УДК 624.131.3

ОБ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

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
Произведены инженерно-геологические изыскания на территории Пермского края с целью определения прочностных характеристик грунтов. Определение требуемых характеристик грунтов выполнено в ходе буровых работ с отбором кернов (образцов) и методом статического зондирования. Представлены отечественная методика интерпретации параметров статического зондирования по СП 11-105-97 [1] и сравнительный анализ результатов лабораторных испытаний отобранных образцов грунтов и интерпретированных параметров статического зондирования.

Ключевые слова: статическое зондирование, угол внутреннего трения, удельное сцепление


ABOUT THE INTERPRETATION OF PARAMETERS AND THE DETERMINATION OF STRENGTH CHARACTERISTICS OF SOILS ON THE RESULTS OF CONE PENETRATION

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
Produced engineering and geotechnical testing in the Perm region in order to determine of strength characteristics of soils. Determination of the required characteristics of the soil carried out in the course of drilling with coring (samples) and the method of cone penetration testing. Presented method of interpretation of native the parameters cone penetration testing of by SR 11-105-97 [1] and the comparative analysis of results of laboratory tests of samples of soils and interpreted parameters cone penetration testing.

Keywords: angle of internal friction, cone penetration test, specific cohesion


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Безгодов М.А., Мирзоев Д.В., Моисеева О.В. Об интерпретации параметров и определении прочностных характеристик грунтов по результатам статического зондирования // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/09/71981 (дата обращения: 01.10.2017).

Статическое зондирование (англ. – «Cone Penetration Testing (CPT)») – процесс погружения зонда в грунт под действием вдавливающей нагрузки с измерением показателей сопротивления грунта внедрению зонда.

Статическое зондирование является одним из наиболее популярных и широко применяемых видов полевых исследований дисперсных грунтов. Среди основных его преимуществ быстрота испытаний и большой объем получаемых данных.

При проведении инженерно-геологических изысканий методом статического зондирования получают такие характеристики грунтов как удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда [qc], удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда [fs], в зависимости от глубины погружения зонда. При этом трудозатраты и стоимость проведения работ во много раз меньше, чем при буровых работах.

Высокая технико-экономическая эффективность показывает перспективность данного метода исследования грунтов. Зарубежный опыт исследования грунтов методом статического зондирования (например, американская компания Vertek, нидерландские – Fugro, Geomil и др.) показывает высокую точность совпадения результатов с реальным разрезом грунтовой толщи.

В то же время, несмотря на широкое применение метода статического зондирования и большое количество проведенных исследований и опубликованных работ [2-5], известны задачи, требующие дополнительных исследований. Это вопросы, связанные с интерпретацией параметров статического зондирования с целью определения прочностных характеристик грунтов [6].

Согласно обязательному Приложению Ж СП 11-105-97 [1] статическое зондирование применяется при определении физических, деформационных и прочностных свойств грунтов.

1. Описание площадки исследования

В административном отношении площадка исследования (изысканий) расположена на территории города Перми в Пермском крае.

В геоморфологическом отношении площадка исследования (изысканий) приурочена ко II правобережной надпойменной террасе реки Камы.

2. Производство буровых работ с отбором кернов (образцов)

Бурение скважин производилось с целью установления геологического разреза, изучения состояния и условий залегания грунтов, отбора образцов грунтов для определения их состава, состояния и свойств.

Механическое колонковое бурение производилось малогабаритной буровой установкой КВ-13 механическим колонковым способом без промывки, начальным  диаметром 145 мм с обсадкой трубами диаметром 178 мм. Бурение производилось в 2 точках. Глубина бурения составляла 5,0 м.

В процессе буровых работ производился отбор кернов (образцов) грунтов с использованием полого шнека в качестве рабочего органа. Отбор кернов (образцов) производился с шагом 0,5-1,0 м (послойно) с целью определения инженерно-геологического разреза и прочностных характеристик грунтов на всей глубине бурения.

3. Производство статического зондирования грунтов

Статическое зондирование производилось установкой «GeoMil  LWC-100XC» с гидравлической системой вдавливания зонда.

Зондирование осуществлялось электрическим зондом II-го типа.

Параметры зонда: диаметр основания конуса – 35,7 мм, угол при вершине конуса – 60°, площадь муфты трения 150 кв.см., диаметр муфты трения 35,7 мм, площадь конуса 10 кв.см., наружный диаметр штанг – 36 мм, длина штанги – 1 м.

Вдавливание зонда производилось с одновременным измерением сопротивления грунта под наконечником (конусом) зонда [qc], сопротивления грунта на участке боковой поверхности (муфты трения) зонда [fc]  с автоматизированной фиксацией контролируемых параметров.

