Определение оптимального усилия вдавливания свай

Без названия

Определение оптимального усилия вдавливания свай

При разработке ППР на устройство свайного поля методом статического вдавливания самым важным является вопрос определения расчетным путем оптимального усилия вдавливания свай. Это необходимо для расчета требуемого количества пригрузов для загрузки СВУ, обеспечения высокой производительности и энергоэффективности погружения свай. Кроме того, наши инженеры ПТО ежесменно осуществляют мониторинг усилия вдавливания на последнем метре погружения каждой сваи с целью контроля качества погружения и глубины погружения острия сваи в несущий грунтовый слой.

На сегодняшний день, несмотря на широкое использование метода статического вдавливания свай, нет единого мнения и единого нормативного документа по назначению и\или расчету усилия погружения свай Fвд. Мой практический опыт показывает, что существующие нормативные документы и программные комплексы служат лишь ориентиром, а определённые по ним значения усилия вдавливания существенно отличаются от фактических. Особенно это касается песчаных грунтов. Ясно одно, что назначать усилие вдавливание свай Fвд необходимо пропорционально требуемой проектом несущей способности применительно к конкретным грунтовым условиям строительной площадки, без учета скорости погружения свай и\или технических особенностей установок для вдавливания свай. В различных нормативных источниках предельное усилие для вдавливания принимается с учётом коэффициента, варьируемого от 0,55 до 2,1.

Изучая этот вопрос, столкнулся с различными мнениями, подкрепленными данными опытных исследований на тему определения усилия вдавливания свай при погружении и его зависимости от расчетной нагрузки, назначенной проектом.

Данные исследования проведены:

— специалистами Томского ГАСУ Ющубе С.В., Сулима В. А., Тарасов А. А. (http://www.tsuab.ru/upload/files/additional/3_2016_16_JUshhube_file_6985_6145_2872.pdf),

— научным сотрудником Одесской государственной академии строительства и архитектуры В.М. Митинским (http://www.nbuv.gov.ua/old_jrn/natural/Znpgmb/2007_19/16_Mitinskiy_Red.pdf)

— учеными кафедры Магнитогорского государственного технического университета: В. М. Швецов и Р. К. Ибрагимов (Швецов В.М., Ибрагимов Р.К. О назначении усилия вдавливания свай // Реконструкция городов и геотехническое строительство: Сб. тр. – С-П., 2004. – №8. – С. 40-45) и др.

Тема очень интересная, мнения высказаны разные, но схожи они в одном: точной зависимости между усилием вдавливания и несущей способностью грунта пока обнаружить не удалось.

Не буду сейчас описывать все предлагаемые решения и поправочные коэффициенты. Опишу только два нормативных документа, которые имеют большой вес в строительной сфере:

1. п.п.7.6.7 СП24.13330-2011 «СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85»:

Минимально необходимое усилие F, кН, для вдавливания свай допускается определять по формуле

FвдcFd

где ƴc— коэффициент условий работы, принимаемый при скорости погружения сваи до 3 м/мин равным 1,2;

Fd— несущая способность сваи при различных глубинах ее погружения в грунтовых условиях участка строительства, кН»

Согласно п.п.7.1.11 

«Сваю в составе фундамента и одиночную по несущей способности грунта основания следует рассчитывать исходя из условия

где N— расчетная нагрузка, передаваемая на сваю (продольное усилие, возникающее в ней от расчетных нагрузок, действующих на фундамент при наиболее невыгодном их сочетании), определяемая в соответствии с 7.1.12;

Fd — несущая способность (предельное сопротивление) грунта основания одиночной сваи, называемая в дальнейшем несущей способностью сваи и определяемая в соответствии с подразделами 7.2 и 7.3;

Ƴo — коэффициент условий работы, учитывающий повышение однородности грунтовых условий при применении свайных фундаментов, принимаемый равным

=1 при односвайном фундаменте и

=1,15 при кустовом расположении свай;

Ƴn — коэффициент надежности по назначению (ответственности) сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15 и 1,10 соответственно для сооружений I, II и III уровней ответственности;

Ƴk — коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным:

=1,2  — если несущая способность сваи определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой;

=1,25 — если несущая способность сваи определена расчетом по результатам статического зондирования грунта или по результатам динамических испытаний сваи, выполненных с учетом упругих деформаций грунта, а также по результатам полевых испытаний грунтов эталонной сваей или сваей-зондом;

=1,4 — если несущая способность сваи определена расчетом, в том числе по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта;

=1,4 (1,25) — для фундаментов опор мостов при низком ростверке, на висячих сваях (сваях трения) и сваях-стойках, а при высоком ростверке — только при сваях-стойках, воспринимающих сжимающую нагрузку независимо от числа свай в фундаменте.»

