Full Text

Введение В настоящее время проектирование оснований зданий и сооружений в России выполняется с учетом рекомендаций ряда нормативных документов, одним из которых является СП 22.13330-2011. В то же время некоторые требования к определению характеристик грунтов, как и общие правила проведения инженерно-геологических изысканий, изложены в СП 47.13330. Согласно требованиям перечисленных нормативных документов и учитывая требования ГОСТ 20522, геологу для того, чтобы подготовить исходную информацию для проектирования оснований, необходимо определить инженерно-геологический элемент (ИГЭ), инженерно-геологическую модель (ИГМ), расчетный грунтовый элемент (РГЭ) и расчетную геомеханическую модель (РГМ). В реальности геологи дают лишь отчет об инженерно-геологических изысканиях, который включает разрезы с ИГЭ без разделения слоев грунтов на расчетно-грунтовые элементы. В большинстве случаев ИГМ и РГМ, с нашей точки зрения, не делает никто: ни геологи, ни проектировщики. Точность построения перечисленных выше моделей зависит от качества и объема инженерно-геологических исследований, особенно при наличии специфических грунтов и неоднородности в массивах грунтов. Определяющими факторами здесь являются инженерно-геологический элемент и его физико-механические характеристики. Согласно СП 47.13330 расстояния между ближайшими выработками назначаются в диапазоне от »20 до 100 м. При этом в поле зрения геолога не попадают особенности геологического строения: выклинивания слоев, линзы грунтов и др. Если было выявлено их наличие по одной или нескольким выработкам, то их граница назначается исходя из опыта геолога. Определение свойств грунтов путем отбора монолитов в выработках/скважинах не дает полной информации о свойствах массива исследуемого грунта из-за искусственно большого нормативного расстояния между выработками. В то же время современные методы полевых исследований грунтов, такие как статическое, динамическое и буровое зондирование, позволяют получать непрерывную информацию о физических и механических свойствах грунтов по глубине и достаточно дешево с увеличением мест испытаний в пределах исследуемой площадки изысканий. Запись данных параметров зондирования может выполняться с любым интервалом по глубине зондирования, вплоть до 1 см. Используя известные корреляционные уравнения и данные зондирования, можно найти характеристики по глубине зондирования. Далее, вводя коэффициенты надежности, можно получить расчетные значения характеристик грунтов, а затем выполнить расчет оснований по деформациям. Все это можно сделать в полевых условиях непосредственно в процессе зондирования грунтов. Как видим, при подобном подходе не требуются инженерно-геологические элементы и инженерно-геологические разрезы, так информация непрерывно обрабатывается, накапливается и анализируется для принятия решения. ООО «НПП “Геотек”» разрабатывает в настоящее время технические и программные средства для решения задачи в рассмотренной выше постановке. Если удастся реализовать данную задачу, то геологи будут освобождены от необходимости выполнения большого объема камеральных работ, поскольку обработка данных испытаний и, что самое непривычное, расчет осадки и крена проектируемого сооружения, определение ряда характеристик грунтов, в том числе и распределения величины коэффициента жесткости основания, будут выполняться в процессе изысканий на площадке проектируемого объекта. Рассмотрим необходимые инструменты для решения задачи изысканий и проектирования как единого технологического процесса. 1. Технические средства Практически во всех случаях за рубежом и значительно реже в России определение физических и механических грунтов выполняется не только путем лабораторных испытаний образцов грунтов, но и в полевых условиях с использованием для этого методов статического и динамического зондирования. Метод статического зондирования конусом, называемый за рубежом сокращенно CPT (cone penetration test), основан на погружении в грунт с постоянной скоростью цилиндра с конусообразным наконечником, называемого зондом, при помощи набора штанг и установки для задавливания. В процессе погружения зонда, обычно со скоростью 2 см/с (ГОСТ 19912-2010, ASTM D 5778, DIN 4094-1), выполняются непрерывные измерения лобового сопротивления и сил трения В том случае если зонд включает датчик (датчики) порового давления, то он называется пьезозондом и сокращенно обозначается