Реферат динамическое зондирование грунтов

Обновлено: 04.07.2024

В настоящей статье автор, являющийся разработчиком установки динамического зондирования грунтов, рассматривает перспективы применения данного метода в нашей стране и предлагает решение известных проблем динамического зондирования. Вместе с тем, поскольку на сегодняшний день не решена проблема применения полученных при динамическом зондировании данных на практике в связи со сложностью решения соответствующих уравнений, автор предлагает коллегам и инвесторам присоединиться к проекту на этапе разработки программного обеспечения.

Отрасль инженерно-геологических изысканий находится на очень низком научно-техническом уровне, вернее, на уровне середины XX века. Большинство применяемых сегодня приборов, технологий и нормативов созданы еще тогда. Всё это хорошо известно. Достаточно ознакомиться с публикациями Е.А.Вознесенского, Е.П.Тарелкина и других исследователей.

Вместе с тем, поскольку материалы инженерных изысканий есть ни что иное, как информация, изыскателям важно, чтобы для оправдания их стоимости отчёт имел достаточную пухлость за счёт, например, страниц с компрессионными или штамповыми испытаниями. Но эти методики совершенно не удовлетворяют запросы проектировщиков, работающих в современных, как правило, импортных программах, требующих для расчетов совсем других данных. Именно поэтому в последние годы так остро стоит вопрос о необходимости разработки новых технологий выполнения инженерно-геологических изысканий.

В подтверждение сказанному можно привести множество примеров. Например, известно, что модули деформаций, определяемые различными методами, могут отличаться на одной площадке в несколько раз.

Другим показательным примером является статическое зондирование. При выполнении данных исследований в каждой точке по глубине зондирования мы получаем две цифры: силу лобового сопротивления наконечника зонда и силу трения по боковой поверхности зонда. Этого часто недостаточно для получения необходимого для расчетов объема данных

Рис. 2. Промышленный образец установки динамического зондирования. Масса около 2,5 тонн, стоимость 3,5 млн руб.

Динамическое зондирование

К этому можно добавить, что мы можем измерять и силу трения по боковой поверхности муфты трения, что важно для тех, кто занимается определением несущей способности свай.

Что необходимо доработать

По нашему мнению, статическое зондирование применяется не потому, что отвечает всем требованиям, а лишь потому, что обладает высокой технологичностью. А динамическое зондирование не получило широкого распространения в связи с целым рядом недостатков, на решение которых и были направлены наши усилия при разработке технологии (см. таблицу).

Предлагаемая установка динамического зондирования имеет массу 2,5 тонны, то есть она весит в 2-3 раза меньше существующих установок для статического зондирования. Тоже касается и стоимости. При этом производительность выполнения зондирования у предлагаемой установки такая же.

Тем не менее, в связи с тем, что в настоящее время для определения механических характеристик грунтов традиционными методами требуется несколько месяцев, а с применением динамического зондирования и математического моделирования - всего несколько дней, дальнейшая проработка данной технологии с созданием специализированного программного обеспечения для выполнения требуемых расчетов, представляется актуальной и интересной.

Таблица. Недостатки технологии динамического зондирования и их решение

Традиционные представления о технологии динамического зондирования

Немобильное сборно-разборное оборудование, например, УБП 15.

Недостатки: Трудозатраты на монтаж и разборку на каждой точке зондирования.

Наша установка динамического зондирования имеет полностью мобильную

компоновку и монтируется на а/машине УАЗ ФЕРМЕР.

Внедрение штанги с зондом производится при помощи сбрасывания груза лебёдочным механизмом.

Недостатки: Один удар груза по наголовнику штанги длится не менее 3-4 секунд. Процесс, кроме прочего, затратен по времени, что снижает производительность выполнения работ.

Для ударного внедрения штанги с зондом в грунт разработана специальная

гидроударная машина с регулируемой энергией удара. На производство одного удара уходит примерно секунда.

Регулирование энергии удара производится путём применения грузов разной массы

Недостатки: Это довольно громоздкое мероприятие.

Регулирование энергии удара выполняется путём изменения давления рабочей жидкости в системе.

Получение результатов зондирования в виде УСЛОВНОГО лобового сопротивления.

Кстати этот показатель регламентирован ГОСТом. Условное лобовое сопротивление определяется по довольно сложной формуле с учётом трения штанг о грунт, потери энергии удара при соударении груза и наголовника штанги и др.

Недостатки: Дело в том, что УСЛОВНОЕ лобовое сопротивление никак невозможно сформулировать физически, а значит оно не имеет право на существование. Все измеряемые нами параметры имеют чёткое физическое или математическое обоснование, например, плотность, сила, удельный вес и т.д., а УСЛОВНОЕ лобовое сопротивление не отвечает этому критерию.

В качестве данных зондирования мы выдаём адекватные графики лобового сопротивления и

осадок, полученные по показаниям электронных датчиков.

Изыскателям и инвесторам

Из всего вышеизложенного следует, что отрасль инженерно-геологических изысканий находится на очень низком научно-техническом уровне. Необходимо сделать шаг по выходу из застоя и воспользоваться плодами научно-технического прогресса. При этом повысится качество проектирования сооружений, снизится трудоёмкость выполнения работ, сократятся сроки.

Предлагаемая технология динамического зондирования не просто какая-то проходная задача, а дело большое и важное, имеющее отраслевое значение, которое выполнено без бюджетного финансирования. Несмотря на то, что уже имеется промышленный образец, для выхода на линейку готовности необходимо получить сертификат, доработать электронику наконечника и разработать программное обеспечение. К этой работе мы приглашаем заинтересованные организации.

Если задача получения механических характеристик грунтов путём математического моделирования по данным динамического зондирования будет решена, то производительность изыскательских работ может повыситься в несколько раз.

С большим интересом слежу за исследованиями, которые проводит Анатолий Ким. Ему удалось без всякой поддержки со стороны государства и иных частных инвесторов разработать и наладить производство оборудования для динамического зондирования грунтов, на которые он получил ряд патентов.

Согласен с автором, что динамическое зондирование имеет преимущество по сравнению со статическим зондированием не только из-за меньшей массы установки, но и возможности исследования практически всех видов дисперсных и мерзлых грунтов.

Сущность предлагаемого способа динамического зондирования явно отличается от традиционного метода, применяемого в настоящее время как в России, так и за рубежом.

Традиционное динамическое зондирование основано на использовании корреляционных уравнений, связывающих характеристики грунта с количество ударов молотом на определенную величину погружения зонда. Достоинством является простота конструкции зонда в виде стального конуса, а недостатком – необходимость корректировки коэффициентов корреляционных уравнений путем проведения параллельных лабораторных определений искомых характеристик грунтов. Применение таблиц, например, СП 47.13330 дает большую погрешность, до нескольких раз.

Автор предлагает определять характеристики грунтов путем решения обратной задачи методом математического моделирования. Это возможно, но потребует использования мощных компьютеров, так как задача динамическая и трехмерная. При этом придется использовать модели грунта, в которые входят не только искомая характеристика грунта, но и ряд других параметров. Для определения данных параметров придется проводить лабораторные испытания грунтов и так каждый раз – испытания в поле, испытания в лаборатории, численное решение. Естественно, это трудоемко и дорого.

Специалистам, занимающимся инженерно-геологическими изысканиями, хорошо известно, что при бурении скважин отобрать образец песчаного грунта ненарушенного строения, особенно находящегося ниже уровня грунтовых вод, является сложной, трудоемкой, а иногда практически невыполнимой задачей.

Этим следует объяснить частое отсутствие в отчетах о выполненных инженерно-геологических изысканиях данных о плотности сложения пройденных скважинами песчаных грунтов. В большинстве случаев оценка плотности песков дается по косвенным показателям, например по характеру сопротивления песков внедрению буровых наконечников, что носит условный и, конечно, субъективный характер. Поэтому, располагая лишь данными о гранулометрического составе и некоторых других физических характеристиках песчаных грунтов, проектировщики лишены возможности оценивать плотность сложения песков и их механические свойства. Естественно, что такое положение не могло удовлетворить проектные и изыскательские организации и потребовало от них разработки способа оценки плотности песчаных грунтов в состоянии естественного залегания как при бурении скважины, так и без их бурения.

