Зондировка грунтов и испытание на пенетрацию » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Зондировка грунтов и испытание на пенетрацию

07.07.2021

Зондировка простейшего вида заключается в забивке металлического стержня в грунт с целью определения глубины залегания кровли подстилающей скалы. Однако результаты такого исследования могут оказаться весьма ошибочными, так как за надежную скалу нередко могут быть приняты отдельные валуны. Поэтому строительные правила некоторых городов Соединенных Штатов требуют при проведении таких исследований применения колонкового бурения с заглублением скважин в скалу на глубину порядка 5—10 футов.

Другой вид зондировки — так называемое «динамическое испытание на пенетрацию» состоит в забивке металлического стержня на несколько футов в грунт до предполагаемого уровня заложения подошвы, фундамента и оценке плотности грунта по числу ударов, которое требуется для забивки стержня в грунт на 1 фут. Этот вид испытания используется не очень часто, так как он дает информацию относительно грунта только на глубине нескольких футов ниже подошвы фундамента. При больших глубинах трение, возникающее по длине стержня, вносит некоторую неясность в результаты по оценке плотности последовательно проходимых слоев грунта, через которые проникает стержень при его забивке в грунт. Однако этот метод может оказаться полезным в тех случаях, когда легкие сооружения типа заводских мастерских возводятся на небольших отдельных фундаментах. Тогда он позволяет быстро регистрировать полученные данные и сопоставлять их с последующими сведениями, накапливаемыми при возведении сооружения.

В недавнем прошлом при проектировании фундаментов нередко использовались еще более примитивные методы исследования грунтов. Г.У. Киркленд, вспоминая об этом в дискуссии по статье Пимма, пишет следующее: «На наиболее ранней стадии его научный опыт обогащался за счет наблюдений при совместном посещении строительной площадки с шефом, который тыкал своим зонтиком в грунт и заявлял: «2,5 т/фут2!».

Такого рода подход еще совсем недавно был скорее правилом, чем исключением. Для того чтобы обобщить данные своей практики, инженер из Филадельфии Фрэнк Н. Нис провел испытания зернистых грунтов на глубину до 4 футов, забивая в них с помощью молота весом 25 фунтов, падающего с высоты 36 дюймов, металлический стержень диаметром 1 дюйм. В центре молота имелось отверстие, так что он мог, падая, скользить по стержню до тех пор, пока не достигал приваренного к нему фланца. Так как молот весил всего 25 фунтов, его можно было поднимать вручную.

В табл. 12.1 приведены результаты этих исследований.

Следует подчеркнуть, что испытания такого рода могут быть удовлетворительно проведены только на небольшую глубину. Поэтому их проводят только при геологических условиях, подобных показанным на рис. 12.19, т. е. когда грунт представлен зернистой породой и имеет приблизительно одинаковую сжимаемость как у поверхности, так и на больших глубинах. Этот последний факт может быть установлен только с помощью бурения. Следовательно, желательно сочетать динамические испытания на пенетрацию с проведением бурения и отбором образцов.

Исходя из этого теперь стала обычной регистрация числа ударов, которое требуется для забивки грунтоноса в грунт при «сухом» отборе образцов на 1 фут. Однако существует несколько методов, относящихся к различным типам грунтоносов, весам молота и высоте его падения. Поэтому все эти данные по забивке грунтоносов следует всегда приводить в журнале работ. Некоторые из существующих методик сведены в табл. 12.2. Особое внимание следует обратить на замечания Хворслева, так как они полностью справедливы. Недостаточно обоснованными являются лишь попытки связать данные по забивке стержней с консистенцией и плотностью связных пылеватых грунтов и глин. При необходимости установить сопротивление сдвигу или компрессионные характеристики для связных грунтов следует во всех случаях прибегать к отбору образцов такого грунта с ненарушенной структурой с последующим их испытанием в лаборатории.

