способ определения упругих характеристик сваи и вмещающего грунта

Формула изобретения

Способ определения упругих характеристик сваи и вмещающего грунта, заключающийся в том, что импульсным механическим воздействием на оголовок сваи возбуждают ее упругие колебания, которые регистрируют посредством датчика на оголовке сваи и цифровой регистрирующей аппаратуры, отличающийся тем, что регистрируют упругие колебания от совокупности импульсных механических воздействий на оголовок сваи для повышения отношения сигнал/шум, потом вычисляют осредненные спектры Фурье от совокупности импульсных сейсмограмм, определяют первые, не менее трех, частоты собственных продольных колебаний сваи, по которым, используя решение модели сваи со свободным верхним и упруго закрепленным нижним концами, определяют упругие параметры сваи и вмещающего грунта: продольную жесткость сваи на сжатие - растяжение EF, динамический модуль упругости материала сваи Е, жесткость боковой поверхности вертикальному сдвигу K _{Z SH}, жесткость грунта основания под нижним концом сваи K_{Z F} затем по модулю упругости определяют класс бетона сваи и сравнивают его с проектным, оценивают величины фактической несущей способности обследованных свай путем сравнения полученных характеристик жесткости с характеристиками для свай, испытанных статическими или динамическими нагрузками в соответствии с нормативными документами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и контроля технического состояния строительных конструкций, в частности к способам определения упругих характеристик свай-стоек и висячих забивных свай различного типа и вмещающего грунта в процессе строительства или реконструкции зданий и сооружений.

Известны способы определения состояния свай, включающие создание зондирующего импульса с помощью различного типа механических воздействий на оголовок сваи и определение состояния свай путем регистрации сигнала, отраженного от нижнего конца.

В способе [1] зондирующий импульс создают с помощью механического воздействия на оголовок сваи молотком, регистрируют отраженный импульс и определяют время пробега продольной волны от оголовка сваи к нижнему концу и обратно. По временам пробега с использованием величин скоростей упругих волн из опубликованных источников определяют длину свай и оценивают наличие дефектов (нарушение сплошности свай).

Недостатком способа является небольшая разрешающая способность определения времени пробега волн из-за большой длительности зондирующего импульса при механическом воздействии на оголовок сваи.

Для уменьшения длительности зондирующего импульса используют специально разработанные более высокочастотные источники упругих колебаний. В способе [2] для возбуждения зондирующего импульса создают гидродинамический удар в емкости с электропроводящей жидкостью при искровом пробое межэлектродного промежутка на торцевой поверхности оголовка сваи. При этом длительность переднего фронта электрического импульса пробоя не более 10 мкс. Отраженный зондирующий импульс регистрируют на оголовке сваи двумя акселерометрами в частотном диапазоне 1-12 кГц. Для измерения временных интервалов в указанном диапазоне частот используют специальные способы обработки сигнала: выделение спектральной составляющей частоты f_o с максимальной амплитудой и фильтрацию эхо-сигнала в диапазоне

частот f_o±200 Гц. Точность определения времени пробега отраженной от нижнего конца сваи упругой волны при таком способе возбуждения зондирующего импульса существенно выше, чем в способе [1]. При этом частоты f_o, на которых измеряют времена пробега в способе [2], находятся в акустическом диапазоне частот (2-8 кГц). С учетом величины скорости продольных волн в бетоне свай порядка 3200-4200 м/сек наблюдаемые длины волн от зондирующего импульса сравнимы с поперечными размерами свай. Это позволяет определять различные дефекты свай (наличие трещин, нарушение сплошности).

