Несущая способность сваи по теоретическому методу, методу статического и динамического зондирования

В настоящее время зондирование является одним из самых перспективных методов инженерной геологии, так как позволяет анализировать грунтовый массив в условиях естественного залегания на большую глубину при сравнительно небольших материальных затратах.

По сравнению с лабораторными исследованиями, полевые методы испытания грунтов имеют следующие преимущества:

• 1.    возможность исследования большого объема массива пород;

• 2.    меньшее повреждение естественного сложения грунтов при испытании;

• 3.    свойства грунтов определяются в условиях естественного напряженного состояния.

Недостатки полевых методов:

• 1.    фиксированное время испытаний;

• 2.    относительная длительность и дороговизна полевых работ;

• 3.    невозможность провести большое число опытов для статистического анализа;

• 4.    недостаточное теоретическое обоснование и неоднозначность интерпретации результатов некоторых полевых методов.

2.    Анализ литературы

Среди полевых методов испытания грунтов в естественных условиях лидирующими являются методы статического и динамического зондирования.

Анализ литературы по теме «Определение несущей способности свай по методу статического зондирования, теоретическому методу и динамическому методу пробной забивки» позволяет выделить направления основных исследований в этой области:

В публикациях [1, 2] рассматривается проблема интерпретации результатов статического зондирования в тех случаях, когда обнаруживается неоднозначная зависимость между сопротивлением погружению зонда и глубиной зондирования. Несмотря на очевидную эффективность, отношение к методу зондирования различных специалистов неоднозначное. Это связано в первую очередь с тем, что параметры зондирования достаточно трудно связать аналитически с характеристиками грунтов, например, механическими, полученными в результате штамповых или сдвиговых испытаний. Подобная неравномерность связывается большинством исследователей с неоднородностью грунтового основания.

В работах [3-9] метод статического зондирования и его модификации назван одним из самых перспективных и широко распространенных методов, так как он позволяет исследовать грунтовый массив на большую глубину в условиях естественного залегания при сравнительно небольших материальных затратах.

В публикациях [10-13, 26-28] говорится, что в последнее время количество параметров, регистрируемых в процессе зондирования, возросло. Например, наиболее современные установки статического зондирования позволяют регистрировать, кроме сопротивления грунта конусу зонда qс и боковой поверхности fs, также нормальное давление γ, объемную влажность грунта ω, поровое давление Р, плотность грунта с, температуру грунтов t, электрическое сопротивление R и др. Регистрация этих параметров позволила значительно увеличить информацию о физико-механических свойствах грунтов. Основными измеряемыми параметрами согласно ГОСТ 19912-2001 [22] являются удельное сопротивление грунта под наконечником зонда qс; общее сопротивление грунта на боковой поверхности Qs (для зонда типа I) и удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда fs (для зонда типа II).

В работах [14-19] отмечено, что существуют эмпирические зависимости, связывающие характеристики динамического и статического сопротивлений грунта прониканию зонда. Анализ данных динамического и статического зондирования показал, что оба метода являются взаимозаменяемыми, т.к. между ними существует тесная связь с коэффициентом корреляции r = 0,86.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №3 (18)

3.    Цель исследования

При проектировании свайных фундаментов необходимо использовать в комплексе различные способы расчета несущей способности свай. Цель данного исследования - сопоставление значений предельных сопротивлений забивных свай сечением 35 х 35 см, полученных по данным статического зондирования, и несущей способности сваи, определенной расчетным способом согласно СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» [23].

Для достижения поставленной цели в ходе исследования были решены следующие задачи:

• 1.    Изучить существующие методы расчета частного значения предельного сопротивления забивной сваи по данным статического зондирования;

• 2.    Изучить существующие методы расчета частного значения предельного сопротивления забивной сваи по данным динамического зондирования;

• 3.    Полученные результаты расчета по данным статического зондирования сопоставить между собой и с результатами расчета несущей способности свай по СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» [23].

4.    Оценка несущей способности по результатам статических испытаний

По результатам предпроектных статических испытаний, проведенных на объекте строительство, в соответствии с требованиями СП 24.13330.2011 (п.п. 7.3.5, 7.3.3) и ТСН 50-302-2004, для испытанных забивных ж/б свай сечением 35 х 35 см, несущая способность по грунту F d представлена в таблице 1.