Второстепенная роль динамического зондирования в составе инженерно-геологических исследований отмечается и в зарубежной практике изысканий в ряде европейских стран, а также США и Канаде. Здесь необходимо отметить, что испытания грунтов динамическим зондированием за рубежом имеют меньшее применение, а их методика отличается от принятой в нашей стране. В то же время в определенных условиях испытания грунтов динамическим зондированием могут быть весьма эффективными, а в некоторых случаях и единственно пригодными для исследования условий залегания и свойств грунтов, например при исследовании плотности естественных и искусственно намытых песков, особенно когда они залегают ниже уровня грунтовых вод. Особенно остро необходимость оценки плотности сложения песчаных грунтов возникает при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений (плотин, шлюзов, зданий ГЭС) в условиях равнинных рек.

Основной задачей, решаемой при испытаниях грунтов динамическим зондированием (при условии, что состав исследуемых грунтов по данным бурения не вызывает сомнения), является выявление в однородных по литологическому составу, главным образом песчаных, отложениях участков, отличающихся как более рыхлым, так и более плотным сложением. Простота опытов и быстрота их выполнения позволяют определять границы таких участков (оконтуривать участки) с достаточной степенью детализации.

Не менее важно при этих испытаниях определить положение границ, разделяющих литологические слои в многослойной толще. Не имея возможности располагать скважины близко одну от другой, часто на геологических разрезах такие границы показывают весьма условно. С помощью этого метода можно расчленить разрез пород на слои, отличающиеся сопротивлением динамической пенетрации с высокой точностью (до 0,05 м). Для этого часть точек зондирования располагают рядом со скважинами. Выполняя динамическое зондирование в промежутках между скважинами, по характеру погружения зонда определяют границы между слоями. Это в значительной степени способствует повышению надежности и достоверности результатов изысканий в тех случаях, когда по условиям строительства границы между слоями грунтов необходимо наносить на разрезы с высокой точностью (например, при проектировании свайных фундаментов).

Динамическое зондирование предназначено для исследования песчано-глинистых пород, содержащих не более 40% крупнообломочного материала, на глубину до 20 м.

Динамическое зондирование конусом заключается в забивке (ударами молота) в грунт зонда, представляющего собой колонну штанг и наконечник, падающего с фиксированной высоты. Диаметр основания конуса обычно больше диаметра штанг. В России чаще всего используют зонд со штангами диаметром 42 мм и коническим наконечником (угол раскрытия конуса 60o) диаметром 74 мм.

Глубину погружения (забивки) зонда S от определенного числа ударов (залога) и числа ударов n , затрачиваемых на интервал погружения зонда (обычно 10 см), принято называть показателями зондирования.

При забивке зонда фиксируют число ударов и глубину погружения зонда от одного залога, который устанавливают в зависимости от сопротивления грунта. Сопротивление, оказываемое грунтом зонду, называется динамическим сопротивлением пенетрации. Оно включает сопротивление грунта прониканию и силу трения по боковой поверхности зонда (между грунтом и штангами).

Динамическое сопротивление пенетрации выражают в виде относительной величины, числа стандартных ударов на 10 см погружения зонда,

В процессе зондирования, с увеличением глубины испытаний, увеличиваются масса зонда (навинчивание новых штанг) и трение по боковой поверхности зонда. Вследствие этого в величину N вносится поправка N1 = N · k , где N1 – исправленный показатель динамической пенетрации, k – коэффициент, учитывающий приращение массы зонда и трение между зондом и стенками зондировочной скважины.

Интенсивность динамического сопротивления пенетрации, т.е. сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения зонда, называется удельным динамическим сопротивлением пенетрации (ω).

где P – вес молота,

Н – высота падения молота,

А – площадь поперечного сечения наконечника зонда,

F – трение по боковой поверхности зонда (учитывается при зондировании пластичных глинистых и водонасыщенных песчаных грунтов),

S – осадка от залога,

n – число ударов в залоге.

При небольшой глубине зондирования (до 7 м) и при отсутствии трения по боковой поверхности

Условное динамическое сопротивление подсчитывают по формуле:

где k – коэффициент учета потерь энергии при ударе молота,

А – удельная кинетическая энергия падающего молота,

Ф – коэффициент, учитывающий потери энергии на трение штанг о грунт.

Величины k , А, Ф определяют по таблице в зависимости от типа оборудования (легкое, основное, тяжелое), интервала глубины зондирования и типа грунтов (песчаные, глинистые).

Результаты динамического зондирования представляют в виде графиков: зависимости показателя зондирования N , ω, рд от глубины ξз . По показателям динамического зондирования можно определять приближенные значения показателей свойств.

Не менее важно при этих испытаниях определить положение границ, разделяющих литологические слои в многослойной толще. Не имея возможности располагать скважины близко одну от другой, часто на геологических разрезах такие границы показывают весьма условно. С помощью этого метода можно расчленить разрез пород на слои, отличающиеся сопротивлением динамической пенетрации с высокой точностью (до 0,05 м ). Для этого часть точек зондирования располагают рядом со скважинами. Выполняя динамическое зондирование в промежутках между скважинами, по характеру погружения зонда определяют границы между слоями. Это в значительной степени способствует повышению надежности и достоверности результатов изысканий в тех случаях, когда по условиям строительства границы между слоями грунтов необходимо наносить на разрезы с высокой точностью (например, при проектировании свайных фундаментов).

Глубину погружения (забивки) зонда S от определенного числа ударов (залога) и числа ударов n , затрачиваемых на интервал погружения зонда (обычно 10 см ), принято называть показателями зондирования.

где P – вес молота,

Н – высота падения молота,

А – площадь поперечного сечения наконечника зонда,

S – осадка от залога,

n – число ударов в залоге.

При небольшой глубине зондирования (до 7 м ) и при отсутствии трения по боковой поверхности

Условное динамическое сопротивление подсчитывают по формуле:

где k – коэффициент учета потерь энергии при ударе молота,

А – удельная кинетическая энергия падающего молота,

Ф – коэффициент, учитывающий потери энергии на трение штанг о грунт.

При данном методе испытаний считается время, за которое зонд пройдет определенное расстояние при заданной нагрузке.

ГОСТ, регламентирующий испытание грунтов динамическим зондированием

Правила и методику проведения изысканий непосредственно на строительном участке путем зондирования устанавливает ГОСТ 19912-2012. В данном нормативном документе выделяются две разновидности динамического зондирования: зонд можно погружать в грунт ударным или ударно-вибрационным способом. Цель изысканий обозначается как установление параметров сопротивления грунта погружению зонда.
В ГОСТе зафиксирована терминология, характеризующая эту процедуру, приведены нормативные показатели тех или иных параметров.
Стандарт определяет набор деталей, их технические характеристики и конструкцию оборудования.

Кроме того, в приложениях к документу содержится образец оформления записей в специальных журналах, регламентируется форма предоставления отчетов по результатам исследования в форме таблиц и графиков, отражающих функциональную зависимость степени сопротивления грунта и скорости или силы погружения зонда.

Разница между статическим и динамическим зондированием

Наименование процедуры связано с определением основного его инструмента – зонда, представляющего собой конусный наконечник, который заглубляется на расстояние, превышающее его собственную высоту. Зондирование можно провести динамическим или статическим способом. В чем различие между этими методами?

· При статическом методе время исследования определяется временем движения зонда в грунтовом массиве, при динамическом же зонд вбивается в породу заранее обозначенным количеством равномерных ударов определенной силы.
· Первый метод малоэффективен в случае работ на несвязных или глинистых грунтах с твердой консистенцией в связи с необходимостью применять усиленное вдавливание, а значит, требует применения оборудования большой мощности. Более продуктивным способом испытания подобных грунтов является метод с применением установки для динамического зондирования.
· Статическое зондирование дает достоверные сведения о таком параметре, как плотность грунта разных слоев грунтового массива, но не дает сведений о других физических и механических свойствах породы. Динамическое же дает хорошие результаты при необходимости точно определить характерные особенности отдельных слове грунта, например, оценить глубину залегания слоев разной плотности, границы между ними.

Метод динамического зондирования грунтов

Изучение грунта по указанной технологии производят при помощи особого оборудования, обеспечивающего внедрение конусного наконечника благодаря ударам молота или ударам, сопровождающимся вибрацией.
Зная залог, необходимый для заглубления зонда до заданной нижней точки, или скорость погружения зонда в грунт после каждого цикла ударов, можно вычислить условное динамическое сопротивление грунта заглублению зонда при ударном или ударно-вибрационном зондировании соответственно.

Технология динамического зондирования

Прежде, чем начать процедуру, подготавливают площадку, проверяют штанги на возможное отклонение от вертикали и изношенность наконечника. Затем оборудование монтируют, регулируя отклонение мачты измерительного оборудования от строго вертикального положения в пределах двух градусов.
На что нужно обратить внимание при проведении исследования?
· Забивание зонда в грунт производится фиксированным залогом с определенной высоты.
· Динамическое зондирование грунтов производится разными видами зондов
Паузы во время заглубления зонда рекомендуется делать лишь для того, чтобы нарастить при необходимости штанги.
· В ходе испытания необходимо контролировать строго вертикальное положение зонда. Приращение к штангам дополнительных звеньев осуществляется с поворотом их вокруг оси по часовой стрелке с помощью штангового ключа. В случае существенного затруднения при повороте ряда штанг, обусловленного изгибом ствола скважины, зонд вытаскивают и начинают изыскание в новой точке, отступив от прежней около 2-3 метров.
· Если зонд достигает заданной глубины или скорость его внедрения заметно уменьшается (это происходит, если в слоях породы появляются включения с высокой плотностью), процедура прекращается.
· Фиксация полученных в ходе исследования данных происходит в журнале учета испытаний и в электронном виде.

Динамическое зондирование Специалистам, занимающимся инженерно-геологическими изысканиями, хорошо известно, что при бурении скважин отобрать образец песчаного грунта ненарушенного строения, особенно находящегося ниже уровня грунтовых вод, является сложной, трудоемкой, а иногда практически невыполнимой задачей. Этим следует объяснить частое отсутствие в отчетах о выполненных инженерно-геологических изысканиях данных о

плотности сложения пройденных скважинами песчаных грунтов. В большинстве случаев оценка плотности песков дается по косвенным показателям, например по характеру сопротивления песков внедрению буровых наконечников, что носит условный и, конечно, субъективный характер. Поэтому, располагая лишь данными о гранулометрического составе и некоторых других физических характеристиках песчаных грунтов, проектировщики лишены

возможности оценивать плотность сложения песков и их механические свойства. Естественно, что такое положение не могло удовлетворить проектные и изыскательские организации и потребовало от них разработки способа оценки плотности песчаных грунтов в состоянии естественного залегания как при бурении скважины, так и без их бурения. Второстепенная роль динамического зондирования в составе инженерно-геологических исследований

отмечается и в зарубежной практике изысканий в ряде европейских стран, а также США и Канаде. Здесь необходимо отметить, что испытания грунтов динамическим зондированием за рубежом имеют меньшее применение, а их методика отличается от принятой в нашей стране. В то же время в определенных условиях испытания грунтов динамическим зондированием могут быть весьма эффективными, а в некоторых случаях и единственно пригодными для

исследования условий залегания и свойств грунтов, например при исследовании плотности естественных и искусственно намытых песков, особенно когда они залегают ниже уровня грунтовых вод. Особенно остро необходимость оценки плотности сложения песчаных грунтов возникает при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений (плотин, шлюзов, зданий ГЭС) в условиях равнинных рек. Основной задачей, решаемой при

Читайте также: