Статическое зондирование грунтов. Испытания грунтов методом статического зондирования

Инженерно-геологическое исследование территории проводится в несколько этапов, в частности одним из важных моментов является статическое зондирование грунтов, которое считают наиболее эффективным способом изучения почвы.

Что такое статическое зондирование

 Испытание грунтов статическим зондированием впервые было проведено в 30-е годы прошлого столетия на территории Голландии, где работали лучшие инженеры в мире. После этого этот метод распространился по другим странам: Японии, США, Австралии и другим. Каждый, кто впервые пробовал данную методику, отмечал массу положительных достоинств. С течением времени такое исследование стало использоваться на территории РФ.

После того, как статическое исследование почвы начало функционировать на территории России, началось использование фундаментов со сваями, но это принесло массу новых проблем. А именно, теперь требовались дополнительные изучения местности, чтобы получить данные о несущей способности каждой сваи и выявить то какими свойствами обладает грунт.

Наиболее подходящим был метод статического зондирования грунта, с помощью которого специалистам стало удаваться решать вопрос, целесообразно ли использовать такой фундамент, и они смогли создавать более точные проекты по фундаментам из свай. Данный вид исследований проводили не только при установке свайного фундамента, но также и для других процессов связанных с грунтом. Именно он позволял получать наиболее достоверные данные о нужной территории, а если быть точнее, то о свойствах грунта, о способности выдерживать конкретный вид нагрузок, и границу распространения воздействия, глубину и однородность почвы. Сами испытания грунтов методами динамического статического зондирования проводятся при непрерывном вдавливании в почву специального устройства, а также различных дополнительных технических устройств. Полученные показания подлежат немедленной регистрации, которые фиксируются по мере погружения зонда в почву. Как только получены все необходимые сведения исследование прекращается. Изыскание может прекратиться и в том случае, если оборудование не проходит в грунт и требуется ряд дополнительных усилий для продолжения работ.

Результаты статического зондирования грунтов получают посредством работы специальной установки, осуществляющей постепенное погружение зонда в почву. Скорость вдавливания составляет приблизительно 1,5 метра в минуту. Регистрация проводится также постепенно и не прерываясь, чтобы сформировать полноценную картину о почве. Для того чтобы провести этот вид изысканий могут быть использованы различные по размеру зонды, мощности и виду. Каждый зонд обладает стандартным наконечником диаметр, которого составляет 36мм, и располагается он на штанге такого же диаметра, и углом в 60 градусов. Зонд статического зондирования грунтов наделен специальными фиксирующими устройствами, посредством которых и осуществляется регистрация сопротивления почвы, степень трения и отклонения погруженного аппарата от прямой линии.

Окончанием инженерного изыскания считается достижение заданной точки погружения, или если достигнут максимально возможный уровень проникновения. Стоит отметить, что существует ГОСТ на статистическое зондирование грунтов и это стандарт 19912-2001 и стандарт, установленный в Европе в 1977 году. Именно этими документами руководствуются при проведении статического изыскания посредством зондирования.

Метод такого исследования почвы используется для того, чтобы рассчитать несущую способность забивной и буронабивной сваи любых сечений. При помощи статического зондирования можно оценить надобность использования свайного фундамента, и выявить показатели, важные для проектировки будущего здания. Именно при помощи такого изыскания можно максимально минимизировать затраты на использование дорогостоящих устройств, а также достаточно тяжелых испытаний при вбивании каждой сваи. Такое исследование нужно при каждой подготовке площадки под строительство, так как грунт может состоять из различных слоев почвы и для каждого из них стоит подбирать определенный вид оборудования и фундамента. Например, глиняный состав обладает медленным удельным сопротивлением, а вот в песке это сопротивление может быть скачкообразным и очень быстрым. По результатам при зондировании специалисты составляют графики проникновения оборудования в грунт, а также особенности и интервалы бурения. Учитывается каждая, даже самая мельчайшая деталь, чтобы при будущем возведении фундамента не возникало проблем и не стыковок.

Зонд снабжен тензометрической насадкой с датчиком высокой чувствительности, обеспечивающего проведение четкого выявления уровня сопротивления грунтовых слоев оборудованию. Также исследуется то, с какой степенью будет отклоняться насадка на зонде от установленной вертикальной линии. Как правило, вид статического зондирования осуществляется совместно с другими инженерными изысканиями для того чтобы выявить более точные показатели грунта, что немаловажно при строительстве любых зданий, особенно высотных. Посредством совмещения изысканий можно выявить:

• степень сопротивляемости грунтовых слоев;
• однородность почвы в глубину и по всей площади;
• наличие крупных пластов пород в грунте;
• оценку и свойства почвы;
• сопротивление грунта сваям под ними и по их бокам;
• степень плотности и прочности грунта;
• подходящую площадку для установки свайного фундамента.

