Испытания свай: методы и ГОСТ 5686-2020

Зачем испытывают сваи

Испытания свай — это полевая проверка того, какую нагрузку свая реально передаёт на грунт и как при этом оседает. Расчёт по таблицам свода правил даёт осторожную оценку: в нём заложены осреднённые сопротивления грунтов и большой коэффициент надёжности. Испытание заменяет оценку измерением на конкретной площадке, с конкретной технологией устройства и конкретным бетоном.

Официально метод называется «испытание грунтов сваями». Так он назван в ГОСТ 5686-2020 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями», который действует с 1 января 2021 года взамен ГОСТ 5686-2012. Название подчёркивает суть: проверяют не прочность бетона, а сопротивление основания. Прочность и сплошность ствола контролируют отдельно, другими методами.

Испытания нужны в двух ситуациях, и ГОСТ их чётко разделяет:

• При инженерных изысканиях (п. 4.2). Цель — выбрать тип, длину и диаметр свай, проверить, дойдёт ли свая до намеченной глубины, получить зависимость осадки от нагрузки для проекта.
• Контрольные испытания при строительстве (п. 4.3). Цель — подтвердить, что изготовленные на площадке сваи держат расчётную нагрузку из проекта свайного фундамента. Здесь допускаются рабочие испытуемые сваи и анкерные рабочие сваи — те, что потом войдут в фундамент.

По п. 4.4 ГОСТ испытания нагрузкой проводят обязательно, если тип сваи или метод её устройства не имеет сопоставимых опытных данных, если в похожих грунтах и при похожих нагрузках испытаний не было, если нагрузка необычная, а также если в ходе работ грунты оказались заметно хуже, чем в изысканиях. Для буронабивных свай есть и отдельное требование СП 24.13330.2021 (п. 8.14): для контроля выбранной длины буровых и набивных свай в проекте должны предусматриваться статические испытания.

Методы испытания свай

ГОСТ 5686-2020 (п. 4.1) предусматривает два класса методов: динамической нагрузкой и статическими осевыми вдавливающими, выдёргивающими и горизонтальными нагрузками. Внутри каждого класса испытывают сваи трёх типов: натурные (проектного размера), эталонные и сваи-зонды.

Испытания выдёргивающими и горизонтальными нагрузками, а также все испытания в многолетнемёрзлых грунтах проводят только натурными сваями (п. 4.2). Эталонная свая — инвентарная конструкция с наконечником и датчиками, её забивают или вдавливают в грунт, нагружают и извлекают. Свая-зонд работает похоже, но с более простой аппаратурой. Эти испытания быстрее и дешевле натурных и хороши на стадии изысканий, когда нужно сравнить несколько точек площадки.

Статика и динамика: в чём разница

Статическое испытание прикладывает нагрузку медленно, ступенями, и ждёт, пока осадка затухнет. Так свая работает и под зданием, поэтому статика считается эталоном. Динамическое испытание наносит удар и по реакции сваи оценивает сопротивление грунта. Оно в разы быстрее, но результат косвенный: для буронабивных свай метод волновой теории удара требует подтверждения статическими испытаниями свай того же типа и размера в аналогичных грунтах (п. 8.4). Динамическим методам и контролю сплошности посвящён отдельный материал в разделе статей о сваях и бурении.

Штамповые испытания и испытания грунтов сваями

Запрос «штамповые испытания свай» смешивает два разных метода. Штамп — жёсткая плита, которой нагружают грунт на дне шурфа или скважины, чтобы получить модуль деформации для расчёта осадок. Это испытание грунта по ГОСТ 20276.1-2020 «Грунты. Метод испытания штампом», а не испытание сваи. В ГОСТ 5686-2020 есть близкое понятие — свая-штамп и схема с самоанкерующимися сваями-штампами (п. 8.2.9), но это частная схема испытания сваи. Если в ТЗ стоят «штамповые испытания», уточните у проектировщика, что именно нужно.

Программа испытаний свай

Любое испытание грунтов сваями проводят по программе, утверждённой заказчиком (п. 4.2). Требования к программе — в обязательном приложении А ГОСТ 5686-2020. Программу пишет испытательная организация вместе с проектировщиком, но подпись заказчика означает, что он согласен с объёмом и, значит, со сметой.

Для контрольных испытаний при строительстве программу составляют с учётом принятых в проекте вида и конструкции свай, их размеров и отметок, способа устройства, расчётных нагрузок и грунтовых условий (п. А.2). По п. А.3 в программе указывают:

• инженерно-геологические колонки рядом с местами испытаний;
• места проведения испытаний и число испытуемых свай;
• конструктивную схему испытательной установки;
• направление и значение ступеней нагрузки;
• наибольшие нагрузки или предельные перемещения сваи;
• материал, размеры, конструкцию испытуемых свай, глубину, отметки верха и низа;
• способ устройства испытуемых свай;
• вид, материал, размеры и глубину анкерных свай.

