Статические испытания — самый распространенный вид испытаниям грунтов, предшествующий новому строительству.

По результатам испытаний возможно максимально эффективно и наиболее достоверно оценить несущую способность вдавленных свай экспериментально, в существующих грунтовых условиях, тем самым подтвердив или опровергнув теоретическую методику их расчета. От свойств и несущей способности грунтов напрямую зависит надежность и устойчивость возводимой конструкции. Процедура полевых испытания грунтов проводится с целью измерения их сопротивления в естественных условиях  непосредственно на месте будущего строительства.

Испытание грунтов позволяет наметить оптимальный план работ по погружению свай, спрогнозировать устойчивость здания и выбрать подходящие способы и геометрические размеры элементов для устройства свайного фундамента.

Мой практический стаж на работах по устройству свайных фундаментов — 17 лет. За годы профессиональной деятельности организовано и выполнено более тысячи статических испытаний грунтов натурными сваями и проанализировано не меньшее количество технических отчетов (заключений) о результатах инженерно-геотехнических изысканий — статических испытаний грунтов натурными ж/б сваями, выполненных моими коллегами.

И в этом цикле статей я готов обобщить свой опыт.
Особую важность при производстве работ по инженерно-геотехническим изысканиям имеет правильный выбор высокоточных измерительных приборов и регистрирующей аппаратуры, от надежности показаний которых напрямую зависит результат полевых работ и корректность заключения о результатах выполненных инженерно-геотехнических исследований.
С этого и начну

1. Критерии выбора измерительных приборов и регистрирующей аппаратуры для проведения статических испытаний грунтов сваями

Наиболее часто используемым способом проведения статических испытаний

грунтов сваями является передача равными ступенями нагрузки на испытуемые сваи с помощью гидравлического домкрата. Домкрат монтируется на голову сваи, а реактивные усилия от него воспринимаются грузовой платформой или анкерными сваями и специально рассчитанной (и индивидуально изготовленной для каждого испытания) стальной балкой.
Осадки свай регистрируются измерительными приборами с ценой деления не более 0,1 мм, установленными на реперную систему.
Домкрат оснащен манометром, который регистрирует давление в гидравлической системе и нагрузку, передаваемую домкратом на сваю.

1.1 Выбор манометра для  проведения статических испытаний грунтов сваями
В первую очередь при выборе манометра следует обращать внимание на цену деления, которая должна быть подобрана в точном соответствии с расчетной нагрузкой на сваю.
Увеличенная цена деления приводит к некорректному анализу и искаженным результатам камеральной обработки данных полевых испытаний. При назначении Программой испытания величины давления ступеней нагружения, их значения должны быть кратны цене деления манометра.
Рассмотрим статическое испытание грунта на примере типичной серийной железобетонной сваи сечением 300х300мм, используемой для гражданского строительства. Предположим, что максимальная испытательная нагрузка на сваю установлена Программой испытаний в 70тн, которые надлежит равномерно распределить на 10 ступеней.
Если, как это часто бывает, при проведении испытания применить манометр с ценой деления 20кг/см2, то погрешность передачи нагрузки может достигать трех и более тонн, что существенно нарушает требования ГОСТ 5686-2012 к величине прикладываемой на ступени нагрузки.
В ГОСТе четко указано, что прикладываемое на каждой ступени значение нагрузки не может быть меньше 1/10 от максимальной испытательной нагрузки на сваю (в некоторых случаях — 1/5). В нашем примере значение нагрузки, прикладываемое на каждой ступени, составит 7 тн.
Соответственно: из таблицы расчета видно, что при переводе величины нагрузки в давление и корректировки величины давления кратно шкале 20 кг/см2, ступень нагрузки может возрасти по факту больше, на 5 тонн. А это на 71% расходится с требованиями ГОСТ, разумеется, не допустимо.
Второй немаловажный вопрос — поверка манометра. Периодичность поверки устанавливается при проведении метрологической аттестации средства измерения согласно ПР 50.2.006-94 «Порядок проведения поверки средств измерений». Как правило, межповерочный интервал манометров, применяемых при выполнении статических испытаний, составляет 2 года.

1.2 Выбор регистрирующих приборов для проведения статических испытаний грунтов сваями
При проведении статических испытаний грунтов натурными сваями с помощью высокоточных регистрирующих приборов — индикаторов, прогибомеров, приборов автоматической записи статических деформаций — измеряют величину осадки сваи с точностью до 0,1мм.
Также при проведении испытаний по показаниям прогибомеров судят о наклоне тела сваи. Именно для этого симметрично оси сваи устанавливают два прибора и по разнице их показаний судят о наличии перекоса. ГОСТом установлена допускаемая разница показаний прогибомеров в зависимости от осадки сваи. Расхождения в показаниях приборов не должны превышать следующих значений:
50% — при осадках менее 1 мм;
30% — при осадках от 1 до 5 мм;
20% — при осадках более 5 мм.
Регистрация большего значения различия в показаниях приборов может говорить либо о возникновении эксцентриситета приложения испытательной нагрузки на сваю, либо о неисправности оборудования. Пренебрежение данным правилом практически неизбежно приведет к разрушению сваи при испытании.
В 2015 году геологи ООО «Базис» отказались от использования прогибомеров для статических испытаний.
На это были следующие основные причины:
— прогибомеры — это хрупкие и весьма чувствительные приборы, корректность показаний которых сильно зависит от окружающей среды и навыков изыскателей. Они не прощают малейших ошибок в эксплуатации, пробелов в квалификации испытателя, а также требуют осторожного, внимательного и умелого к себе отношения, которое практически невозможно организовать в условиях строительной площадки.
— необходимость использования при проведении испытаний прогибомерами «слабого звена» — тонкой стальной проволоки.

Так как зачастую из-за невысокой квалификации изыскателей и отсутствия опыта контроля специфических изыскательских работ у Заказчиков некоторые организации еще продолжают использование прогибомеров, рассмотрю обе причины поподробнее:
Причина первая: В России в настоящее время применяют два основных типа прогибомеров: Н.Н. Максимова (ПМ-3)

 

и Н.Н. Аистова (ПАО-6).

Отличаются они как конструктивно, так и точностью измерения перемещений.
Прогибомеры Аистова имеют более высокую точность (0,01 мм), но при этом точность измерений прогибомеров Максимова также отвечает требованиям ГОСТ 5686-94.

Конструктивно прогибомеры Максимова, не имеющие камней для стабилизации трения и понижения степени износа контактирующих поверхностей механизма, выходят из строя чаще. Этому также способствует работа в уличных условиях, при высокой влажности и больших перепадах температур. В таких ситуациях механизм прогибомера из-за появления коррозии начинает подклинивать, ролик заедает, в результате чего в журнал полевых испытаний попадают недостоверные показания, и, следовательно, по результатам камеральной обработки данных изыскателями делаются некорректные выводы и заключения о несущей способности свай.
Самый главный недостаток прогибомеров — это отсутствие практической возможности выполнения их поверки. Прогибомеры 6ПАО и ПМ, хотя и состоят в Государственном реестре средств измерений, но не имеют соответствующих приложений об утверждении типа средств измерений. Из-за этого дорожащие своей репутацией метрологические лаборатории, Центры стандартизации и сертификации просто отказывают в проведении гос.поверки прогибомеров, предлагая взамен калибровку на специальном оборудовании с обязательным выявлением поправочных коэффициентов. Но по требованиям ГОСТ приборы перед проведением испытаниям должны именно поверяться, а не калиброваться. Таким образом, применение при статических испытаниях грунтов в качестве средств регистрации перемещений прогибомеров 6ПАО и ПМ, идет вразрез требованиям ГОСТ 5686-2012.
Заказчикам рекомендую ПЕРЕД заказом работ на весьма дорогостоящие статические испытания запрашивать у Подрядчиков паспорта на применяемые измерительные приборы, и, если это прогибомеры, и, тем более, прошлого года выпуска, безопаснее избегать сотрудничества.
Причина 2. Настоящая «болезнь» прогибомеров, как Аистова, так и Максимова, при работе в полевых условиях заключается в использовании проволоки (струны), которая оборачивается вокруг колеса прогибомера, а второй стороной крепится к отвесу. Принцип действия прогибомеров заключается в измерении величины вертикального перемещения головы сваи под действием приложенной статической нагрузки. Измеряемое перемещение при этом передается ведущему блоку с помощью натянутой проволоки (струны), перекинутой через ведущий блок не менее, чем одним витком. Натяжение проволоки осуществляется тарированным грузом, прикрепленным к ее свободному концу.

Основные проявления «болезни»:
— проволока изменяет линейные размеры при изменении температуры воздуха;
— проволока тонкая и часто запутывается и\или перехлестывается в местах перегибов;
— проволока требует тщательной обработки и подготовки к испытаниям в течение 2-х суток;
— проволока раскачивается на ветру, как маятник;
— проволока закрепляется не абсолютно параллельно вектору приложения нагрузки.
Расскажу подробнее, к чему это приводит.
Осенью 2014 года проводили на крупном Объекте в районе Сколкова порядка сотни статических испытаний. В понедельник, во время контрольного просмотра полевых журналов испытателей я обнаруживаю, что все испытуемые за выходные дни сваи при нагружении их вертикальной нагрузкой начинают с третьей-четвертой ступени … выходить из земли! Очевидно, что такого быть не может. Но и одновременный выход из строя всех комплектов измерительного оборудования тоже маловероятен.
Причину выяснили только тогда, когда стали сопоставлять почасовой температурный график с величиной и временем аномального перемещения свай. Выяснилось, что при переходе испытаний с ночи в день и изменении при этом температуры воздуха, приборы по осадкам сваи имели противоречивые показания. При переходе ночи в день согласно показаниям прогибомеров осадки, даже при увеличении нагрузки, перестают прогрессировать, а при резких скачках температуры прогибомеры, как один, показывают, что свая начинает выходить из земли. Очевидно, что в такой ситуации проволока нагревалась и растягивалась, увеличиваясь в размере. Увеличение это, безусловно, весьма незначительное. Но при условии, что осадки за получасовой интервал времени снятия показаний часто не превышают 0,1 мм даже, незначительные деформации проволоки сильно искажают общие значения.
В качестве предупреждения данной ситуации используют предварительное натяжение проволоки. Как гласит ГОСТ «Перед началом испытаний проволока должна быть подвергнута предварительному растяжению в течение 2 суток грузом 4 кгс». Кроме этого, прогибомеры имеют строго определенный диапазон рабочих температур, который указан в паспорте. Но в большинстве случаев инженеры-испытатели либо вовсе пренебрегают этими требованиями, либо относятся к ним халатно и выполняют исключительно «для видимости».
Кроме того, используемая при испытаниях проволока должна быть толщиной 0,3 мм. Такой миниатюрный размер проволоки обусловлен необходимостью снижения на неё внешних температурных воздействий. Но периодически даже опытный инженер, при подготовке прибора к испытаниям, случайно заламывает проволоку или делает на ней узелок. В вечернее или ночное время это часто остается не замеченным и при проведении испытания на такой проволоке корректных данных получить не возможно.
Максимум, что можно выяснить при таком «статическом испытании», это ответ на вопрос — достигнет ли натурная свая осадки более 40 мм, при котором и надлежит испытание завершить. Но тогда вопрос, для чего же такие мучения с точными приборами и проволоками, если для определения осадки в 40 мм достаточно к свае приложить обычную линейку?
Еще одной критической ситуацией является перехлест проволоки, оборачиваемой вокруг ролика прогибомера. Бывает, что на ролике проволока первого ряда нахлестывается на второй ряд, её «закусывает» и ролик перестает крутиться. В такой ситуации показания прогибомера перестают возрастать и у инженера-испытателя формируется ложное представление о том, что свая:
— либо достигла стабилизации и можно переходить на следующую ступень нагрузки,
— либо большая разница в показаниях двух приборов указывает на отклонение сваи от вертикальной оси и тогда инженер-испытатель обязан остановить испытание, разгрузить сваю, заменить прибор и начать испытание заново.
Еще одна проблема, возникающая при использовании прогибомеров с проволокой — это сильный ветер при выполнении испытания. Явление довольно частое, так как полевые испытания свай выполняются на открытом воздухе и на открытых пространствах. Точность же самих регистрирующих шкал прогибомеров настолько велика, что даже малейшее качание отвесов, висящих на проволоке, приводит к ложным скачкам показаний осадки сваи, что опять-таки приводит к недостоверным выводам по результатам изысканий.
К человеческому фактору, помимо невыполнения регламентных работ по растяжению проволоки, еще относится не строго вертикальное крепление проволоки от прогибомера к свае. При этом свая под воздействием нагрузки дает осадку строго вертикально, а проволока, за счет наклонного положения, совершает перемещение меньшее, чем свая. Как следствие — испытание проводится без достижения условной стабилизации на каждой ступени, что также является нарушением требований ГОСТ и приводит к искажению результатов испытаний.

Специалисты BASIS в своей работе ориентируются на инновационные технологии и в обязательном порядке один раз в квартал проходят переаттестацию и проверку знаний. Мы используем в своей работе для статических испытаний наиболее точное оборудование и измерительные приборы, наименее подверженные капризам природы. Все приборы, применяемые BASIS, регулярно и тщательно обслуживаются, своевременно поверяются, бережно транспортируются и аккуратно эксплуатируются.