Тем не менее регистрация особенностей процесса забивки грунтов при «сухом» отборе образцов имеет очень большое значение во всех случаях, касающихся оценки плотности зернистых несвязных грунтов, т. е. песков и некрупного гравия, но только как приближенный ее показатель.

При использовании приведенных в табл. 12.2 данных для других районов или при условиях, отличных от тех, в которых были установлены эти соотношения, следует проявлять максимум осторожности, так как сообщалось, что даже в описанных условиях обнаруживались значительные отклонения в показателях. Сопротивление пенетрации зависит не только от параметров оборудования и консистенции или относительной плотности грунта, но может изменяться также в зависимости от способов проведения испытания, положения уровня грунтовых вод и других еще не полностью исследованных факторов. В подобных случаях такая регистрация должна всегда производиться. Она имеет намного более важное значение по сравнению с регистрацией по забивке обсадных труб, так как последняя отражает влияние полного сопротивления трения всех вышележащих слоев грунта, через которые проходят обсадные трубы.

«Сухие» образцы обычно отбирают с интервалом по глубине в 5 футов или же на тех уровнях, где промывочная вода показывает изменение характера содержащегося в ней грунта. Были предприняты попытки непрерывной регистрации сопротивления грунта прониканию под давлением в его толщу конического наконечника. На рис. 12.17 показаны несколько типов конических наконечников, разработанных для этой цели. Тип наконечника на рис. 12.17,а был предложен Терцаги. Сопротивление P коническому наконечнику (D=2,75 дюйма) регистрируется на поверхности грунта манометром. Разрыхление песка струей воды выше конического наконечника Терцаги и Пек объясняют стремлением «исключить влияние глубины», так как сопротивление песков прониканию в них конуса в придачу к плотности песка находится, вероятно, также и в зависимости от глубины погружения ниже поверхности. Однако сомнительно, чтобы влияние глубины можно было полностью преодолеть воздействием струи воды, так как песок, находящийся непосредственно ниже конуса, все еще подвержен воздействию бокового давления, которое первоначально существовало в пласте. Подобная частичная разгрузка от напряжений, имевшихся первоначально в грунтовой толще непосредственно над конусным наконечником, будет происходить также при использовании всех других конусных наконечников, показанных на рис. 12.17.

Конический наконечник, приведенный на рис. 12.17,б, используется наиболее часто. Почти одновременно сообщалось, например, о его использовании при малом размере (D=1,4 дюйма) для зондирования методом статической пенетрации в Голландии и при намного большем размере — для опытной забивки свай в Англии, где этот метод разведки получил название предварительной забивки свай. В любом случае можно оценить или сопротивление прониканию в грунт конусного наконечника P путем вдавливания или забивки его с поверхности при помощи внутреннего стержня R, выходящего из наружной трубы T, или общее сопротивление (P+F), включая трение F грунта о стенки трубы Т, если эта труба используется для заглубления конусного наконечника в грунт. Обычно применяют один из двух приведенных методов попеременно для каждого фута погружения наконечника.

Конический наконечник, показанный на рис. 12.17, в, является современной усовершенствованной модификацией, осуществленной в Голландии Дельфтской лабораторией по механике грунтов. Здесь сводится до минимума опасность заклинивания зерен грунта между стержнем R и трубой T при опускании последней. В положении, показанном на рис. 12.17, в, стержень R погружен на глубину Ь ниже трубы Т. Если его заглубляют отдельно, это расстояние может возрасти только на величину а, т. е. до максимальной величины, равной L.

Конический наконечник, показанный на рис. 12.17, г, использовался в Бельгии Де Беером. Только короткий участок H' трубы T имел тот же диаметр D, что и конусный наконечник. Эта обстоятельство сильно снижало трение о трубу, и, следовательно, требовалось меньшее усилие для заглубления всего устройства в грунт. В целях выявления эффекта глубины, т. е. влияния веса вышележащих слоев на грунт, находящийся ниже конусного наконечника, было оценено также влияние на результаты исследований увеличения длины наконечника до H=2D. В противном случае было бы неизбежно некоторое расширение грунта в пространстве между верхом конусного наконечника и нижним торцом трубы.

