УДК 624.131.3

ПРИМЕНЕНИЕ И НОРМИРОВАНИЕ МЕТОДА СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ С ИЗМЕРЕНИЕМ ПОРОВОГО ДАВЛЕНИЯ В ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ

Безгодов Михаил Александрович1, Мирзоев Дмитрий Вадимович2, Моисеева Олеся Васильевна3
1Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ассистент
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, магистр
3Пермский национальный исследовательский политехнический университет, магистр

Аннотация
Произведен сравнительный анализ отечественной и зарубежной нормативной документации, справочной литературы, регламентирующей проведение инженерно-геологических испытаний грунтов методом статического зондирования с измерением порового давления.

Ключевые слова: диссипационный тест, коэффициент консолидации, поровое давление, статическое зондирование


APPLICATION AND STANDARDIZATION METHOD CONE PENETRATION TESTING WITH MEASUREMENTS OF PORE PRESSURE IN ENGINEERING AND GEOLOGICAL SURVEYS

Bezgodov Michael Aleksandrovich1, Mirzoev Dmitriy Vadimovich2, Moiseeva Olesya Vasilyevna3
1Perm National Research Polytechnic University, assistant
2Perm National Research Polytechnic University, magister
3Perm National Research Polytechnic University, magister

Abstract
A comparative analysis of native and foreign regulatory documentation, reference literature, regulating conduct geotechnical soil tests by cone penetration testing the measurement of pore pressure.

Keywords: cone penetration test, consolidation ratio, dissipative test, pore pressure


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Безгодов М.А., Мирзоев Д.В., Моисеева О.В. Применение и нормирование метода статического зондирования с измерением порового давления в инженерно-геологических изысканиях // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/08/70877 (дата обращения: 23.11.2016).

При проектировании зданий или сооружений всегда производятся инженерно-геологические изыскания. Достоверность результатов и современность методов полевых испытаний грунтов несет в себе экономическую выгоду и уменьшение сроков строительства. Одним из наиболее перспективных методов полевых испытаний, применяемых в основном за рубежом, является статическое зондирование. Статическое зондирование позволяет определять физико-механические свойства грунтов в состоянии естественного залегания.

Статическое зондирование электрическим зондом с измерением порового давления (CPTU) имеет высокую применяемость и позволяет оценить физико-механические характеристики, вид, инженерно-геологический разрез, стратиграфию не скальных грунтов.

Применяемость и полезность полевых методов испытаний грунтов сведена в таблицу 1 [1].

Таблица 1 – Применяемость и полезность полевых методов испытаний грунтов

Методы испытаний

Параметры грунта

Вид грунта

Вид грунта

Разрез

Рыхлый скальный

Песок

Супесь, суглинок

Глина

Торф

Динамическое зондирование (DPT)

C

B

-

C

C

-

C

A

B

B

B

Статическое зондирование механическим зондом (Тип 1)

B

A/B

-

C

B

-

C

A

A

A

A

Статическое зондирование электрическим зондом (Тип 2-CPT)

B

A

-

B

A/B

-

C

A

A

A

A

Статическое зондирование электрическим зондом с измерением порового давления (CPTU)

A

A

A

B

A/B

A/B

C

A

A

A

A

Статическое зондирование сейсмозондом (SCPT/SCPTU)

A

A

A

A/B

A/B

A/B

C

A

A

A

A

Испытания плоским дилатометром (DMT)

B

A

C

B

C

-

C

A

A

A

A

Стандартное пенетрационное испытание (SPT)

A

B

-

C

B

-

C

A

A

A

A

Применяемость: «A» – высокая; «B» – умеренная; «C» – низкая; «-» – не применяется.

В странах Западной и Северной Европы CPT и CPTU широко применяются при проведении инженерно-геологических изысканий [2].

а)                                                             б)

     

Рис. 1. Применение CPT и CPTU в странах Западной и Северной Европы:

а – процент применения CPT среди традиционных методов испытаний грунтов;

б – процент применения CPTU среди CPT.

По статистике, применение CPTU в большинстве стран Западной и Северной Европы достигает 100% среди всех используемых зондов для статического зондирования в регионе (рис. 1, б). Этот показатель обусловлен высокой производственной базой и близким расположением наиболее развитых компаний в области зондирования (например, головные офисы компаний Fugro и Geomil расположены на территории Нидерландов).

В то время как в странах Восточной Европы применение CPT и CPTU является исключительным [3].

а)                                              б)

    

Рис. 2. Применение CPT и CPTU в странах Восточной Европы:

а – процент применения CPT среди традиционных методов испытаний грунтов;

б – процент применения CPTU среди CPT.

Уровень применения CPTU в отечественной практике среди CPT самый низкий в странах Восточной Европы в размере – 5% (рис. 2, б).