Для различных нагрузок мы применяем разные типы манометров, а наши приборы для измерения осадок приспособлены для работы в полевых условиях с высокой влажностью и низкими температурами.

В завершении хочу сказать, что любые работы, связанные с особыми требованиями к точности измерений и интерпретацией результатов измерений, требуют высокой культуры производства, обширного практического опыта и профессионализма сотрудников. К сожалению, в последнее время отсутствие должного технического и авторского надзора, а также вседозволенность системы СРО, приводит к снижению качества работ по инженерным изысканиям и резкому падению квалификации инженеров.
Помимо высоких требований, предъявляемых к приборам для проведения испытаний и к культуре производства работ по инженерным изысканиям, требуется еще и большой практический опыт для достоверной и корректной интерпретации сведений полевых журналов для выдачи эффективных рекомендаций по длине свай, их несущей способности, сечению. От этого, в целом, зависит надежность здания и безопасность его эксплуатации.

Кроме того, неточности при выдаче рекомендаций касательно размеров и допускаемых нагрузок сваи по результатам статических испытаний очень дорого обходятся Заказчикам. Чтобы «подстраховаться», многие изыскатели рекомендуют применять сваи на 1-2 метра больше требуемого. А это оборачивается потерями миллионов рублей на закупку и доставку на объект избыточных погонных метров свай, их срубку и утилизацию.

Думаю, будет полезным указать на еще одну распространённую ошибку при производстве работ по статическим испытаниям, которая состоит в том в том, что по требованиям ГОСТ передавать нагрузку необходимо строго на центр сваи. При этом стенд, в который упирается домкрат, должен быть также размещен строго по направлению приложения нагрузки (упоры-горизонтально, а проставочные элементы-вертикально). В противном случае возникают горизонтальные нагрузки, которые приводят к наклону сваи, срыву испытания и иногда даже — к разрушению сваи.

Но очень часто инженеры-испытатели и надзорные органы не обращают на данный факт внимания. И зря! Потому что по законам вектора силы, чем выше эксцентриситет, тем большая часть вертикальной силы превращается в горизонтальную. При этом не достигается максимальная нагрузка на сваю, заложенная проектом и программой испытания, а сама свая воспринимает нагрузку не так, как это будет в составе фундамента в период эксплуатации.
Тема статических испытаний грунтов сваями настолько обширная — начиная от несоответствия расстояний от испытуемой сваи до опор реперной системы или до анкерных свай и заканчивая вообще отказом от испытаний и последующей необходимостью в их выполнении после завершения строительства здания (по требованию надзорных органов), чтобы сдать объект в эксплуатацию – что трудно в одной-двух статьях очертить весь спектр проблем. И я обязательно расскажу об этом в следующий раз.

Следите за новыми статьями в блоге технического директора ООО «Базис»!

А сейчас краткие рекомендации Заказчикам, планирующим заказ изыскательских работ по статическим испытаниям свай, по выбору изыскательской организации:
— основное правило: для обеспечения качественного проведения испытания требуется иметь надежные поверенные приборы, которые позволят с достаточной точностью определить фактические перемещения (прогибы, осадки, отклонения) и деформации расчетных точек испытываемой сваи при условии правильной их установки на сваю. Так, если установка измерительных приборов на конструкции выполнена некорректно, то это существенно искажает результаты испытаний и приводит к неверной оценке ее работы под действующими нагрузками;
— в штате изыскателей должен быть геолог – попросите показать аттестат и трудовую книжку специалиста;
— измерительные приборы и регистрирующая аппаратура должны быть поверены – запросите заводские паспорта и фотографии приборов в транспортном положении;
— изыскатель для регистрации осадок свай не должен пользоваться прогибомерами прошлого и ранее годов выпуска;
— инженер обязан знать все существующие виды статических испытаний грунтов натурными сваями, уметь их сравнивать и обосновывать на основе требований ГОСТ применение того или иного способа;
— геолог должен уметь самостоятельно подготовить и согласовать с проектной организацией техническое задание на инженерно-геотехнические изыскания, оперативно разработать программу испытаний и технический отчет. Запросите образцы вышеуказанных документов по другим объектам и оцените их на соответствие требованиям ГОСТ и СП.

А мой первый вопрос, который я задаю при приеме на работу соискателям на должность изыскателей: «какими конкретно нормативными документами регулируется работа по инженерным изысканиям и статическим испытаниям?». Иногда я спрашиваю, «чем отличаются статические испытания свай от статических испытаний грунтов?». И, что очень печально, но точно характеризует уровень подготовки специалистов, всего 2(!) раза я услышал от специалиста-соискателя  верный ответ 🙂