Испытания свай на выдёргивающую нагрузку: когда свая работает не на сжатие, а на отрыв

Привычное представление о свае — элемент, который держит здание, не давая ему просесть. Но на целом классе объектов главная угроза противоположная: конструкцию пытается оторвать от земли. Ветер поднимает лёгкую кровлю ангара, мороз выталкивает сваю из грунта, опрокидывающий момент от высокой мачты нагружает одну сторону фундамента на сжатие, а другую — на отрыв. Для таких объектов несущая способность на вдавливание почти не важна, а на выдёргивание — критична. И определить её расчётом с приемлемой точностью почти невозможно: нужны натурные испытания. В статье — где возникают выдёргивающие нагрузки, почему таблицы здесь не работают и как организовать испытания по ГОСТ 5686.

Откуда берётся выдёргивающая нагрузка

Ветровой отрыв лёгких сооружений

Ангар из металлокаркаса с лёгкой кровлей весит мало, а площадь имеет большую. При расчётном ветре подъёмная сила на кровлю и опрокидывающий момент на каркас дают в анкерных узлах крайних колонн растягивающие усилия, которые превышают собственный вес конструкции. Чем легче здание и чем больше его пролёт и высота, тем больше доля свай, работающих на отрыв. Для бескаркасных арочных ангаров, навесов, крытых стоянок, тентовых конструкций выдёргивание — определяющий расчётный случай.

Опрокидывающий момент

Мачты связи, опоры ЛЭП, прожекторные мачты, рекламные конструкции, ветрогенераторы, дымовые трубы, башенные краны на период строительства — всё, что высоко и узко. Момент от горизонтальной нагрузки на высоте раскладывается в фундаменте на пару сил: одна сторона вдавливается, другая выдёргивается. Поскольку ветер меняет направление, каждая свая под такой конструкцией должна выдерживать и то и другое.

Морозное пучение

В пучинистых грунтах (пылеватые пески, супеси, суглинки, глины при высоком уровне грунтовых вод) промерзающий слой увеличивается в объёме и, смерзаясь с поверхностью сваи, тянет её вверх. Касательные силы пучения достигают 50–130 кПа на боковой поверхности в пределах глубины промерзания. Для лёгкой сваи под ангар, забор или малоэтажное здание эта сила может превосходить нагрузку сверху — свая за несколько зим «вылезает» из грунта, здание деформируется. Удерживает её только сопротивление выдёргиванию той части, которая ниже глубины промерзания.

Технологические и специальные случаи

Анкерные сваи для статических испытаний других свай, крепление оттяжек, подпорные стены с анкерами, фундаменты под оборудование с динамическими нагрузками, плавучие и подтопляемые сооружения с архимедовой силой, швартовые устройства.

Почему расчёт не заменяет испытание

Сопротивление сваи выдёргиванию формируется только трением по боковой поверхности — острие или лопасть на отрыв в классической забивной свае не работают. СП 24.13330 допускает рассчитывать его по тем же табличным значениям сопротивления f по боковой поверхности, что и для вдавливания, с коэффициентом условий работы 0,6–0,8 (для свай длиной до 4 м — ещё ниже). Проблема в том, что реальное соотношение сопротивления на отрыв и на вдавливание зависит от факторов, которые таблицы не учитывают:

• при отрыве снимается обжатие грунта вокруг сваи, которое при вдавливании создавалось сопротивлением острия — трение падает сильнее, чем предсказывает коэффициент;
• в водонасыщенных песках при быстром выдёргивании возникает разрежение под острием, временно повышающее сопротивление — испытание покажет завышенный результат, если скорость нагружения не контролируется;
• для винтовых свай сопротивление отрыву определяется работой лопасти на грунт над ней и зависит от глубины заложения лопасти, её диаметра и степени нарушения грунта при завинчивании — расчётные методики производителей дают разброс в 1,5–2 раза;
• для коротких свай (до 3–4 м) всё сопротивление сосредоточено в верхних слоях, которые наиболее неоднородны, нарушены и подвержены сезонным изменениям влажности.

Коэффициент надёжности по грунту для расчёта выдёргивающей нагрузки по таблицам — тот же 1,4, при статических испытаниях — 1,2. Но в отличие от вдавливания, где табличный расчёт обычно консервативен, для выдёргивания он может оказаться как завышенным, так и заниженным — а последствия завышения (вырванная свая под мачтой) неприемлемы.

Процедура испытания по ГОСТ 5686

Оборудование

Свая нагружается вверх гидравлическим домкратом, упирающимся в балку или раму, которая передаёт реакцию на грунт через опорные плиты или на соседние сваи, работающие на вдавливание. Для винтовых свай и свай под лёгкие сооружения, где усилия составляют 50–300 кН, достаточно компактной рамы и одного домкрата; для анкерных свай под мачты и опоры с усилиями в 500–1500 кН требуется тяжёлая упорная система. Перемещение сваи измеряется прогибомерами или индикаторами с точностью 0,1 мм, закреплёнными на независимой реперной системе вне зоны влияния нагрузки.

