ПАРАМОНОВ Владимир Николаевич - д.т.н., профессор СПбГУПС, член РНКМГиФ
Основные направления научной деятельности - строительство на слабых глинистых грунтах, нелинейные модели механики грунтов. Автор более 60 опубликованных работ
Тихомирова Людмила Карловна - к.т.н., член РНК МгиФ.
Основные направления научной деятельности - исследование свойств слабых глинистых грунтов, геотехническое обоснование реконструкции и нового строительства в условиях плотной городской застройки. Автор 30 опубликованных работ, в том числе 5 изобретений.
В настоящее время все более широкое применение при оценке инженерно-геологических условий приобретает статическое зондирование. Оно привлекает заказчиков, а в ряде случаев и проектировщиков быстротой получения результатов и меньшей по сравнению с другими способами изысканий стоимостью. В связи с этим представляется целесообразным проанализировать перспективы и некоторые практические результаты использования этого, без сомнения, прогрессивного метода, положительной особенностью которого является испытание массива грунта в природном состоянии, что особенно важно, когда отбор образцов ненарушенной структуры практически невозможен.
Как известно, в общем случае статическое зондирование – это вдавливание в грунт с постоянной скоростью конусного наконечника, закрепленного на штангах, свободно перемещающихся в трубе, погружаемой одновременно с наконечником. При этом отдельно измеряются сопротивление вдавливанию конуса и сопротивление трения погружению трубы. Более современные конструкции позволяют измерять местное трение с помощью специальной муфты трения, также установленной на штангах и вдавливаемой последовательно с конусом. Дальнейшим развитием методики стало применение тензометрических датчиков, автоматическая запись результатов и использование встроенных инклинометров, датчиков порового давления, температуры и т.п., что позволило повысить точность оценки свойств грунтов.
Статическое зондирование представляет собой «метод полевого испытания» грунтов (ГОСТ 20069-81) и предназначено для решения определенных задач исследований грунта: 1) выделения инженерно-геологических элементов – толщины слоев, линз, границ распределения; 2) оценки пространственной изменчивости свойств и состава грунта; 3) определения глубины залегания скальных и крупнообломочных грунтов; 4) оценки возможности забивки свай и их длины и, соответственно, несущей способности; 5) приближенной количественной оценки физико-механических свойств, определения степени уплотнения и упрочнения грунтов. Свод правил по инженерно-геологическим изысканиям для строительства (СП 11-105-97) рекомендует применение статического зондирования в сочетании с другими методами определения свойств грунта, а ГОСТ 20069-81 указывает, что графики статического зондирования следует совмещать с инженерно-геологическими колонками, находящимися не далее 5 м от точки статического зондирования.
Интерпретация графиков зондирования осуществляется на основе величины сопротивления погружению конуса (qc), местного трения по муфте (fs), показателя трения Rf=(fsх100)/qc. При достаточно близком размещении (как указано выше) точки статического зондирования (ТСЗ) от буровой скважины возможна практически полная идентификация инженерно-геологических элементов. Однако по мере удаления от скважины, где получена литологическая колонка, точность выделения слоев, особенно в неоднородных по составу грунтах (в нашем регионе это, в первую очередь, после- и позднеледниковые отложения (mlIV, lgIII)) резко снижается в связи с тем, что одинаковым сопротивлением вдавливанию конуса могут обладать грунты, различающиеся по гранулометрическому составу. Так, например, по материалам зарубежных исследований таблице одинаковое сопротивление конуса соответствует и глинам, и пылеватым пескам. В свою очередь, отдельно выделены пески по плотности сложения без уточнения крупности, что свидетельствует о сложности определения наименования грунта по данным статического зондирования даже для песчаных отложений. Некоторое уточнение позволяет получить использование показателя трения, с помощью которого проводится выделение песчаных и пылевато-глинистых грунтов. Однако следует подчеркнуть, что результаты исследований носят сугубо региональный характер и скорее могут служить доказательством самой возможности выявить зависимость между результатами зондирования и видом грунта, так как представляют собой серию кривых, отражающих наиболее вероятное соотношение qc и RS для исследованных грунтов. Определение вида грунта при промежуточных соотношениях этих величин остается весьма проблематичным. Учет состояния по плотности (консолидации) в настоящее время выполнен только для отдельных видов грунтов. Отметим при этом, что численные значения параметров, определяемых статическим зондированием, в значительной степени зависят от минерального состава, степени окатанности частиц грунта, его однородности и, следовательно, приведенные зависимости соответствуют только совершенно определенным разновидностям грунтов.
Некоторое уточнение позволяет внести учет порового давления, величина которого, а, точнее, скорость рассеивания дополнительно возникающего при внедрении конуса давления позволяет также выделить переход от глинистого грунта к песчаному. Возможность выявления по материалам зондирования ориентировочных механических характеристик и плотности сложения грунта появляется лишь в том случае, если известна крупность песка и наименование пылевато-глинистого грунта. Заметим, что одни и те же параметры могут соответствовать различной плотности при разной крупности песка.
