательной температуры и повторение операций при новом значении температуры, определение по полученным парам значений стабилизированных касательных и нормальных напряжений параметров прочности грунта при данном значении отрицательной температуры.

Способ выбора конфигурации и размеров геодезических сетей при геодинамическом мониторинге на объектах освоения недр // 2757387

Способ относится к отраслям добывающей и строительной промышленности, может быть использован при геодинамическом мониторинге территорий и предназначен для отслеживания и прогноза опасных геодинамических процессов, вызванных деятельностью человека. Способ выбора размеров и конфигурации геодезических сетей при геодинамическом мониторинге на объектах освоения недр включает определение ширины зон динамического влияния разломов, создание наблюдательных систем с закрепленными опорными и рабочими пунктами на геодинамическом полигоне.

Устройство для измерения напряжений в грунте // 2756503

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения напряжений в грунтах и может быть использовано в строительстве, экспериментальных исследованиях. Технический результат состоит в повышении точности и достоверности определения напряжений в грунте.

Способ приготовления образцов с цементно-песчаным раствором и устройство для его осуществления // 2755575

Группа изобретений относится к области строительства, а именно к лабораторным исследованиям грунтов, и может быть использована для определения прочностных характеристик мерзлых грунтов и грунтовых растворов. Способ приготовления образцов с цементно-песчаным раствором для определения сопротивления сдвигу по поверхности смерзания с фундаментом и по грунту включает заполнение формы для срезного прибора цементно-песчаным раствором, материалом фундамента или грунтом, охлаждение полученных образцов до заданной температуры, герметизацию и хранение их до начала испытаний.

Способ определения усадки двухфазных глинистых грунтов // 2755469

Изобретение относится к грунтоведению, а именно к способам определения усадки глинистых грунтов при высыхании. Техническим результатом является упрощение способа определения и контроля усадки двухфазных глинистых грунтов.

Устройство для штампового испытания грунта // 2772029

Изобретение относится к области инженерных изысканий, а именно к определению механических свойств грунта в полевых условиях методом штамповых испытаний. Устройство для штампового испытания грунта содержит верхнюю опору и штамповую плиту с рамой, между которыми расположены гидроцилиндр, соединенный с насосом, и датчик силы, реперную раму с опорами, соединенную с датчиком перемещения, датчик силы и датчик перемещения соединены с контроллером. Насос выполнен шестеренчатым, соединен через редуктор с электродвигателем, соединенным с контроллером. Рама выполнена с возможностью установки датчика перемещения по центру штамповой плиты, датчик силы выполнен в виде тензорезисторного датчика, установленного на верхней поверхности рамы, реперная рама выполнена отдельно стоящей. Технический результат состоит в снижении габаритов и энергоемкости устройства для испытания грунта, упрощении конструкции устройства для испытания грунта, повышении точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.