Для изысканий в программе дополнительно нужно технико-экономическое обоснование необходимости испытаний и выбранного вида испытаний (п. А.5).

Где располагать испытуемые сваи

Если испытывают одну сваю, её ставят в наихудших грунтовых условиях площадки (п. 4.4). Если свай две и больше, места выбирают характерные, но одна свая обязательно должна оказаться в месте с предположительно худшими грунтами. Испытания проводят на участке будущего строительства на расстоянии не более 5 м и не менее 1 м от выработок, из которых отбирали монолиты или где выполняли статическое зондирование (п. 4.5). Так результат испытания можно сопоставить с геологией.

Точки испытаний закрепляют на местности геодезически и после испытаний проверяют их планово-высотную привязку (п. 4.8). При необходимости площадку под установку планируют.

Подготовка и «отдых» свай

Между устройством сваи и началом испытания должно пройти время, за которое материал сваи наберёт прочность, а поровое давление в грунте вернётся к начальному уровню. В ГОСТ это называют «отдыхом» сваи (п. 4.4).

Для буровых, буронабивных, буроинъекционных и набивных свай правило отдельное: испытание начинают не раньше, чем бетон свай наберёт 80% проектной прочности (п. 8.1). Перед испытаниями ствол таких свай проверяют на сплошность методами, которые предусмотрены нормами контроля качества свай, бетонируемых на площадке (примечание к п. 8.1). Смысл простой: если в стволе шейка или включение грунта, свая разрушится раньше, чем грунт исчерпает сопротивление, и испытание покажет не то, что нужно.

Что готовят на площадке до приезда лаборатории

• Испытуемые и анкерные сваи по программе: их бурят и бетонируют так же, как рабочие, с записями в журнале бурения и журнале бетонных работ.
• Оголовок испытуемой сваи: голову срубают до здорового бетона и выравнивают, чтобы домкрат передавал нагрузку соосно (п. 5.6 требует соосной и центральной передачи нагрузки).
• Выпуски арматуры анкерных свай под крепление упорной балки — по чертежу испытательной установки.
• Подъезд для крана или манипулятора, который смонтирует балки, и ровную площадку под реперную систему.

Мы бурим скважины под буронабивные сваи, в том числе опытные и анкерные, по разбивке из программы испытаний. Само испытание, монтаж установки и отчёт — работа испытательной организации.

Схемы испытательных установок

Рекомендуемые схемы установок для статических испытаний приведены в приложении Б ГОСТ 5686-2020. Для вдавливающей нагрузки их четыре основных и одна с машиной:

• Гидравлический домкрат, система балок и анкерные сваи — самая распространённая схема для буронабивных свай. Анкерные сваи работают на выдёргивание и держат балку, в которую упирается домкрат.
• Грузовая платформа как упор для домкрата — на платформу укладывают пригруз (блоки, плиты), домкрат упирается в неё снизу.
• Тарированный груз — нагрузку создают непосредственно грузом известной массы, без домкрата.
• Комбинированная установка — анкерные сваи плюс пригруз.
• Сваевдавливающая машина — упором служит сама машина с балластом.

Отдельно ГОСТ допускает для свай, бетонируемых на площадке, двунаправленные испытания (примечание 1 к п. 8.2.1). Домкраты закладывают в тело сваи при бетонировании, и они распирают сваю вверх и вниз, раздельно измеряя трение по боковой поверхности и сопротивление под нижним концом. Упорная система не нужна, поэтому метод удобен для свай большой несущей способности. Условие — сопоставимые испытания по обычной методике.

Расстояния до анкерных свай и реперов

Анкерные сваи и опоры реперной системы, расположенные слишком близко, искажают результат: грунт вокруг испытуемой сваи нагружается или разгружается от соседних конструкций. Поэтому таблица 5.1 ГОСТ задаёт минимальные расстояния в свету.

Пример: для сваи диаметром 600 мм на контрольном испытании 3d = 1,8 м, это больше 1,5 м, значит анкерные сваи ставят не ближе 1,8 м в свету. На изысканиях действует минимум 2 м. Это расстояние стоит учесть ещё при разбивке, если в качестве анкерных берут рабочие сваи свайного поля: шаг рабочих свай должен позволять такую схему.

Прогиб упорной балки не должен превышать 0,004 её расчётного пролёта (п. 5.11). Приборы для измерения перемещений обеспечивают погрешность не более 0,1 мм, их ставят не меньше двух, симметрично относительно сваи (п. 5.13).

Статическое испытание вдавливающей нагрузкой

Испытание свай статической нагрузкой на вдавливание — основной метод для буронабивных свай. Порядок задан разделом 8 ГОСТ 5686-2020.

1. Ступени нагрузки. Нагружают равномерно, без ударов, ступенями не более 1/10 наибольшей нагрузки из программы (п. 8.2.1). Если нижний конец заглублён в крупнообломочные грунты, гравелистые и плотные пески или твёрдые глины, первые три ступени можно брать по 1/5.
2. Отсчёты. На натурной свае: нулевой — до нагружения, первый — сразу после приложения ступени, затем три отсчёта через 30 мин и далее каждый час до стабилизации (п. 8.2.2). Расхождение между приборами не должно превышать 50% при осадках до 1 мм, 30% — от 1 до 5 мм, 20% — более 5 мм.
3. Условная стабилизация. Следующую ступень дают, когда осадка за последние 60 мин не превысила 0,1 мм — если под нижним концом пески или глины от твёрдых до тугопластичных; или за последние 2 ч — если глины от мягкопластичных до текучих (п. 8.2.3).
4. Наибольшая нагрузка. На изысканиях висячую натурную сваю нагружают до общей осадки не менее 40 мм, эталонную сваю и сваю-зонд — не менее 20 мм. Сваю-стойку — до значения из программы, но не менее 1,5 расчётной несущей способности по грунту и не более сопротивления ствола по материалу (п. 8.2.4). На контрольных испытаниях наибольшую нагрузку задаёт программа.
5. Разгрузка. После наибольшей нагрузки разгружают ступенями, равными удвоенным ступеням нагружения, каждую держат не менее 15 мин. После полной разгрузки упругий подъём сваи наблюдают 30 мин при песках под пятой и 60 мин при глинах (п. 8.2.6).

Если испытание прервалось непредвиденно, сваю полностью разгружают, измеряют упругие перемещения каждые 15 мин до приращения 0,01 мм, а затем продолжают с той нагрузки, на которой прервались (п. 8.2.4а). Всё испытание ведут в журнале по форме приложения И (п. 8.2.8), а результат оформляют графиками «нагрузка — осадка» и «осадка — время» по ступеням (п. 4.9).

Сколько длится статика

При десяти ступенях и стабилизации за час-два каждая ступень занимает от двух-трёх часов на малых нагрузках до многих часов на последних. Одно испытание с разгрузкой — это обычно одни-трое суток работы приборов, плюс монтаж и демонтаж балок. Для глинистых грунтов мягкопластичной консистенции срок растёт. Отдельно ГОСТ допускает ускоренное испытание (приложение Ж), но его достоверность должна подтверждаться сопоставимыми испытаниями по обычной методике.

Выдёргивающие и горизонтальные нагрузки

Выдёргивающую нагрузку проверяют, если свая в проекте работает на растяжение: опоры линий электропередачи и связи, мачты, фундаменты под оборудование с опрокидывающим моментом, сваи под заглублённые сооружения со всплытием. Горизонтальную — для подпорных конструкций, опор с ветровой и тормозной нагрузкой, свай под эстакады. Оба вида испытаний проводят только натурными сваями (п. 4.2).

Для выдёргивания не применяют бетонные и составные сваи, а также ряд других конструкций, перечисленных в п. 8.5.1: свая должна иметь арматуру, рассчитанную на растяжение. Критерий стабилизации для выдёргивающей и горизонтальной нагрузки тоже 0,1 мм за интервал наблюдения, интервалы задают пп. 8.5.4 и 8.6.3.

Обработка результатов по СП 24.13330.2021

Отчёт лаборатории даёт графики и частные значения предельного сопротивления. Несущую способность по ним определяет проектировщик по разделу 7.3 СП 24.13330.2021.

Предельное сопротивление одной сваи

По п. 7.3.5, если при вдавливании осадка начала расти без увеличения нагрузки (при s ≤ 20 мм), за частное значение предельного сопротивления Fu берут нагрузку предыдущей ступени. Во всех остальных случаях (кроме мостов и гидросооружений) Fu — это нагрузка, при которой осадка сваи равна:

s = ζ · su,mt,

где su,mt — предельная средняя осадка фундамента здания по СП 22.13330, ζ — коэффициент перехода, равный 0,2 при испытании с условной стабилизацией 0,1 мм за 1 ч (пески и глины от твёрдых до тугопластичных) или за 2 ч (глины от мягкопластичных до текучих). Если по формуле получилось больше 40 мм, принимают s = 40 мм.

Пример: для здания с предельной средней осадкой 100 мм s = 0,2 · 100 = 20 мм. Fu — нагрузка, при которой на графике осадка достигла 20 мм.

Если свая выдержала нагрузку не меньше 1,5Fd (где Fd — несущая способность по расчёту), а осадка осталась меньше s, за Fu допускается принять максимальную нагрузку испытания. Поэтому программа контрольных испытаний обычно и задаёт наибольшую нагрузку около 1,5 расчётной: этого достаточно, чтобы подтвердить проект.

Несущая способность по серии испытаний

По п. 7.3.3:

Fd = γc · Fu,n / γc,g1,

где γc = 1 для вдавливающих и горизонтальных нагрузок. Если одинаковых свай в одинаковых грунтах испытано меньше шести, Fu,n равно наименьшему из полученных Fu, а γc,g1 = 1 (п. 7.3.4). Если шесть и больше — Fu,n и γc,g1 находят статистической обработкой с доверительной вероятностью 0,95.

Отсюда практический вывод: при трёх-пяти испытаниях результат определяет худшая свая. Поэтому важно, чтобы опытные сваи были изготовлены по той же технологии, что и рабочие, — с той же зачисткой забоя, тем же бетоном и тем же способом бетонирования.

Сколько свай испытывать

Количество испытаний определяет проект в зависимости от сложности грунтов, нагрузок и числа типоразмеров свай. Для сооружений классов КС-2 и КС-3 СП 24.13330.2021 (п. 7.3.1) рекомендует:

Пример: на свайном поле из 420 буронабивных свай склада класса КС-2 1% — это 4 сваи, что больше минимума 3. На поле из 120 свай 1% — 1,2 сваи, но минимум для КС-2 — 3 испытания. При разных типоразмерах свай (например, ф450 под стены и ф600 под колонны) испытывают каждый типоразмер. Несущая способность подтверждается одним или несколькими способами по выбору авторов проекта (примечание 3 к п. 7.3.1).

Отдельный случай — одиночная буровая свая под колонну с нагрузкой более 2 500 кН. Для неё коэффициент γc,g принимают 1,4 при определении несущей способности статическими испытаниями и 1,6 — другими способами (п. 7.1.11). Здесь статика даёт заметный выигрыш.

Что испытание даёт проекту

Допускаемую нагрузку на сваю СП 24.13330.2021 (п. 7.1.11) ограничивает условием γn · N ≤ Fd / γc,g. Коэффициент надёжности по грунту γc,g зависит от того, как получена несущая способность:

• 1,2 — по результатам полевых испытаний статической нагрузкой;
• 1,25 — по статическому зондированию, динамическим испытаниям с учётом упругих деформаций грунта, эталонной свае или свае-зонду;
• 1,4 — расчётом по таблицам свода правил, в том числе по динамическим испытаниям без учёта упругих деформаций;
• 1,5 — численным моделированием в компьютерных программах.

Даже если статика подтвердила ровно расчётную Fd, допускаемая нагрузка растёт в 1,4 / 1,2 ≈ 1,17 раза — на 17%. На практике испытание часто показывает сопротивление выше табличного, особенно по боковой поверхности в плотных суглинках, и выигрыш больше. На поле в несколько сотен свай это означает меньше свай, короче сваи или меньший диаметр. Стоимость нескольких испытаний обычно окупается уже на экономии бетона и бурения, но решение о пересчёте принимает только проектировщик.

Обратная сторона: испытание может показать, что свая держит меньше расчёта. Тогда проект корректируют до массового устройства свай — это дешевле, чем усиливать готовый фундамент. Именно поэтому СП 45.13330.2017 (п. 12.2.1) требует до массового изготовления отработать технологию буронабивных свай на опытном участке.

Чек-лист заказчика

Короткий список того, что проверить перед испытаниями и при приёмке отчёта:

1. Программа утверждена вами и соответствует приложению А ГОСТ 5686-2020: места, число свай, схема установки, ступени, наибольшая нагрузка.
2. Одна из испытуемых свай стоит в худших грунтах площадки, все — в 1–5 м от выработок изысканий.
3. Опытные сваи сделаны по той же технологии, что будут рабочие: тот же диаметр, способ бурения, крепление стенок, бетон. Есть журнал бурения и акты освидетельствования скважин.
4. Бетон набрал 80% проектной прочности — есть протоколы испытания образцов. Сплошность ствола проверена.
5. Расстояния до анкерных свай и реперов не меньше, чем в таблице 5.1.
6. В отчёте есть журналы, графики «нагрузка — осадка» и «осадка — время», критерий стабилизации соблюдён на каждой ступени.
7. Проектировщик обработал результат по п. 7.3.3–7.3.5 СП 24.13330.2021 и выпустил решение: подтвердить, пересчитать или изменить сваи.

Если вы готовите свайное поле и хотите заложить опытные и анкерные сваи в график бурения, посмотрите условия на странице буронабивные сваи под ключ: мы бурим скважины ф350–650 глубиной до 18 м и ведём журнал бурения по каждой скважине. Другие справочные материалы о сваях, диаметрах и допусках собраны в статьях ФирмаСтрой о бурении и сваях.