способ определения несущей способности моделей свай

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МОДЕЛЕЙ СВАЙ, включающий помещение грунта и модели сваи в рабочую камеру, приложение к модели сваи боковой нагрузки, различной по ее высоте, и последующее осевое нагружение с измерением параметров для расчета несущей способности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, расширения диапазона исследований путем моделирования условий, близких к реальным, в рабочую камеру помещают грунт в виде модели из материалов, изменяющих свои геометрические параметры под действием электрического поля, предварительно механически обжимают модель сваи с силой, постоянной по ее высоте, но различной или одинаковой по каждой отдельно взятой боковой грани модели сваи, причем величину силы обжатия рассчитывают в зависимости от типа самого слабого слоя естественного грунта и наличия внешних факторов, при этом последующее нагружение модели сваи различной нагрузкой по ее высоте осуществляют путем приложения к модели грунта электрического поля разной величины, которую изменяют с одинаковой или различной закономерностью.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материалов для модели грунта используют пьезоэлектрики.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, а именно к строительству на вечномерзлых и талых грунтах, и может быть использовано для проектирования и эксплуатации фундаментов зданий и сооружений на этих грунтах.

Известны способы испытания свай в мерзлых грунтах статической нагрузки, включающие загружение свай осевой статистической нагрузки, включающее загружение сваи осевой нагрузкой и позволяющие определить несущую способность сваи по результатам ее загружения пробной статической нагрузкой.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения несущей способности моделей сваи в грунте, включающее засыпку и уплотнение каждого слоя грунта, обжатие при помощи гидравлического воздействия до определенной величины давления в каждом слое грунта по заданной программе, внедрение модели сваи погружающим приспособлением на исследуемую глубину, затем создание этим же приспособлением статической нагрузки с одновременным заданным изменением напряженного состояния грунта (т. е. грунт сжимают).

Недостатками известного способа являются: сложность его осуществления, так как он требует трудоемких операций добычи, перевозки, послойной загрузки естественного грунта в рабочую камеру и уплотнения каждого его слоя; невысокая точность определения несущей способности свай из-за того, что произвести свойства (физические) естественного грунта после его загрузки и уплотнения не представляется возможным; ограниченность диапазона испытаний, поcкольку нельзя в полной мере смоделировать различные грунтовые условия и возможные их изменения вследствие воздействия различных внешних факторов, а также проводить испытания в автоматическом режиме.

Цель изобретения - повышение точности, расширение диапазона исследований за счет моделирования условий, близких к реальным.

Цель достигается тем, что в способе определения несущей способности моделей свай, включающем помещение грунта и модели сваи в рабочую камеру, приложение на модель сваи боковой нагрузки, различной по ее высоте и последующее осевое нагружение с измерением параметров для расчета несущей способности, согласно изобретению в рабочую камеру помещают в виде модели из материалов, изменяющих свои геометрические параметры под действием электрического поля, предварительно механически обжимают модель сваи с силой, постоянной по ее высоте, но различной или одинаковой по каждой отдельно взятой боковой грани модели сваи, причем величину силы обжатия рассчитывают в зависимости от типа самого слабого слоя натурного грунта и наличия внешних факторов, при этом последующее нагружение модели сваи различной нагрузкой по ее высоте осуществляют путем приложения грунта электрического поля разной величины, которую изменяют с одинаковой или различной закономерностью, а в качестве материалов для модели грунта используют пьезоэлектрики.

На фиг. 1 изображена схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2-5 - графики, иллюстрирующие способ.

Устройство содержит модель сваи 1, размещенную в камере 2 через отверстие в крышке 3, механические обжимные приспособления 4 с прижимными пластинами 5, на которых закреплены прижимные элементы 6 и диэлектрические пластины 7. Прижимные элементы 6 из пьезоэлектрического материала соединены через выпрямитель 8 и делитель напряжения 9 с электрической сетью.

Для приложения и измерения осевой нагрузки используют приспособление 10 с динамометром 11. Прижимные элементы 6 и диэлектрические пластины 7 представляют собой модель грунта.

Способ реализуют следующим образом.

Испытания свай проводят, моделируя условия, соответствующие различным конфигурациям свай (например, квадратной), типам и свойствам грунтов для различных температур. Перед началом испытаний по СНИП 2.02.04-88 выбирают величину сопротивления мерзлого грунта по поверхности смерзания со сваей Rⁿ_см или по СНИП 2.02.03-85 - сопротивление трения fⁿ_i по боковым поверхностям свай для талых грунтов, соответствующие самому слабому слою того или иного типа грунта (например, песчаного). Самым слабым грунтом называют грунт, у которого расчетные сопротивления Rⁿ_см и fⁿ_i имеют минимальные значения для данного конкретного случая испытаний свай.

Величины силы предварительного обжатия каждой грани модели свай, контролируемые с помощью динамометров (на фиг. 1 не показаны), рассчитывают соответственно для мерзлых грунтов N_пм и талых грунтов N_птпо формулам

N_nм= KRⁿ_смF_см ;

N_пт= Kfⁿ_i F_ст ; (1) где К - коэффициент подобия, который выбирают в соответствии с механическими свойствами (например, пластичностью или хрупкостью) модели грунта, (так, для кварца К= 1; F_см и F_ст - площади поверхностей контакта слабого слоя модели мерзлого или талого грунта с гранью модели сваи 1; численный коэффициент 1/4 взят для случая, когда обжатие производится четырьмя механическими обжигами приспособлениями (если обжимных приспособлений N, то этот коэффициент следует брать равным 1/N).

Затем осуществляют дополнительное обжатие модели сваи моделью грунта для этого прикладывают к нему электрическое поле, величину которого изменяют по слоям модели грунта, прилегающим к равным боковым граням модели сваи по определенной закономерности, в соответствии с изменением температуры t_z и глубины залегания Z естественного мерзлого или талого грунта, т. е. в зависимости от расчетных сопротивлений R^z_см и f_i^z . Величины электрического поля, прикладываемого к модели грунта, выбирают исходя из линейной зависимости абсолютных приращений геометрических параметров его слоев h и l от электрического напряжения U h = d U

(2)

для продольного обратного пьезоэффекта,

l= d (-U) (3)

для поперечного обратного пьезоэффекта, где h - толщина, l - длина слоя модели грунта, d - пьезоэлектрический модуль (для кварца d = 2,33 10^-2 м/В).

Затем строят график изменения прикладываемого электрического напряжения от расчетных сопротивлений R^z_см или f^z_i, в соответствии с которыми и подают электрическое напряжение на тот или иной слой модели грунта, прилегающий к разным граням модели сваи, с одинаковой или различной закономерностью.

Установив на крышку 3 погружающее приспособление 10 с динамометром 11, создают погружающим приспособлением возрастающую осевую нагрузку на модель сваи 1, фиксируют динамоментром 11 максимальную силу осевой нагрузки в момент срыва (начала поступательного движения) модели сваи или замеряют ее осадку.

По результатам испытаний определяют экспериментальную несущую способность модели сваи _э, которую сравнивают с теоретической несущей способностью _т, рассчитанной по формулам соответственно для мерзлого и талого грунтов (_тм, _тт)

_тм= kfm(R^Z_смF_смi),

_тт= Kfmf^Z_iF_стi, (4) где f - коэффициент трения поверхности модели сваи 1 о поверхность модели грунта; m - коэффициент условий работы грунта (m = 0,1-1,1); n - число слоев модели грунта, R^z_см и f^z_i - расчетные сопротивления i-х слоев мерзлого и талого естественных грунтов для температуры t_z и глубины его залегания Z F^z_cмi и F_стi - площади поверхностей контактов i-х слоев модели мерзлого или талого грунтов.

Сравнив _эи_т делают вывод о фактической несущей способности сваи в конкретных грунтовых условиях и о правильности выбранных конструкций и размеров сваи.

Кроме того, результаты испытаний, проведенные по предложенному способу, позволяют учитывать изменения геологической обстановки территории застройки под воздействием внешних факторов, путем варьирования силы прижатия прижимных элементов в связи с различными величинами сопротивлений R^z_см и f^z_i.

Провели испытания, моделируя условия, соответствующие различным конфигурациям свай и типам грунтов.

В первом примере смоделированы условия для испытания квадратной сваи длиной 10 м (рабочая длина сваи 8 м) и площадью поперечного сечения 0,16 м², погружаемой в песчаный вечномерзлый грунт.

Для данного конкретного случая определили изменение температуры t_z от глубины залегания естественного грунта. Результат представлен на фиг. 2. Далее по СНИП 2.02.04-88 выбрали значения расчетного сопротивления для всего интервала температур (t_z = (-0,3) - (-1,5)^оС. Затем построили график R^z_см = f(t_z) (см. фиг. 3, кривая 1) и график изменения прикладываемого электрического напряжения U от сопротивления R^z_см (см. фиг. 4, кривая 1).

Из фиг. 3 видно, что самый слабый слой мерзлого грунта находится при температуре - 0,3^оС и ей соответствует расчетное сопротивление Rⁿ_см = 510⁴ Н/м², для которого по формуле (1) рассчитали постоянную силу обжатия одним обжимным приспособлением

N_n= 510⁴410^-4= 5,0 H , после чего приступили к определению несущей способности модели сваи. Для этого использовали устройство, изображенное на фиг. 1. Модель сваи установили в рабочую камеру 2 через отверстие в крышке 3 и с помощью каждого механического обжимного приспособления 6 создали силу обжатия N_n = 5,0 Н. Затем повысили обжатие модели сваи, приложив к каждому слою модели грунта электрическое напряжение в соответствии с фиг. 4 (кривая 1).

Установив на крышку 3 погружающее приспособление 10 с динамометром 11, создали возрастающую осевую нагрузку на модель сваи 1 и определили экспериментальную несущую способность _т. Она оказалась равной 98 Н. Предварительно рассчитанная теоретическая несущая способность _т имела величину 96 Н. Следовательно, проведенные испытания показали, что фактически несущая способность выбранной системы "грунт-свая" соответствует требуемой.

Второй пример аналогичен первому, только вместо песчанного грунта испытания вели в глинистом грунте. Соответствующие этому грунту зависимости R^z_см от t_z и U от R^z_см представлены на фиг. 3, кривая 2 и на фиг. 4, кривая 2. По фиг. 2 выбрали Rⁿ_см = = 4 10⁴ Н/м² и рассчитали N_nм= 4,0 Н. Несущие способности моделей свай соответственно оказались равны _э = 85 Н; _т= 81 Н.

В третьем примере испытания проводили для той же сваи, что и в первых двух примерах, однако нижняя половина сваи находилась в мерзлом грунте, а верхняя - в талом (см. фиг. 5, кривая 1).

Этому состоянию соответствуют графики зависимостей R^z_см и f^z_iот номера слоя модели грунта n, а также зависимость U = = f(n), (см. фиг. 5, кривая 2).

Самому слабому слою грунта при этом соответствует Rⁿ_см = 2,3 10⁴ Н/м² и сила предварительного обжатия N_n = 2,3 Н. Экспериментальная несущая способность модели сваи _э , 63 Н; теоретическая несущая способность _т = 60 Н.

Таким образом, приведенные примеры показывают, что несущие способности выбранных свай соответствуют необходимым критериям.

Изобретение позволяет учесть широкий спектр факторов, влияющих на несущую способность свай, находящихся в естественных условиях, в том числе и изменения геокриологической обстановки территории застройки при воздействии внешних условий, т. е. расширить диапазон измерений. Кроме того, использование способа позволяет отказаться от дорогостоящих длительных натурных испытаний, а также проводить испытания в автоматическом режиме, поскольку подачу необходимого электрического напряжения на разные группы прижимных элементов можно осуществить по ранее заданной программе.

(56) Руководство по полевым испытаниям свай в вечномерзлых грунтах. М. : Стройиздат, 1977, с. 8-12.

Авторское свидетельство СССР N 642426, кл. E 02 D 1/00, 1976.