CPTU. Зонд, оборудованный геофоном, называется сейсмическим зондом и обозначается SCPTU. В большинстве случае все модификации зондов включают датчик наклона для контроля угла отклонения зонда от вертикали при его погружении. Некоторые зонды имеют ряд других датчиков для измерения различных физических величин [1, 2]. Полевые испытания грунтов пробоотборником или полым зондом называются за рубежом стандартными пенетрационными испытаниями, сокращенно они обозначаются SPT (standard penetration test). Подобный тип испытаний широко применяется за рубежом (EN ISO 22476, ASTM D 1586), в особенности в США, и не используется в России. Более подробную информацию об этом методе испытаний можно найти в работах [1, 3]. В нашей стране динамические испытания грунтом выполняются путем погружения зонда с конусным наконечником (ГОСТ 19912). Однако существуют различия не только в форме зонда, но и в его применимости. Вследствие широкого применения SPT в различных странах за рубежом получено очень много корреляционных зависимостей между параметрами зондирования и свойствами, преимущественно механическими свойствами грунтов. Надежность этих уравнений подтверждена практикой многолетних испытаний (более 80 лет). Исследования в этом направлении продолжаются и в настоящее время, несмотря на появление и широкое использование метода статического зондирования. В России подобные исследования прекратились в конце XX в., и найти корреляционные зависимости для конусного зонда можно только в источниках периода 1970-1980 гг. [1]. Буровое зондирование является новым методом исследования свойств грунтов и практически не применяется в практике инженерно-геологических изысканий. Несмотря на ряд преимуществ метода СРТ и его широкое применение на протяжении последних 45 лет по сравнению с другими полевыми методами испытаний, он не применим в мерзлых и скальных грунтах. При исследовании песчаных и гравелистых грунтов или на больших глубинах его возможности также ограничены, так как требуется использование более прочных зондов и машин с большой собственной массой, как правило, более 20 т. Для этого обычные автомашины утяжеляются добавочными грузами из монолитного бетона или стальных пластин. Более перспективным методом полевых исследований свойств грунтов является, по нашему мнению, метод бурового зондирования (RDT) [4, 5]. Во-первых, он применим, в отличие от метода статического зондирования, не только в глинистых и песчаных грунтах, но и в крупнообломочных, скальных и мерзлых. Во-вторых, рассматриваемый метод позволяет прямым способом, без использования корреляционных зависимостей, определять модуль деформации грунта и силы сопротивления сдвигу [6]. В то же время, используя корреляционные зависимости, можно находить и другие характеристики грунтов, как и в случае статического зондирования. Для практической реализации рассматриваемой технологии инженерно-геологических исследований ООО «НПП “Геотек”» и заказчиком внешнего благоустройства «Санкт-Петер-бург» была разработана специализированная мобильная установка, оснащенная комплексом технических средств для полевых и лабораторных испытаний грунтов [7]. Рассматриваемая установка позволяет проводить статические, динамические и лабораторные испытания грунтов, отбирать монолиты грунта с помощью приборов, размещенных внутри рабочего помещения. 2. Программные средства Для сбора данных измерений при статическом зондировании грунтов используются пакет «АСИС» и дополнительная программа для их интерпретации Geotek Field. Данные измерений передаются на компьютер в месте проведения полевых испытаний и используются для автоматического определения характеристик грунтов, расчета осадки и крена проектируемого сооружения непосредственно на месте испытаний. При необходимости данные испытаний могут быть переданы на удаленный сервер компании, выполняющей изыскания (рис. 1). Рис. 1. Схема перемещения данных измерений в процессе испытаний грунтов Fig. 1. Scheme of measurement data transfer during soil testing 3. Определение типа и характеристик грунтов 3.1. Тип грунта Тип грунта определяется по данным статического зондирования с использованием метода, предложенного Робертсоном [8-11]. Для этого используются приведенная ниже номограмма (рис. 2) и ряд параметров, которые измеряются при зондировании и вычисляются автоматически по мере поступления данных программой Geotek Field. Эта номограмма классифицирует грунты, основываясь на их