Недостатком этого способа является определение времени пробега зондирующего импульса путем выделения из полученных спектров узкополосного импульса с помощью фильтрации. При этом из-за выделения только одной, преобладающей по амплитуде, частоты собственных продольных колебаний сваи теряется информация об условиях закрепления с вмещающим грунтом в основании под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому способу является способ [3], где представлен метод контроля длины бетонных свай в грунте, осуществляемый путем вычисления по осциллограммам ускорения, зарегистрированным на торце сваи после удара молотком, спектров Фурье в частотном диапазоне до 2 кГц. Утверждается, что спектр содержит частоты собственных продольных колебаний сваи, вызванных механическим воздействием на оголовок. Приводятся полученные экспериментально резонансные частоты забивных и буронабивных свай, а также расчетные спектры для простейшего случая закрепления свай - верхний и нижний концы свободны.

Недостатком данного способа является использование простейшей модели связи сваи с вмещающим грунтом. Предполагается, что грунт не оказывает никакого влияния на частотный состав собственных продольных упругих колебаний сваи. Как показано в [4], добавление к нижнему концу балки упругого подкрепления или массы существенно меняет частоты собственных продольных колебаний балки. Поэтому для корректной оценки величин упругих характеристик сваи и вмещающего грунта необходимо учитывать величины жесткости боковой поверхности вертикальному сдвигу и жесткости основания грунта под нижним концом сваи. Следует рассматривать общий случай упругого подкрепления нижнего конца сваи. При этом свободный или защемленный нижний конец сваи получают как предельный случай при нулевой или бесконечной жесткости грунта в основании сваи.

Представленный способ определения упругих характеристик сваи и вмещающего грунта путем использования полных спектров поля продольных волн многократно отраженных от двух концов сваи позволяет определять упругие характеристики сваи и вмещающего грунта.

Техническим результатом настоящего изобретения является способ определения упругих характеристик сваи и вмещающего грунта, осуществляемый путем регистрации собственных продольных колебаний сваи, возбуждаемых в результате механического воздействия на оголовок сваи. С помощью вычисления осредненных спектров Фурье от импульсных сейсмограмм, полученных по совокупности импульсных воздействий на оголовок сваи, определяют первые, не менее трех, частоты собственных продольных колебаний сваи. По величинам частот собственных продольных колебаний, используя модель сваи со свободным верхним и упруго закрепленным нижним концом, определяют упругие параметры сваи и вмещающего грунта: продольную жесткость сваи на сжатие - растяжение EF, динамический модуль упругости материала сваи Е, жесткость боковой поверхности вертикальному

сдвигу K_{Z SH} и жесткость грунта основания под нижним концом сваи K_{Z F}. Определяют по модулю упругости класс бетона сваи и сравнивают его с проектным.

Учитывая, что забивная свая несет нагрузку не за счет сил трения грунта непосредственно о ее боковую поверхность, а за счет сил трения, возникающих между грунтовой оболочкой, образованной в результате установки сваи и массой вмещающего грунта, несущая способность сваи, определенная по представленному способу испытаний, является относительной величиной. Она определяется трением покоя боковой поверхности сваи о грунт и линейными упругими характеристиками грунта под нижним концом сваи. Фактическая несущая способность всех обследованных свай свайного поля оценивается путем сравнения свай с минимальной и максимальной относительной несущей способностью полученной по способу (по характеристикам жесткости K_{Z F} и K_{Z SH}) с фактической, определенной полевыми испытаниями динамическими или статическими нагрузками в соответствии с ГОСТ 5686-78.

В результате комплексного испытания свай предложенным способом и стандартными методами испытаний определяется неравномерность несущей способности свайного поля в целом.

Технический результат достигается тем, что в способе определения упругих характеристик сваи и вмещающего грунта, заключающемся в том, что аналогично прототипу осуществляют возбуждение упругих колебаний сваи импульсным механическим воздействием на оголовок сваи и регистрацию упругих колебаний сваи посредством датчика на оголовке сваи и цифровой регистрирующей аппаратуры, отличающемся тем, что осуществляют регистрацию упругих колебаний от совокупности импульсных механических воздействий на оголовок сваи для повышения отношения сигнал/шум, вычисляют осредненные спектры Фурье от совокупности импульсных сейсмограмм, определяют первые, не менее трех, частоты собственных продольных колебаний сваи, по которым, используя решение модели сваи со свободным верхним и упруго закрепленным нижним концами, определяют упругие параметры сваи и вмещающего грунта: продольную жесткость сваи на сжатие - растяжение EF, динамический модуль упругости материала сваи Е, жесткость боковой поверхности вертикальному сдвигу K _{Z SH}, жесткость грунта основания под нижним концом сваи K_{Z F}, по модулю упругости определяют класс бетона сваи и сравнивают его с проектным, оценивают величины фактической несущей способности обследованных свай путем сравнения полученных характеристик жесткости с характеристиками для свай, испытанных статическими или динамическими нагрузками, в соответствии с нормативными документами.

