С.Б. Енкебаев, Р.Е. Лукпанов, Е.Б. Утепов
Методика испытаний грунтов Spring Hummer Rapid Load Test - тестирование за короткий промежуток времени пружинным молотом
(Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан)
В статье рассмотрена новая методика испытания грунтов Rapid Load Test (тестирование за короткий промежуток времени) пружинным молотом (Spring Hammer Load Test). Методика основана на теории PDA - Pile Dynamic Analyze (динамический анализ свай), которая получила широкое развитие во многих передовых странах мира, таких как Япония, Америка, Финляндия, и, несомненно, представляет практический интерес для современного строительства оснований и фундаментов в Казахстане.
Введение
Испытания грунтов статической нагрузкой на сваю по традиционной технологии являются наиболее надёжными, но при этом, как показала практика, дорогостоящими и продолжительными. Такие испытания, в лучшем случае, занимают 1-2 дня. При этом как минимум половина дня, до начала испытаний (в зависимости от вида оборудования и других условий), уходит на монтирование довольно громоздкого анкерно-упорного стенда. Как правило, на объекте проводят 2-3 испытания грунтов статической нагрузкой, что не всегда бывает достаточным для оценки всей ситуации на строительной площадке.
Традиционные динамические испытания грунтов сваями являются относительно недорогим и быстрым способом испытаний, однако подобные испытания проводятся только для забивных свай и нередко забивка свай приводит к разрушению головы сваи. Кроме этого динамические испытания не всегда можно выполнить так, чтобы получить точные данные о несущей способности сваи.
Рассмотренная в статье методика Rapid Load Test (испытания за короткий промежуток времени) и одна из её разновидностей Spring Hammer Load Test (испытания пружинным молотом) позволяет: - сократить время испытания (испытания одной сваи длятся около 20 минут); - увеличить количество испытаний (до 10-ти испытаний в день на одном объекте) и их качество (пружинное устройство не даёт разрушить оголовок сваи); - а так же значительно уменьшить стоимость испытания в сравнении с традиционным видом испытаний грунтов статической нагрузкой на сваю, что, несомненно, является актуальным на сегодняшний день.
1. Метод испытания пружинным молотом (SH Rapid Load Test Method)
Эмпирическая модель грунта для испытания по методике Rapid Load Test была предложена учёным Смитом (Smith, 1960). Далее модель развивалась такими учёными как Гонин и Леонард (Gonin & Leonard, 1984. Dynatest), Бермингам и Джейн (Bermingham & Jane, 1989. Statnamic test), Шелингераут и Ревурт (Schellingerhout & Revoort, 1996. Pseudo-static load test). Метод нелинейного затухания, применяемый в испытаниях пружинным молотом, был предложен Матсумото (Matsumoto, 1994. Non-linear damping method) для получения графика зависимости нагрузки от осадки, идентичному графику при статических испытаниях сваи. В этом методе распространением волны в свае можно пренебречь.
В оборудование для испытания пружинным молотом Spring Hammer Test нагрузка на сваю прикладывается свободным падением массы пружинного молота на оголовок сваи.
В методе Spring Hammer Test применён метод нелинейного затухания, чтобы получить статическое поведение сваи и график зависимости нагрузки от осадки, идентичный графику при статических испытаниях сваи.
1.1 Оборудование для испытания
Пружинное устройство (Spring Unit) установлено на датчике нагрузки (load cell), который установлен на оголовке сваи (Рисунок 1). Молот падает на пружинное устройство, при этом, для увеличения нагрузки на сваю, высота подъёма молота с последующим ударом увеличивается. Ускорение измеряется двумя датчиками ускорения (accelerometer), которые установлены в оголовке сваи. Осадка сваи измеряется лазерным или оптическим измерителем
перемещения (displacement transducer). Динамические сигналы замеряются на частоте замеров выше 1 кГц. Выходные динамические сигналы записываются через компьютеризированную систему сбора данных.
Рисунок 1.Система загружения и измерения в испытаниях пружинным молотом по методике Spring Hammer Rapid Load Test (Испытания за короткий промежуток времени пружинным молотом)
1.2 Интерпретация метода нелинейного затухания
Рисунок 2.Моделирование испытаний за короткий промежуток времени
На рисунке 2 отображена модель сваи и грунта во время испытаний за короткий промежуток времени (Rapid Load Test). Свая или штамп принимаются как "жёсткая масса", имеющая массу Мр, и дополнительную массу грунта Ms. Грунт моделируется как совместная работа пружины и амортизатора. Эта модель была предложена Миддендорпом и далее развивалась Кусакабе и Матсумото (Middendorp, 1992. Kusakabe & Matsumoto, 1995).
На рисунках 3 и 4 отображена система обозначений используемых в методе нелинейного затухания. Приложенная нагрузка, Frapid, равна сумме грунтового сопротивления, Fsoil, инерции массы сваи, а так же дополнительной массы грунта. Величины К и С для каждого последующего шага поочерёдно корректируются. В итоге строится график зависимости осадки от нагрузки, Fw относительно W, как отображено на рисунке 4.
Рисунок 3.Корректировка инерции при определении сопротивления грунта.
Рисунок 4.Построение графика нагрузка-осадка по методу нелинейного затухания
2. Сравнение результатов метода испытания за короткий промежуток времени пружинным молотом (Spring Hammer Rapid Load Test) и метода испытаний статической нагрузкой (Static Load Test)
Объект: супермаркет "Аоки"в г. Нагойя, Япония. Испытания проводились компанией Марубени, под научным руководством профессора Матсумото (Университет Каназава). Кроме этого на испытаниях участвовали магистранты и докторанты университета Каназава и Евразийского Национального Университета им. Л.Н. Гумилёва.
Было проведено 7 испытаний свай по методике Rapid Load Test и 2 испытания (свая №1 и №3) по традиционной методике испытания грунтов сваями статической нагрузкой (Рисунок 6).
На рисунке 5 и 6 представлены инженерно геологический разрез площадки и расположение испытанных свай на площадке строительства.
Рисунок 5.- Инженерно геологический разрез площадки строительства
Рисунок 6.- Расположение испытанных свай на площадке строительства
На рисунке 7 отображены результаты замеренных сигналов во время испытаний сваи
№3 обработанные через систему сбора данных и программу K-WAVE. На рисунке 8 указана зависимость "нагрузка-осадка"полученная по методу нелинейного затухания.
Рисунок 7.- Замеренные сигналы испытаний
Рисунок 8.- График зависимости "нагрузка-осадка"сваи №3. Метод нелинейного затухания
На рисунке 9 и 10 отображены результаты испытаний статической нагрузкой и испытаний за короткий промежуток времени (сваи №1 и №3).
Рисунок 9.Графики "нагрузки-осадки"сваи №3 от 2-х видов испытаний
Рисунок 10.Графики нагрузки-осадки сваи №1 от 2-х видов испытаний
3. Заключение
1. Для определения достоверности испытаний за короткий промежуток времени пружинным молотом - Spring Hammer Rapid Load Test - были проделаны сравнительные испытания грунтов сваями статической нагрузкой и получены экспериментальные результаты.
2. Испытания показали, что данная методика является хорошей альтернативой для стандартных испытаний грунтов сваями статической нагрузкой и, несомненно, является актуальной для современного строительства свайных фундаментов в Казахстане.
3. Отдельно хотелось бы поблагодарить ведущего специалиста компании Марубени Казуюки Матсузава за лекции и ценные консультации во время проведения испытаний Spring Hammer Rapid Load Test.
ЛИТЕРАТУРА
1. Отчёт от 22.01.2011 г. компании Marubeni Construction Material Lease Co., ltd. Испытания объекта супермаркет "Аоки"в г. Нагойя, Япония.
2. Татсунори Матсумото. Лекции: Theoretical Basis of Dynamic and Rapid Load Tests of Piles.
Университет Каназава, Япония, 2010 г.
Енкебаев С.Б., Лукпанов Р.Е., Утепов Е.Б.
Аз уақытта серiппе балғамен өтетiн Spring Hummer Rapid Load Test топырақтарды сынау әдiсi Мақалада серiппе балғамен (Spring Hammer Load Test) топырақты жаңа әдiспен сынау Rapid Load Test (аз уақытта сынау) көрсетiлген.Бұл әдистiң негiзi PDA - Pile Dynamic Analyze (қадаларды үдемелi зерттеу). Бұл әдiс әлемнiң көп озық елдерiнде дамыған, мысалы Жапония, Америка, Финляндия және, әлбетте, қазiргi негiздер мен iргетастарды құруда Қазакстанда қызық практикалық мүдде болып табылады.
Yenkebayev S.B., Lukpanov R.E., Utepov Ye.B.
Soil testing method by Spring Hummer Rapid Load Test - Short time test using spring hummer
The article describes a new method for soil testing: Rapid Load Test (testing for a short period of time) using hammer spring (Spring Hammer Load Test). The technique is based on the theory of PDA - Pile Dynamic Analyze (dynamic analysis of piles), which has been widely developed in many advanced countries such as Japan, America, Finland, and, of course, is of practical interest to the modern construction of the foundations in Kazakhstan.
Поступила в редакцию 10.05.2012 Рекомендована к печати 30.05.2012