Характерно также, что в научной литературе практически отсутствуют попытки разделения глинистых грунтов на супеси, суглинки и глины по результатам статического зондирования.
Очевидно, что такое определение механических характеристик носит весьма приближенный характер и в связи с этим допускается без сопоставительных испытаний согласно действующим нормам только для зданий III категории.
Таким образом, становится ясно, что в отрыве от данных бурения и прямых испытаний, позволяющих определить инженерно-геологический элемент, статическое зондирование представляет лишь весьма относительные данные о некоторых «строительных» свойствах грунта.
Учитывая разделение получаемого сопротивления вдавливанию на трение и сопротивление внедрению конуса, они по аналогии могут быть успешно использованы для определения несущей способности сваи. Расчетный метод определения несущей способности сваи, как известно, также основан на использовании расчетных «строительных» характеристик, приводимых для «прочных» и «слабых» грунтов вне зависимости от наименования грунта в табл.1 СНиП 2.02.03-85, например, объеденены (гравелистые пески и пылевато-глинистые грунты с IL= 0). Как показывает опыт, для свай заводского изготовления несущая способность, определенная по результатам статического зондирования, ближе к реальной, чем рассчитанная по таблицам СНиП 2.02.03-85 в зависимости от состояния грунта по плотности и консистенции. Так, в характерных инженерно-геологических условиях района Шувалово-Озерки в Петерубрге по результатам статического зондирования расчетная нагрузка на сваи сечением 35х35 составляет при их опирании на плотные пылеватые пески около 90 т, а рассчитанная по таблицам СНиП 2.02.03-85. По результатам статических испытаний на площадке несущая способность оказалась равной – 90-105 т, что подтверждает допустимость использования результатов статического зондирования для проектной оценки несущей способности свай.
Очевидна целесообразность использования статического зондирования также для выявления границ «слабых» и «прочных» грунтов – для оконтуривания их линз, выявления отметок кровли прочных грунтов. Статическое зондирование, позволяющее быстро – в течение получаса пройти 20-30-метровую толщу слабых грунтов, необходимо использовать внутри сетки буровых скважин, если последние выявили существенную неоднородность грунтов по разрезу. Такие исследования позволяют избежать локальных осадочных деформаций сооружений. Так, при строительстве здания банка на Заневском пр. одна из колонн получила недопустимую осадку. Развитие значительных осадок, приведших к раскрытию трещин, происходило и после завершения строительства. Как показали результаты статического зондирования, выполненного вблизи участка образования трещин, отметки кровли морены оказались ниже принятой в проекте примерно на 3 м, вследствие чего несущая способность свай оказалась почти вдвое меньше проектной. Своевременное выполнение зондирования по более частой, чем скважины сетке позволило бы выявить русло древней реки (участок находится на слиянии рек Охта и Оккервиль) и путем принятия большей длины свай избежать неравномерных осадок сооружения.
Еще одной областью применения статического зондирования является оперативная оценка измерений, произошедших в грунте в результате внешних воздействий – например, оценка степени расструктуривания грунта при воздействии технологии изготовления свай.
Очевидно, что на участках, вблизи которых ранее не производились инженерно-геологические изыскания, статическое зондирование, выполненное на предпроектной стадии, позволит определить объем полноценных изысканий - бурения скважин с отбором проб грунта, штамповыми испытаниями, лопастным сдвигом и т.д.
К сожалению, в настоящее время, получила развитие порочная практика отказа от проходки скважин для построения геологических разрезов и замены их статическим зондированием.
Как указывалось выше, не существует четких критериев выделения того или иного грунта по результатам статического зондирования. Разделение глинистых грунтов производится только на основе личного опыта геолога, производящего расшифровку, что существенно снижает достоверность изысканий. Выборочная проверка результатов изысканий, базирующихся преимущественно на статическом зондировании, выявила ряд ошибок в расположении и идентификации слоев на площадке строительства транспортно-коммерческого центра (ТКЦ) на Лиговском пр., комплекса жилых зданий на Каменном острове. Как показало сравнение результатов статического зондирования, выполненного в нескольких точках на площадке ТКЦ разброс значений полученных параметров сопротивления зондированию для одного и того же инженерно-геологического элемента в различных точках зондирования оказался существенно большим, чем для различных слоев грунта.
Таким образом, хотя статическое зондирование имеет ряд несомненных достоинств (возможность выделение границ «слабых» и «прочных» грунтов; уточнение свойств песка при его известном гранулометрическом и минеральном состав; возможность прямого предпроектного прогнозирования несущей способности свай) оно ни в коем случае не должно подменять собой прямые методы определения свойств грунтов.