поведении, на девять различных типов (табл. 1). Кружочками на рис. 2 показаны значения показателя определяемые по формуле (1) и приведенные в табл. 1. Параметр служит для формализованной классификации грунта на основании номограммы и является радиусом окружности с центром в ее левом верхнем углу. Более подробную информацию о данном методе можно найти в работах [1, 8-11]. Рис. 2. Классификационная диаграмма Робертсона [10] Fig. 2. Robertson's classification chart Таблица 1 Общее представление типа грунта по Робертсону [10, 11] Table 1 General representation of the soil type according to Robertson [10, 11] CPT-зоны (Robertson et al., 1986) CPTU-зоны (Robertson et al., 1990) Предложенное общее СРТ-описание Индекс 1 1 Глинистые грунты в текучем и текучепластичном состоянии Нет 2 2 Глина - органоминеральные грунты Более 3,6 3 3 Глина - суглинок 2,95-3,6 4-5 4 Суглинок - супесь 2,6-2,95 6-7 5 Супесь - пылеватый песок 2,05-2,6 8 6 Пылеватый песок - чистый песок 1,31-2,05 9-10 7 Плотный песок - гравелистый песок Менее 1,31 11 8 Сцементированный песок - переуплотненная глина Нет 12 9 Сцементированная глина Нет 3.2. Характеристики грунта Физические и механические характеристики грунтов определяются с использованием параметров зондирования и корреляционных зависимостей различных авторов, а также с помощью таблиц СП 47.13330. Ниже приведено несколько подобных уравнений, широко используемых в зарубежной практике геотехнических изысканий. Удельный вес грунта (кН/м3) можно найти из корреляционной зависимости, полученной на основании анализа СРТ-испытаний следующего вида [10]: (2) где - коэффициент трения, - удельный вес воды; - атмосферное давление. Если выполнены SCPTU-испытания с измерением скорости поперечных волн (м/с), то для песчаных грунтов Mэйн [12-14] предлагает определять удельный вес грунта (кН/м3) из выражения (3) где z - глубина, м. Если известны значения сил трения кПа, то используется выражение (4) Робертсон и Кампанелла [15] предложили корреляцию для оценки значения пикового угла внутреннего трения для кварцевых песков (5) Все известные методы оценки модуля деформации основаны на корреляции между лобовым сопротивлением и одометрическим модулем деформации в виде линейной зависимости (6) В зависимости от вида грунта в работе [16] коэффициент изменяется от 1 до 8 при лобовом сопротивлении в диапазоне от 0,7 до 2,0 МПа. При этом величина коэффициента уменьшается с ростом лобового сопротивления. Р.С. Зиангиров и В.И. Каширский [17] предложили зависимость для определения модуля деформации моренных суглинков в виде , (7) где - лобовое сопротивление зонда. Для этой же цели можно использовать таблицы приложения СП 47.13330. Подобных корреляционных уравнений предложено много, однако основной их недостаток заключается в следующем. Во-первых, они предложены преимущественно для песчаных грунтов, во-вторых, дают лишь оценочные значения характеристик грунтов, поэтому требуется их уточнение путем параллельного испытания образцов грунта и сопоставления с параметрами зондирования. Ситуация может быть улучшена путем разработки региональных зависимостей, подобных тем, которые приведены в СП 47.13330, но не общих для всей территории России, а конкретных для каждого региона. 4. Расчет осадки и крена проектируемых зданий и сооружений После определения характеристик грунтов можно перейти к этапу расчета основания. Здесь же в поле с использованием решения СП 22.13330 выполняется расчет осадки и крена, значения которых являются определяющими при проектировании оснований зданий и сооружений. На экране монитора рабочего места бурового мастера отображается ситуационный план места изысканий с планом проектируемого здания, места зондирования, расчетных значений осадки и крена. Исходные данные в виде ситуационного плана, плана здания, размеры фундамента, нагрузки на основание и др. вводятся в программу до выхода в поле. Блок-схема расчета осадки и крена показана на рис. 3, а результаты тестового расчета - на рис. 4. - Рис. 3. Блок-схема вычисления осадки и крена сооружения Fig. 3. Scheme of calculating the settlement and tilts of the structure Рис. 4. Расчет осадки и крена прямоугольного фундамента по данным с пяти выработок Fig. 4. Calculation of the settlement and tilts of a rectangular foundation according to data from five excavations На рис. 4 представлен расчет осадки прямоугольного плитного фундамента с учетом образования зон разрушения под краями фундамента [18]. Характеристики грунтов следующие: модуль деформации, угол внутреннего трения и силы удельного сцепления определены в пяти выработках на глубину 10 м по данным статического зондирования с использованием корреляционных зависимостей. В верхней левой части рис. 4 показаны массивы вводимых характеристик грунтов по пяти выработкам (в центре и по углам фундамента), а в нижней правой части - вычисленные значения средней осадки, продольного и поперечного крена. Изолинии отображают значения коэффициента постели (т/м3), приведенного в плоскости подошвы фундамента. Используя значения коэффициента постели и программ «ЛИРА» или SCAD, можно найти внутренние усилия (момент и поперечные силы) в теле фундамента. 5. Оценка неоднородности массива исследуемых грунтов Целесообразно вначале изысканий провести геофизические исследования с целью выявления неоднородности напластования природных грунтов в основании проектируемого здания или сооружения. Анализ подобных исследований позволяет обоснованно назначить места выработок в виде скважин для отбора монолитов, выработок в виде статического, динамического, бурового зондирования и других видов полевых исследований. Рис. 5. Пример георадарных исследований [19] Fig. 5. An example of georadar examinations [19] На рис. 5 в качестве примера приведены данные георадарной съемки на одном из участков строительства [19]. Наглядно видно наличие выклинивающегося массива песка гравелистого, который мог бы быть не обнаружен при обычном подходе, с использованием нормативных расстояний между выработками. Имея данную информацию, следует скорректировать программу изысканий, изменив места выработок для отбора монолитов и зондирования. 6. Оценка требуемого количества выработок Зондирование грунтов в пределах пятна проектируемого здания продолжается до тех пор, пока расчетные значения осадки и крена не станут изменяться существенным образом. Таким образом, мы уходим от нормативной установки назначения количества выработок по СП 47.13330 к их определению, исходя из гипотезы предполагаемой априори неоднородности исследуемого грунтового массива. Естественно, что для однородного по свойствам массива грунта потребуется меньшее количество выработок, чем для неоднородного. На экране компьютера бурового мастера после проходки каждой точки зондирования появляются значения осадки и крена сооружения и отображается трехмерная модель здания. Это позволяет ему визуально анализировать поступающую информацию для принятия решения о завершении зондирования на рассматриваемой площадке изысканий. Расчеты осадок выполняются от среднего давления сооружения на основание по формулам суммирования с учетом неоднородности грунта, полученной по результатам испытаний. Такие расчеты выполняются для каждой точки зондирования или выработки, а не под всей подошвой фундамента. Затем определяются коэффициенты жесткости основания над каждой скважиной, которые затем экстраполируются на всю поверхность основания по формуле Шепарда, причем рассматриваются варианты расчета при различных значениях в формулах экстраполяции Шепарда [18]. Такой подход позволяет избежать процедур построения разрезов и выделения ИГЭ. Для дешифровки геофизических исследований и оценки достоверности используемых корреляционных зависимостей назначаются опорные скважины с отбором монолитов грунта и выполняются лабораторные испытания грунтов. Полученные данные применяются для оценки достоверности полученной информации и перерасчета в случае необходимости осадки и крена проектируемых зданий. Заключение Рассмотренная комплексная технология объединяет в единый производственный процесс инженерно-геологические изыскания и проектирование оснований сооружений. Результатом является сокращение сроков изысканий вследствие применения методов зондирования грунтов с автоматизированным контролем процесса испытаний и интерпретации данных испытаний. При этом результатом комплексных инженерно-геологических исследований является не только отчет о свойствах грунтов, но и оценка влияния деформационных и прочностных свойств грунтов на поведение проектируемого здания или сооружения.

About the authors

G. G Boldyrev

NPP “Geotek” Ltd

V. A Barvashov

R&D Center “Stroytelstvo” Inc

I. Kh Idrisov

NPP “Geotek” Ltd

O. V Khrianina

Penza State University of Architecture and Construction

References

Statistics

Views

Abstract - 161

Refbacks

• There are currently no refbacks.