Статическое зондирование. Методика, технология, оборудование.

Статическое зондирование

Повышение эффективности и качества строительства в значительной степени зависит от правильного выбора фундаментов сооружений. Стоимость и трудоемкость возведения фундаментов составляют значительную долю затрат в строительстве. Правильный выбор фундаментов – это полное использование несущей способности грунтов оснований при обеспечении необходимой надежности сооружений. Решение этой задачи зависит от наличия у проектировщика исчерпывающих данных об инженерно-геологических условиях строительных площадок.

В последние десятилетия происходит увеличение пролетов производственных зданий и этажности жилых домов, что приводит к значительному повышению нагрузок на основание. В то же время для строительства отводятся площадки со все более сложными инженерно-геологическими условиями, изучение которых требует комплексных исследований грунтов оснований сооружений с помощью лабораторных и полевых методов.

В этой связи большое распространение получают полевые методы исследований грунтов в условиях их естественного залегания, позволяющие исследовать и такие грунты, отбор образцов из которых практически невозможен. Из всех полевых методов исследований, разработанных в последние десятилетия, наибольшее применение получило статическое зондирование, обладающее рядом существенных преимуществ. Во многих случаях, особенно, при использовании свайных фундаментов, исследования грунтов статическим зондированием становятся основным методом.

Тензометрические наконечники с датчиками порового давления (пьезоконусы)

Появившиеся в последние годы наконечники с датчиками порового давления (пьезоконусы) являются перспективным дополнением к обычным установкам зондирования, расширяя возможности оценки грунтов. В установках для измерения порового давления конструкция электрического наконечника обеспечивает измерение сопротивления конуса qс, трения по муфте fs и порового давления и. Применение пьезоконусов началось около 10 лет назад. Исследования с помощью пьезоконусов расширяют и улучшают возможности обычного статического зондирования. Основные преимущества испытаний с пьезоконусом: возможность различать дренированные и недренированные испытания, возможность уточнять замеренное сопротивление конуса на основе учета порового давления и конструкции наконечника, возможность определять консолидационные характеристики грунтов. Эти преимущества позволяют более точно определять характер напластования и вид грунтов, а также их физико-механические характеристики.
Пьезоконус, в дополнение к обычному конусу, имеет следующие основные части для измерения порового давления: пористый фильтр, камеру поровой жидкости и датчик измерения порового давления. Местоположение фильтра на наконечнике до настоящего времени не стандартизировано. В различных конструкциях он располагается: на острие конуса, на теле конуса, непосредственно над основанием конуса, над муфтой трения и т.д.

Фильтр представляет собой кольцевой элемент внешним диаметром 35,6 мм, обычно высотой 5 мм. Изготовляют фильтры из нержавеющей стали, керамики, прокаленной бронзы, карборунда, сцементированного кварцевого песка, пропилена и т.п. Фильтр должен удовлетворять трем, в известной степени противоречивым, требованиям: он должен быть жестким, обладать высокой проницаемостью для жидкости и низкой для воздуха. Размер отверстий фильтров составляет примерно 100 микрометров. Одним из основных требований к фильтрам является их невысокая стоимость, так как после каждого испытания фильтр следует менять, В качестве жидкости, заполняющей камеру, наиболее часто используются силиконовое масло или глицерин (малосжимаемые жидкости).

Поровое давление при зондировании изменяется очень быстро, особенно в частослоистых грунтах, поэтому измеряемое давление имеет динамический характер. Для надежного измерения непрерывно меняющегося порового давления преобразователь должен обеспечить минимальное запаздывание во времени. Преобразователи располагаются на уровне фильтров и находятся поэтому в прямом контакте с поровой водой, поступающей через фильтр. Чувствительность преобразователя измеряется изменением объема поровой жидкости на единицу давления. В показанном на рис. 1 пьезоконусе преобразователь давления имеет чувствительность 0,2 мм на весь диапазон давления от 0 до 2 МПа.