Суть способа заключается в следующем.

Физической основой способа является возбуждение при продольном ударе по торцу свободного конца сваи упругих колебаний сваи на частотах собственных форм. При ударе возбуждается продольная волна в широком диапазоне частот, которая распространяется вдоль сваи и многократно отражается от нижнего и верхнего концов сваи. Отраженный от нижнего конца сваи сигнал можно зарегистрировать датчиком, установленным на свободном конце сваи. Однако с учетом наличия зондирующего сигнала от механического воздействия на оголовок сваи выделить вступление отраженной волны на свободном конце сваи достаточно сложно. Для этого используют специальную аппаратуру с изменяющимся коэффициентом усиления [3], а также специально разработанные высокочастотные источники колебаний [2].

Определять упругие параметры сваи и вмещающего грунта в представленном способе предлагается не по временам пробега продольных волн, а в частотной области, по частотам собственных продольных колебаний сваи. При этом полученный ряд собственных частот содержит информацию о продольной жесткости сваи и условиях ее закрепления с грунтом под нижним концом в основании и по боковой поверхности.

Как известно [4], частоты собственных продольных колебаний балки (модель сваи) без учета влияния вмещающего грунта определяются упруго-механическими характеристиками материала, размерами и условиями закрепления на концах. Частота собственных продольных колебаний балки определяется в виде:

где EF - продольная жесткость на сжатие - растяжение (Е - модуль упругости материала, F - площадь поперечного сечения), L - длина, m - погонная масса балки. Коэффициент зависит от условий закрепления на концах балки и для балки на жестких опорах имеет следующие значения:

- балка, защемленная одним концом:

где n=0, 1, 2, 3, - число узлов;

- балка с обоими защемленными концами:

где n - число полуволн;

- балка со свободными концами:

где n=1, 2, 3, - число узлов;

В простейшем случае, как это сделано в [3], сваю рассматривают либо со свободными концами, либо с одним (нижним) защемленным концом. При этом на спектрах упругих колебаний получают два ряда собственных частот:

- с защемленным одним концом

- со свободными обоими концами

Поскольку свая нижним концом упирается в грунт основания, который обычно имеет прочность ниже материала сваи и поддерживается по боковой поверхности вмещающим грунтом, обеспечить полное защемление или свободу сваи практически не возможно. Поэтому фактические условия закрепления сваи будут находиться между свободным и защемленным нижним концом, то есть будет наблюдаться упругая связь сваи с вмещающим грунтом.

При использовании простейшей модели, как это сделано в способе контроля [3], не учитываются два существенных параметра работы разных типов свай:

- касательная упругая реакция грунта, определяемая как продольная сила, отнесенная к длине сваи, необходимая для создания единичного смещения в вертикальном направлении - k_SH (т/м²), или жесткость боковой поверхности вертикальному сдвигу, равная K_{Z SH}=k_SH·L (т/м);

- жесткость грунта основания под нижним концом сваи K_{Z F} .

При этом вклад указанных параметров будет различным для свай-стоек и забивных висячих свай разного типа. В зависимости от типа сваи будет изменяться соотношение между параметрами K _{Z SH} и K_{Z F}. При определении упругих параметров свай-стоек различного типа, опирающихся на скальные грунты, будет преобладать параметр жесткости грунта основания под нижним концом сваи-стойки (при расчетах несущей способности свай-стоек [5] используют расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи-стойки). Для забивных висячих свай различного типа будут работать оба параметра (при расчетах несущей способности забивных висячих свай используют сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности [5]).

При определении упругих параметров сваи соотношение между сопротивлениями грунтов в основании сваи и по ее боковой поверхности автоматически отображается на ряде частот форм собственных продольных колебаний сваи.

Рассмотрим отдельную сваю как балку длиной L, погруженную в грунт. При продольных колебаниях принимаем, что на боковых гранях сваи действуют касательные упругие реакции, а уплотненный массив под нижним концом сваи будем рассматривать как упругое тело. Касательные упругие реакции грунта определим как продольную силу k_SH [тс/м²], отнесенную к длине балки и необходимую для создания единичного смещения в вертикальном направлении. Жесткость боковой поверхности вертикальному сдвигу определим как K_{Z SH}=k_SHL [тс/м]. Упругую реакцию под нижним концом сваи определим как реакцию пружины жесткостью K_{Z F}. Продольная жесткость балки сжатию - растяжению определяется характеристикой EF [тс]. Модель такой сваи приведена на фиг.1.

При механическом воздействии на оголовок сваи возбуждаются продольные колебания сваи на частотах собственных форм. Частоты форм собственных колебаний определяются длиной и материалом сваи, а также упруго-механическими свойствами вмещающего грунта. Представим решение указанной модели.

При продольных колебаниях балки дифференциальное уравнение динамического равновесия сил, действующих на малый элемент dx, можно представить в виде:

Решение уравнения ищем в виде: u(x,t)=X(x)·T(t), где Х(х) функция, зависящая только от координаты, T(t) функция, зависящая только от времени.

После подстановки общего решения в уравнение (1) и разделения переменных получаем:

Левая часть зависит только от координаты, а правая от времени. Уравнение может удовлетворяться только в случае, если левая и правая части являются постоянными величинами. В результате получаем два уравнения.

и

Уравнение определяет движение системы во времени, однако колебательные движения возможны, только в случае если ²<0. Введем постоянную, равную =j , где . Временное уравнение преобразуется к виду

Уравнение определяет колебания с частотой , откуда определяем .

Уравнение определяет пространственную форму колебаний на частоте и преобразуется к виду:

Решение уравнения (2) при заданных граничных условиях определяет ряд частот собственных колебаний _i, которым соответствуют пространственные формы колебаний X_i(х). То есть для собственных форм продольных колебаний балки постоянного поперечного сечения выполняется условие:

В безразмерных координатах:

где ,

В качестве математической модели выбираем балку, один конец которой соединен с неподвижной опорой через пружину жесткостью K_{Z F}, а другой свободен. Собственные частоты продольных колебаний в случае касательных сил, равномерно распределенных по длине балки, будут определяться выражением:

или

где - коэффициент бокового трения; _i( ₁) - соответствуют корням частотного уравнения продольных колебаний балки, один конец которой свободен, другой соединен через пружину с неподвижной опорой при отсутствии касательных сил:

- приведенный коэффициент жесткости вертикальной нагрузке основания вмещающего грунта под нижним концом сваи.

Для определения трех неизвестных упругой системы свая-грунт (EF, K_{Z F}, k_SH), используя частотное уравнение (5), составим систему уравнений относительно неизвестных ₁, ₁ и ₄ ( ₁ EF, ₁ K_{Z F} и ₄ k_SH). Предполагая, что в результате измерения продольных колебаний сваи определены значения трех частот (р ₁, р₂, р₃) собственных продольных колебаний сваи, получаем следующую систему уравнений

где - заданное в результате измерения соотношение собственных частот р₂ и р₁, определенных в результате эксперимента;

- заданное в результате измерения соотношение собственных частот р₃ и р₁, определенных в результате эксперимента.