По статистике, применение CPT в странах Восточной Европы, и в большей степени в России, среди традиционных методов испытаний грунтов ниже 20%. Этот показатель обусловлен отсутствием необходимого оборудования, сложностью интерпретации получаемых данных, недостаточной осведомленностью персонала, ведущего изыскания.

В настоящее время в России опубликовано множество статей в области статического зондирования [4-6], разработан ГОСТ 19912-2012, регламентирующий испытания методом статического зондирования, но четкой систематизации данных, полученных зарубежными и отечественными школами зондирования, не произведено. И главной проблемой является использование зарубежных конструкций зондов (например, компании Fugro, Geomil) в отечественной практике. Т.к. существуют значительные отличия в отечественной и зарубежной нормативной документации.

Нормирование в зарубежной практике
Для систематизации отечественной и зарубежной нормативной документации ниже будут рассмотрены следующие документы:
1. EN 1997-2-2009 «Geotechnical Design. Ground Investigation and Testing» (Геотехническое проектирование. Исследование и испытания грунта);
2. ISO 22476-1-2012 «Geotechnical investigation and testing. Electrical cone and piezocone penetration test» (Геотехнические исследования и испытания. Испытания с помощью электрического конического пенетрометра (CPT) и пьезоконического пенетрометра (CPTU)).
3. ГОСТ 19912-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием».

EN 1997-2-2009 «Геотехническое проектирование. Исследование и испытания грунта» предъявляет требования к конструкции, методам и интерпретации результатов пенетрационных испытаний.
В настоящем стандарте даны рекомендации применительно к испытаниям с использованием тензометрического (CPT) и пьезозонда (CPTU).
Определения, относящиеся к CPT и CPTU, разработаны с целью унификации конструкции зондов и измеряемых величин:
- сопротивление (лобовое) конуса:

где  – измеренная осевая нагрузка, действующая на конус;  – полная площадь основания конуса.
- силы трения:

где  – измеренная сила трения, действующая на муфте трения;  – площадь муфты трения.
- коэффициент трения:

где  и  определены на одной глубине и выражены в процентах.
- коэффициент трения:

где  и  определены на одной глубине;

Унифицированная конструкция пьезозонда (CPTU) по EN 1997-2-2009 представлена на рис. 3.


Рис. 3. Унифицированная конструкция пьезозонда (CPTU) по EN 1997-2-2009

Для CPTU используются следующие дополнительные определения:
- коэффициент площади конуса: ; где  – нетто площадь конуса.
- поровое давление  – поровое давление, измеренное при погружении зонда и, возникающее в месте сопряжения конуса с муфтой трения.
- избыточное поровое давление: ; где  – поровое давление, существующее в грунте на уровне конуса;
- полное (скорректированное) сопротивление конуса: ;
- коэффициент порового давления: ; где  – полное вертикальное напряжение от собственного веса грунта перед пенетрационными испытаниями на уровне основания конуса.

Определения для CPTU также содержатся в EN 1997-3-2007 «Геотехническое проектирование. Полевые испытания грунтов» и представлены на рис. 4.


Рис. 4. Определения для CPTU по EN 1997-3-2007.

В соответствии с ISO 22476-1-2009 «Геотехнические исследования и испытания. Испытания с помощью электрического конического пенетрометра (CPT) и пьезоконического пенетрометра (CPTU)»:

Испытания грунтов CPTU позволяют определить коэффициент консолидации [] при проведении диссипационного теста. Данный параметр используется при расчете осадки фундаментов во времени.

Диссипационный тест предусматривает остановку процесса вдавливания зонда, после этого фиксируется рассеивание порового давления [] во времени. Процесс рассеивания порового давления вокруг зонда может продолжаться в глинах много часов, но его интенсивность быстро убывает, и уже примерно в первые 10 минут в большинстве грунтов поровое давление может снижаться до 50%. Именно на такую степень рассеивания рекомендуют ориентироваться зарубежные специалисты и стандарты (рис. 5) [7]

Дренирование поровой воды имеет место в горизонтальном направлении, в направлении от зонда, то испытания позволяют определить не вертикальный , а горизонтальный коэффициент консолидации .


Рис. 5. Изменение порового давления во времени.

Коэффициент консолидации в горизонтальном направлении  находится с использованием следующего выражения:

,

где  – безразмерный коэффициент времени, определяемый по табл. 2;  – радиус зонда;  – время диссипации, обычно принимаемое при 50% степени рассеивания порового давления;  – коэффициент жесткости, определяемый как , здесь  – упругий модуль сдвига, а  – недренированная прочность грунта.

Таблица 2 – Величина коэффициента времени от расположения фильтра и консолидации
Степень консолидации (%)
Положение фильтра
На поверхности конуса
На основании конуса
5 радиусов выше основания конуса
10 радиусов выше основания конуса
20
0,014
0,038
0,294
0,378
30
0,032
0,078
0,503
0,662
40
0,063
0,142
0,756
0,995
50
0,118
0,245
1,110
1,460
60
0,226
0,439
1,650
2,140
70
0,463
0,804
2,430
3,240
80
1,040
1,600
4,100
5,240

При определении коэффициента консолидации  используется следующая процедура:
1. Наносится график зависимости нормального значения порового давления  от времени в логарифмическом или  масштабе, где  – текущее, начальное и гидростатическое поровое давление, соответственно.
2. Вычислить  из положения уровня грунтовых вод.
3. Вычислить разницу между начальным поровым давлением  и гидростатическим поровым давлением  и из графика (рис. 3) найти время для 50% диссипации порового давления .
4. Используя значения  и  из табл. 2 вычислить коэффициент консолидации.
Приведенная процедура применима для нормальных и слегка переуплотненных глинистых грунтов (.

Нормирование в отечественной практике

В ГОСТ 19912-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием» испытания могут проводиться следующими типами зондов в зависимости от принципа измерения (рис. 6):
механический (Тип 1) – зонд для статического зондирования, в котором используется система внутренних штанг для передачи усилия на наконечник.
электрический (Тип 2) – зонд для статического зондирования, в котором измерения проводят с помощью электрических датчиков.
специальный зонд – зонд, позволяющий измерять кроме показателей сопротивления грунта внедрению зонда дополнительные характеристики грунта и параметры процесса зондирования.

а)                                    б) 

 

Рис. 6. Схемы конструкций зондов и их основные параметры по ГОСТ 19912:

а – механический зонда (Тип 1); б – электрический зонд (Тип 2)

1 – конус; 2 – кожух; 3 – штанга; 4 – муфта трения

Согласно Таблице обязательного Приложения Б зонды должны иметь следующие основные параметры:

Таблица 3 – Основные параметры зондов по ГОСТ 19912

Части зондов

Основные параметры

Механического зонда

Электрического зонда

Конус:
- угол при вершине конуса, град.

60

60

-диаметр основания конуса, мм

35,7

35,7

Муфта трения:
- наружный диаметр муфты, мм

-

35,7

- длина муфты, мм

-

310,0

Кожух:
- наружный диаметр, мм

35,7

-

- длина кожуха, мм

74,0

-

Штанги зондов:
- наружный диаметр, мм

36,0

34,0

- длина звеньев, м, не менее

1,0

1,0

В процессе статического зондирования определяются следующие параметры:

- удельное сопротивление грунта под конусом зонда ;

- общее сопротивление грунта на боковой поверхности (для механического);

- удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) (для электрического);

Однако в примечании указано, что при использовании специальных зондов может измеряться плотность, влажность, естественный гама-фон, поровое давление, температура, электрическое сопротивление и другие характеристики грунта.

В настоящем стандарте отмечено, что в соответствии с действующими нормативно-техническими документами и техническим заданием на изыскания могут использоваться специальные зонды, имеющие дополнительные измерительные устройства и датчики (порового давления, температуры, радиоактивного каротажа, электрического сопротивления, сейсмодатчик, инклинометр и др.), позволяющие измерять дополнительные характеристики грунта или контролировать процесс зондирования.

Выводы:

В России отсутствует стандарт, регламентирующий полевые испытания методом статического зондирования с измерением порового давления. Несмотря на то, что в терминах и определениях ГОСТ 19912-2012 отмечено, что при использовании специального зонда можно измерить рассеивание порового давления, методика проведения данного испытания не дана. В то время как в ISO 22476-1-2012 четко регламентирована методика проведения измерения рассеивания порового давления – «диссипационный» тест.

ГОСТ 19912-2012 предусматривает измерение только лобового сопротивления и сил трения без измерения порового давления. Это приводит к тому, что при использовании ГОСТ 19912-2012 может быть построен профиль лобового сопротивления и сил трения. В то время как в зарубежной практике стало обычным измерение порового давления. Измерение данного дополнительного параметра позволяет точнее оценить стратиграфию и интерпретировать результаты измерений с целью определения деформационных и прочностных характеристик грунта.

В зарубежной практике инженерно-геологических изысканий широко используются номограммы, предложенные Робертсоном для определения вида грунта по результатам статического зондирования. Вид грунта определяется по данным измерения лобового сопротивления, сил трения и порового давления. Однако ГОСТ 19912-2012 не предусматривает измерение порового давления и применение отмеченных номограмм невозможно.



Все статьи автора «Мирзоев Дмитрий Вадимович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация