Вместе к новым решениям!

Методика испытаний буронабивных свай повышенной несущей способности по системе Остерберга.

Рольф Катценбах, д.т.н., проф., Техниче­ский Университет г. Дармштадт; Р. А. Дунаевский, руководитель проектов по Восточной Европе, Инженерная Ассоциация проф.Катценбаха; А.А.Франивсющ к.т.н., НИИСП, Киев.

В связи с появлением новых технологий и типов свай, а также новыми требованиями по увеличению их несущей способности особенно в высотном строительстве, появилась необхо­димость применять новые методы испытания свай, позволяющие устройство свай повышен­ной несущей способности до отказа по грунту. Проведение испытаний сваи с помощью гид­равлических домкратов и разделением сваи на сегменты целесообразно для свай с повышен­ной несущей способностью, когда доведение сваи до отказа по грунту с помощью классиче­ских испытаний свай, предусматриваемых су­ществующей нормативной базой, технически невозможно и/или необходимо использовать громоздкие анкерные конструкции, и проведе­ние испытаний нецелесообразно с экономиче­ской и технической точек зрения. На рис.1 представлена анкер­ная конструкция для статического испытания сваи на нагрузку 3000 т.

Рис.1. Анкерная конструкция для статического испытания свай на нагрузку 3000 т.

Применение испытаний с помощью гид­равлических домкратов тем экономичнее по сравнению с классическими испытаниями свай, чем выше нагрузки и, соответственно, сложнее производство анкерной конструкции. Проведение такого вида испытаний возможно на набивных сваях, если крепление гидравли­ческих домкратов предусматривается во время изготовления испытываемой сваи на бетонном заводе, на сваях из труб и др. На сегодняшний день применение данной технологии получило наибольшее распространение для буронабивных свай больших диаметров (> 600 мм) и фундаментов типа "баретт" (рис.2).

 Рис.2. Испытание бареттов с помощью гидравлических домкратов и разделением сваи на сегменты.

Проведение испытаний с помощью гид­равлических домкратов и разделением сваи на сегменты затруднено или невозможно на сего­дняшний день для деревянных свай, наклон­ных свай и свай, работающих на передачу горизонтальных нагрузок.

Как и при классических испытаниях свай, рекомендуется производить испытываемые сваи по той же технологии, которая пре­дусматривается для применения впоследствии на объекте строительства.

Кроме того, испытания свай с помощью гидравлических домкратов и разделением сваи на сегменты часто используется при специаль­ном гидротехническом строительстве, строи­тельстве портов, строительстве мостов и т.д., когда сваи должны производиться на аквато­риях или в условиях, когда будущая площадка строительства окружена водой и устройство необходимых анкерных свай технически за­труднено и/или экономически нецелесообраз­но. Кроме того, подобный вид испытаний так­же целесообразно производить при строитель­стве в стесненных условиях.

Проведение испытаний с помощью гид­равлических домкратов и разделением свай на сегменты позволяет при определенной схеме приложение циклических нагрузок, а также изучение ползучести грунтов.

Доведение сваи до отказа по грунту при испытании и определение с помощью решения обратной задачи расчетных характеристик грунтов позволяют создать надежный и эко­номичный проект фундамента. В данной ста­тье описывается принципиально новый подход к испытанию свай с помощью гидравлических домкратов и разделением сваи на сегменты, которые монтируются на арматурный каркас испытываемой сваи и доводят сегменты сваи до отказа на заранее определенной глубине и в наиболее характерных с точки зрения несущей способности слоях грунтов.

При этом возможно точное определение не только общей несущей способности сваи в слоях грунтов, но и дифференцированное оп­ределение ее составляющих величин: трения по боковой поверхности и сопротивления под нижним концом сваи.

Проектирование испытаний

При проектировании испытаний сваи с помощью гидравлических домкратов и при ее разделении на сегменты особое внимание должно уделяться изучению инженерно-геологического строения грунтового массива на проектируемой территории.

Перед проведением испытаний необхо­димо определить слои грунтов с высокой не­сущей способностью, имеющих достаточное распространение на проектной глубине и за­страиваемой территории

В рамках изысканий особенно важно вы­явить возможные зоны неоднородности в гео­логическом строении грунтов, как, например, зоны выветрелости, чередование слоев грунта и т.д. Эти данные должны быть учтены при проектировании испытаний с помощью гид­равлических домкратов и разделением сваи на сегменты для получения точных расчетных характеристик для того или иного слоя грун­тов.

