ИГОРЬ ГУСЬКОВ: Испытания дилатометром Маркетти позволяют сократить другие виды исследований грунтов

Ред.: Для чего применяются дилатометры в инженерных изысканиях и чем этот метод привлекателен по сравнению с традиционными?

И.Г.: Испытания дилатометром – это полевой метод определения деформационных и прочностных свойств грунтов. Изобретен он был достаточно давно, но изначально не прижился в мировой профессиональной среде.

Ситуация в мире начала меняться после 1981 года, когда итальянским ученым Сильвано Маркетти был изобретен дилатометр, который сегодня носит его имя. Данная разработка достаточно быстро обрела популярность за рубежом, и на сегодняшний день это один из наиболее передовых методов для определения деформационных и прочностных свойств грунтов в полевых условиях. В нашей стране, впрочем, дилатометры до сих пор практически не используются.

Ред.: То есть, единственный дилатометр, который применяется в мире, разработан С.Маркетти? Или есть аналоги?

И.Г.: По сути, он является единственным в своем роде. Все остальные приборы лишь копируют его. Например, практически точные копии производят в Китае. В нашей стране ведутся разработки собственных дилатометров, но у них будет несколько другой принцип работы. Например, в 1990 году С.Лавровым был изобретен дилатометр, определяющий деформационные свойства дисперсных грунтов на основе метода релаксации напряжений.

Ред.: Каков принцип работы дилатометра Маркетти?

И.Г.: Дилатометр представляет собой стальное лезвие шириной около 1-2 см с круглой стальной гибкой мембраной выпуклой формы на одной из сторон. Лезвие дилатометра вдавливается в грунт и с определенным шагом, который обычно составляет 20 см, производится тест. Через штанги и кабель дилатометра к внутренней поверхности мембраны под давлением подается газ, под действием которого мембрана расширяется на фиксированную деформацию 1,1 мм в ее центре. Исследователь, зная давление в начале движения мембраны и на уровне конечной деформации, может легко рассчитать модуль деформации грунта.

Ред.: Насколько результаты испытания дилатометром совпадают с результатами лабораторных исследований?

И.Г.: В процессе испытания грунтов дилатометром мы получаем не один, а два модуля деформации. Первый – дилатометрический. Это модуль деформации, который определяется при помощи данного испытания напрямую. Его не совсем корректно сравнивать с результатами других методов, потому что он рассчитан конкретно для данного оборудования. Сильвано Маркетти было проведено сравнение более 800 испытаний дилатометром и в одометрах. После сравнения полученных результатов была разработана формула, по которой и рассчитывается одометрический модуль деформации. В результате, еще в 80-х годах соотношение между ними было фактически один к одному.

Что касается нашего опыта, то мы, когда приобрели данный прибор, разумеется, проверяли сходимость результатов испытаний грунтов дилатометром, другими полевыми методами и в лаборатории своими силами. Нами был определен высокий уровень корреляции для всех испытаний глинистых грунтов. Что касается песчаных грунтов, то тут все оказалось несколько сложнее. Для них дилатометр Маркетти дает достаточно высокие значения одометрического модуля деформации, что в российской практике непривычно.

Думаю, специфика дилатометра Маркетти кроется в том, что он очень хорошо измеряет такой показатель грунта, как история напряжения. Это характеристика, которая хранит в себе информацию о том, как грунт нагружался и разгружался. Для нас более привычные производные этой характеристики – коэффициент бокового давления в состоянии покоя и коэффициент переуплотнения грунта.

Используя историю напряжения с помощью дилатометра, можно оценить, насколько грунт переуплотнен, и более точно рассчитать одометрический модуль деформации. Понятно, что в переуплотненных песках такой модуль будет очень велик.

Таким образом, для оценки модуля деформации песчаных грунтов лучше использовать дилатометрический модуль деформации, который, согласно нашим данным, практически равен модулю деформации, полученному по данным статического зондирования.

Ред.: На какую глубину можно задавливать дилатометр Маркетти?

И.Г.: Разумеется, тут все зависит от геологического разреза, но нами были достигнуты глубины до 30-35 метров без разбуривания. С разбуриванием – до 50-60 метров. Иными словами, все сопоставимо с глубинами статического зондирования. Единственной проблемой для дилатометра Маркетти при вдавливании являются крупнообломочные грунты, потому что лезвие его менее прочное, чем конус статического зондирования и легко тупится. Да и сама мембрана, которая очень чувствительна, может порваться об щебень и более крупные фракции. Что касается давлений, то дилатометром Маркетти возможно испытывать грунты с модулем деформации в 400 МПа, что является очень серьёзной величиной, то есть дилатометром могут быть опробованы даже полускальные грунты.

С другой стороны, дилатометры Маркетти является очень чувствительными инструментами и показывают очень хорошие результаты и при испытании слабых грунтов. Иными словами, мы можем определять модуль деформации меньше 1 МПа, что характерно как раз для слабых песчаных и глинистых грунтов, отобрать образец которых для лабораторных испытаний практически невозможно.