Таблица 1. Оценка несущей способности по результатам статических испытаний

№ сваи	сечение (см) длина (м)	абс. отметка острия (м)	отказ от посл. удара (см)	Ожидаемая несу-щая способность   по грунту   F d (т)	Результаты   испытаний   свай   статической нагрузкой
					Макс. нагрузка при испыт. (т)	Осадка сваи При макс. нагрузке (мм)	Несущая способность свай по грунту F d	Грунт под остриём сваи (ИГЭ), I l /E (кГс/см2)
50	35 x35	-22,53	1,67	111	144	13,11	144	Супеси пластич. ИГЭ-12, 0,20/140
	26,00

Таблица 2. Осадка сваи

Ступень нагрузки (тонны)	Время выдержки за ступень нагрузки (часы)	Осадка (мм)
		С начала испытания	За ступень нагрузки
0	0	0,00	0,00
28	1	1,55	1,55
56	1	3,27	1,72
76	1	4,97	1,70
96	1	6,65	1,68
110	1	8,31	1,66
124	1	10,02	1,71
134	1	11,66	1,64
144	1	13,11	1,45

Разгрузка:

88	0,25	13,00	1,34
32	0,25	11,01	-1,99
0	1	8,92	-2,09

При забивке сваи в грунт частицы грунта выдавливаются из-под ее острия в стороны и вверх. Сжатие грунтов под нагрузкой называется осадкой, или деформацией, грунтов. Деформации грунтов 106

Маскалева В.В. Несущая способность сваи по теоретическому методу, методу статического и динамического зондирования. / Maskaleva V.V. Bearing capacity of pile by the theoretical method, by methods of static and dynamic sounding. © имеют упругий и пластический характер. Упругие деформации возникают под действием нагрузок, не превышающих структурной прочности грунта. При снятии таких нагрузок происходит восстановление деформаций. На рисунке 1 показана упругая работа грунта: осадка растет с увеличением нагрузки, а при снятии нагрузки осадка уменьшается, происходит разуплотнение грунта под острием сваи.

Нагрузка P, тонны

Рисунок 1. График S=F(P)

На рисунке 2 представлен график изменения осадки сваи S во времени (по ступеням нагружения). Каждая последующая ступень нагружения прикладывается только после затухания осадки от предыдущей ступени. Нагрузку на сваю прикладывают ступенями, равными 1/10— 1/15 ожидаемого предельного сопротивления сваи. Каждую ступень нагрузки выдерживают до затухания перемещения испытываемой сваи, после чего нагрузку повышают на очередную ступень. Перемещение (осадку) сваи при данной ступени нагрузки считают затухшим (стабилизированным), если оно увеличилось не более чем на 0,1 мм за последние 30 мин (при опирании сваи на крупнообломочные, песчаные и твердые глинистые грунты) или за последний час (при опирании на глинистые грунты других видов).

Время t, часы

Рисунок 2. График S=F(t)

0 —•— 0 —*— 1

0 —*— 0 —•— 1

I 0 ^^^^^м 0 ^^^^^м 1 —^ 0 —•— 0

* 1 )( 0

)|( 0 —•— 1

I 0 ^^^^^^ 0 ^^^^^™ 1 0 —•— 0 —*— 1

0 ^и— 0 —•— 1

I 0

Таблица 3. Данные испытания забивной ж/б сваи вертикальной статической вдавливающейнагрузкой

Данные о свае № 50
Тип	Призматическая
Размер сечения	35х35
Абсолютная отметка острия сваи	-22.53
Длина сваи	26.00
Ожидаемая несущая способность	111 тонн
Максимальная нагрузка при испытании	144 тонны
Дефекты, обнаруженные перед началом испытания	Не обнаружено
Данные журнала погружения сваи
Тип оборудования	Гидромолот
Вес ударной части	7 тонн
Высота подъема ударной части	0.40 м
Отказ от последнего удара	1.67 см

ГкУс^ина.- 7777

Абсолютная отметка устья; 2.4 м.

Геол, возр.	Глу5. подош	Абсол >тмет	Мощи.	Патолог . разрез		0/7i/ci?wi/e грунтоб
	0,3	2Л	63		1	Почтенна -растительный слой	f=1,6 кПа
Г IV	0.9	1.5	6.6			^ась/пные грунты-- пески, супеси с ^ гравием, растительными остатками ^ Суглинки легкие пылебатые серые с прослоями песка мягкопластичные	f=2,1 кПа
	2.6	-0.2	1.7				5=2,5 кПа
	4.2 4.6 8.2 8.6 9.3	-19 -2.2 -5.8 -6.2 -6.9	16 0.4 3.6 0.4 0-7			Суглинки тяжелые пылеватые серые неяснослоистые текучие СлаЗозаторфобанные грунты Х^___________ у/лсь/ще/уные водой ___________/ Суглинки тяжелые пылеватые серые неяснослоистые текучие Слабозаторфобанные грунты насыщенные водой Суглинки тяжелые пылеватые серые	5=3,6 кПа 5=5,6 кПа 5=7,9 кПа 5=9,0 кПа 5=10,0 кПа
	13.9	-115	4.6			________ неяснослоистые текучие _______у/ Суглинки тяжелые пылеватые коричневые ленточные текучие	5=12,0 кПа
	15.8	-13.4	1.9			Суглинки легкие пылеватые коричневые ленточные с утолщенными прослоями песка текучепластичные	5=14,0 кПа
	18.6	-16 2	2.8	7,	7,	Суглинки тяжелые пылеватые коричневые ленточные текучие	5=15,0 кПа
	211	-18.7	2.5			Суглинки легкие пылеватые темно-серые слоистые текучепластичные	5=17,0 кПа
	26,5	-24.1	5.4	ОО О^г' ’^6 ’ о о Q^	о ^ о	Супеси песчанистые серые с гравием, галькой с гнездами песка пластичные	5=18,0 кПа
	ЗОЛ	-27,7	3-6	оо 'й^& 0 оо ^	о °о^/о -/^ о О‘>®'/^	Супеси песчанистые серые с гравием, галькой с гнездами песка твердые	5=20,0 кПа
						Глины пылеватые
	35.0	-32.6	4.9			голубовато -зеленые дислоцированные твердые	5=21,0 кПа

Рисунок 3. Испытание забивной ж/б сваи вертикальной статической вдавливающей нагрузкой

Плотность сложения песков определена по данным статического зондирования. Правильность выделения слоев проверена на основе анализа пространственной изменчивости характеристик в соответствии с ГОСТ 20522-96 [24].

По результатам статического зондирования грунтов построены графики изменения с глубиной боковых и лобовых сопротивлений грунтов погружению зонда.

С целью уточнения инженерно-геологического разреза и физико-механических свойств грунтов в 89 пунктах выполнено статическое зондирование грунтов тяжелой установкой УСЗ-II-Т с непрерывной записью лобовых и боковых сопротивлений.

Глубина зондирования составила 22,0-25,2 м, общим объемом 1966,0 м.

5.    Оценка несущей способности по результатам динамических испытаний

Проведен анализ и расчет несущей способности по грунту забивных железобетонных свай по результатам их испытаний динамическими нагрузками в процессе добивки. Испытания опытных забивных ж/б свай динамической нагрузкой, проведенные в процессе погружения, выполнялись с целью оценки несущей способности свай по грунту.

Методика проведения испытаний

Испытания динамическими нагрузками и расчеты несущей способности по результатам испытаний в процессе погружения выполнялись в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-94 и СП 24.1330.2011 «Свайные фундаменты» [23, 25]. Добивку свай производили последовательно залогами из 3-х и 5-ти ударов, с высотой подъема 0,60-0,70 м. За расчетный принят наибольший средний отказ. Испытанные динамическими нагрузками в процессе добивки забивные ж/б сваи сечением 35 х 35 см, длиной 14,0 м, были погружены при помощи гидромолота с весом ударной части 7,0 тонн и высотой подъема 0,20-0,40 м.

Результаты испытаний

Результаты испытаний опытных забивных ж/б свай в процессе погружения и добивки приведены в таблице, где указаны: сечение, длина, характеристика погружения сваи, средний фактический «отказ» при погружении, несущая способность и расчетная нагрузка в результате испытаний динамическим нагрузкам, грунт под острием испытанных свай.

Таблица 4. Оценка несущей способности по результатам динамических испытаний

№ сваи	сечение (см) длина (м)	абс. отм. острия (м)	отказ от посл. удара	проектная расчетная нагрузка (тонны)	Результаты   испытаний   свай   статической нагрузкой
					фактич. «отказ»   в последнем залоге выс. подъема уд.части (м)	несущая способность сваи F d (тонны)	расчетная нагрузка  с учетом Y k =1,4 (тонны)	грунт под остриём сваи
50	35 x35	-22,5	1,67	92	0,0024	137	98	Супеси пластичны е ИГЭ-12, 0,20/140
					0,6
	26,00

Результаты

На основании анализа погружения и результатов испытаний забивных ж/б свай динамической нагрузкой в процессе добивки, проведенных на объекте строительства, а также практики строительства в аналогичных грунтовых условиях, для забивных ж/б свай, сечением 35 х 35 см, полученная несущая способность по грунту F d представлена в таблице 4.

6.    Оценка несущей способности сваи по СНиП 2.02.03-85

Тип сваи - Забивные сваи всех видов

Коэффициент условий работы сваи в грунте γ c = 1

Коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи γ cR = 1

Глубина погружения нижнего конца сваи H = 28 м

Глубина котлована hк = 0,1 м

Рисунок 4. Сечение сваи

Рисунок 5. Схема сваb

Таблица 5. Грунты

№	Толщ. слоя, м	Тип грунта	Показате ль текучест и IL	Удельный вес, Т/м3	Угол внутренн его трения, град	Коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности γ cf
1	0,30	Почвенно-растительный слой
2	0,60	Насыпные грунты: пески, супеси с гравием, растительными остатками	0,50	1,82	21	0,8
3	1,70	Суглинки легкие пылеватые серые с прослоями песка мягкопластичные	0,65	1,70	18	0,8
4	1,60	Суглинки тяжелые пылеватые серые неяснослоистые текучие	1,12	1,81	16	0,8
5	0,40	Слабозаторфованные грунты насыщенные водой	0,50	1,91	7	0,7
6	3,60	Суглинки тяжелые пылеватые серые неяснослоистые текучие	1,12	1,81	16	0,8
7	0,40	Слабозаторфованные грунты насыщенные водой	0,50	1,91	7	0,7
8	0,70	Суглинки тяжелые пылеватые серые неяснослоистые текучие	1,12	1,81	16	0,8
9	4,60	Суглинки тяжелые пылеватые коричневые ленточные текучие	1,07	1,81	14	0,8
10	1,90	Суглинки тяжелые пылеватые коричневые ленточные текучепластичные	1,00	1,72	14	0,8
11	2,80	Суглинки тяжелые пылеватые коричневые ленточные текучие	1,07	1,81	14	0,8
12	2,50	Суглинки легкие пылеватые темно-серые слоистые текучепластичные	0,95	1,70	14	0,8
13	5,40	Супеси песчанистые серые с гравием, галькой с гнездами песка пластичные	0,20	1,65	17	0,8
14	3,60	Супеси песчанистые серые с гравием, галькой с гнездами песка твердые	0,10	1,60	20	0,8
15	4,90	Глины пылеватые голубовато-зеленые дислоцированные твердые	0,20	1,95	23	0,7

Результаты расчета

Fd = Yc • ( YcR • R • A + u 2 Ycf • ft • h) , где: yc=1 - коэффициент условия работы сваи в грунте

R=692 ^т₂ - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи м

A=0,123 м2- площадь поперечного сечения сваи u=1,4 м - наружный периметр поперечного сечения ствола сваи

Yr =1,0 - коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи

Yj=0,8 - коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности f - расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности (см. рисунок 3)

h - толщина слоя грунта (см. рисунок 3)

Таким образом, несущая способность сваи по грунту составляет:

F =1×(1×692×0,123+1,4×0,8×(0,16×0,3+0,21×0,6+0,25×1,7+0,36×1,6+0,56×0,4+

0,79×3,6+0,9×0,4+1,0×0,7+1,2×4,6+1,4×1,9+1,5×3,8+1,7×2,5+1,8×5,4+2,0×3,6+

2,1×4,9=85,12+1,12×50,64=141,84

Допустимая расчетная нагрузка на сваю составляет:

N <  F = 141,84

Yk     1,4

= 101,31 т

7.    Выводы

• 1.    В ходе испытаний полученная несущая способность по грунту F d :

• -    по методу динамического зондирования: F d = 137 т.

• -    по методу статического зондирования: F d = 144 т.

• -    по теоретическому методу: F d = 142 т.

• 2.    Сопоставляя результаты, можно отметить, что статические испытания дают весьма точную информацию о несущей способности свай, однако чрезвычайно трудоемки. В силу разрушающего характера испытаний сваи не могут быть использованы в дальнейшем и подлежат выбраковке. Динамические испытания - более оперативны, менее трудоемки, чем статические. После проведения испытаний сваи не выбраковываются. Тем не менее, получаемые результаты в большинстве случаев не согласуются с результатами статических испытаний, оказываются приближенными, несущая способность свай не может быть определена с достаточной достоверностью [29-31].

• 3.    Расхождения в значениях несущей способности по можно обосновать, рассматривая недостатки метода динамического испытания: такой метод может дать заниженный показатель несущей способности сваи. Динамические испытания свай не уместны на глинистых грунтах.

• 4.    Результаты статического испытания достовернее результатов динамических испытаниях. Метод статического испытания намного сложнее динамического испытания. Статическое зондирование используют, когда нет возможности испытать динамикой или динамика дала неудовлетворительный результат.

• 5.    При проектировании свайного фундамента по актуальности идут следующие испытания:

• 1.    натурные испытания свай статической нагрузкой;

• 2.    статическое зондирование грунта;

• 3.    динамическое испытание свай;

• 4.    теоретический метод.

Динамическим зондированием обычно проверяют сваи на площадке в ходе выполнения строительно-монтажных работ.