В рамках проектирования испытаний с целью максимально точной предварительной оценки трения по боковой поверхности и не­сущей способности под нижним концом сваи для несущих слоев грунта необходимо состав­ление обоснованной программы изучения дан­ных слоев с помощью лабораторных и натур­ных испытаний, а также анализ технической литературы и имеющегося опыта строительст­ва в данных и аналогичных грунтовых услови­ях.

Целесообразно также использовать ре­зультаты статического зондирования для оценки слоев грунта с подобной несущей спо­собностью. Для предварительной оценки не­сущей способности сваи по грунту целесооб­разно использовать таблицы, приведенные в нормативной литературе, особенно когда эти таблицы учитывают опыт строительства в данном регионе.

По результатам оценки несущей способ­ности грунтов должны быть определены раз­меры сегментов испытываемой сваи. Необхо­димо учитывать, что сегменты в зависимости от схемы испытания (каждый в отдельности или несколько сегментов совместно) должны работать и как испытываемая, и как анкерная конструкции.

В связи с этим особенно важно привле­чение экспертных организаций с соответствующим опытом для проектирования подоб­ных испытаний свай.

С учетом несущей способности по грун­ту должен выбираться материал сегментов сваи, а также мощность и количество гидрав­лических домкратов.

При проектировании испытаний необхо­димо учитывать, что для его успешного прове­дения расчетная несущая способность мате­риала сегмента сваи должна быть выше, чем максимальная предполагаемая несущая спо­собность сегмента сваи по грунту.

Схема проведения испытаний

Принцип испытаний сводится к тому, что один сегмент вдавливается домкратом, другой является анкерной конструкцией. При этом устройство какой-либо другой анкерной конструкции, как при классическом статиче­ском испытании свай, не требуется.

Рис.3. Схемы испытания один уровень домкратов слева и два уровня домкратов справа.

Целесообразно проводить испытания по следующим схемам (рис. 3):

одноуровневой, при которой используе­тся один уровень домкратов, с помощью кото­рых определяется сопротивление под нижним концом и трение по боковой поверхности для верхнего сегмента, т.е. конструкция испыты­ваемой сваи состоит из двух сегментов. При невысокой несущей способности под нижним концом сваи возможно выбрать длину нижнего сегмента так, чтобы он работал совместно по несущей способности под нижним концом сваи и по боковой поверхности. Дифференци­рованное определение составляющих величин несущей способности сваи: трение по боковой поверхности и сопротивление под нижним концом сваи производится путем последующе­го анализа результатов. При определенном соотношении трения по боковой поверхности и несущей способности под нижним концом сваи верхний сегмент может быть по своей длине приблизительно равен длине проекти­руемой сваи;

двухуровневой, при которой использу­ются два уровня домкратов, т.е. верхний сег­мент выталкивается домкратами вверх, а ан­керной конструкцией являются два нижних сегмента. После завершения первой фазы ис­пытаний домкраты остаются открытыми и средний сегмент выталкивается вверх при том, что анкерной конструкцией является нижний сегмент, работающий преимущественно по несущей способности под нижним концом сваи. При проектировании испытания по такой схеме необходимо учесть возможные дефор­мации среднего сегмента сваи и заложить в проект соответствующий свободный ход дом­крата, чтобы предотвратить нежелательную на второй фазе испытания передачу нагрузки на верхний сегмент сваи. Третья фаза проводится по аналогии с одноуровневым испытанием, при этом при закрытии верхних домкратов ан­керной конструкцией являются средний и верхний сегменты. По аналогии с двухуровне­вым испытанием возможно проведение испы­таний на более чем двух уровнях.

При проведении испытаний с помощью гидравлических домкратов и разделением сваи на сегменты особенное внимание должно уде­ляться контролю за деформациями. Для умень­шения влияния температуры на измеритель­ные инструменты место проведения испыта­ний должно быть защищено от влияния погод­ных условий.

В каждом из сегментов сваи по всей его длине устанавливаются тензометры, которые передают данные на поверхность. В результате компьютерной обработки этих данных опреде­ляется деформация бетона, которая соответст­венно учитывается при расчете несущей спо­собности грунтов. Для контроля общих деформаций в конструкции испытываемой сваи устанавливается экстензометр. На уровнях ус­тановки домкратов также предусматриваются приборы для измерения перемещений. Данные этих приборов также передаются на поверхность и подлежат компьютерной обработке. Таким образом, возможно определение дефор­мации по всей длине сегмента, работающего на трение по боковой поверхности, что обес­печивает дифференцированный расчет этого параметра в зависимости от глубины сегмента сваи.

Проведение испытаний сваи по выше­описанным схемам требует экспертного со­провождения.

В большинстве случаев не рекомендует­ся использовать испытываемую сваю в качест­ве элемента фундаментной конструкции. По­сле проведения испытания сегменты сваи мо­гут рассматриваться как элемент фундамент­ной конструкции лишь в том случае, если верхний сегмент сваи равен длине сваи и пре­дусматривается проведение дополнительных мер, как, например, инъектирование цемент­ным раствором в область домкратов. При этом нужно учитывать, что несущая способность сваи по грунту уменьшается. Для контроля целостности материала сваи необходимо про­вести испытание бетона неразрушающим спо­собом.

Опыт проведения испытания свай с помощью гидравлических домкратов и разделением сваи на сегменты

Испытания свай с помощью гидравличе­ских домкратов и разделением сваи на сегмен­ты широко используются на наиболее значи­тельных строительных объектах.

В рамках проекта "Франкфурт4" (Герма­ния) проводилось испытание сваи по двухуровневой схеме в скальных породах франк­фуртского известняка (рис.4). При этом были проведены инъекции на уровне среднего сегмента сваи для повышения трения по боковой поверхности.

Рис.4. Результаты испытаний свай с помощью гидравлических домкратов и разделением свай на сегменты по системе Остерберга во Франкфурте-на-Майне.

В результате испытания все сегменты сваи были доведены до отказа по грунту. Во франкфуртском известняке были измерены следующие величины:

•  максимальное трение по боковой по­верхности без инъецирования - 830 кН/м2;

•  максимальное трение по боковой по­верхности с инъецированием - 1040 кН/м2;

•  максимальное сопротивление под ниж­ним концом сваи - 7000 кН/м2.

Рис. 5. Испытания свай с помощью гидравлических домкратов и разделением сваи на сегменты по системе Остерберга в Москве.

Испытания и инструментарий соответст­вовали методу Остерберга компании «LOAD- TEST».

Аналогичные испытания в массиве из­вестняков проводились в Москве при строи­тельстве Башни "Федерация" (рис.5).

В 2006 году впервые на территории Ук­раины проводились испытания сваи по выше­описанной технологии при строительстве ме­ждународного Бизнес-парка "Соломенка" в Киеве (рис.6).



Рис. 6. Испытания свай с помощью гидравлических домкратов и разделением сваи на сегменты по системе Остерберга в Киеве.

Испытания проводились на сегментах буронабивной сваи, произведенной под глини­стым раствором в киевской мергельной глине на глубине 32-37 м при показателе IL = 0,2.

В результате испытания были получены следующие показатели:

•  максимальное трение по боковой по­верхности - 80 кН/м2;

•  максимальное сопротивление под ниж­ним концом сваи - более 3025 кН/м2.

Выводы и рекомендации

Проведение испытаний свай по методу Остерберга целесообразно при высокой несу­щей способности свай и больших нагрузках.

Вышеописанный метод испытаний свай не требует производства анкеров в грунте или анкерных свай. Анкерной сваей является ис­пытываемый сегмент. При проектировании испытаний важно правильно оценить соотно­шение трения по боковой поверхности и не­сущей способности под пятой сваи и в соот­ветствии с этим выбрать длины сегментов и максимальные нагрузки для домкратов.

При испытаниях в новых грунтовых ус­ловиях целесообразно использовать испытания на нескольких уровнях.

На основе результатов таких испытаний возможен новый подход к расчету фундамен­тов, т.е. в результате натурных испытаний из­вестна не только общая несущая способность сваи с заранее определенными размерами, а и точное понимание отдельных ее составляю­щих для определенных слоев грунта.

Применительно к грунтовым условиям Киева планируется проведение аналогичных испытаний в песках Бучаковской и Каневской свит для точного описания несущей способно­сти этих грунтов.

Вследствие частого применения баретт- ных фундаментов при высотном строительстве в городах Украины предполагается также про­ведение испытаний методом Остерберга для такого вида фундамента.

Полученные в результате испытаний с помощью гидравлических домкратов величи­ны трения по боковой поверхности и сопро­тивления под нижним концом сваи могут при­меняться взамен табличных при расчете по СНиП 2.02.03-85 "Свайные фундаменты". При этом коэффициент надежности по грунту мо­жет приниматься в соответствии с проведен­ными испытаниями.

Связь с консультантом

+375 (17) 240-42-29

skype