Теория и практика интерпретации результатов испытаний грунтов статическими вдавливающими нагрузками

При устройстве фундаментов современных зданий и сооружений наибольшее распространение получили конструкции с применением свай, как наиболее надежное и универсальное решение для различных инженерно-геологических условий с учетом роста вертикальных и горизонтальных нагрузок на грунты основания.

Поэтому совершенствование методик контроля качества работ и определения несущей способности по грунту свайного фундамента, выполненного по различным технологиям, приобретает особую значимость.

С практической точки зрения наиболее важными являются вопросы определения несущей способности грунтов до начала производства работ по устройству свайного поля. Для этих целей применяют статическое и динамическое зондирование грунтов инвентарными зондами, а также полевые испытания натурными или эталонными сваями.

Среди этих методов наиболее достоверными и универсальными для различных геологических условий и технологий являются испытания грунтов статической вдавливающей нагрузкой, выполняемые на предварительно погруженных опытных сваях [1]. Действующими нормативными документами установлено требование обязательного проведения предпроектных (опытных) испытаний до начала устройства свайного фундамента в следующей последовательности:

1) на основании разработанного проектной организацией технического задания с учетом инженерно-геологических условий строительной площадки выполняют погружение определенного количества свай для проведения испытаний;
2) после срока отдыха в грунте (от 3 до 28 сут) приступают к испытаниям, прикладывая к торцу погруженных свай гидравлическими домкратами статическую вдавливающую нагрузку. Испытания производят по достижении максимальной нагрузки, равной полуторному значению расчетной несущей способности, или до достижения осадки на сваю более 40 мм;
3) по результатам испытаний строят график зависимости осадки сваи от прикладываемой нагрузки, на основании которого с учетом критерия предельной осадки для данного типа здания определяют несущую способность грунтов [1, 2].
Кроме того, после устройства свай в целях проверки принятых в проекте решений и контроля качества работ производят контрольные испытания грунтов по этой же методике.

Следует отметить, что существующие нормативные рекомендации определения несущей способности грунтов по указанной графической зависимости не меняются уже более 50 лет и не учитывают особенности грунтовых условий и современных технологий. Например, не рассматривается так называемый «провал» сваи при испытании, возникающий когда максимальная нагрузка, предусмотренная программой испытаний, еще не достигнута, но уже получена осадка сваи, превышающая допустимый критерий для данного типа зданий; при этом прирост осадки на последней ступени нагрузки в пять и более раз превышает прирост на предыдущей ступени. В этом случае по существующим методикам следует принимать в расчет меньшую несущую способность грунта, увеличивать длину и количество свай с проведением повторных статических испытаний [2]. Это приводит к затягиванию на несколько месяцев сроков строительства, дополнительным затратам на проектирование и погружение дополнительных опытных свай и т. п.

Отсюда следует важный вывод о необходимости уточнения и совершенствования методик определения несущей способности грунтов по результатам испытаний статической вдавливающей нагрузкой. Для решения этих задач рассмотрим случаи из практики интерпретации результатов статических испытаний грунтов.

На основании анализа практического опыта выявлены следующие факторы негативного влияния неверно организованного режима работ по устройству свайных фундаментов на результаты испытаний грунтов:
• не выдержан нормативный срок «отдыха» сваи в грунте;
• в ходе испытаний в радиусе 20 м от места установки измерительного оборудования производилась забивка свай заводского изготовления, вызвавшая разуплотнение грунта и снижение его несущей способности;
• при буронабивных технологиях устройства свай под защитой обсадных труб большого диаметра при некачественной зачистке забоя под пятой остается буровой шлам, а при технологиях с задавливанием обсадных труб при несвоевременном отделении теряемого башмака под пятой сваи образовывается незаполненная грунтом полость. В результате при испытаниях грунтов вертикальными статическими нагрузками будут получены осадки свай, не отражающие их действительную несущую способность;
• в ходе испытаний при приложении нагрузки произошли деформации торцов свай, вызванные разрушениями в процессе погружения или некачественным уплотнением бетонной смеси в оголовках буронабивных свай;
• испытаны сваи с дефектными стволами, разрушенными в зоне сварного стыка у свай заводского изготовления или в зоне «шеек» буронабивных свай;
• при испытании домкрат установлен на сваю с «выпором» из грунта с полостью под пятой, что приводит к значительным осадкам на первых ступенях нагружения: до 5–15 см.