Наша компания занимается проведением инженерных изысканий любого вида и использует современное новейшее оборудование, что позволяет получать только качественные результаты в кротчайшие сроки без неточностей и оплошностей в составлении отчетов.

Компания  «Геодата» проводит  исследования грунтов методом статического  зондирования.

Метод статического зондирования довольно широко применяется в практике полевых изысканий для установления характеристик   физико-механических  свойств  в  природном сложении грунтов, их изменения  в плане и по глубине, а также для расчёта фундаментов.

В основном стандарты на проведение испытаний и параметры оборудования, применяемого в разных странах, совпадают. Различны лишь подходы к интерпретации получаемых результатов.

В России требования к методике проведения испытаний и оборудованию устанавливаются ГОСТом– 19912–2012 «Грунты. Методы  полевых испытаний статическим и динамическим зондированием», которым, в частности, разрешены к использованию зонды двух видов:

зонд 1-го типа с конусом и кожухом

зонд 2-го типа с конусом и муфтой трения.

Зонды имеют площадь конуса 10 см2, диаметр кожуха и муфты трения — 35,7 мм, длина муфты трения от 90 до 310 мм, что соответствует площади муфты от 100 до 350 см2.

Зонды 1-го типа в основном механические. При работе с ними в процессе вдавливания фиксируются общее сопротивление вдавливанию зонда и сопротивление конуса.

Зонды 2-го типа тензометрические. При погружении таких зондов фиксируются сопротивления  муфты  и конуса трения. Диаметр штанг для всех зондов должен составлять 36 мм при длине не менее одного метра.

Методика испытаний предусматривает вдавливание зонда вертикально в грунт непрерывно, с постоянной скоростью равной 1,2+ 0,3 метров в минуту  и регистрацию показаний сопротивления грунта непрерывно, либо с шагом не более 0,2 м по глубине. Основная погрешность, отклонение показателей измерения  сопротивлений частных показателей свойств грунта до 10%, но не более 5% максимального измеримого значения.

Определяют  физико-механические свойства грунтов по результатам произведённых испытаний, методом  статического зондирования, и  выполняют  статистическую обработку, учитывая  данные  таблиц СП 47.13330.2012 ( Приложение И).

Несущую способность забивных или буровых висячих свай рассчитывают на основе   результатов исследований свойств грунта методом статического зондирования применяя нормативы в СНиП 2.02.03–85, СП 50–102– 2003 или МГСН 2.07–97.

Статическое зондирование в России, а равно и на территории  СССР получило активное развитие в конце 60-х — начале 70-х годов ХХ столетия. Причина заключалась в широком применении свайных фундаментов. В 1966 году в ПНИИИСе велась разработка темы «Изучение производства   динамического и статического зондирования грунтов» под общим методическим руководством Л.Д. Белого. Эта работа выполнялась для разработки инструктивных указаний на основании обобщения опыта производства полевых опытных работ такими  лидерами  в области инженерно-геологических изысканий, как Фундаментпроект, ЦНИИС Министерства транспортного строительства,  Гидропроект, ПНИИИС и др. От ПНИИИСа разработкой темы занимались К.П. Бочков, В.И. Щербаков, Ф.С. Канаев. От Фундаментпроекта в работе приняли участие Л.Н. Воробков, В.И. Швей, Л.В. Мельников, А.А. Шерман, Л.Г. Мариупольский.

На протяжении 10–15 лет активных исследований различными изыскательскими  коллективами было обосновано и доказано, что статическое зондирование является универсальным методом определения прочностных и деформационных характеристик при минимальных затратах времени и с неплохим соответствием результатам параллельных видов исследований грунтов ,но при этом интерпретация результатов статического зондирования остается не до конца изученной темой до настоящего времени.

Значение величины вдавливающего усилия для установок статического зондирования на тот период времени составляло 40–100 кН, что обеспечивало фактическую глубину зондирования (без применения выбуривания грунтов) примерно до 20–25 м. При наличии мощных толщ слабых грунтов значение максимально возможной глубины зондирования возрастало. В конструктивных особенностях некоторых моделей установок было заложено ограничение по глубине на уровне технических решений. Примером служит установка С-832, максимальная глубина зондирования которой соответствовала 21 м. Данной глубины для проектирования фундаментов зданий и сооружений на тот период времени было достаточно.

Началом выполнения статического зондирования на глубины  до 60 метров послужил период испытания лессовидных грунтов в г. Волгодонске Ростовской области в начале 80-х годов прошлого столетия.

Проведение  испытаний было связано с последствиями аварии  на предприятии «Атоммаш» . Статическое зондирование грунтов на глубину  58 метров  произвел Ростов-ДонТИСИЗ совместно с НИИОСП по уникальной технической схеме . После этого возник длительный прерыв и глубокое статическое зондирование не применялось на территории  Российской Федерации в течение длительного времени.

Необходимость проведения  статического зондирования на большие глубины вновь появилась в начале ХХI века. Причина  в  массовом освоение подземного пространства в г. Москве и строительство зданий повышенной  этажности.

Поставленная задача была сформулирована предельно просто: обеспечить зондирование на глубину погружения свай с учетом  взаимодействия «здание (сооружение) — основание фундамента». Расчетным путем было установлено, что подобные исследования для грунтов московского региона возможно осуществить , если задавливающее устройство  обеспечит давление  более 200 кН. И  если сила давления  на  извлечение пенетрационной колонны будет больше задавливающего давления примерно на 30%.

Применение установок статического зондирования тяжелого типа несколько изменяет общепринятую методику производства работ. Так  при наличии в толщи слабых грунтов , расположенных в приповерхностной зоне, более целесообразно начинать выполнение статического зондирования зондами, фиксирующими достоверное снятие показаний при минимальных значениях. В дальнейшем целесообразен переход на зонды, позволяющие воспринимать большие усилия вдавливания.

В противном случае при наличии слабых грунтов и при применении зондов, рассчитанных на большие усилия задавливания, ошибки в определении значений показателей грунтов при зондировании могут быть сопоставимыми с пределами установленных погрешностей , или даже превышать их. Соответственно рассчитанные показатели механических и деформационных свойств  грунтов могут оказаться недостоверными.

Существенным фактором, влияющим на достоверность получаемых прочностных и деформационных характеристик грунтов, является отклонение зонда и зондировочной колонны, от вертикального положения. Анализ результатов в пределах одинаковых по составу и сходных по генетическому типу грунтов показал различие в показателях до 20–30%. Критические значения углов отклонения зонда от вертикали составляют более 12–15° на глубине свыше 20–22 м. Известны случаи, когда зондирование проводилось при отклонении зонда на 30° и более. Это в большей степени касается вероятности обрыва колонны. Сопоставляя  значения результатов зондирования в зависимости от угла наклона зонда (на основании результатов зондирования в пределах московского региона) показало, что отклонение зонда от вертикали до 13–16° не оказывает существенного влияния на качественные показатели свойств  грунтов.

Негативное влияние на достоверность получаемых прочностных и деформационных характеристик грунтов оказывает быстрое по времени и резкое увеличение угла отклонения зонда при проведении работ. Например, если на пути движения зонда встречаются включения щебня, галки, валунов или глыб.

При скорости погружения зонда 1,2±0,3 метра в минуту и усилии задавливания 200 кН при возникновении препятствия происходит процесс, сопоставимый с динамической нагрузкой (ударом), который приводит к механической поломке собственно зонда или соединений штанг.

Как ни парадоксально это звучит, но зонды для выполнения статического зондирования и комплекты штанг являются расходными материалами. Они имеют определенный ресурс. У каждого производителя имеются условные (усредненные) значения работы зонда на отказ (метры проходки). Это будет полезно осмыслить руководителям организаций, которые планируют затраты на проведение работ. Бытует мнение, что одним зондом и одним комплектом штанг можно работать бесконечно долго. К сожалению, это мнение ошибочно.

Выполненный анализ показал, что, как правило, после 200–400 м зондирования рекомендуется провести тарирование зонда. Если не принимать во внимание естественный износ конусов и муфт трения, то работоспособность зонда ограничивается значениями 450–1500 м зондирования. Величина минимального и максимального значений работы зонда на отказ зависит от опыта исполнителя работ мастера или инженера и грунтовых условий.

Большим  минусом метода остается положение, связанное с интерпретацией результатов статического зондирования, оно распространяется только  на  грунты  отложений  четвертичного комплекса  Этому направлению уделяли внимание многие исследователи. В ряде документов и статей приводятся расчетные формулы по некоторым  генетическим типам грунтов. Но не всегда полученные результаты устраивают пользователей и вписываются в принимаемую расчетную схему. К сожалению, единого алгоритма интерпретации результатов, безоговорочно признаваемого всеми исследователями, нет.