Ред.: Есть специалисты, которые утверждают, что, например, у статического зондирования очень высокая погрешность и даже на одном небольшом участке можно получить сильно разнящиеся результаты. Тут нет такой проблемы?

И.Г.: Надо понимать, что сам наш геологический разрез вовсе не такой однородный, каким мы его рисуем на инженерно-геологических разрезах. Даже на расстоянии 2-3 метров могут быть совершенно разные результаты, и это не погрешность, а просто другие грунты. Естественно, мы проводили сравнение результатов исследований грунтов дилатометром Маркетти. Сходимость при шаге в 3 метра по треугольной сетке оказалась достаточно высокой. Впрочем, могу сказать, что высокую сходимость мы получали и при проведении подобных сравнений результатов статического зондирования конусами Фугро. Я считаю, что результат зависит от разреза и от качества инструмента.

Ред.: В каких ситуациях целесообразно применять дилатометр Маркетти?

И.Г.: Изначально этот прибор был изобретен для получения необходимых данных для проектирования плитных фундаментов мелкого заложения. Собственно, как раз взаимодействие фундамента мелкого заложения с грунтом характеризует одометрический модуль деформации. Далее научная база постепенно развивалась. На данный момент мы можем коррелировать данный модуль деформации и с результатами трехосных испытаний, что позволяет использовать получаемые значения для широкого круга сооружений, а также получаем много других дополнительных характеристик, таких как сопротивление недренированному сдвигу глинистых грунтов, угол внутреннего трения песчаных и некоторые другие, которые могут использоваться проектировщиками для всех типов фундаментов.

Ред.: После использования дилатометра лаборатория уже не нужна?

И.Г.: Российские нормативные документы, в которых пока, к сожалению, испытания дилатометром Маркетти не прописаны, в любом случае обязывают нас выполнять лабораторные исследования.

За рубежом ситуация совершенно иная. Там в последнее время предпочтение отдается полевым методам, что правильно, на мой взгляд. Дело в том, что технологии полевых испытаний не стоят на месте и становятся все более и более точными и надежными. Вместе с тем, сокращая объем лаборатории, мы не только можем экономить время и деньги, но и нивелировать существующие погрешности измерений и работать непосредственно с массивом грунта. Ведь лабораторные исследования тоже не совершенны. Там работают с достаточно малой выборкой грунта, с образцами, которые неизбежно деформируются при отборе и транспортировке.

Поэтому за полевыми методами будущее, а в лабораторию грунты за рубежом отдают зачастую больше для стратиграфических целей, то есть для расчленения геологического разреза, выделения типов грунта. А все остальные характеристики получают статическим зондированием и дилатометром Маркетти.

Ред.: Есть ли какие-то нюансы при обработке данных испытаний грунтов дилатометром Маркетти?

И.Г.: Нюансы есть, но они не значительны. Самое важное при использовании данного оборудования – его калибровка. До и после проведения каждого испытания требуется провести нулевые считывания на дневной поверхности для определения давлений, которые необходимо передать под мембрану дилатометра для ее деформации на 1,1 мм. То есть определить жесткость мембраны при атмосферном давлении, которое затем вычитается из полученных при испытаниях значений для получения данных, характерных непосредственно для грунтовых условий. Далее весь процесс практически полностью автоматизирован. Разработчики оборудования создали для него программное обеспечение, в котором происходит и регистрация данных в процессе испытаний, и их последующая обработка: расчет всех необходимых параметров с выводом графических материалов. 

Ред.: Как можно совместить данные из этого специализированного программного обеспечения с другими материалами, полученными при выполнении инженерных изысканий?

И.Г.: Обычно методика такова, что программа SDMT Elab рассчитывает необходимые параметры и выгружает их в Excel, откуда они подгружаются в любую другую программу, например, EngGeo для объединения с другими данными.

Ред.: Как часто необходимо калибровать дилатометры Маркетти и не обременительно ли это?

И.Г.: Дилатометр Маркетти является очень простой механической системой. Там нет цифровых сенсоров и все построено на системе замыкания и размыкания электрического контакта при достижении определенной деформации. Поэтому повседневная настройка оборудования заключается в калибровке мембраны, что легко выполняется самостоятельно. Как только мембрана изнашивается, она просто меняется в полевых условиях. Специальная подготовка нужна только в том случае, если мембрана лопнула непосредственно в грунте и механизм загрязнился. И то все это можно почистить и исправить самостоятельно, не отправляя оборудование разработчикам.

У каждого лезвия дилатометра Маркетти есть определенный срок службы, который измеряется пройденными метрами с учетом того, в каких грунтах велась работа. В глинистых грунтах лезвие дилатометра может служить долгие годы, а в песчаных дилатометры приходится менять иногда даже каждые 500 метров зондирования.

Ред.: У нас эта методика пока никак не нормирована. Это не мешает работать и проходить впоследствии экспертизу?

И.Г.: Существует ГОСТ 20276.2012, в котором в Приложении В, носящем рекомендательный характер, прописаны испытания плоским дилатометром. Процедура испытания данным прибором и дилатометром Маркетти во многом совпадает, однако конструкции устройств и методики нагрузки несколько отличаются, что не позволяет работать напрямую в соответствии с данным нормативным документом. Поэтому сейчас ведется набор базы данных и систематизация результатов испытаний для того, чтобы внести методику испытания в стандарт организации (СТО).

Что касается зарубежных нормативных документов, то дилатометр Маркетти очень хорошо описан в нормативной базе ASTM, где ему посвящена целый раздел, который постоянно обновляется. Также он внесен в Еврокод 7. Очень подробное описание технологии существует в издании Шестнадцатого технического комитета Международного сообщества механики грунтов, которое является базовым для данного оборудования. 

Также, насколько я знаю, соответствующие стандарты есть в Китае и Швеции.

Ред.: Растет ли со временем объем работ по испытанию грунтов дилатометром Маркетти?

И.Г.: Компания «ГЕОИНЖСЕРВИС» была первопроходцем в России по проведению испытаний дилатометром Маркетти. Мы приобрели его три года назад и на тот момент, естественно, у нас в стране никто не знал возможностей этого оборудования. Мы сами предлагали его проектировщикам, зачастую, бесплатно, для популяризации данного метода с прицелом на будущее. Некоторые заказчики в итоге, познакомившись с возможностями данного прибора, заинтересовались им и в дальнейшем нам поступали и продолжает поступать от них соответствующие запросы. Подобную практику мы применяли несколько лет назад при выведении на отечественный рынок глубокого статического зондирования конусами Фугро, в том числе в модификациях с измерением порового давления, электропроводности, скорости распространения сейсмических волн.

Естественно, т.к. в нашей нормативной базе пока нет данного вида испытаний, мы предлагаем комплекс работ с дилатометром Маркетти, статическим зондированием и штамповыми испытаниями, которые все равно необходимы в соответствии с нашими СП. Однако благодаря испытаниям грунтов дилатометром с достаточно дискретным шагом 10-20 см мы можем снизить количество штамповых испытаний и стоимость работ, соответственно.

С зарубежными проектировщиками, особенно европейскими, которые тоже есть среди наших заказчиков, естественно проще. Ведь, например, в Италии испытания дилатометром Маркетти чуть ли не более популярны, чем статическое зондирование.

Ред.: А как относятся к новому методу специалисты из НИИОСП и нет ли проблем в экспертизе из-за сокращения числа штамповых испытаний?

И.Г.: НИИОСП относится к этому достаточно благодушно. Мы с ними сотрудничаем как раз в рамках разработки в будущем СТО по испытаниям грунтов дилатометром Маркетти. Что касается экспертизы, то современные эксперты с пониманием относятся к разумному сокращению числа штамповых испытаний при увеличении количества других полевых исследований. Ведь это позволяет получить даже больше данных. Естественно, вопросы возникают, но мы всегда на них отвечаем и проблем никогда не было. Эксперты оставались удовлетворены качеством и объемом проведения работ.

Ред.: Есть ли еще какие-то преимущества у дилатометра Маркетти?

И.Г.: В полевых испытаниях, на мой взгляд, сейчас наступает век комбинированных методов. Дилатометр Маркетти также не стоит на месте. Сейчас, например, мы практически повсеместно используем такую его модификацию, как сейсмический дилатометр Маркетти, что как и в случае конуса сейсмостатического зондирования Фугро  предполагает наличие сейсмического модуля с двумя группами сейсмических приемников, которые позволяют при проведении испытаний дилатометром определять помимо прочего скорость распространения поперечных и продольных волн в грунте, и, следовательно, целый дополнительный комплекс характеристик грунта, таких как модуль сдвига для уровня малых деформаций, коэффициент Пуассона и через него – линейный и объемный модули деформации.

У нас в стране такого пока нет, но в Еврокоде 8 уже прописана необходимость определения скорости распространения поперечных волн в грунте до глубины 30 метров при проведении инженерных изысканий при строительстве в сейсмических районах.

Испытания сейсмическим дилатометром Маркетти получаются намного быстрее, дешевле и качественнее, чем традиционные сейсмические испытания в скважинах, потому что нет необходимости бурить лидерную скважину, очень внимательно ее обустраивать. Кроме того, при таких испытаниях обеспечивается очень качественный контакт между грунтом и сейсмическими датчиками-приемниками.

Также недавно было разработано оборудование для проведения испытаний в морских условиях, которое сейчас активно развиваются.

Кроме того, стоит отметить, что результаты испытаний дилатометром Маркетти помимо непосредственного применения активно используются при проведении контроля уплотнения, расчета потенциала разжижжения, определения оползневой поверхности скольжения и многого другого. Но об этом стоит говорить отдельно.