Статическое зондирование выполнено в 3 точках. По результатам зондирования построены графики изменения удельного сопротивления грунта под наконечником (конусом) зонда [qc]  в МПа, удельного сопротивления грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда [fs] в зависимости от глубины погружения зонда.

Для увеличения усилия вдавливания зонда в грунт в ходе статического зондирования использовались анкеры.

Погружение зонда в грунт осуществляется с использованием (наращиванием) полых штанг длиной 1,0 м в процессе выполнения статического зондирования [7-9].

4. Результаты лабораторных испытаний отобранных кернов (образцов) грунтов

Лабораторные исследования с целью определения показателей физических и механических характеристик грунтов производились в соответствии с ГОСТ 12071, ГОСТ 12536, ГОСТ 20522, ГОСТ 5180. Номенклатура определена согласно ГОСТ 25100.

Компрессионные испытания грунтов выполнены с использованием автоматизированного комплекса АСИС с условной стабилизацией деформации на каждой ступени нагрузки. Испытания выполнялись на кернах (образцах) грунтов природной влажности. Конечные нагрузки на керны (образцы) грунтов включали в себя бытовое давление на глубине отбора кернов (образцов) грунтов.

С целью изучения прочностных характеристик грунтов (удельное сцепление [c], угол внутреннего трения [φ]) в лабораторных условиях проведены сдвиговые испытания глинистых грунтов согласно ГОСТ 12071 по неконсолидированно-недренированной схеме без предварительного водонасыщения с помощью автоматизированного комплекса АСИС. Сдвиговые испытания грунтов выполнены при вертикальных нагрузках, учитывающих бытовое давление на глубине отбора образца. Значение вертикальной нагрузки при испытаниях на сдвиг кернов (образцов) грунта составляли 0,05; 0,1; 0,15 МПа.

Согласно лабораторным испытаниям, с учетом классификации грунтов по ГОСТ 25100 [7] и статической обработки в соответствии с ГОСТ 20522 [5] выделены два инженерно-геологических элемента.

Показатели физических и механических характеристик грунтов, полученных по результатам лабораторных испытаний отобранных образцов грунтов представлены в Таблице №1.

Таблица 1 – Показатели физических и механических характеристик грунтов, полученных по результатам лабораторных испытаний отобранных образцов грунтов

Наименование и № выработки

Глубина (интервал) отбора проб, метр

Показатель текучести, д. ед.

Плотность грунта, г/см3

tg угла внутреннего трения, рад

Удельное сцепление, МПа

Модуль общей деформации (Еn), Мпа

Наименование грунта по ГОСТ 25100-2011

ИГЭ-1

С

1

2,7

0,69

2,07

0,192

27,43

18,9

суглинок

мягкопластичный

С

1

2,9

0,67

2,10

0,106

6,43

15,3

суглинок

мягкопластичный

С

1

4,2

0,65

2,11

0,065

15,2

18,3

суглинок

мягкопластичный

С

2

2,3

0,58

2,08

0,125

12,77

10,1

суглинок

мягкопластичный

С

2

2,8

0,67

2,06

0,046

33,23

10,3

суглинок

мягкопластичный

С

2

3,0

0,65

2,06

0,05

25,83

13,6

суглинок

мягкопластичный

ИГЭ-2

С

1

4,3

0,83

2,06

0,036

14,07

13,3

суглинок

текучепластичный

С

1

4,6

0,92

2,05

0,065

19,6

13,6

суглинок

текучепластичный

С

1

4,8

0,91

2,06

0,058

19,63

15,8

суглинок

текучепластичный

С

2

3,6

0,92

2,06

0,254

8,63

15,9

суглинок

текучепластичный

С

2

4,0

0,77

2,01

0,156

4,73

13,6

суглинок

текучепластичный

С

2

4,5

0,82

2,03

0,165

6,77

12,5

суглинок

текучепластичный

ИГЭ-1. Суглинок мягкопластичной консистенции.

Плотность ρn = 2,08 г/см3;

Угол внутреннего трения φn = 5,56°;

Удельное сцепление cn = 20,15 кПа;

Модуль общей деформации Еn = 14,42 МПа;

Показатель текучести IL = 0,65.

ИГЭ-2. Суглинок текучепластичной консистенции.

Плотность ρn = 2,05 г/см3;

Угол внутреннего трения φn = 6,97°;

Удельное сцепление cn = 12,24 кПа;

Модуль общей деформации Еn= 14,12 МПа;

Показатель текучести IL = 0,86.

5. Интерпретация параметров статического зондирования в соответствии с отечественными методиками

В отечественной практике определение прочностных характеристик грунтов по результатам статического зондирования при инженерно-геологических изысканиях производится в соответствии с Приложением И СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть 1» [1].

В результате исследования определены параметры статического зондирования в трех точках, согласно которым получено следующее:

Точка статического зондирования CPT№1

Глубина 4,8 м; Зонд II типа (установка LWC-100XC)

Разрез

№ ИГЭ

Глубина, м.

Удельное сопротивление грунта

под наконечником зонда [qc], МПа

на муфте трения [fs], кПа

Суглинок мягкопластичный

ИГЭ-1

2,2

5,85

47,1

2,4

1,51

55

2,6

0,26

6

2,8

0,29

7

3

0,6

21,4

3,2

0,3

7,4

3,4

0,36

5,4

3,6

0,28

0,6

3,8

0,31

0,2

Суглинок текучепластичный

ИГЭ-2

4

0,4

3,9

4,2

0,5

10,3

4,4

0,47

8,4

4,6

0,52

4,3

4,8

0,32

 

Усредненное значение удельных сопротивлений грунта в точке №1 определено:

ИГЭ-1. Суглинок мягкопластичной консистенции.

Под наконечником зонда qc = 1,08 МПа;

На муфте трения fs= 16,68 кПа.

 

ИГЭ-2. Суглинок текучепластичной консистенции.

Под наконечником зонда qc = 0,44 МПа;

На муфте трения fs= 6,73 кПа.

Точка статического зондирования CPT№2

Глубина 4,9 м; Зонд II типа (установка LWC-100XC)

Разрез

№ ИГЭ

Глубина, м.

Удельное сопротивление грунта

под наконечником зонда [qc], МПа

на муфте трения [fs], кПа

Суглинок мягкопластичный

ИГЭ-1

2,2

1,29

49,9

2,4

0,4

5,3

2,6

1,21

21,5

2,8

0,56

17,3

3

0,59

14,4

3,2

0,4

7,2

3,4

0,54

12,4

3,6

0,22

-0,4

3,8

0,3

0

Суглинок текучепластичный

ИГЭ-2

4

0,35

0,4

4,2

0,43

0,8

4,4

0,29

0,7

4,6

0,35

6,5

4,8

2,5

25,4

4,9

5,6

35,7

Усредненное значение удельных сопротивлений грунта в точке №2 определено:

ИГЭ-1. Суглинок мягкопластичной консистенции.

Под наконечником зонда qc = 0,61 МПа;

На муфте трения fs= 14,18 кПа.

ИГЭ-2. Суглинок текучепластичной консистенции.

Под наконечником зонда qc = 1,59 МПа;

На муфте трения fs= 11,58 кПа.

Точка статического зондирования CPT№3

Глубина 5,0 м; Зонд II типа (установка LWC-100XC)

Разрез

№ ИГЭ

Глубина, м.

Удельное сопротивление грунта

под наконечником зонда [qc], МПа

на муфте трения [fs], кПа

Суглинок мягкопластичный

ИГЭ-1

2,2

5,76

44

2,4

6,92

50

2,6

5,74

57,8

2,8

1,8

69,3

3

5,39

44,6

3,1

2,6

75,2

Суглинок текучепластичный

ИГЭ-2

3,2

0,72

4

3,4

0,97

26,1

3,6

1,48

0,3

3,8

0,32

3,5

4

0,46

7,5

4,2

0,46

-1,1

4,4

0,49

4,9

4,6

4,06

11,8

4,8

9,4

83,7

5

6,31

52,1

Усредненное значение удельных сопротивлений грунта в точке №3 определено:

ИГЭ-1. Суглинок мягкопластичной консистенции.

Под наконечником зонда qc = 4,7 МПа;

На муфте трения fs= 56,82 кПа.

ИГЭ-2. Суглинок текучепластичной консистенции.

Под наконечником зонда qc = 2,47 МПа;

На муфте трения fs= 19,28 кПа.

Средние значения удельных сопротивлений грунта по результатам статического зондирования (расчетные):

ИГЭ-1. Суглинок мягкопластичной консистенции.

Под наконечником зонда qc = 2,13 МПа;

На муфте трения fs= 29,23 кПа.

ИГЭ-2. Суглинок текучепластичной консистенции.

Под наконечником зонда qc = 1,5 МПа;

На муфте трения fs= 12,53 кПа.

Согласно полученным значениям параметров статического зондирования в соответствии с Таблицами №2 и №3 определяются прочностные характеристики суглинков и глинистых грунтов.

Таблица 2 – Определение показателя текучести IL глинистых грунтов при fs [1]

qc, МПа

Показатель текучести IL глинистых грунтов при fs, МПа

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,15

0,20

0,30

0,40

более 0,50

1

0,50

0,39

0,33

0,29

0,26

0,23

0,20

0,16

-

-

-

2

0,37

0,27

0,20

0,16

0,12

0,10

0,06

0,02

-0,05

-

-

3

022

0,16

0,12

0,09

0,07

0,05

0,03

0,01

-0,03

-0,06

-

5

0,09

0,04

0,01

0,00

-0,02

-0,03

-0,05

-0,07

-0,09

-0,11

-0,13

8

0,01

-0,02

-0,04

-0,06

-0,07

-0,08

-0,09

-0,11

-0,13

-0,14

-0,15

10

-

-0,05

-0,07

-0,08

-0,09

-0,10

-0,11

-0,13

-0,14

-0,16

-0,17

12

-

-

-0,09

-0,11

-0,11

-0,12

-0,13

-0,14

-0,16

-0,17

-0,18

15

-

-

-

-0,13

-0,14

-0,15

-0,16

-0,17

-0,18

-0,19

-0,20

20

-

-

-

-

-0,17

-0,18

-0,18

-0,19

-0,20

-0,20

-0,21

Таблица 3 – Определение модуля деформации, угла внутреннего трения и удельного сцепления суглинков и глин по результатам статического зондирования от параметра qc [1]

qc

Нормативные значения модуля деформации E,угла внутреннего трения φ и удельного сцепления c суглинков и глин (кроме грунтов ледникового комплекса)

МПа

E, МПа

Суглинки

Глины

φ, град.

с, кПа

φ, град.

с, кПа

0,5

3,5

16

14

14

25

1

7

19

17

17

30

2

14

21

23

18

35

3

21

23

29

20

40

4

28

25

35

22

45

5

35

26

41

24

50

6

42

27

47

25

55

В соответствии с вышеизложенными таблицами и результатами интерпретированных параметров статического зондирования произведен расчет прочностных характеристик грунтов.

6. Сравнительный анализ прочностных характеристик грунтов

Сравнительный анализ прочностных характеристик грунтов произведен по усредненным параметрам статического зондирования и результатам лабораторных испытаний отобранных кернов (образцов) грунтов. Результаты сравнительного анализа приведены в Таблице №4.

Таблица 4 – Сравнительный анализ прочностных характеристик грунтов

№ ИГЭ

Лабораторные испытания отобранных кернов (образцов) грунтов

Аналитический метод определения прочностных характеристик (согласно Приложения И СП 11-105-97 [1])

ρn, г/см3

φn, град.

cn, кПа

En, МПа

IL

ρn, г/см3

φn, град.

cn, кПа

En, МПа

IL

ИГЭ-1 (суглинок мягкопластичный)

2,08

5,56

20,15

14,42

0,65

-

21,26

23,78

14,91

0,31

ИГЭ-2 (суглинок текучепластичный)

2,05

6,97

12,24

14,12

0,86

-

20,00

20,00

10,5

0,42

Результаты сравнительного анализа показывают, что методика расчета интерпретации параметров статического зондирования в сравнении данных лабораторных испытаний отобранных кернов (образцов) по СП 11-105-97 [1] имеют погрешности в размере от 4 до 74%.

Заключение

В результате проведенного сравнительного анализа прочностных характеристик грунтов определено: интерпретация параметров статического зондирования, полученных в ходе инженерно-геологических изысканий, в соответствии с отечественными методиками, в частности с СП 11-105-97 [1] не отображает реальные условия залегания грунтов. Методики, разработанные в отечественной практике, имеют сильные погрешности (от 4 до 74%), исходя из этого, они не могут быть применимы при использовании зарубежного оборудования для статического зондирования грунта.

Поэтому, необходимо изучение и обработка зарубежных методик, которые на современном этапе имеют более точные формулировки и рекомендации при проведении инженерно-геологических изысканий и последующей интерпретации параметров статического зондирования.


Библиографический список
  1. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть 1. Общие правила производства работ. – М.: Госстрой России, 1998.
  2. Long M. Regional report for Northern Europe // 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing. Huntington Beach, CA, USA. 2010.
  3. Mlynarek Z. Regional report for East European Countries // Poznan University of Life Sciences. Poland. 2010.
  4. Каширский В.И., Дмитриев С.В. Статическое зондирование в России: исторический экскурс и современное состояние // Инженерные изыскания. – 2009. – №5 – С. 30-40.
  5. Моради Сани Б. Статическое зондирование в геотехнической практике // Строительные технологии. Архитектура и строительство. – 2015 – №4 – С.76 – 81.
  6. 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.
  7. Рыжков И.Б., Исаев О.Н. Статическое зондирование грунтов: Монография. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. – 496с.
  8. Захаров М.С. Статическое зондирование в инженерных изысканиях: учеб. пособие // Санкт-Петербург: СПб. гос. архит.-строит. ун-т. 2007 – 72 с.
  9. Бондарик Г.К. Динамическое и статическое зондирование грунтов в инженерной геологии // М.: Недра, 1964. – 150 с.


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: