Динамические испытания свай и контроль сплошности

Что называют динамическими испытаниями свай

Динамические испытания свай — общее название для методов, где на сваю действует удар или вибрация, а не медленно растущая статическая нагрузка. В тендерных заданиях и разговорах на площадке под этими словами понимают три разные вещи, и путаница стоит денег: можно заказать не тот метод, который требует проект.

1. Испытание грунтов динамической нагрузкой по разделу 7 ГОСТ 5686-2020 — забивка и добивка забивной сваи с замером отказов. Применяется к забивным и вибропогружаемым сваям.
2. Контрольное испытание методом волновой теории удара по п. 8.4 ГОСТ 5686-2020 — удар молотом по голове сваи с записью силы и скорости. Применяется к буровым, набивным и забивным сваям и оценивает их сопротивление вдавливанию.
3. Контроль сплошности — неразрушающая проверка целостности ствола: метод отражённой волны (низкодеформационный, PIT), ультразвук между трубками, а также выбуривание керна. Это контроль качества бетона, а не испытание грунта.

Первые два метода оценивают сопротивление грунта, третий — качество самой сваи. Для буронабивных свай актуальны второй и третий. Статические испытания по ГОСТ 5686-2020 остаются эталоном для несущей способности; о них — отдельная статья в разделе статей о бурении и сваях.

Испытание забивных свай отказами

Классическое испытание свай динамической нагрузкой по разделу 7 ГОСТ 5686-2020 проводят забивными сваями. Цели — проверить, погружается ли свая на намеченную глубину, оценить её несущую способность и однородность грунтов площадки по сопротивлению погружению.

Отказ — средняя остаточная глубина погружения сваи от одного удара молота или от работы вибропогружателя за 1 мин. Отказомеры обеспечивают погрешность не более 1 мм; при отказах менее 2 мм остаточную и упругую части фиксируют раздельно.

Испытание включает подсчёт ударов на каждый метр погружения и общего числа ударов, а на последнем метре — на каждые 10 см, и определение отказов при добивке после «отдыха». Добивку ведут залогами из трёх и пяти ударов с одинаковой высотой падения ударной части (п. 7.2.4).

Результаты оформляют графиками изменения отказов по глубине и зависимости общего числа ударов от глубины забивки. В просадочных грунтах природной влажности испытания динамической нагрузкой для определения несущей способности не проводят.

Для буронабивных свай этот метод неприменим: свая бетонируется в пробуренной скважине и не погружается ударом. Если в ТЗ на буронабивное свайное поле стоят «динамические испытания» без уточнений, речь почти наверняка о методе волновой теории удара.

Метод волновой теории удара

В международной практике метод известен как высокодеформационное динамическое испытание (high-strain dynamic test, ориентир — ASTM D4945). В ГОСТ 5686-2020 он описан в п. 8.4 и приложении К как контрольное испытание на вдавливающую нагрузку для буровых, набивных и забивных вертикальных свай.

Как проходит испытание

1. Подготовка головы. Голову сваи срубают до здорового бетона, выравнивают; при необходимости наращивают оголовок, чтобы удар передавался соосно.
2. Датчики. На свае крепят не менее двух пар датчиков деформации и акселерометров, диаметрально противоположно, на расстоянии от верха головы не меньше 1,6 размера поперечного сечения (прил. К). Собственная частота датчиков — 2–10 кГц. Крепят болтами, клеем или сваркой так, чтобы они не сдвинулись при ударе.
3. Удар. Используют сваебойный или подвесной молот такой массы и энергии, чтобы мгновенное квазистатическое сопротивление в течение не менее 3 мс превысило рабочую нагрузку из проекта. Ориентир в дисперсных грунтах — остаточное перемещение сваи после удара не менее 2 мм. Между молотом и головой ставят демпфирующую прокладку.
4. Обработка. По записям силы и скорости волновым расчётом приближённо оценивают сопротивление по боковой поверхности и под пятой и моделируют квазистатическую кривую «нагрузка — осадка».

Главное ограничение записано в том же пункте: при использовании волнового расчёта для одиночных свай на вдавливание его достоверность должна подтверждаться положительными результатами статических испытаний свай того же типа, такой же длины и сечения в аналогичных грунтах. Поэтому типичная схема на крупном поле — несколько статических испытаний для калибровки и серия динамических для охвата площади.

Когда метод удобен

• Большое свайное поле, где статикой не охватить все зоны площадки.
• Нужно быстро проверить сваи после нарушения технологии или в зоне, где грунты оказались хуже изысканий.
• Нет места или времени на упорную систему и анкерные сваи.

Чего метод не любит: слабые головы свай, недобетонированные или разрушенные при срубке; сваи, бетон которых ещё не набрал прочность; очень длинные сваи в плотных грунтах, где энергии удара не хватает мобилизовать сопротивление пяты. Для буронабивных свай, как и для статики, бетон должен набрать прочность, а ствол — быть проверен на сплошность.

Что должно быть в отчёте

Отчёт по испытанию свай динамической нагрузкой волновым методом проверяют так же внимательно, как отчёт по статике. В нём должны быть:

• данные о каждой свае: номер по исполнительной схеме, диаметр, длина, отметки головы и низа, дата бетонирования и класс бетона;
• масса молота, высота падения, тип демпфирующей прокладки, схема и тип датчиков с местом их установки;
• записи силы и скорости для расчётных ударов, остаточное перемещение после каждого удара;
• результат волнового расчёта: сопротивление по боковой поверхности и под пятой, расчётная кривая «нагрузка — осадка»;
• ссылка на статические испытания, которыми откалиброван расчёт: номер сваи, её параметры и сходство грунтовых условий;
• замечания о состоянии головы сваи и о сигналах, похожих на дефекты ствола.

Если в отчёте нет связи со статическими испытаниями сопоставимых свай, проектировщик вправе не использовать его для повышения допускаемой нагрузки: требование п. 8.4 ГОСТ 5686-2020 не выполнено. Отдельно проверьте, что энергии удара хватило: если остаточное перемещение заметно меньше 2 мм, сопротивление пяты могло быть мобилизовано не полностью, и расчёт занижает или неточно оценивает несущую способность.

Ещё одна полезная деталь — повторяемость. Два-три удара по одной свае с близкими записями говорят о качественной установке датчиков. Сильный разброс между ударами чаще всего означает разрушение головы или сдвиг датчика, и такую запись лучше повторить.

Как динамика влияет на расчёт

Результат испытаний меняет коэффициент надёжности по грунту γc,g в условии γn · N ≤ Fd / γc,g (СП 24.13330.2021, п. 7.1.11). Для динамики важна оговорка про упругие деформации:

То есть динамика, обработанная с учётом упругих деформаций (волновой расчёт с записью силы и скорости), почти равноценна статике: 1,25 против 1,2. Динамика по одним только остаточным отказам не даёт выигрыша против расчёта по таблицам.

Число испытаний для объектов КС-2 и КС-3 СП 24.13330.2021 (п. 7.3.1) рекомендует такое: динамические — до 2% свай, но не менее шести для КС-2 и девяти для КС-3; статические — до 1%, но не менее трёх и четырёх. Несущую способность по результатам динамических испытаний вычисляют по той же формуле Fd = γc · Fu,n / γc,g1 (п. 7.3.3), частные значения — по п. 7.3.7.

Зачем контролировать сплошность

Буронабивная свая бетонируется вслепую, в скважине глубиной 10–20 м. Что получилось внутри, видно только по косвенным признакам: объёму уложенного бетона, записям в журнале, поведению бетонолитной трубы. Если стенка скважины обрушилась при бетонировании, если трубу подняли выше уровня бетона, если был долгий перерыв в подаче смеси, в стволе остаётся дефект, который снижает несущую способность сваи по материалу.

Нормы это учитывают. По СП 45.13330.2017 (табл. 12.1, п. 13) ствол свай, выполненных подводным бетонированием, не должен иметь нарушений сплошности. Холодный шов в стволе — отдельный случай: возможность использовать такую сваю решает проектная организация по результатам ультразвуковой дефектоскопии и выбуривания керна (п. 12.2.10б). А ГОСТ 5686-2020 требует проверить сплошность буровых и набивных свай до их испытания нагрузкой (примечание к п. 8.1).

Контроль сплошности — это недорогая страховка для заказчика. Он не мешает работам: сваи проверяют после набора бетоном прочности, до устройства ростверка, когда дефект ещё можно исправить без вскрытия фундамента. Порядок устройства свай, при котором дефектов меньше, описан на странице буронабивные сваи в Москве.

Метод отражённой волны (PIT)

Низкодеформационный сейсмоакустический метод — самый массовый способ контроля сплошности. В СП 45.13330.2017 (п. 12.8.23) он назван в числе косвенных методов как сейсмоакустический. В зарубежной практике — Pile Integrity Test, PIT; международный ориентир — ASTM D5882.

Принцип

На зачищенную голову сваи ставят датчик-акселерометр и наносят удар ручным молотком. Волна проходит по стволу вниз, отражается от нижнего конца и от любого места, где резко меняется сечение или качество бетона, и возвращается к датчику. Зная скорость волны в бетоне (около 3 500–4 200 м/с), по времени прихода отражения определяют глубину. Отражение одной фазы с ударом говорит о сужении или ослаблении, обратной фазы — о расширении или жёстком слое грунта.

Ограничения PIT

• Длина. Волна затухает в грунте, особенно в плотных глинах. Практический предел, при котором ещё виден низ сваи, — отношение длины к диаметру порядка 30; дальше видно только верхнюю часть ствола.
• Первый дефект маскирует остальные. Сильное отражение от верхнего дефекта гасит сигнал ниже, поэтому метод надёжно показывает самый верхний значимый дефект.
• Голова сваи. Перед тестом голову срубают до здорового бетона, площадки под датчик и удар выравнивают. Слабый бетон и шлам в голове дают ложные сигналы.
• Возраст бетона. На практике тест проводят не раньше, чем примерно через 7 суток после бетонирования, когда бетон набрал достаточную жёсткость; точный срок задаёт программа контроля.
• Не несущая способность. PIT отвечает на вопрос «целый ли ствол и какой он длины», но не «сколько свая держит».

Плюс метода — скорость: оператор с одним прибором проверяет десятки свай за смену, без кранов и упоров. Поэтому PIT применяют для массового контроля, а сомнительные сваи доисследуют точнее.

Ультразвук между трубками и керн

Ультразвуковой межскважинный метод

При ультразвуковом контроле (cross-hole, международный ориентир — ASTM D6760) в арматурный каркас заранее закладывают стальные или пластиковые трубки на всю длину сваи. После бетонирования их заполняют водой, опускают в пару трубок излучатель и приёмник и протягивают синхронно снизу вверх. Прибор регистрирует время прохождения и затухание ультразвука между трубками на каждой глубине. Падение скорости и рост затухания показывают зону дефекта и её положение по сечению.

Метод работает на любой длине сваи и показывает дефекты по всей высоте, а не только верхний. Ограничение одно: трубки нужно заложить до бетонирования. Для свай без трубок метод недоступен.

СП 24.13330.2021 (п. 7.5.14) рекомендует при буронабивных сваях диаметром более 850 мм проектировать с трубками для неразрушающего контроля не менее 10% свай для сооружений КС-2 и не менее 30% для КС-3, а при нагрузке на сваю более 10 МН — 50%. Для фундаментов с одной сваей под колонну предусматривают сплошной контроль сплошности и однородности стволов.

Выбуривание керна

Прямой метод: из ствола сваи выбуривают керн на полную длину, осматривают его и испытывают образцы бетона на сжатие. Керн однозначно показывает качество бетона и контакт с пятой, но он дорогой, долгий и проверяет только одну линию по сечению. По СП 45.13330.2017 (п. 12.8.26) при выбуривании обращают внимание на провалы инструмента в зонах нарушений бетонирования и на контакте с забоем — это признак прослойки шлама; отметку и глубину провала записывают в журнал.

Объёмы контроля по СП 45.13330.2017

Пункт 12.8.23 СП 45.13330.2017 разделяет сплошной и выборочный контроль качества свай, изготовленных на площадке. Сплошной включает определение сплошности косвенными методами у всех свай объекта и выбуривание керна не менее чем из 2% свай. Состав выборочного контроля — в п. 12.8.25:

Косвенные методы опираются на градуировочные зависимости, которые предварительно устанавливают сравнением с прямым методом — испытанием керна (п. 12.8.23). Поэтому в программе контроля керн и неразрушающие методы идут вместе.

Есть и правило сокращения объёма (п. 12.8.24): если при сплошном контроле не менее 20% свай из общего числа более 20 оказались в удовлетворительном состоянии без дефектов, оставшиеся сваи допускается обследовать выборочно. Объём выборки определяют на объекте.

Пример: на поле из 420 свай выборочный контроль — это около 84 свай на сплошность и длину методом отражённой волны, 42 сваи на однородность и керн из 9 свай (2% от 420 = 8,4, округляем вверх). Плюс каждая свая, где в журнале бетонирования записан перерыв, обрушение или недолив.

Типовые дефекты и что с ними делают

Найденный косвенным методом дефект сначала подтверждают: повторным тестом, ультразвуком, керном или вскрытием верхней части. Решение о годности сваи принимает только проектная организация. Варианты — оставить сваю с пониженной нагрузкой, срубить голову до здорового бетона и нарастить, поставить дополнительную сваю рядом и изменить ростверк, инъецировать зону дефекта.

Почти все дефекты из таблицы закладываются на стадии бурения и бетонирования. Профилактика — зачистка забоя, освидетельствование скважины перед бетонированием (СП 45.13330.2017, п. 12.2.7), бетонирование не позднее 8 ч после бурения в неустойчивых грунтах и 24 ч в устойчивых (п. 12.2.9), перерывы не более 60 мин и заглубление бетонолитной трубы в смесь не менее 1,5 м (пп. 12.2.8, 12.2.10а). Мы фиксируем глубину каждой скважины в журнале бурения и бурим в водонасыщенных песках под защитой обсадной трубы — это снижает риск обрушений, которые потом видит контроль.

Сравнение методов

Методы не конкурируют, а дополняют друг друга. Типичная программа для свайного поля под склад или жилой дом: две-четыре статики на опытных сваях, серия динамических испытаний по волновому методу на рабочих сваях, PIT на заданной доле свай и ультразвук там, где заложены трубки.

Как заказчику организовать контроль

1. В проекте. Проверьте, что РД задаёт виды и объёмы испытаний и контроля, а для свай большого диаметра — трубки в каркасах по п. 7.5.14 СП 24.13330.2021.
2. В договорах. Разведите обязанности: кто бурит и бетонирует, кто ставит каркасы с трубками, кто нанимает лабораторию. Лаборатории нужен доступ к журналам бурения и бетонирования.
3. До бетонирования. Убедитесь, что трубки для ультразвука закреплены на каркасе, заглушены снизу и выведены выше головы сваи.
4. После бетонирования. Дайте бетону набрать прочность, срубите головы до здорового бетона и только потом вызывайте лабораторию.
5. По отчёту. Сваи с сомнительными сигналами — на дополнительную проверку, решение по ним — от проектировщика письменно, до устройства ростверка.

Если вы готовите смету и график свайного поля, заложите контроль сразу: его стоимость мала на фоне самих свай. Состав и цену бурения смотрите на странице смета на буронабивные сваи и стоимость работ, а другие справочные материалы — в статьях о сваях, шпунте и бурении.