Указанные факторы выявлены в ходе испытаний грунтов для свай, устраиваемых по различным технологиям в условиях напластований слабых водонасыщенных глинистых грунтов.

Рассмотрим факторы влияния технологических параметров устройства свай на назначение срока «отдыха» перед испытаниями. Известно, что при погружении различными способами элементов заводского изготовления или обсадных труб происходят процессы изменения структурной прочности грунта межсвайного пространства. В результате, для восстановления структуры грунта, являющегося необходимым условием при проведении испытаний, требуется принимать срок «отдыха», превышающий установленный нормативными документами [1]. При этом его продолжительность зависит от технологических параметров устройства свайных фундаментов.

Например, на объекте, расположенном в Санкт-Петербурге в квартале на пересечении улиц Белышева и Коллонтай было выполнено погружение забивных железобетонных свай длиной 23–27 м сечением 40 × 40 см для предпроектных испытаний грунтов при строительстве многосекционного жилого дома с этажностью до 20 эт. Проектная расчетная нагрузка на сваю — 100 т. Забивка выполнялась гидравлическим молотом с массой ударной части 7 т; средней высотой сброса 0,7 м; частотой 100 уд/мин.

Результаты погружения опытных свай представлены в табл. 1.

Из табл. 1 можно заключить, что при погружении свай общее количество ударов составило от 887 до 1309, что вызвало значительное динамическое воздействие и разуплотнение грунта околосвайного пространства.
Геологический разрез с погруженной сваей представлен на рис. 1. С 14.10.2011 проводились статические испытания грунтов статическими вдавливающими нагрузками по известной методике при выдерживании нормативного срока отдыха в 20 сут [1]. Результаты испытаний, представленные в табл. 2, показывают, что ожидаемые значения несущей способности грунта, предварительно обоснованные результатами статического зондирования, не были достигнуты. С учетом полученных неудовлетворительных результатов все сваи были проверены на сплошность акустическим способом (Sonic Integrity Test) измерительным комплексом IFCO IT-System фирмы Profound (Нидерланды), не выявившим значительных дефектов погруженных элементов [3].

На основании анализа полученных данных было принято решение провести повторные статические испытания грунтов с увеличением сроков отдыха.

Результаты повторных испытаний представлены в табл. 3 и иллюстрируются рис. 2, на котором совмещены результаты нагружений сваи № 1 в виде зависимости вдавливающей нагрузки (Р) от осадки (s) при разных значениях срока отдыха.

Как видно из табл. 3 и рис. 2 повторные испытания показали прирост несущей способности грунтов до удовлетворяющих проекту значений со средней интенсивностью 2,2 т в сутки, что свидетельствует о процессах восстановления структуры межсвайного грунта с увеличением срока «отдыха» (эффект «засасывания»). В результате обработки представленных результатов получена математическая зависимость, позволяющая задавать срок «отдыха» сваи (tот) для получения требуемой несущей способности грунта (Fd) при испытаниях для указанной строительной площадки:

tот = 0,38Fd сут.

С помощью этого эмпирического выражения был назначен срок «отдыха» при испытании грунтов забивными сваями с соответствующими технологическими параметрами погружения для соседних строительных площадок с аналогичными инженерно-геологическими условиями. Следует отметить, что предлагаемое выражение нельзя применять для определения значений несущей способности грунтов; только для ее оценки с увеличением срока «отдыха».

Необходимо отметить, что если в рассмотренном случае действовать по установленной нормами методике, а именно, понизить несущую способность и увеличить проектное количество свай, то стоимость работ нулевого цикла на объекте возросла бы на 29,78 млн. руб. (в ценах 2011 г.), а срок работ увеличился бы на 3 мес.

С учетом сказанного выше можно заключить, что при ударном погружении свай гидравлическим молотом длиной более 20 м (и количестве ударов при забивке более 700) в геологическом разрезе, характеризующемся большой неоднородной толщей слабых водонасыщенных грунтов, для получения удовлетворительных результатов статических испытаний срок отдыха следует принимать свыше значений, рекомендуемых нормативными документами (20 сут).

В дополнение к рассмотренному выше примеру в табл. 4 представлены аналогичные результаты испытаний грунтов сваями, выполненными по различным технологиям, в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга, позволяющие проследить прирост несущей способности с увеличением срока «отдыха».

С учетом данных табл. 4 можно заключить, что практически при любой технологии устройства свайных фундаментов к назначению сроков «отдыха» перед статическими испытаниями следует подходить с учетом технологических параметров устройства фундамента.

Следующий важный момент, на который следует обратить внимание, это отрицательные результаты испытаний при нагружении статической вдавливающей нагрузкой деформированных свай. Такие деформации свай могут быть вызваны следующими причинами [4]:
1) погружение готовых свай с заводскими дефектами и/или возрастание лобового сопротивления, вызванного наличием в геологическом разрезе прослоек плотных грунтов;
2) нарушение технологической дисциплины при устройстве буронабивных свай с образованием «шеек» или размывание набирающего прочность бетонного ствола напорными грунтовыми водами.

Недостаточная несущая способность грунта при испытании таких свай как правило не соответствует данным статического зондирования. Таким образом, если среди испытанных свай, погруженных в идентичные слои грунта на одной и той же площадке, выявляются элементы, показывающие сравнительно меньшую несущую способность, то, прежде всего, необходимо выполнить комплексный анализ инженерно-геологических условий, совместно с данными статического зондирования грунтов. Если причины потери несущей способности в виде прослоек слабых грунтов не выявлены, то необходимо провести тестирование свай акустическим способом для контроля их целостности.

На одной из строительных площадок в Приморском районе Санкт-Петербурга были погружены опытные составные железобетонные сваи длиной 22 м (10 + 12 м), сечением 35 × 35 см. Острие всех свай было погружено в толщу ледниковых твердых суглинков с высокими прочностными и деформативными показателями. При этом, в ходе предпроектных статических испытаний грунтов вдавливающей нагрузкой, 20 % погруженных свай «показали» недостаточную несущую способность по сравнению с результатами расчетов на основании статического зондирования (рис. 3).

Рис. 3. Графики статических испытаний грунтов вертикальной вдавливающей нагрузкой: 1 — дефектной сваи; 2 — качественной

Для выявления причин авторами был выполнен анализ геологических условий, который не выявил залегания слоев слабых грунтов под острием «проблемных» свай, в связи с чем было решено выполнить акустическое тестирование с целью исследования их сплошности. Результаты показали, что у таких свай наблюдаются дефекты в зоне стыка на глубине 11–12 м, что и обуславливает их меньшую несущую способность по грунту, полученную в ходе испытаний. Рефлектограмма тестирования дефектных и качественных свай представлена на рис. 4.

Рис. 4. Рефлектограмма испытания сплошности свай акустическим способом; а — дефектной сваи, б — качественной

На основании этого несущая способность по грунту деформированных свай не учитывалась при дальнейшем проектировании свайного основания.
Проведенный таким образом комплексный анализ технологических параметров работ и геологических условий строительной площадки позволил сократить затраты на дополнительное погружение и испытание опытных свай.
Из представленного материала можно сделать важный вывод о необходимости совершенствования методики проведения статических испытаний грунтов сваями с учетом накопленного практического опыта и обязательного анализа следующих факторов [5]:
1) особенностей конструктивно-технологических параметров устройства свай;
2) конструктивных схем здания;
3) инженерно-геологических изысканий с учетом результатов статического зондирования.
В развитие начатой темы авторы планируют рассмотреть влияние явления «выпора» свай на анализ графических зависимостей «нагрузка — осадка», а также проанализировать влияние технологий устройства свай на изменение несущей способности грунтов.

Список литературы

1. ГОСТ 5686-94. Грунты. Методы полевых испытаний сваями. Введен 1996-01-01. — М.: ИПК «Издательство стандартов», 1996.
2. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. — М.: ОАО «ЦПП», 2011.
3. Мангушев, Р. А. Геотехника Санкт-Петербурга: монография / Р. А. Мангушев, А. И. Осокин. — М.: АСВ, 2010. — 264 с.
4. Верстов, В. В. Производство шпунтовых и свайных работ / В. В. Верстов, А. Н. Гайдо, Я. В. Иванов. — СПб.: СПбГАСУ, 2011. — 292 с.
5. Иванов, И. П. Обоснование типов фундаментов по результатам предпроектной инженерно-геологической оценки района «Каменка» Санкт-Петербурга / И. П. Иванов, Т. Н. Николаева, Л. П. Норова, Я. А. Карпова // Вестник гражданских инженеров. — 2010. — № 3 (24). — С. 83–90.

Авторы
Гайдо А.Н.
Левинтов Г.В.