Статическое зондирование. Виды и методы изучения грунтов

Плывуны

Основания, которые при вскрытии начинают двигаться, проявляя большую текучесть и вязкость, называют плывунами. В их состав входят песчаная пыль, глинистые чешуйчатые частицы, илистые добавки. Плывуны содержат много влаги, которая приводит массу в почти жидкое состояние. Грунты такого состава делятся на истинные плывуны и нетрадиционные. Первые в составе содержат много глины и коллоидных вкраплений, характеризующихся быстрым насыщением и плохой влагоотдачей. Их оплывание происходит при содержании влаги в количестве 6-9%, переход в текучее состояние наблюдается после добавления влаги в количестве 15-17%.

К нетрадиционным плывунам относят песчаные пласты, не содержащие глины. Эти грунты отличаются высоким восприятием влаги и способностью быстро отдавать ее. Переходят в текущее состояние, и такие свойства грунтов делают их применение в строительстве невозможным.

Классификация и виды грунтов

Подземные грунты разнообразны по химическому составу, кристаллической структуре и характеру расположения в слое. Подразделение грунтов производится согласно СНиП II-15-1974 ч. 2.

Скальные грунты представляют собой жесткие почвенные отложения, залегающие плотным массивом, иногда допускаются трещиноватые участки. К ним относятся магматические породы (граниты), осадочные отложения (конгломераты, песчаный грунт), метаморфические слои (сланцы, гнейсы, кварциты). Почвенные образования подобного типа отличаются большой прочностью при сжатии, хорошо сопротивляются замерзанию, являются отличным основанием под строительство.

Если скальные грунты характеризуются наличием трещин, то их показатели ухудшаются в плане промерзания и прочности. Такую почву делят на группы, определяемые по содержанию солей, способности к размягчению и растворимости в воде.

Нескальные грунты образовываются осадочным способом в природных условиях и не содержат в своей решетке жестких структурных связей. В зависимости от размера частиц их делят на крупнообломочный, песчаный грунт, глинисто-пылеватые и биогенные скопления.

Глинистые породы

Грунты, относящиеся к глинистым видам, содержат в своем составе мелкие чешуйчатые частицы диаметром не более 0,005 мм. Допускается вкрапление небольшого числа пылеватых песчаных зерен. Глинистый грунт относится к пучинистым породам, так как тонкие капилляры и большие плоскости между частицами для содержания влаги приводят к быстрому насыщению водой, что разрушает целостность пласта при действии заморозков. Глинистые грунты делят на следующие:

• глины – содержат глинистых чешуек более 30%;
• суглинки – количество чешуек уменьшается до 10-30%;
• супеси характеризуются соедржанием от 3 до 10% чешуек.

Глинистые виды грунтов меняют прочность в зависимости от влажности. Сухие выдерживают значительную нагрузку. От содержания глинистых частиц зависит показатель пластичности и текучести.

Статическое зондирование

Статическое зондирование применяется обычно в мягких грунтах, не содержащих крупных включений твердых пород.
 

Статическое зондирование лишено многих недостатков, присущих динамическому зондированию. Оно заключается во вдавливании в грунт с постоянной скоростью конуса с диаметром основания 36 мм, площадью основания 10 см2 и углом при вершине 60 на штангах, свободно перемещающихся в трубе, погружаемой одновременно с конусом. Проведение статического зондирования регламентируется ГОСТ 20069 – 81 Грунты.
 

Статическое зондирование используется также в комплексе с радиоактивным каротажем. В процессе испытаний грунтов помимо измерения сопротивлений грунта вдавливанию зонда регистрируется по глубине изменение интенсивности рассеивания радиоактивного, излучения, На основе тарировочных данных и соответствующих кор.
 

Статическое зондирование грунтов в нашей стране широко применяется примерно с 1960 года и в настоящее время в условиях реконструкции зданий используется для выделения инженерно-геологических элементов ( мощности, границ распространения), оценки пространственной изменчивости и строительных свойств грунтов, определения несущей способности свай и некоторых других целей.
 

Для статического зондирования применяют специализированные самоходные и передвижные установки, а также приставки к буровым станкам. Наиболее совершенное техническое средство – разработанные во ВСЕГИНГЕО пенетрационно-каротажные станции. Они позволяют использовать в комплексе статическое зондирование и радиоактивный каротаж. Это в свою очередь дает возможность оценить основные физико-механические свойства грунтов и получить диаграммы непрерывного изменения их по глубине. С помощью ГТК и НГК определяют естественную радиоактивность, плотность и влажность грунтов, с помощью зондирования – лобовое сопротивление и трение по боковой поверхности.
 

Успешное применение статического зондирования для проектирования свайных фундаментов, в результате которого значительно сократились сроки и стоимость проектирования, поставило проблему разработки методов проведения изысканий для фундаментов на естественном основании и компьютерной технологии проектирования на базе данных зондирования.
 

Развитие технологии статического зондирования грунтов к настоящему времени позволяет считать, что информация по одной скважине при статическом зондировании получается в значительно более короткие сроки по сравнению с методом бурения разведочных скважин. Практика использования, например, зондирующей установки С-832 на базе автомобиля позволяет получить информацию по площадке в 8 – 10 раз быстрее традиционного метода бурения, при большем числе точек зондирования.
 

При традиционных методах статического зондирования и пенетрационного каротажа вдавливанием в грунт соответствующих зондов и снарядов на бурильных трубах качественные результаты исследований обеспечиваются только при абсолютно неизменном положении вдавливающих буровых механизмов. Достичь такого положения при размещении этих механизмов на качающемся и дрейфующем из-за морского волнения судне невозможно.
 

На отечественных установках статического зондирования применяются зонды различных конструкций, позволяющие измерять те или иные параметры лобового сопротивления грунта под нижним концом наконечника зонда и сопротивление на его боковой поверхности. Если наконечники зондов снабжены специальными радиоактивными датчиками, то, кроме указанных выше параметров, могут измеряться плотность, влажность и другие характеристики грунта.
 

Однако опыт использования статического зондирования для оценки плотности грунтов, в основном включает данные по исследованию песчаных грунтов.
 

Поэтому использование данных статического зондирования грунтов для расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах возможно лишь с введением поправочных коэффициентов, в той или иной степени учитывающих особенности работы фундаментов в вытрамбованных котлованах.
 

Вычисления по данным статического зондирования дали более высокие результаты: для суглинков 77 – 105 Па.
 

Рассмотрены, применительно к статическому зондированию, имеющиеся в отечественной и зарубежной литературе основные положения теории проникания цилиндрического стержня с коническим наконечником в грунт.
 

Показатели песчаных грунтов

В своем составе эти типы грунтов содержат минеральные частицы и зерна кварцита крупностью не более 2 мм. Глинистых составляющих – не более 3%, что приводит к утере пластичности. В зависимости от крупности зерна песчаные грунты делят на виды:

• пыль составляют крупицы диаметром от 0,05 до 0,005 мм;
• мелка фракция диаметром более 0,1 мм;
• средняя крупность диаметром более 0,25 мм;
• крупный диаметр частиц составляет 0,5 мм и больше;
• гравелистый вид содержит в составе вкрапления диаметром больше 2 мм.

Несущая способность песчаного основания повышается с увеличением крупности зерен. Непластичные песчаные грунты обладают невысокой степенью сжатия, после начала действия нагрузки осадка быстро прекращается. Крупнозернистые виды песчаных грунтов в процессе нагрузки повышают плотность и, соответственно, прочность.

Такие типы грунтов, как песчаные с добавлением глины, в некоторых случаях проявляют способность к просадке и набуханию. Первая возникает под действием собственного веса и намачивания, второй увеличивает объем грунта, а при высыхании он уменьшается, что приводит к трещинам и потере прочности.

Характеристика крупнообломочных грунтов

К ним относятся несвязанные куски горных образований, в которых преобладают обломки величиной до 2 мм, и их содержится в массе не более 50%. По форме и величине гранул различают такие виды грунтов: валунный, глыбовый, щебенистый, галечниковый, гравийный и дресвяный. Считаются отличным основанием для тяжелых строительных и механических конструкций, если располагаются на предшествующем плотном слое. Сжимание под действием нагрузки отмечается незначительное. Хорошо если в общей массе почвы содержится до 40% песка или глинистого и пылевого заполнения, что дает дополнительные прочностные характеристики.

Испытания в полевых условиях

Полевые методы исследования грунтов, как правило, проводятся в комплексе с лабораторными для фиксации максимально достоверных результатов. Рассмотрим популярные методы определения плотности грунта в полевых условиях.

Зондирование статическое

Метод зондирования статического базируется на вдавливании в исследуемую почву специального зонда (наконечника) с заданной силой:

• зонд непрерывно погружается в грунт под воздействием гидравлической системы;

• фиксируется сопротивление почвенного покрова — с заданной периодичностью или непрерывно.

Как правило, не используется для глинистых пород.

Зондирование динамическое 

Одним из методом полевого обследования является динамическое зондирование грунтов. Почва подвергается воздействию вибромолота, в результате чего определяется её сопротивление.

Данные испытания создают условия, максимально приближенные к реальным. Они позволяют выявить несущие характеристики породы весьма точно путем прикладывания динамической нагрузки.

Испытания грунтов штампом

Штамповые испытания грунтов (регламентируется ГОСТ 20276 2012) — достоверный метод исследования модуля деформации породы, проводимый в полях. Процесс подразумевает нагружение винтового (или круглого плоского) штампа под влиянием специального груза (могут использоваться плиты, ФБС блоки, техника) или домкрата. Нагрузка подается поэтапно. Данные измеряются датчиками перемещений или прогибомерами. Далее производится их обработка, построение графиков, расчеты. 

Такие испытания подходят для: 

• песчаных и глинистых;

• крупнообломочных пород.

Исследования грунтов с помощью свай

Методы исследования грунтов с применением свай разнятся, в зависимости от задачи. Так, применяются способы:

• давление посредством статической нагрузки;

• тест на выдергивание;

• нагрузка горизонтальным способом;

• также проводятся динамические исследования.

В процессе используются натурные модели или сваи эталонного типа (D = 114 мм).

Лабораторные методы испытаний

Грунтовая лаборатория Гектар Групп готова провести широкий спектр исследований для скальных, полускальных, дисперсных осадочных пород. 

Одноосное сжатие 

Компрессионные испытания грунта достаточно распространены. Они позволяют оценить его деформационные показатели и являются весьма популярным видом исследований в лаборатории.

Этот вид исследований подходит для полускальных грунтов. Также анализируют глинистые породы (IL ≤ 0,25). Метод позволяет определить предел прочности Rc (на сжатие одноосное). Для полускальных разновидностей фиксируют модули упругости, а также деформации. Кроме того, анализируются следующие показатели: коэффициенты Пуассона, а также поперечной деформации. 

В ходе испытаний отсутствует боковое расширение. Подобной нагрузке подвергается грунт, расположенный в точке под центром фундамента. 

Такое испытание грунта на сжатие дает оценку:

• уровня сжатия, прочностной структуры;

• коэффициента сжимаемости (относительной);

• общей деформации.

Трехосное сжатие

Исследование грунта данным методом (стабилометрическим) максимально точно имитирует нагрузку, которую испытывает грунт под влиянием построенного здания. Позволяет с предельной точностью определить механические показатели образца грунта и спрогнозировать его поведение в естественных условиях.

При трехосном сжатии наблюдается присутствие:

• давления сверху (вес здания, сооружения и грунта);

• уплотнения на глубине внизу;

• уровня бокового давления.

Испытания проводятся в приборе трехосного сжатия (стабилометр), в условиях осесимметричного статического трехосного нагружения при σ1 ≥ σ2 = σ3, где σ1 – максимальное главное напряжение; σ2 = σ3 – минимальные. В результате получаются графики зависимостей – деформаций от нагрузки, а также колебания деформаций с течением времени. Это дает понимание, как определить плотность грунта.

Механические и физические характеристики

Важным показателем является гранулометрический состав, который позволяет выяснить, сколько в процентном отношении частиц содержится в массе. К стандартизированным частицам, пригодным для выявления, относят зерна: 40 мм – галька, от 0,25 до 2 мм – песок, 0,05-0,25 мм – пыль, 0,005-0,05 мм – пылевые частицы, до 0,005 мм – глинистые чешуйки.

Объемный вес показывает, сколько весит один кубический метр грунта, для разных пород он составляет от 1,5 до 2,0 т на 1 м3. Коэффициент пористости выявляет отношение общего числа пор ко всему объему грунта. Показатель влажности определяет отношение массы содержащейся влаги к весу этого же объема в сухом состоянии.

Показатель связности позволяет выявить способность мелких зерен и частиц оставаться в целостном виде при нагрузке. Глинистые грунты имеют наивысший показатель, у песчаных пластов взаимное сцепление частиц полностью отсутствует.

Пластичностью называют свойство породы изменять форму под действием нагрузки и оставаться в неизменном виде после ее удаления. Наивысший показатель – у глинистых пород, наименьшие значения проявляют пески и гравелистые основания.

Статическое зондирование выявляет показатель прочности исследуемого слоя. Прочностью называется способность оставаться в неразрушенном состоянии при воздействии нагрузки.

Важной характеристикой породы является сопротивляемость сдвигу. Перемещение одного слоя относительно другого происходит по определенным плоскостям скольжения

При действии нагрузки частицы сопротивляются сдвигу, величина сцепления и образует искомый показатель.

Проведение зондирования

Статическое зондирование выполняется в соответствии с порядком, предусмотренным в инструкции по эксплуатации полевых установок. Полученные результаты обязательно через периодические промежутки фиксируются на гибкой ленте при скорости вдавливания 1 м в минуту. Погружение считается оконченным, если на зонд оказывается давление заданной величины.

Помимо гибкого носителя результаты проведенных испытаний записываются в специальные журналы. Скважину после работы тампонируют землей и помечают знаком, на котором стоят данные испытательной точки и наименование организации, проводившей процедуру. В обязательном порядке восстанавливают грунт, поврежденный в процессе работ.

Общие вопросы по зондированию

При опускании зонда показания сопротивления почвенных слоев снимают под наконечником прибора и на боковых его стенках. Метод статического исследования применяют как самостоятельное испытание или сочетают с другими инженерными и геологическими определениями характеристик почвы. В процессе исследований получают значения толщины каждого слоя, выявляют образовавшиеся линзы грунта, границы расположения различных типов почв, поводят оценку их текущего состояния.

Все эти усредненные показатели используют для определения возможности забивки свай, расчета глубины их опускания в грунт, выводят данные для установления предельной глубины свайного основания, находят оптимальные места для расположения исследовательских площадок.

После проведения полевых исследований статическим исследованием грунта получают такие данные:

• об удельном сопротивлении почвы под острием конуса, выражаемом в МПа (кгс/см2);
• о сопротивлении земляного слоя на боковой стороне муфты конуса, единица измерения – кн.

Результаты статического зондирования получаются достоверными, если проведение работ проходит по заранее утвержденному плану и оформленному по всем правилам заданию на осуществление геологических и инженерных испытаний.

Линзы в грунте и глубина промерзания

Вечная мерзлота развивается неодинаково в пределах обширной территории. Иногда встречаются отдельные пятна, а порой целые области без перерыва составляет мерзлота. Исследования слоя талого грунта не всегда определяют наличие в нем линз – замерзших участков ледяного скопления. Если здание строится в области талого грунта и была пропущена линза, а оно частично располагается над ней, то тепло от конструкции во время эксплуатации растапливает ледяное скопление, и создаются непрогнозируемые просадки или оползни.

Иногда ледяные линзы формируются искусственно в результате нарушения естественного теплообмена между поверхностью грунта и глубинами.

Законсервированный в глубине лед вспучивается при повышении температуры, деформируя грунт. На прочность основания влияют не только отдельные ледяные линзы, но и природная глубина промерзания грунта. Показатель рассчитывается для наиболее холодного периода в данной местности. При этом в расчет закладывается максимальная влажность породы и условия отсутствия снега на поверхности.

Глубина промерзания учитывается при закладке основания под строительство зданий и сооружений, при этом подошва фундамента заглубляется ниже принятой отметки промерзания. В расчете получается показатель, который несколько превышает реальную глубину промерзания. Его принимают за основу, так как расчет ведется на те случаи, когда стечение обстоятельств приводит к наихудшим условиям эксплуатации.

В заключение следует отметить, что исследование почвенных пластов методом статического зондирования помогает расширять области обитания человека за счет зоны вечной мерзлоты и крайней Сибири, строить там современные поселки и перерабатывающие комбинаты.

Оборудование для зондирования грунта

Установка, применяемая для проведения испытания, состоит из следующих частей:

• наконечник и штанга, вместе образующие зондирующее устройство;
• устройство по типу домкрата, предназначенное для вдавливания наконечника в грунт, и приспособление, извлекающее зонд;
• для опирания установки – статически уравновешенная станина, закрепленная анкерами;
• измерительные и считывающие устройства с возможностью фиксации на гибком носителе.

Зонды с наконечниками используются трех распространенных типов. Первый вид наконечника состоит из кожуха и самого конуса. Второй тип зонда оснащен наконечником из муфты трения конусной формы. Третий наконечник имеет в комплекте муфту трения, конус и расширитель. Метод статического зондирования требует, чтобы, несмотря на применяемую конструкцию зонда, его основание по площади соответствовало 10 см2. Угол при конусной вершине составляет 60º.

По технологии требуется, чтобы диаметр муфты снаружи был равен этому показателю основания корпуса, а ее длина составляла 31 см. Диаметр штанги снаружи – 36 см для зонда 1-го типа, а два вторых вида допускают диаметр до 55 см. Принимается этот размер исходя из технологических расчетов.

Суть процедуры

Статическое зондирование грунтов производится для определения механических и физических свойств почвенного слоя, поэтому в результате получают нормативные характеристики почвы. При обработке данных исследования вначале определяют среднее арифметическое показание по результатам одного опускания зонда для выяснения характеристик слоя. Для окончательного результата сопоставляют средние показатели по всем произведенным точкам зондирования на выбранной площадке.

Процесс исследования осуществляется циклами, которые содержат следующие операционные процедуры:

• выполняется постепенное равномерное вдавливание стержня с периодической фиксацией показаний физических и механических свойств почвы приблизительно через 20 см;
• производится запись на диаграммных автоматических лентах всех показаний исследования грунта;
• для наращивания последующего штангового участка поднимается шток домкрата;
• статическое зондирование оканчивается при достижении прибором искомой выбранной глубины или максимальных нагрузок на конус зонда.

Для чего испытывать грунты

В ходе эксплуатации объекта грунт деформируется под ним, так как испытывает статические фиксированные нагрузки. Степень деформации зависит от характеристик породы. Определение физико-механических характеристик грунтов позволяет исключить риск смещения, просадок, деформаций фундамента, растрескивания стен, разрушения сооружения. 

Анализ химических свойств способствует оценке взаимодействия породы с бетонными и металлическими составляющими фундамента. Это необходимо для разработки мероприятий по защите от разрушения, коррозии. 

Испытание плотности грунта, а также исследование на сдвиг и прочие характеристики нужны для принятия грамотных проектных решений, в том числе по выбору размещения объекта и типа фундамента. От этого напрямую зависит стоимость проекта, а также безопасность в ходе возведения, эксплуатации сооружения. 

3

Область применения динамического и статического зондирования в зависимости от видов и состояния грунтов

выбора мест расположения опытных площадок для детального изучения физико-механических свойств грунтов.

1.4.    Область применения динамического и статического зондирования в зависимости от видов и состояния грунтов регламентируется табл. 1.

1.5.    Зондирование грунтов надлежит выполнять в соответствии с требованиями нормативных документов и ГОСТов по инженерным изысканиям, проектированию и производству строительно-монтажных работ по программе, составляемой согласно требованиям главы

4

СНиП 11-A. 13-69 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» (пп. 1.8—1.10).

В программе работ в зависимости от конкретных задач, поставленных перед зондированием, сложности и изученности инженерногеологических условий площадки, особенностей объектов и стадии проектирования их должны быть установлены количество точек зондирования, их взаимное расположение на площади исследуемого участка, глубина зондирования и очередность выполнения работ по зондированию и другим видам инженерно-геологических исследований грунтов.

Глубина зондирования должна определяться с учетом необходимости исследования толщи грунтов, слагающих основания зданий и сооружений. Использование данных зондирования должно ограничиваться глубиной 20 ж. При камеральной обработке материалов результаты зондирования до глубины 1 ж следует исключать.

1.6.    При проведении инженерных изысканий под конкретные здания и сооружения зондирование грунтов следует производить в пределах их контуров или на расстоянии от контуров зданий и сооружений не более 5 ж.

Для получения сопоставительных данных часть точек зондирования необходимо располагать на расстоянии не более 5 ж от горных выработок (скважин, шурфов и т д.), в которых производят отбор грунтов для лабораторных исследований и предусмотренные программой другие виды полевых испытаний грунтов, но не ближе 1 ж от границы выработки и 2 ж от оси испытываемой сваи.

1.7.    В качестве показателей зондирования грунтов следует принимать:

при динамическом зондировании — величину условного динамического сопротивления грунтов Р_д;

при статическом зондировании — величины сопротивления грунта конусу зонда р_{с к} и общего сопротивления грунта по боковой поверхности зонда Р_с.б.

1.8.    Результаты динамического зондирования регистрируются в журнале динамического зондирования грунтов (приложение 1, форма 1), а результаты статического зондирования — в журнале статического зондирования грунтов (приложение 1, форма 2) или на диаграммных лентах регистрирующих приборов.

1.9.    Оценку свойств грунтов отдельных инженер но-геологических элементов следует производить на основе сопоставления обобщенных показателей зондирования с результатами исследования анало гичных свойств грунтов другими методами.

Обобщенные показатели зондирования грунтов должны быть по’ лучены в результате статистической обработки значений показателей зондирования в отдельных точках. Количество значений показателей зондирования должно быть достаточным для статистической обработки, но не менее 5.

1.10.    Обобщенные показатели зондирования при использовании их для прогноза изменения свойств грунтов (подъем уровня грунтовых вод и т. д.) подлежат уточнению.

1.11.    По окончании работ точку зондирования грунтов надлежит закрепить знаком (колышком) с соответствующей маркировкой.

1.12.    Определение несущей способности свай по результатам зондирования грунтов производится в соответствии с требованиями главы СНиП Н-Б.5-67* «Свайные фундаменты. Нормы проектиро-вания».

Подготовительные работы

По эксплуатационной инструкции, которая выдается изготовителем при покупке машины, проводят периодическое испытание оборудования и его проверку. Работоспособность определяют после покупки установки и перед ее использованием на полигоне. Испытание проводят не реже одного раза в три месяца, а также обязательно после ремонта и замены любой из запчастей. Полученные результаты проверки оформляют соответствующим актом.

Установка статического зондирования постоянно подвергается износу, происходит частичная потеря прямолинейности штанги, поэтому через каждые 15-20 точек погружения собирают звенья в участок не менее 3 м и проверяют прямую линию. Отклонения допускаются не более 5 мм по всей длине. Проверка касается и высоты наконечника зонда, которая не допускает уменьшения длины более чем на 5 мм.

При разметке точек погружения используют геодезические нивелиры и теодолиты, на отмеченных местах выставляют маяки по высоте и вертикали. После проведения статического зондирования повторно проверяют правильность расположения точек. Если из-за геологических особенностей местности не устанавливаются маяки, то делают планировку грунта для улучшения условий. Мачта зондирования не отклоняется более 5º, иначе результаты считаются спорными.

Вечная мерзлота

Подземные воды образуют не только скопления жидкости внутри пластов, но и твердое образование льда. Вечной мерзлотой называют криолитовые области, состоящие из ледяных наслоений. Они образуются в горах, на поверхности равнин с большой степенью минерализации и под землей. Многолетняя мерзлота формируется в областях с постоянными тектоническими замещениями горизонтов влажными породами или в результате промерзания ранее накопившейся жидкости в подземных слоях.

Почти во всех районах мерзлоты встречаются миграционные ледяные скопления. Замерзшая в результате многих лет порода является результатом продолжительного накопления холода в массе подземных пластов. Многие исследователи говорят о ее многовековом существовании еще с давних времен. В результате устоявшегося сурового климата в местах, где располагается многолетняя мерзлота, разрушение ледяных пластов не предвидится, если не нарушается природное равновесие в результате деятельности человека

При использовании в качестве основания для строительства пластов с мерзлыми грунтами обращают внимание на бережное отношение к целостности поверхности, в противном случае может произойти нарушение устоявшегося равновесия