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

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.

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

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»