Методика испытаний свай повышенной несущей способности по системе Остенберга. Рассмотрен метод испытания свай с помощью гидравлических домкратов с разделением их на сегменты (система Остенберга). Приведены примеры испытаний при строительстве высотных объектов во Франкфур-те-на-Майне (Германия), Москве, Киеве. Показана возможность использования системы Остенберга для определения несущей способности грунта.
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 специальные методы испытания свай. Проведение испытаний с помощью гидравлических домкратов с разделением на сегменты целесообразно для свай с повышенной несущей способностью, когда доведение её до отказа по грунту с помощью классических испытаний, предусмотренных существующей нормативной базой, технически невозможно и/или необходимо использовать громоздкие анкерные конструкции. На рис.1 представлена анкерная конструкция для статического испытания сваи на нагрузку 3000 т.
Рис.1. Анкерная конструкция для статического испытания сваи на нагрузку 3000 т
Рис. 2. Испытания баретт с помощью гидравлических домкратов и с разделением сваи на сегменты
Испытания 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, а также на сваях из труб и др. В настоящее время применение данной технологии получило наибольшее распространение для буронабивных свай больших диаметров (600 мм) и фундаментов типа баретт (рис. 2).
Проведение испытания с помощью гидравлических домкратов с разделением сваи на сегменты затруднено или невозможно для деревянных, наклонных свай и свай, работающих на передачу горизонтальных нагрузок.
Как и при классических испытаниях, рекомендуется производить испытываемые сваи по той же технологии, которая предусматривается для применения впоследствии на объекте строительства.
Кроме того, испытание свай с помощью гидравлических домкратов с разделением сваи на сегменты часто используется при специальном гидротехническом строительстве, строительстве портов, 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 или экономически нецелесообразно. Подобный вид испытаний также целесообразно производить при строительстве в стесненных условиях.
Проведение испытания с помощью гидравлических домкратов с разделением сваи на сегменты позволяет приложить циклические нагрузки, а также изучить ползучесть 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 метод испытания свай с помощью гидравлических домкратов с разделением сваи на сегменты. Гидравлические домкраты монтируют на арматурный каркас испытываемой сваи, затем доводят сегменты сваи до отказа на заранее определенной глубине или 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 её составляющих величин:
Рис. 3. Схемы испытания: один уровень домкратов (слева) и два уровня домкратов (справа)
Проектирование испытаний. При проектировании испытания сваи с помощью гидравлических домкратов с разделением её на сегменты особое внимание должно уделяться изучению инженерно-геологического строения грунтового массива на проектируемой территории.
Перед проведением испытания необходимо определить слои грунтов с высокой несущей способностью, имеющие достаточное распространение на проектной глубине застраиваемой территории.
Изысканиями особенно важно выявить возможные зоны неоднородности в геологическом строении грунтов, например зоны выветрелости, чередование слоев грунта и т. д. Эти данные должны быть учтены при проектировании испытаний с помощью гидравлических домкратов с разделением сваи на сегменты для получения точных расчетных характеристик для того или иного слоя грунтов.
При проектировании испытания с целью максимально точной предварительной оценки трения по боковой поверхности и несущей способности под нижним концом сваи для несущих слоев грунта необходимо составить обоснованную программу изучения данных слоев с помощью лабораторных и натурных испытаний, а также провести анализ технической литературы и имеющегося опыта строительства в данных и аналогичных грунтовых условиях.
Целесообразно также использовать результаты статического зондирования для оценки слоев грунтов 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 конструкция.
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 испытания 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 испытания сводится к тому, что один сегмент вдавливается домкратом, а другой является анкерной конструкцией. При этом устройства какой-либо другой анкерной конструкции, как при классическом статическом испытании свай, не требуется.
Рис. 4. Результаты испытания свай с помощью гидравлических домкратов и с разделением сваи на сегменты по системе Остенберга во Франкфурте-на-Майне
Целесообразно проводить испытания по следующим схемам (рис. 3):
— одноуровневая — используется один уровень домкратов, с помощью которых определяется сопротивление под нижним концом сваи 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 можно 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 — трения по боковой поверхности и сопротивления 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;
-двухуровневая — используется два уровня домкратов, т. е. верхний сегмент выталкивается домкратами вверх, а анкерной конструкцией являются два нижних сегмента; после завершения первой фазы испытания домкраты остаются открытыми и средний сегмент выталкивается вверх, при этом 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.
Рис. 6. Испытания свай с помощью гидравлических домкратов и с разделением сваи на сегменты по системе Остенберга в Киеве
При проведении испытания с помощью гидравлических домкратов с разделением сваи на сегменты особенное внимание должно уделяться контролю деформаций. Для уменьшения влияния температуры на измерительные инструменты место проведения испытания 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 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 испытания 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 инъекция 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 неразруша-ющим способом.
Опыт проведения испытания свай с помощью гидравлических домкратов с разделением сваи на сегменты. Испытания свай с помощью гидравлических домкратов с разделением сваи на сегменты широко используются на наиболее значительных строительных объектах.
В рамках проекта «Франкфурт» (Германия) проводили 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. В результате испытания все сегменты сваи были доведены до отказа по грунту. Были измерены следующие величины:
• максимальное трение по боковой поверхности без инъекции — 830 кН/м²;
• максимальное трение по боковой поверхности с инъекцией — 1040 кН/м²;
• максимальное сопротивление под нижним концом сваи — 7000 кН/м².
Испытания и инструментарий соответствовали методу Остенберга компании LOADTEST.
Аналогичные испытания в массиве известняков проводили в Москве при строительстве башни «Федерация» ММДЦ.
В 2006 г. впервые на территории Украины проводили испытания сваи по вышеописанной технологии при строительстве международного Бизнес-парка «Соломенка» в Киеве (рис. 5). Испытания проводили на сегментах бурона-бивной сваи, произведенной под глинистым раствором в киевской мергельной глине на глубине 32-37 м, при показателе IL=0,2. В результате испытаний 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 Остенберга целесообразно при высокой несущей способности свай и больших нагрузках. Этот метод испытаний свай не требует производства анкеров в грунте или анкерных свай. Анкерной сваей является испытываемый сегмент.
При проектировании испытания важно правильно оценить соотношение трения по боковой поверхности и несущей способности под пятой сваи и в соответствии с этим выбрать длину 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 метод расчета фундаментов, так как в результате натурных испытаний известна не только общая несущая способность сваи с заранее определенными размерами, но и точное понимание работы отдельных её 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 бареттных фундаментов при высотном строительстве в городах Украины предполагается также проведение испытаний методом Остенберга 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.
Р. КАТЦЕНБАХ, д-р техн. наук, Технический Университет; Р.А. ДУНАЕВСКИЙ, руководитель проектов по Восточной Европе (Дармштадт, Германия); А.А. ФРАНИВСКИЙ, канд. техн. наук, зав. лабораторией высотного строительства НИИСП(Киев, Украина)
Источник: Журнал «Жилищное строительство»