В Голландии и Бельгии испытание на пенетрацию конуса получило широкое распространение, так как в этих странах для такого типа исследований грунтовые условия особенно благоприятны. Там до глубины примерно 60 футов чаще всего встречаются торф или пластичные глины, подстилаемые песками с изменяющейся плотностью. Поэтому конические наконечники можно легко вдавливать в толщу прямо вплоть до песков и в пески, чтобы заранее выяснить условия на горизонте, которого должны достичь наконечники свай. Здесь были получены соотношения между сопротивлением погружению конического наконечника и несущей способностью свай-стоек.

Предпринимались попытки провести строгий анализ данных испытаний на пенетрацию конуса, базируясь на выводах ранней работы Бьюисмана. Этот анализ был выполнен с использованием видоизмененного уравнения Прандтля для несвязных грунтов, учитывая вес грунта в погружаемом клине, а также грунта, расположенного выше него. Это модифицированное уравнение было затем применено для нахождения угла внутреннего трения грунта ф. Одновременно опытные данные по сопротивлению прониканию конуса иногда использовались для определения коэффициентов сжимаемости грунта с помощью видоизмененного уравнения Буссинеска. Однако до сих пор еще не было дано никакого удовлетворительного обоснования возможности определения коэффициентов сжимаемости грунтов по их сопротивлению сдвигу. Применение упомянутого метода определения ф для всех грунтов также вызывает сомнение, так как оценить действительную эффективность веса лежащей выше породы с точки зрения ограничения возможного пучения грунта можно только предположительно. Действие этого веса не может проявиться полностью вокруг конуса, так как при вдавливании наконечника в грунт происходит некоторое разуплотнение залегающего выше грунта в пространстве между конусным наконечником и трубой Т.

Отсюда следует, что строгий анализ изменяющихся основных свойств грунта исходя только из данных по сопротивлению прониканию в грунт конуса, представляется неосуществимым, несмотря на то, что методы такого анализа были в свое время опубликованы. Тем не менее ожидали, что опытные данные по пенетрации позволят установить эмпирические зависимости между этими показателями и известными данными по характеристике грунтов, расположенных под сооружениями, за поведением которых производились наблюдения. Такое представление является, вероятно, наиболее обоснованным применительно к условиям, подобным тем, которые приведены в примере 12.4. По этой причине в 1948—1949 гг. по предложению Чеботарева и под его руководством фирмой «Спрэйг энд Хенвуд, Инк.» было проведено сравнительное изучение данных по использованию конусного наконечника дельфтского типа (рис. 12.17, в) и стандартного динамического испытания на пенетрацию по методу S и H (см. рис. 12.7, а и табл. 12.2). Результаты этого сопоставления приводятся на рис. 12.18 и 12.19. Для вдавливания конусных наконечников в грунт была приспособлена гидравлическая вертлюжная головка от станка колонкового бурения того же типа, который показан на рис. 12.15 и 12.16. Для измерения оказываемого им со стороны грунта сопротивления были применены манометры, которые регистрировали давление в масле пресса вертлюжной головки.