Нагружение

Ступенями, обычно равными 1/10–1/15 от ожидаемой предельной нагрузки. На каждой ступени — выдержка до условной стабилизации перемещения (не более 0,1 мм за последние 30 минут в песках или 60 минут в глинах). Испытание продолжается до достижения предельной нагрузки, при которой перемещение растёт без увеличения усилия, или до заданной проектом нагрузки с проверочным запасом. Общая длительность — от 4–6 часов для коротких свай в песках до суток и более в глинах.

Критерий предельного сопротивления

За предельное сопротивление принимается нагрузка, при которой перемещение сваи вверх достигает 25 мм, или нагрузка, предшествующая той, при которой перемещение не стабилизируется. Для свай, работающих в условиях пучения, проект может задавать более жёсткий критерий, поскольку даже небольшое перемещение вверх с последующей неполной осадкой накапливается год за годом.

Отдых сваи

Как и при испытаниях на вдавливание, забивную или винтовую сваю нельзя испытывать сразу после погружения: грунт вокруг неё нарушен, трение занижено. Выдержка — 3–20 суток в зависимости от грунта по ГОСТ 5686. Для винтовых свай в глинах отдых особенно важен: завинчивание разжижает грунт вдоль ствола и над лопастью.

Особенности для винтовых свай

Сопротивление винтовой сваи отрыву определяется диаметром лопасти, глубиной её заложения и грунтом над ней. Испытывать нужно сваю с проектной геометрией лопасти — замена на «похожую» делает результат непереносимым. Критично, чтобы лопасть находилась ниже глубины промерзания с запасом: иначе зимой сопротивление выдёргиванию существует только на бумаге.

Сколько свай испытывать и где

Для объектов, где выдёргивание — определяющий расчётный случай, статические испытания на выдёргивающую нагрузку обязательны при любом уровне ответственности: динамические методы для этого вида нагрузки не существуют, а табличный расчёт ненадёжен. Минимум — 2 сваи на объект, при неоднородных грунтах — по одной на каждую характерную зону по данным зондирования. Испытываются пробные сваи до начала массового монтажа; при изменении длины или геометрии свай по результатам — повторно.

Для крупных объектов (поля опор ЛЭП, солнечные электростанции с тысячами свай под рамы модулей, протяжённые ограждения) целесообразна двухступенчатая схема: статические испытания на выдёргивание в 3–5 точках дают сопротивление и его связь с данными зондирования или с крутящим моментом завинчивания; дальше каждая свая принимается по косвенному показателю, а статика повторяется выборочно.

Заказчику, который ставит лёгкие или высокие конструкции на винтовых или забивных сваях, стоит включить испытания свай на выдёргивающую нагрузку в программу работ ещё на стадии изысканий — до того, как утверждены длина и диаметр лопасти. Если испытания выполняет та же организация, которая проектирует и монтирует свайное поле, результат сразу превращается в проектное решение: заглубление лопасти, длина сваи, шаг — вместо протокола, который проектировщику ещё нужно интерпретировать.

Типичные ошибки

• Испытание только на вдавливание для ангара или мачты — проверяется случай, который не является расчётным.
• Испытание летом без учёта пучения. Сопротивление выдёргиванию определено корректно, но сила пучения не посчитана или глубина промерзания принята «по карте» без учёта снегового покрова и расчистки площадки. Зимой свая выпучивается при номинально достаточном сопротивлении.
• Слишком быстрое нагружение. В водонасыщенных грунтах даёт завышенный результат за счёт разрежения под острием и недренированного сопротивления.
• Реперная система в зоне влияния. Опорные плиты упорной рамы вдавливаются, грунт около них поднимается, прогибомеры «едут» вместе с ним — измеренное перемещение сваи занижено.
• Пробная свая другой длины или лопасти. Испытано не то, что будет смонтировано.
• Испытание без отдыха — заниженный результат и необоснованное удлинение всех свай.

Экономика

Для лёгких сооружений фундамент — это 25–40 % сметы, а длина сваи определяется именно выдёргиванием и пучением, а не вдавливанием. Разница между табличным расчётом с коэффициентом 1,4 и подтверждённым испытанием с коэффициентом 1,2 плюс уточнённое фактическое сопротивление дают сокращение длины свай на 15–30 %. На объекте с несколькими сотнями винтовых свай стоимость 2–3 испытаний на выдёргивание возвращается многократно только за счёт металла — не считая исключения риска, что первой же зимой или первым же ураганом сооружение будет деформировано.

Испытания на выдёргивающую нагрузку — не экзотика для особых случаев, а обязательный элемент программы для всех лёгких, высоких и расположенных в пучинистых грунтах сооружений на сваях. Это единственный достоверный способ определить сопротивление сваи отрыву: динамических аналогов нет, а табличный расчёт для этого вида нагрузки может ошибаться в опасную сторону. Испытание пробных свай с проектной геометрией, после отдыха, с правильной реперной системой и до утверждения длины свай — экономит на фундаменте больше, чем стоит, и закрывает тот расчётный случай, который для ангара, мачты или ограждения на самом деле является главным.