Следовательно, при нормальном уровне ответственности сооружения, учитывая, что первоначальная несущая способность была определена расчетом, можно вывести зависимость:

Fвд N*1,2*1,15*1,4/ 1,15 = 1,68*N

2. СП 45.13330.2012 «ЗЕМЛЯНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ. Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87» Приложение Е. п.п. Е.3 «Контроль за погружением свай методом вдавливания следует осуществлять по глубине погружения и усилию вдавливания. В конце погружения, когда нижний конец сваи достиг отметок, близких к проектным, прекращать погружение сваи допускается при условии

Fвдkg*Fd/m, (Е.7)

где F — усилие вдавливания, кН;

kg — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2;

Fd — несущая способность сваи, кН, указанная в проекте;

m — коэффициент условий работы, принимаемый при отсутствии опытных данных 0,9.

Примечание — Величину коэффициента m допускается уточнить по результатам статических испытаний свай.»

Следовательно, в данном случае, также учитывая нормальный уровень ответственности и первоначальную несущую способность/ определённую расчетом, можно вывести зависимость:

FN*1,2*1,15*1,4/ 1,15*0,9 = 1,87*N

Обращу внимание, что строительные нормы в данном случае устанавливают минимально необходимое усилие вдавливания.

Мой личный опыт погружения свай вдавливанием (более 700км погруженных свай, более 1000 статических испытаний грунтов) доказывает, что строительные нормы в этом случае не корректны. Да и здравый смысл подсказывает, что если на ж\б сваю дать усилие, превышающее предел ее прочности по материалу, то она скорее сломается, чем вдавится в грунт.

Далее – пара «свежих» примеров конца 2016 года, основанных на результатах опытных данных, которые покажут, что и при меньшем усилии вдавливания достигается требуемая проектом несущая способность свайного фундамента, а строительные нормы в данном случае искажают реальность.

1. Устройство свайного поля методом статического вдавливания свай на объекте «Многоквартирный жилой дом» по адресу: Владимирская область, г. Владимир, ул. Крупской.

Проектом предусмотрено погружение свай С120.30-8 вдавливанием с передачей расчетной нагрузки на грунты основания в 42 тонны. На этапе пробного погружения одна из свай была погружена с усилием на проектной отметке острия в 36 тонн. Учитывая требования строительных норм, необходимо было, не дожидаясь завершения «отдыха» и испытания свай, закупить сваи большей длины и погрузить их с тем, чтобы минимальное усилие на последнем погружения составило не менее 42*1,68=71 тонны.

По результатам выполненных инженерно-геологических изысканий на исследуемой площадке в толще грунтов основания проектируемых зданий выделено 8 инженерно-геологических элементов:

ИГЭ-1. Насыпной грунт: суглинок темно-коричневый, полутвердый и тугопластичный с включениями битого красного кирпича до 10-20%, с бытовым и строительным мусором. Элемент встречен всеми скважинами. Мощность элемента равна 1,50-2,70м.

ИГЭ-2. Суглинок серо-коричневый, тугопластичный, иногда полутвердый, местами с прослойками песка; делювиальный. Элемент имеет повсеместное распространение. Мощность его составляет 1,40 — 2,20м.

ИГЭ-3. Песок пылеватый, жёлто-коричневый, кварцевый, средней плотности, водонасыщенный, в кровле редко влажный, глинистый, местами с прослойками суглинка; аллювиальный. Элемент залегает в верхней части разреза и встречается повсеместно. Мощность его равна 1,80-3,90м.

ИГЭ-4. Суглинок жёлто-коричневый, текучепластичный, местами мягкопластичный, с тонкими прослойками песка; аллювиальный. Элемент встречен всеми скважинами. Мощность его изменяется от 1,90 до 4,40м.

ИГЭ-5. Суглинок серо-зеленый, местами коричневый тугопластичный, с примесью органических веществ, местами с прослойками песка, очень редко в кровле сильно ожелезненный; аллювиальный. Элемент встречен всеми скважинами. Мощность его изменяется от 0,60 до 3,00м.

ИГЭ-6. Песок пылеватый кварцевый серо-коричневый, средней плотности, водонасыщенный, слюдистый, местами с прослойками сильного ожелезнения; нижнемеловой. Песок выделенного элемента имеет повсеместное распространение и залегает в виде линз и прослоев в толще нижнемеловых отложений. Мощность линз и прослоев колеблется в пределах 0,60 – 3,00м.

ИГЭ-7. Песок пылеватый кварцевый темно-серый, плотный, водонасыщенный, слюдистый, местами с прослойками суглинка; нижнемеловой. Песок выделенного элемента имеет повсеместное распространение и залегает в виде линз и прослоев в толще нижнемеловых отложений. Мощность линз и прослоев колеблется в пределах 1,30 – 3,20м.

ИГЭ-8. Суглинок тёмно-серый до чёрного, тугопластичный, слюдистый, с прослойками песка пылеватого, мощностью до 1-2см; нижнемеловой. Суглинок имеет повсеместное распространение, залегает в виде линз и прослоев в толще нижнемеловых отложений. Нижний прослой на полную мощность ни одной скважиной не пройден. Полная мощность верхних прослоев и линз составляет 0,60 — 2,10м, а вскрытая мощность нижнего прослоя изменяется в пределах 1,70 – 6,50м.

После «отдыха» вышеуказанная свая была испытана статической нагрузкой в 52 тонны на вдавливание по ГОСТ 5686-2012. Как я и предполагал, результаты испытаний оказались положительными. Суммарная осадка составила всего 5мм, при максимально допустимой величине осадки для данного типа сооружений в 30мм.

2. Монтаж свайного поля методом статического вдавливания свай на объекте: «Торговый, офисно-гостиничный комплекс», по адресу: г. Москва, пос. Сосенское, вблизи д. Мамыри, «Торговый комплекс «ДЕКАТЛОН». Проектом предусмотрено вдавливание свай С 120.35-11\7. Заказчиком было высказано пожелание минимизировать бюджет устройства свайного поля за счет применения свай оптимальной длины с передачей на них максимально допустимой строительными нормами и правилами расчетной нагрузки. По результатам выполненных инженерно-геологических изысканий на исследуемой площадке в толще грунтов основания проектируемых зданий выделены следующие инженерно-геологические элементы:

ИГЭ-1 (tQIV) Насыпной грунт. Насыпные грунты состоят из суглинисто-песчаного грунта, с включениями обломков кирпича, строительного мусора. Разнородность грунтов, их неравномерное распределение по площади и непредсказуемость свойств могут привести к негативным последствиям при выборе ИГЭ-1 в качестве несущего слоя при строительстве. Согласно СП 22.13330.2011 расчетное сопротивление данных грунтов Ro = 80 кПа.

ИГЭ-2 (prQIII) Глина, местами суглинок, тугопластичная до полутвердой. По результатам лабораторных исследований средние значения природной влажности 26,8%, числа пластичности 19 и показателя текучести 0,34. Нормативное значение плотности грунтов природного сложения составляет 1,89 г/см3. Коэффициент пористости 0,831.

По лабораторным данным средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 12 МПа, φ = 18о и с = 30 кПа.

По данным статического зондирования средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 9 МПа, φ = 17о, с = 32 кПа.

Согласно СП 22.1330.2014 глины при коэффициенте пористости 0,831 имеют следующие характеристики: Е = 15 МПа, φ = 16о, с = 44 кПа и коэффициент поперечной деформации ν = 0,44.

В качестве нормативных деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется принять:

модуль общей деформации Е = 9 МПа;

угол внутреннего трения φ = 17о;

удельное сцепление с = 30 кПа;

коэффициент поперечной деформации ν = 0,44.

ИГЭ-3 (f,lgQIIms) Суглинок до глины полутвердый до тугопластичного. По результатам лабораторных исследований средние значения природной влажности 22,0%, числа пластичности 16 и показателя текучести 0,23. Нормативное значение плотности грунтов природного сложения составляет 2,02 г/см3. Коэффициент пористости 0,660.

По лабораторным данным средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 18 МПа, φ = 17о и с = 28 кПа.

По данным статического зондирования средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 12 МПа, φ = 20о, с = 21 кПа.

По данным штамповых испытаний модуль деформации суглинков ИГЭ-3 равен Е = 9 МПа.

Согласно СП 22.1330.2014 суглинки при коэффициенте пористости 0,660 имеют следующие характеристики: Е = 26 МПа, φ = 24о, с = 30 кПа и коэффициент поперечной деформации ν = 0,37.

В качестве нормативных деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется принять:

модуль общей деформации Е = 9 МПа;

угол внутреннего трения φ = 17о;

удельное сцепление с = 21 кПа;

коэффициент поперечной деформации ν = 0,37.

ИГЭ-4 (f,lgQIIms) Суглинок, местами переходящий в супесь, тугопластичный до мягкопластичного, с прослоями песка. По результатам лабораторных исследований средние значения природной влажности 22,4%, числа пластичности 11 и показателя текучести 0,53. Нормативное значение плотности грунтов природного сложения составляет 2,01 г/см3. Коэффициент пористости 0,644.

По лабораторным данным средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 15 МПа, φ = 23о и с = 25 кПа.

По данным статического зондирования средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 11 МПа, φ = 20о, с = 20 кПа.

По данным штамповых испытаний модуль деформации суглинков ИГЭ-4 равен Е = 14 МПа.

Согласно СП 22.1330.2014 суглинки при коэффициенте пористости 0,644 имеют следующие характеристики: Е = 17 МПа, φ = 22о, с = 28 кПа и коэффициент поперечной деформации ν = 0,37.

В качестве нормативных деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется принять:

модуль общей деформации Е = 11 МПа;

угол внутреннего трения φ = 20о;

удельное сцепление с = 20 кПа;

коэффициент поперечной деформации ν = 0,37.

ИГЭ-5 (f,lgQIIms) Песок крупный до гравелистого, средней плотности, маловлажн. и водонасыщ., с вкл. дресвы и щебня. По данным статического зондирования пески средней плотности. Среднее значение удельного сопротивления под конусом зонда 9,47 МПа, что соответствует коэффициенту пористости 0,633. Средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов по данным испытаний: Е = 27 МПа, φ = 33о. Рассчитанное значение плотности грунтов выше УГВ – 1,68 г/см3, в водонасыщенном состоянии – 2,01 г/см3.

Согласно СП 22.1330.2014 при коэффициенте пористости 0,633 пески имеют следующие характеристики: Е = 32 МПа, φ = 38о, с = 0 кПа и коэффициент поперечной деформации ν = 0,33.

В качестве нормативных деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется принять:

модуль деформации Е = 24 МПа;

угол внутреннего трения φ = 33о;

удельное сцепление с = 0 кПа;

коэффициент поперечной деформации ν = 0,33.

ИГЭ-6 (gQIIdn) Суглинок полутвердый, с вкл. дресвы и щебня. По результатам лабораторных исследований средние значения природной влажности 13,9%, числа пластичности 12 и показателя текучести 0.01. Нормативное значение плотности грунтов природного сложения составляет 2,14 г/см3. Коэффициент пористости 0,443.

По результатам испытаний грунтов методами компрессионного сжатия и одноплоскостного среза средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 28 МПа, φ = 18о и с = 57 кПа.

По результатам испытаний грунтов методом трехосного сжатия средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 40 МПа, φ = 26о и с = 86 кПа.

Согласно СП 22.1330.2014 суглинки при коэффициенте пористости 0,443 имеют следующие характеристики: Е = 51 МПа, φ = 26о и с = 47 кПа, коэффициент поперечной деформации ν = 0,35.

В качестве нормативных деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется принять:

модуль общей деформации Е = 25 МПа;

угол внутреннего трения φ = 18о;

удельное сцепление с = 57 кПа;

коэффициент поперечной деформации ν = 0,33.

ИГЭ-7 (fQIIok-dn) Песок средней крупности, средней плотности, водонасыщ., с вкл. дресвы и щебня. По архивным данным средние значения деформационных и прочностных характеристик грунтов: Е = 29 МПа, φ = 33о, с = 1 кПа. Рассчитанное значение плотности грунтов в водонасыщенном состоянии составляет 2,04 г/см3. Коэффициент пористости 0,610.

Согласно СП 22.1330.2014 суглинки при коэффициенте пористости 0,610 имеют следующие характеристики: Е = 34 МПа, φ = 36о и с = 1 кПа, коэффициент поперечной деформации ν = 0,32.

В качестве нормативных деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется принять:

модуль деформации Е = 29 МПа;

угол внутреннего трения φ = 33о;

удельное сцепление с = 1 кПа;

коэффициент поперечной деформации ν = 0,32

На этапе пробного погружения одна из пробных свай была погружена с усилием на проектной отметке острия в 116,5 тонн. Дальнейшее испытание сваи производилось до её срыва, что позволило получить точные значения отношения усилия вдавливания к расчётной нагрузке.

При испытании данной сваи максимальная нагрузка, при которой зафиксирована стабилизация осадки, достигнута при величине нагрузке в 118,86 тонн. Соответственно, по результатам статических испытаний грунтов натурными сваями может быть установлена расчетная нагрузка на сваю не более 99,05 тн.

Соотношение усилия вдавливания Fвд=116,5тн к подтверждаемой расчетной нагрузке N=99,05 показывает зависимость: Fвд≥1,17*N, что на 43% меньше необходимого по требованиям строительных норм. А это означает, что по результатам пробного погружения и статических испытаний свай 43% стоимости свайного фундамента не будет попусту зарыто в землю, как это было предусмотрено проектом, рассчитанным теоретическим путем по существующим нормам, содержащим избыточный запас прочности. Подобные результаты мы наблюдали при вдавливании свай в Волгограде, Белгороде, Санкт-Петербурге, Рязани, Ростове, Нижнем Новгороде и других городах РФ.

Эти два примера доказывают и тот факт, что Заказчик, привлекая профессионального и ответственного Подрядчика для оказания высокотехнологичных и, по всеобщему заблуждению, дорогостоящих услуг вдавливания свай, в итоге втройне выигрывает: существенно экономит бюджет, сроки производства работ и получает гарантированный мониторингом результат: идеально исполненное свайное поле требуемой несущей способности.

Приведенные примеры показывают, что на самом деле механика грунтов в части нагрузок при вдавливании свай и её корреляция с несущей способностью не изучена настолько, чтобы получить и закрепить в нормативных документах универсальные коэффициенты для расчета необходимого усилия вдавливания. Данная проблема требует более обширного анализа исходя из опытных данных. Теоретические данные, полученные расчетным путем, не имеющие в своей основе достоверных сведений по полевым исследованиям, приводят проектные организации к завышенным требованиям к свайным фундаментам, которые, соответственно, приводят к необоснованно увеличенной длине свай, и, как следствие, возрастанию стоимости устройства свайного поля.

BASIS предлагает собственное фирменное решение этого вопроса:

— на этапе разработки ППР наши:

— геологи, основываясь на имеющейся в BASIS уникальной базе геотехнических данных, накопленной в результате многолетнего опыта практической работы по вдавливанию свай, определяют оптимальное усилие вдавливания и длину свай, обеспечивающие требуемые проектом параметры нагрузки на свайного поля;

— технологи, основываясь на геологических разрезах и расчетной схеме здания, определяют схему расположения пробных свай и способ загрузки СВУ;

— на этапе производства работ ИТР BASIS проводят мониторинг погружения каждой пробной сваи и фиксируют усилие вдавливания при прохождении ею каждого слоя ИГЭ;

— на этапе камеральной обработки полевых данных мониторинга погружения геотехник накладывает график фактического усилия вдавливания на геологические слои и определяет сваи, параметры погружения которых отклоняются от прогнозируемых;

— на этапе геотехнических изысканий эти сваи подвергаются статическим испытаниям;

— далее, по результатам статических испытаний, при необходимости корректируется требуемое усилие вдавливание и длина свай.

ВНИМАНИЕ! 99% компаний, располагающих аналогичной техникой для вдавливания свай, НЕ ОБЛАДАЮТ необходимой базой геотехнических данных и практическим опытом для качественного предоставления подобной услуги. Да, они рекламируют свои возможности ее выполнить, и даже берутся сделать, так как Заказчику она весьма выгодна. Чтобы понять, что Вы получили от сотрудничества и выполненной таким подрядчиком «оптимизации проектных решений» – пришлите нам результаты (техническое заключение) для аудита, мы проведем его для Вас совершенно бесплатно!

Компания BASIS является автором и разработчиком метода «погружения пробных свай с мониторингом усилия вдавливания». Мы предоставляем беспрецедентные финансовые гарантии на эту услугу: если наши прогнозы по оптимизации свайного поля не будут в дальнейшем подтверждены результатами статических испытаний по ГОСТ 5686-2012 – мы вернем Заказчику деньги, потраченные на изыскания, вдвойне.