Статичне зондування, геостатіка

Теорія статичного зондування

Підвищення ефективності та якості будівництва в значній мірі залежить від правильного вибору фундаментів споруд. Вартість і трудомісткість зведення фундаментів складають значну частку витрат у будівництві. Правильний вибір фундаментів - це повне використання несучої здатності грунтів підстав при забезпеченні необхідної надійності споруд. Вирішення цього завдання залежить від наявності у проектувальника вичерпних даних про інженерно-геологічних умовах будівельних майданчиків.

В останні десятиліття відбувається збільшення прольотів виробничих будівель і поверховості житлових будинків, що призводить до значного підвищення навантажень на підставу. У той же час для будівництва відводяться майданчики зі все більш складними інженерно-геологічними умовами, вивчення яких вимагає комплексних досліджень грунтів підстав споруд за допомогою лабораторних і польових методів.

У зв'язку з цим велике поширення набувають польові методи досліджень грунтів в умовах їх природного залягання, що дозволяють досліджувати і такі грунти, відбір зразків з яких практично неможливий. З усіх польових методів досліджень, розроблених в останні десятиліття, найбільше застосування одержало статичне зондування, що володіє рядом істотних переваг. У багатьох випадках, особливо, при використанні пальових фундаментів, дослідження грунтів статичним зондуванням стають основним методом.

Тензометричні наконечники з датчиками порового тиску (пьезоконуси)

З'явилися в останні роки наконечники з датчиками порового тиску (пьезоконуси) є перспективним доповненням до звичайних установок зондування, розширюючи можливості оцінки ґрунтів. В установках для вимірювання порового тиску конструкція електричного наконечника забезпечує вимірювання опору конуса qс, тертя по муфті fs і порового тиску і. Застосування пьезоконусов почалося близько 10 років тому. Дослідження за допомогою пьезоконусов розширюють і поліпшують можливості звичайного статичного зондування. Основні переваги випробувань з пьезоконусом: можливість розрізняти дренованих і недренірованние випробування, можливість уточнювати заміряне опір конуса на основі врахування порового тиску і конструкції наконечника, можливість визначати консолідаційні характеристики грунтів. Ці переваги дозволяють більш точно визначати характер нашарування та вид ґрунтів, а також їх фізико-механічні характеристики.
Пьезоконус, на додаток до звичайного конусу, має наступні основні частини для вимірювання порового тиску: пористий фільтр, камеру поровой рідини і датчик вимірювання порового тиску. Місцезнаходження фільтра на наконечнику до теперішнього часу не стандартизовано. У різних конструкціях він розташовується: на вістрі конуса, на тілі конуса, безпосередньо над підставою конуса, над муфтою тертя і т.д.

Фільтр являє собою кільцевий елемент зовнішнім діаметром 35,6 мм, зазвичай заввишки 5 мм. Виготовляють фільтри з нержавіючої сталі, кераміки, прокаленной бронзи, карборунда, зцементованого кварцового піску, пропілену тощо Фільтр повинен задовольняти трьом, до певної міри суперечливим, вимогам: він повинен бути жорстким, володіти високою проникністю для рідини і низькою для повітря. Розмір отворів фільтрів становить приблизно 100 мікрометрів. Одним з основних вимог до фільтрів є їх невисока вартість, так як після кожного випробування фільтр слід міняти, Як рідина, що заповнює камеру, найбільш часто використовуються силіконове масло або гліцерин (малосжімаемим рідини).

Поровое тиск при зондуванні змінюється дуже швидко, особливо в частослоістих грунтах, тому вимірюваний тиск має динамічний характер. Для надійного вимірювання безупинно мінливого порового тиску перетворювач повинен забезпечити мінімальну запізнювання в часі. Перетворювачі розташовуються на рівні фільтрів і знаходяться тому в прямому контакті з поровой водою, що надходить через фільтр. Чутливість перетворювача вимірюється зміною обсягу поровой рідини на одиницю тиску. У показаному на рис. 1 пьезоконусе перетворювач тиску має чутливість 0,2 мм на весь діапазон тиску від 0 до 2 МПа.

Виготовлення та використання пьезоконусов є складним технічним завданням, тому, незважаючи на одержувані з їх допомогою додаткові дані про грунти, їх застосування досить обмежена. Вони використовуються в основному для досліджень глинистих ґрунтів в наукових цілях, а також при зондуванні на шельфі, де ускладнення випробування визначається необхідністю отримання достовірних даних про грунти, що використовуються для проектування складних і дуже дорогих споруд. В роботі наведено результат опитування 80 фахівців різних країн про застосування пь'езоконусов. З відповідей видно, що зондування пьезоконусом становить менше 10% загального обсягу статичного зондування. Винятком є дослідження на шельфі в деяких країнах (Норвегія, Канада), де зондування пьезоконусом становить понад 80% загального обсягу статичного зондування.
В основні завдання статичного зондування входить забезпечення вихідними інженерно-геологічними даними проектування і будівництва (для вибору типу фундаментів, визначення глибини закладення і попередніх розмірів фундаментів, вибору несучого шару грунтів під палі, визначення несучої здатності і розмірів паль, складання проекту виконання земляних робіт, контролю разуплотнения грунтів при виробництві земляних робіт).

Статичне зондування слід застосовувати в поєднанні з іншими видами інженерно - геологічних досліджень для:

виділення інженерно-геологічних елементів (потужність, межа поширення грунтів різного складу і стану);
визначення однорідності грунтів за площею і глибиною;
визначення глибини залягання покрівлі великоуламкових грунтів;
наближеною кількісної оцінки характеристик властивостей ґрунтів;
визначення опору грунту під палею і по її бічній поверхні;
визначення ступеня ущільнення і зміцнення в часі штучно складених (насипних і намивних) грунтів;
вибору місць розташування дослідних майданчиків для детального вивчення фізико-механічних властивостей ґрунтів.

При проведенні інженерно-геологічних вишукувань під конкретні будівлі і споруди зондування грунтів слід проводити в межах їх контурів або на відстані від контурів будівель і споруд не більше 5 м.

Для отримання порівняльних даних частина точок необхідно розташовувати на відстані не ближче 25 діаметрів зонда від НЕ обсаджена і незаповненою бетоном свердловини, в яких проводять відбір ґрунтів для лабораторних досліджень та інші види польових випробувань грунтів, і не ближче 1 м від раніше виконаного зондування.

Відповідно до потреб практики різними фірмами випускається широкий асортимент установок, починаючи від ручних переносних і закінчуючи установками на тривісних автомобілях і всюдиходах.

В результаті польових випробувань грунтів статичним зондуванням визначено:

питомий опір грунту під наконечником (конусом) зонда qc (cone resistance), МПа;
питомий опір грунту на ділянці бічної поверхні (муфті тертя) зонда fs (sleeve friction), МПа;
обчислений показник Rf (%) = F / Q * 100, де F - питомий тертя по боковій поверхні зонда, Q - опір впровадженню конуса

апаратура зондування

Статичне зондування проводиться за допомогою душить пристрою, розробленого з урахуванням основних вимог рекомендаційного Європейського стандарту по зондування.

При виконанні зондування використаний тензометричний пьезоконус типу F7,5CKEW2 / V (далі по тексту - зонд), що дозволяє проводити вимірювання лобового опору, опору муфти тертя, значень порового тиску, а також вимірювати відхилення від вертикалі за допомогою інклінометра.

Основні переваги випробувань із зазначеним зондом:

можливість розрізняти дренованих і недренірованние випробування;
можливість уточнювати заміряне опір конуса на основі врахування порового тиску і конструкції наконечника;
можливість визначати консолідаційні характеристики грунтів.

Ці переваги дозволяють більш точно визначати характер нашарувань і вид грунтів, а також фізико-механічні характеристики.

Методика зондування

Вантажівка для виконання випробувань встановлюється так, щоб напрямок задавлівліванія було б якомога ближче до вертикального. Відхилення початкового напрямку занурення не перевищувала 2 °. Осі труб повинні співпадати з напрямом занурення. Труби перевірені на прямолінійність.

Занурення зонда в грунт проводиться з постійною швидкістю 1м / хв ± 30% за допомогою силової установки з синхронної записом показань приладів на персональний комп'ютер Tosiba Satellite 1500.

Лобове опір, опір муфти тертя і поровое тиск реєструються тензометричними датчиками, розташованими в зонді. Також, за допомогою інклінометра, розташованого в зонді реєструється кут відхилення від вертикалі.
Сигнали вимірюють пристроїв передаються за допомогою універсального 12 канального кабелю, протягненого всередині порожнистих штанг штовхача до реєстратора сигналів, з якого дані надходять на комп'ютер, який виконує безперервну графічний запис показників лобового опору, опору муфти тертя і порового тиску. Опитування датчиків проводиться 1 раз в секунду, що відповідає приблизно 2 см занурення в грунт; при цьому рівень занурення повинен підтримується постійним (2-2,5 см / c). Одночасно відбувається автоматична комп'ютерна обробка даних і малювання графіків. Після закінчення випробування зонд витягують з грунту.

Під час проведення статичного зондування оператор повинен стежити за всіма параметрами задавливания. У параметри задавливания входять: опір конусу зонда (лобове опір), опір муфти тертя (опір по боковій поверхні), кут відхилення колони штанг-штовхачів з зондом від вертикалі, швидкість задавливания зонда. Оператор також повинен стежити за наявністю великоуламкових матеріалу в досліджуваній товщі (велика галька, валуни). Особлива увага повинна бути приділена відстеження наростання загального опору. Задавливания припиняється, якщо опір конусу зонда перевищує 60 - 65 МПа, і якщо відхилення колони штанг від вертикалі перевищує 10 ° при лобовому опорі в 35 - 38 МПа. При попаданні зонда на валун точка повинна бути продубльована. Колона штанг витягується, і зондування виконується в 1 - 2 м від вихідної точки.

Використовувана установка статичного зондування дозволяє виконувати в день до 230 метрів зондування (при середній глибині точки 30-35 метрів).

Інтерпретація результатів статичного зондування

Розшифровку графіків статичного зондування слід проводити з виділенням характерних інтервалів з однаковими або близькими значеннями питомого опору грунту під наконечником і на ділянці бічної поверхні.
Численні дослідження вказують на те, що співвідношення опору муфти тертя до лобового опору ( "пропорція тертя") допомагає ідентифікувати тип ґрунту. Цей показник може варіювати в значних межах залежно від того, чи є грунт піщаним або глинистим.

Опір конуса в пісках і глинистих ґрунтах різко різні. У той час як в глинах питомий опір конуса зростає повільно, рівномірно і рідко перевищує 4МПа, опір конуса в пісках, як правило, швидко і зигзагоподібно збільшується з глибиною і становить понад 4 МПа. Ця зигзагоподібний пояснюється зниженням опору при руйнуванні піщаної основи і подальшим збільшенням опору конуса занурення. У глинистих ґрунтах послідовність зниження і відновлення міцності відбувається так часто, що не відбивається на графіку зондування.
Вражає і Швидкість, з якою зонд занурюється в грунт. І якщо, скажімо, якість отриманих даних при бурінні безпосередньо залежить від кваліфікації та сумлінності оператора бурової установки, який проводить забір проб, метод статичного зондування цей фактор виключає. Всі параметри властивостей ґрунтів фіксує комп'ютер.

До того ж, статичне зондування дозволяє отримувати широкий діапазон даних. Наприклад, датчики реєструє інформації неоднорідності грунтів, визначають поровое тиск, питому електропровідність, температуру і т.д. Це дозволяє проектувальникам прийняти вірне рішення При виборі типу фундаментів і далі провести розрахунки несучих здібностей як буронабивних, так і забивних паль.

Безперечною перевагою методу є його екологічність і відносно невисока вартість, Погонний метр дослідження розрізу методом статичного зондування обходиться в 4 рази дешевше буріння.
Зондування можна віднести і до більш щадному методу вивчення ґрунтів. Особливо це важливо при обстеженні грунтів в історичному, щільно забудованому центрі Петербурга. Буріння десятка свердловин по периметру будівлі 18 століття, безсумнівно, принесе більше шкоди, ніж зондування.

Особливої актуальності метод набуває в підземному будівництві - при спорудженні нових станцій метро, колекторів, пішохідних переходів, паркінгів, реконструкції підвальних приміщень. Дослідження ґрунтів статичним зондуванням дає можливість отримувати точні відомості, необхідні при розробці проекту, виборі технологій, матеріалів, способів зміцнення конструкцій підземного об'єкта.

На сьогоднішній день організація має в своєму розпорядженні двома установками статичного зондування, здатними виконувати великий обсяг робіт в день.

Також можливо встановити на установку статичного зондування Ґрунтоноси задавливания, типу «МОСТАП», який дозволяє відбирати зразки ненарушенного складання високої якості з необхідної глибини довгою по 1,5 метра.

Компанія виконує постійно велика кількість дослідів статичного зондування по всій Росії і Найближчим територіям.
Так само компанія виконує велику кількість комплексних досліджень з допомогою сучасного бурового обладнання та обробка даних проводиться лабораторним обладнанням італійського виробництва.

Ми брали участь у великій кількості відомих проектах таких як: Льодовий палац у метро Більшовиків, розмив між метро Мужності і Лісовий, будівництва споруд по захисту Санкт-Петербурга від повеней, вишукувань під будівництво Білоруської АЕС і багатьох багатьох інших проектах.