Решение системы (6) относительно неизвестных ₁, ₁ и ₄, которое входит в неявном виде, может быть определено в результате прямого решения системы (6) или следующим способом. В результате решения частотного уравнения (5) определяются численные функции ₁=f₁( ₁), ₂=f₂( ₁), ₃=f₃( ₁), где ₁ изменяется в пределах от при изменении ₁ от 0 .

В результате получаем систему уравнений:

где ₁( ₁, ₄) и ₂( ₁, ₄) - два семейства функций, значения которых могут быть вычислены для любых заданных значениях ₁ и ₄.

Первому уравнению будет соответствовать множество значений ₁ и ₄, которые можно представить в виде зависимости ₁(c₁₂)=F₁( ₄), аналогично для второго уравнения системы определяется функция ₁(c₁₃)=F₂( ₄). Очевидно, что значения ₁ и ₄, при которых выполняются условия системы (7), определяются из условия F₁( ₄)=F₂( ₄). После нахождения значений ₁ и ₄ определяются ₁=f₁( ₁), ₂=f₂( ₁), ₃=f₃( ₁).

По полученным динамическим характеристикам продольных колебаний определяются упругие характеристики сваи и грунта:

- продольная жесткость на сжатие - растяжение:

- динамический модуль упругости материала сваи:

- жесткость боковой поверхности вертикальному сдвигу:

- жесткость грунта основания под нижним концом сваи (F[м²]):

Таким образом, способ позволяет, используя механическое воздействие на оголовок сваи и регистрируя собственные продольные колебания сваи, выделяя посредством вычисления спектров Фурье не менее трех частот собственных продольных колебаний сваи, определить упругие параметры собственно сваи и вмещающего грунта.

При известных коэффициентах жесткости K_{Z SH} и K_{Z F} для множества обследованных свай и проведении полевых испытаний статическими или динамическими нагрузками нескольких свай обследуемого свайного поля с минимальными и максимальными величинами полученных характеристик жесткости можно оценить несущую способность всех свай обследованного свайного поля методом линейной интерполяции.

Способ осуществляют следующим образом.

На оголовок обследуемой сваи устанавливают датчик ускорения - акселерометр (пьезокерамический) для регистрации вертикальных колебаний сваи в частотном диапазоне 0-2000 Гц. С помощью специализированной цифровой сейсмометрической станции осуществляют регистрацию вертикальных колебаний сваи после нанесения механического удара молотком по оголовку сваи рядом с акселерометром. При этом длительность сеанса регистрации должна быть не менее 8-16 секунд, в течение которых производится от 5 до 10 ударов по оголовку сваи. Частота оцифровки сейсмометрической станции при этом должна быть не менее 4-8 кГц. По совокупности регистрационных записей производится вычисление спектров продольных колебаний сваи в частотном диапазоне 0-1000 Гц и выделение значимых частот собственных продольных колебаний сваи. Использование совокупности импульсных воздействий позволяет увеличить соотношение сигнал шум и более уверенно выделять частоты собственных колебаний на спектрах Фурье. Для определения указанных упругих характеристик сваи и вмещающего грунта число выделенных частот собственных колебаний должно быть не менее трех. По величинам частот собственных колебаний в модели сваи, представленной на фиг. 1, решая систему уравнений (7), определяют упругие параметры собственно сваи и вмещающего грунта. Систему уравнений можно решать на ЭВМ методом Ньютона или сопряженных градиентов или использовать, как показано ниже, графический способ решения.

Геометрические размеры сваи (длина, диаметр), класс бетона берут из журнала производства работ на объекте.

В результате решения системы уравнений на базе определенных из спектров частот собственных продольных колебаний вычисляют:

- продольную жесткость сваи на сжатие - растяжение EF,

- динамический модуль упругости сваи Е с учетом армирования,

- класс бетона (скорость распространения продольных волн в свае );

- жесткость боковой поверхности вертикальному сдвигу K_{Z SH} или коэффициент k_SH;

- жесткость грунта основания под нижним концом сваи K_{Z F} .

По динамическому модулю упругости бетона сваи Е определяют в соответствии с нормативными документами класс бетона и сравнивают его с проектным.

Для оценки величины фактической несущей способности всех обследованных свай необходимо провести испытания свай статической и динамической нагрузками, в соответствии с нормативными документами не менее двух свай с минимальной и максимальной величинами жесткости K _{Z F} и K_{Z SH} из всех свай обследованного свайного поля. Сваи для испытаний выбирают по преобладающей по величине характеристике жесткости. Для разных типов свай соотношение характеристик K_{Z F} и K_{Z SH} будет различаться. Например, в случае забивных свай, опирающихся на жесткое основание, будет преобладать величина жесткости штампа грунта под нижним концом сваи, для буронабивных свай будет преобладать жесткость боковой поверхности вертикальному сдвигу. Несущая способность всех обследованных свай оценивается по характеристикам жесткости методом линейной интерполяции относительно несущей способности свай, подвергнутых испытаниям статической или динамической нагрузками в соответствии с нормативными документами [5].

Пример. Способ определения упругих характеристик сваи и вмещающего грунта был использован при определении упругих параметров буронабивных свай свайного поля на площадке строительства 16-ти этажного каркасного здания по ул. Военной в г. Новосибирске. Было обследовано 70 буронабивных свай, в основном, в связи с отклонением фактической прочности бетона свай от проектной (нарушение норм бетонирования в зимних условиях).

Перечень графических иллюстраций применения предлагаемого способа.

Фиг.1. Модель одиночной сваи.

Фиг.2. Импульсная сейсмограмма и спектр продольных колебаний, свая № 64.

Фиг.3. Отношения собственных частот (p₂/p₁ и р₃/p₁) в зависимости от и .

Фиг.4. Точки пересечения кривых изменения нормированных частот в зависимости от ₁ и ₄ с прямой p₂/p₁=1.6456.

Фиг.5. Точки пересечения кривых изменения нормированных частот в зависимости от ₁ и ₄ с прямой р₃/р₁=2.367.

Фиг.6. Графическое решение частотного уравнения с заданными значениями соотношений частот собственных колебаний.

Свайное основание запроектировано с исполнением буронабивных свай-стоек. Проектное решение предусматривает выполнение буронабивных свай диаметром 600 мм длиной от 14.5 до 19.8 м, опирающихся на кровлю грунтов ИГЭ-11 (гранитоид средней прочности размягчаемый трещиноватый) и ИГЭ-12 (гранитоид прочный неразмягчаемый трещиноватый). Прочность гранитоидов колеблется от 40 до 140 МПа.

Общие характеристики буронабивных свай:

m=0.0678 тс·сек²/м² - погонная масса;

F=0.2827 м² - площадь сечения ствола сваи;

проектный класс бетона марки М250, средняя плотность бетона 2.35 т/м³.

В качестве примера рассмотрим определение упругих параметров сваи № 64 (L=16.65 м) и вмещающего грунта.

Импульсная сейсмограмма и спектр продольных колебаний сваи представлен на фиг.2. Спектр определен по записям 10 ударов, усредняющим окном 8k (k=1024 отсчета).

Частоты собственных продольных колебаний сваи, определенные по спектрам (фиг.2), равны:

p₁=158±1 Гц, р₂=260±2 Гц, р ₃=374±3 Гц, р₄=477±4 Гц, р₅ =629±6 Гц.

Нормированные частоты:

р₂/p₁=260/158=1.6456 и p₃/p ₁=374/158=2.367.

Решение частотного уравнения ищем в виде частных решений частотного уравнения для соотношений р₂/р₁=1.6456 и р₃/р₁ =2.367 в зависимости от

значений ₁ и ₄.

На фиг.3 показаны зависимости изменения нормированных частот от параметров и . Как видно, значению р₂/р₁=1.6456 (соотношение экспериментально измеренных частот) удовлетворяет функция ₁(p₂/p₁)=F₁ ( ₄), отдельные значения которой можно определить в точках пересечения кривых изменения нормированных частот в зависимости от ₁ и ₄ (фиг.4) с прямой p₂/p₁ =1.6456. В результате получаем следующие значения ₁(p₂/p₁)=F₁ ( ₄):

{ ₄=8, ₁=0.25}, { ₄=9, ₁=0.75}, { ₄=10, ₁=1.25}, { ₄=11, ₁=1.85}, { ₄=12, ₁=2.9},

{ ₄=12, ₁=5.2}, { ₄=11, ₁=9.5}, { ₄=10, ₁=20}.

Для p₃/p ₁=2.367 (фиг.5) получаем следующие значения

₁(p₃/p₁)=F₂ ( ₄):

{ ₄=8, ₁=0.35}, { ₄=9, ₁=0.85}, { ₄=10, ₁=1.35}, { ₄=11, ₁=1.95}, { ₄=12, ₁=2.85}, { ₄=12, ₁=12.5}, { ₄=11, ₁=35}.

Очевидно, что значения ₁ и ₄, удовлетворяющие соотношению экспериментально измеренных частот, определяются пересечением функций ₁(p₂/p₁)=F₁ ( ₄) и ₁(p₃/p₁)=F₂ ( ₄) (фиг.6).

Для значений и , решению частотного уравнения соответствуют: ₁=2.303; ₂=5.872; ₃=9.152;

₄=12.362; ₅=15.545. Для приближенного решения соответствуют нормированные частоты:

p₂/p₁ =1.6478; р₃/р₁=2.369; р₄/р ₁=3.110; р₅/р₁=3.860.

Принимая частоту первой формы собственных колебаний равной 158 Гц, получаем ряд собственных частот (теоретические значения):

р₂=158·1.6478=260.4 Гц; р₃ =158·2.369=374.3 Гц; р₄=491.4 Гц; p₅ =610 Гц.

Как видно, расхождение экспериментально измеренных и теоретических значений частот р₄ и р ₅ составляет всего 3%.

По полученным параметрам определяем упругие характеристики сваи и вмещающего грунта:

- продольную жесткость сваи на сжатие - растяжение:

- динамический модуль упругости с учетом армирования сваи:

- скорость распространения продольной волны в свае с учетом армирования:

- жесткость боковой поверхности вертикальному сдвигу:

- жесткость грунта основания под нижним концом сваи (F=0.2827 м²):

Как видно, для буронабивных свай, несмотря на достаточно жесткое основание, преобладает величина жесткости боковой поверхности вертикальному сдвигу, то есть несущая способность сваи определяется силами трения боковой поверхности сваи о грунт. Провести испытания свай статической нагрузкой не удалось в связи с большой расчетной несущей способностью обследованных свай около 500 тс.

Величина определенного динамического модуля упругости на 25% выше нормативного статического модуля упругости для марки бетона М250 за счет армирования сваи и превышения динамического модуля относительно статического приблизительно на 10%.

Таким образом, представленный пример подтверждает возможность реализации способа определения упругих характеристик сваи и вмещающего грунта в натурных условиях свайного поля. Для оценки несущей способности свай необходимо проведение испытаний статическими или динамическими нагрузками нескольких свай обследуемого свайного поля и сравнение полученных характеристик жесткости всех обследованных свай с испытанными в соответствии с нормативными документами.

Литература

1. Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд-во АСВ, 1999, с.306-307.

2. Способ определения состояния свай и устройство для его реализации. Патент РФ № 2257563, Кл. G01N 3/10, Е02D 33/00.

3. Белобородов В.Н., Глотова Т.Г., Исаков А.Л., Ткачук А.К. Контроль длины бетонных свай в грунте методом акустического зондирования. ФТПРПИ, № 5, 2002, c.116-120.

4. Тимошенко С.П. Янг Д.Х., Уивер И. Колебания в инженерном деле. - М.: Машиностроение, 1985. - 344 с.

5. СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты. М.: Госстрой СССР, 1995.