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