Изготовление и использование пьезоконусов является сложной технической задачей, поэтому, несмотря на получаемые с их помощью дополнительные данные о грунтах, их применение весьма ограничено. Они используются в основном для исследований глинистых грунтов в научных целях, а также при зондировании на шельфе, где усложнение испытания определяется необходимостью получения достоверных данных о грунтах, используемых для проектирования сложных и очень дорогих сооружений. В работе приведен результат опроса 80 специалистов различных стран о применении пьъезоконусов. Из ответов видно, что зондирование пьезоконусом составляет менее 10% общего объема статического зондирования. Исключением являются исследования на шельфе в некоторых странах (Норвегия, Канада), где зондирование пьезоконусом составляет более 80% общего объема статического зондирования.
В основные задачи статического зондирования входит обеспечение исходными инженерно-геологическими данными проектирования и строительства (для выбора типа фундаментов, определения глубины заложения и предварительных размеров фундаментов, выбора несущего слоя грунтов под сваи, определение несущей способности и размеров свай, составления проекта производства земляных работ, контроля разуплотнения грунтов при производстве земляных работ).

Статическое зондирование следует применять в сочетании с другими видами инженерно – геологических исследований для:

• выделения инженерно-геологических элементов (мощность, граница распространения грунтов различного состава и состояния);
• определения однородности грунтов по площади и глубине;
• определение глубины залегания кровли крупнообломочных грунтов;
• приближенной количественной оценки характеристик свойств грунтов;
• определение сопротивления грунта под сваей и по ее боковой поверхности;
• определения степени уплотнения и упрочнения во времени искусственно сложенных (насыпных и намывных) грунтов;
• выбора мест расположения опытных площадок для детального изучения физико-механических свойств грунтов.

При проведении инженерно-геологических 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 м.

Для получения сопоставительных данных часть точек необходимо располагать на расстоянии не ближе 25 диаметров зонда от не обсаженной и незаполненной бетоном скважины, в которых производят отбор грунтов для лабораторных исследований и другие виды полевых испытаний грунтов, и не ближе 1 м от ранее выполненного зондирования.

В соответствии с потребностями практики различными фирмами выпускается широкий ассортимент установок, начиная от ручных переносных и кончая установками на трехосных автомобилях и вездеходах.

В результате полевых испытаний грунтов статическим зондированием определено:

1. удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда qc (cone resistance), МПа;
2. удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда fs (sleeve friction), МПа;
3. вычислен показатель Rf (%) = F/Q*100, где F – удельное трение по боковой поверхности зонда, Q – сопротивление внедрению конуса

Аппаратура и оборудование зондирования

Статическое зондирование проводится при помощи задавливающего устройства, разработанного с учетом основных требований ро стандарта по зондированию установкой СП-59 СП-72.

При выполнении зондирования использован тензометрический пьезоконус (далее по тексту – зонд), позволяющий производить измерения лобового сопротивления, сопротивления муфты трения, значений порового давления, а также измерять отклонение от вертикали при помощи инклинометра.

Основные преимущества испытаний с указанным зондом:

• возможность различать дренированные и недренированные испытания;
• возможность уточнять замеренное сопротивление конуса на основе учета порового давления и конструкции наконечника;
• возможность определять консолидационные характеристики грунтов.

Эти преимущества позволяют более точно определять характер напластований и вид грунтов, а также физико-механические характеристики.

Методика зондирования

Грузовик для выполнения испытаний устанавливается так, чтобы направление задавливливания было бы как можно ближе к вертикальному. Отклонение начального направления погружения не превышало 2°. Оси труб должны совпадать с направлением погружения. Трубы проверены на прямолинейность.

Погружение зонда в грунт производится с постоянной скоростью 1м/мин ± 30% при помощи силовой установки с синхронной записью показаний приборов на персональный компьютер Tosiba Satellite 1500.

Лобовое сопротивление, сопротивление муфты трения и поровое давление регистрируются тензометрическими датчиками, расположенными в зонде. Также, с помощью инклинометра, расположенного в зонде регистрируется угол отклонения от вертикали. 
Сигналы измеряющих устройств передаются посредством универсального 12 канального кабеля, протянутого внутри полых штанг толкателя к регистратору сигналов, с которого данные поступают на компьютер, который выполняет непрерывную графическую запись показателей лобового сопротивления, сопротивления муфты трения и порового давления. Опрос датчиков производится 1 раз в секунду, что соответствует примерно 2 см погружения в грунт; при этом уровень погружения должен поддерживается постоянным (2-2,5 см/c). Одновременно происходит автоматическая компьютерная обработка данных и рисование графиков. По окончании испытания зонд извлекают из грунта.

При проведении статического зондирования оператор СП-59 должен следить за всеми параметрами задавливания. В параметры задавливания входят: сопротивление конусу зонда (лобовое сопротивление), сопротивление муфты трения (сопротивление по боковой поверхности), угол отклонения колонны штанг-толкателей с зондом от вертикали, скорость задавливания зонда. Оператор также должен следить за наличием крупнообломочного материала в исследуемой толще (крупная галька, валуны). Особое внимание должно быть уделено отслеживанию нарастания общего сопротивления. Задавливание прекращается, если сопротивление конусу зонда превышает 60 – 65 МПа, и если отклонение колонны штанг от вертикали превышает 10° при лобовом сопротивлении в 35 – 38 МПа. При попадании зонда на валун точка должна быть продублирована. Колонна штанг извлекается, и зондирование выполняется в 1 – 2 м от исходной точки.

Используемая установка статического зондирования СП-59, СП-72 позволяет выполнять в день до 230 метров зондирования (при средней глубине точки 30-35 метров).

Интерпретация результатов статического зондирования

Расшифровку графиков статического зондирования следует производить с выделением характерных интервалов с одинаковыми или близкими значениями удельного сопротивления грунта под наконечником и на участке боковой поверхности.
Многочисленные исследования указывают на то, что соотношение сопротивления муфты трения к лобовому сопротивлению (“пропорция трения”) помогает идентифицировать тип грунта. Этот показатель может варьировать в значительных пределах в зависимости от того, является ли грунт песчаным или глинистым.

Сопротивление конуса в песках и глинистых грунтах резко различны. В то время как в глинах удельное сопротивление конуса возрастает медленно, равномерно и редко превышает 4Мпа, сопротивление конуса в песках, как правило, быстро и зигзагообразно увеличивается с глубиной и составляет более 4 МПа. Эта зигзагообразность объясняется снижением сопротивления при разрушении песчаного основания и последующим увеличением сопротивления конуса погружению. В глинистых грунтах последовательность снижения и восстановления прочности происходит так часто, что не отражается на графике зондирования.
Впечатляет и Скорость, с которой зонд погружается в грунт. И если, скажем, качество полученных данных при бурении напрямую зависит от квалификации и добросовестности оператора буровой установки, который проводит забор проб, метод статического зондирования этот фактор исключает. Все параметры свойств грунтов фиксирует компьютер.

К тому же, статическое зондирование позволяет получать широкий диапазон данных. Например, датчики регистрирует информации неоднородности почв, определяют поровое давление, удельную электропроводность, температуру и т.д. Это позволяет проектировщикам принять верное решение При выборе типа фундаментов и далее провести расчеты несущих способностей как буронабивных, так и забивных свай.

Несомненным преимуществом метода является его экологичность и относительно невысокая стоимость, Погонный метр исследования разреза методом статического зондирования обходится в 4 раза дешевле бурения.
Зондирование можно отнести и к более щадящему методу изучения почв. 

Особую актуальность метод приобретает в подземном строительстве - при сооружении новых станций метро, коллекторов, пешеходных переходов, паркингов, реконструкции подвальных помещений. Исследования грунтов статическим зондированием на установках СП-59 ( СП-72) дает возможность получать точные сведения, необходимые при разработке проекта, выборе технологий, материалов, способов укрепления конструкций подземного объекта.

См. Подробнее об установках статического зондирования в разделе "Продукция"