Первое исследование оказалось возможным провести в сотрудничестве с фирмой «Спенсер Уайт энд Прентис, Инк.» и Г. Лутцом из компании «Торнер Констракшн» на строительной площадке массивного сооружения, возведенного на мощной толще рыхлого песка, который, как было установлено, вызвал осадку сооружения, равную приблизительно 3,5 дюйма (см. рис. 12.18). Другие сведения, относящиеся к этому сооружению, приводятся на рис. 13.9 и в примере 9.1. Были проведены три зондировки с пенетрацией конуса с шагом 4 фута. Как следует из рис. 12.18, все они дали результаты, которые довольно хорошо согласуются между собой, а также с результатами по забивке ложки-грунтоноса для «сухого» отбора образцов методом S и Н. Метод статической пенетрации конического наконечника представляется несколько более чувствительным к изменениям плотности грунта, чем способ динамической забивки грунтоноса, но как тот, так и другой вскрывают общие тенденции. Было обнаружено, что песок непосредственно под подошвой старого фундамента был несколько уплотнен весом здания, которое находилось на нем в прошлом. Установлено также, что несколько глубже плотность песка изменяется от рыхлой до средней. С глубиной плотность песка постепенно возрастает. Грунтонос был забит на 18 дюймов. Заметим, что число ударов при пенетрации от 0 до 12 дюймов было почти равно числу ударов при пенетрации на глубину от 6 до 18 дюймов. Разрыхление песка после забивки и извлечения грунтоноса S&H с шагом, равным приблизительно 5 футам, ясно вырисовывается по результатам испытания 7 на погружение конуса, показанным на рис. 12.18. Однако это нарушение плотности песка не распространяется больше чем на 2 фута. Использование при испытании 5 стержня T с диаметром на 0,1 дюйма меньше диаметра конуса снизило общее трение F вдоль стержня на 25—45% по сравнению с испытанием 6, в котором диаметры стержня и конуса были одинаковыми.

Второе исследование было проведено в Филадельфии на строительной площадке при возведении здания на слое весьма плотного гравелистого песка (рис. 12.19). Здание испытало осадку только в пределах от 1/8 до 1/4 дюйма. Осадка проявилась очень быстро и прекратилась вскоре после приложения нагрузки. При испытании на пенетрацию по Нису (см. табл. 12.1) на уровне подошвы фундамента потребовались 21—45 ударов на 1-й фут пенетрации и 36—100 ударов на 2-й фут. Из рис. 12.19 видно, что забить грунтонос-ложку типа S&H и получить данные по забивке оказалось возможным на всех уровнях. Эти исследования указали на весьма плотный характер грунта (ср. с табл. 12.2). С другой стороны, во многих случаях невозможно было вдавить дельфтский конус даже на долю дюйма ниже обреза обсадной трубы диаметром 2,5 дюйма без того, чтобы стержень R не погнулся (см. рис. 12.17,в). На диаграмме сопротивлений (см. рис. 12.19) эти участки обозначены символом бесконечности. Отсюда следует, что современный тип дельфтского конусного наконечника не может проникать в плотные зернистые грунты, для забивки в которые на 1 фут грунтоноса S&H требуется более 50—70 ударов.

Поэтому испытания на пенетрацию с конусом в качестве самостоятельного метода исследования вряд ли получат такое же применение в Соединенных Штатах, как в Голландии, где они иногда используются еще до бурения скважин. Чтобы обеспечить эффективное погашение реакции на действие сил P+F (сопротивление конусу и трубе), которая может зачастую превышать 11000 фунтов (см. рис. 12.18), представляется необходимым анкеровать в грунте всю установку. Кроме того, при переходе на каждое новое место испытания станок придется анкеровать заново. Это не может оказать большое влияние на стоимость работ в странах с низкой оплатой рабочей силы, но в США поведет к значительному повышению общей стоимости исследований и может свести на нет всю экономию от быстрого проведения самого зондирования. Эти и другие обстоятельства задерживают широкое распространение исследований такого вида.

Тем не менее полагают, что испытания на пенетрацию с конусом могут получить дальнейшее развитие как ценный вспомогательный метод при его использовании в сочетании с современными обычными методами исследования, т. е. бурением скважин и лабораторными испытаниями грунтов. Однако для этого потребуется сначала провести некоторую модификацию существующих типов конусных наконечников и тщательно изучить связь результатов испытания на пенетрацию с конусом с основными свойствами грунтов. Некоторые многообещающие, но пока еще не опубликованные исследования в этом плане были выполнены в Виксбурге на экспериментальной станции водных путей Соединенных Штатов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: