О современных возможностях динамического зондирования

Низкий уровень знаний и использование в практике инженерных изысканий методов и технологий, разработанных еще в середине прошлого века, весьма негативно влияют на достоверность и сроки получения необходимых данных.

Определение механических свойств грунтов, включающее в себя полевые и лабораторные исследования, является наиболее затратной процедурой как по времени, так и по трудоёмкости. Вместе с тем, результаты определения механических свойств грунтов не отвечают современным требованиям. Это можно доказать на примере получения модуля деформации.

Каждый раз при определении осадки фундамента решается система уравнений равновесия, которая описывает движение упругой среды при механическом воздействии на неё. Кто-то может возразить, что он не решает этих уравнений. И будет неправ. Дело в том, что на практике при определении осадок фундаментов необходимое распределение возникающих напряжений по глубине массива грунта под фундаментом можно получить из таблиц, приведенных в СНИПе. Затем остается лишь определить осадку методом послойного суммирования. Однако нельзя забывать, что эти таблицы и есть результаты решения системы дифференциальных уравнений равновесия.

При определении осадок методом послойного суммирования с использованием таблиц напряжений, мы нарушаем ряд фундаментальных положений механики. Дело в том, что в середине прошлого века, когда была принята существующая методика определения осадок, уравнения равновесия решались только аналитически. Для этого деформируемая среда принималась идеально упругой, как сталь. Однако поскольку грунт деформируется как пластическая среда, было принято решение характеризовать деформируемость грунта не модулем упругости, а модулем деформации. При этом последний учитывал как упругие, так и пластические деформации. В то далёкое время это было вынужденной мерой, чтобы хоть как-то определять осадку фундаментов.

На рисунке 1 слева показана стальная пружина, в середине – образец глинистого грунта, справа – песок. Что общего между ними с механической точки зрения? Ничего. С какой тогда стати деформируемость этих совершенно разных предметов характеризуется при помощи модуля деформации? Это противоречит фундаментальным законам физики.

Если надавить на пружину, она сожмётся. Если убрать нагрузку, она вернётся в исходное состояние. Грунт же никогда не вернётся в исходное состояние. С упругой средой всё ясно: для отображения ее движения достаточно всего одного параметра – модуля упругости. Деформация пластической среды происходит по несравнимо более сложному закону. Для описания пластического движения грунта требуется не менее пяти параметров, которые определяются путём стабилометрических испытаний.

Рис 1. Стальная пружина, образец глинистого грунта, песок

С появлением современных компьютеров, то есть примерно с 1975 года, появилась возможность решать вышеприведенные дифференциальные уравнения численными методами, например, при помощи программы PLAXIS. Но для этого необходимо определять деформационные характеристики грунтов в нелинейной постановке, проводя сложные и трудоемкие испытания на стабилометре. Поскольку это не всегда возможно, изыскатели до сих пор характеризуют деформируемость грунта при помощи модуля деформации, которого физически в природе не существует.

Что самое интересное, модуль деформации определяется множеством методов. Это штамповые испытания, прессиометры, лабораторные методы. А в последнее время стали применять вовсе экзотический метод при помощи дилатометра. При этом значения модулей деформации, полученные различными методами, могут отличаться один от другого до четырёх раз.

Классическая механика грунтов и шаг вперед

В настоящее время теоретической фундаментальной основой технологии инженерно-геологических изысканий является классическая механика грунтов, согласно которой деформируемость грунта характеризуется модулем деформации, а устойчивость сооружения оценивается путём определения предельной нагрузки на основание при его обрушении по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Несмотря на такое упрощённое представление процессов, происходящих в работе оснований сооружений, классическая механика грунтов сыграла огромную роль, которую трудно переоценить в развитии человечества.

Однако сегодня наука шагнула далеко вперёд. Появилась нелинейная механика грунтов, которая более адекватно описывает деформирование грунта под нагрузкой. Созданы мощные компьютеры, электроника и многое другое. Настало время внедрения с применением всего этого более совершенных технологий в отрасли инженерно-геологических изысканий, так как дальнейшая работа с позиций классической механики грунтов может наносить серьёзный вред народному хозяйству.

Во-первых, в силу несовершенства существующих технологий допускаются ошибки в проектировании оснований, которые приводят к деформациям эксплуатируемых сооружений. Чаще это происходит у молодых, неопытных проектировщиков. Поэтому гарантия качества сооружений сегодня обеспечивается, как правило, лишь опытом и интуицией проектировщиков старшего поколения.

Второй тип издержек связан с заведомым занижением несущей способности оснований для перестраховки. Одни изыскатели после испытания свай занижают её несущую способность на 40%, другие на 70%. При этом, естественно, железобетонных свай расходуется в два раза больше. Если это ленточный фундамент, то заливается больше бетона.

Третий тип издержек завуалирован и никогда нигде не обсуждается. Выше говорилось о том, что модуля деформации в природе физически не существует. Если мы подставим значение величины модуля деформации в дифференциальные уравнения равновесия, то решение задачи определения осадки будет некорректным. Так на практике мы получаем ошибочные результаты определения осадки. То есть отбирая монолиты из шурфов, скважин, доставляя их в лабораторию, проводя лабораторные исследования, мы выполняем не просто некачественную работу, а выполняем работу, не имеющую фундаментального обоснования. Каким бы способом мы не определяли модуль деформации, например, при помощи штампа, прессиометра, дилатометра – всё это некорректная информация.

Динамическое зондирование для получения точных данных

Сегодня у нас имеется уникальная возможность выхода из затянувшегося застоя в отрасли инженерно-геологических изысканий. Для этого предлагается применять технологию динамического зондирования, которая также далеко шагнула вперед и уже не связана с теми сложностями и ошибками, которые бывали прежде.

При каждом ударе по наконечнику зонда испытатель получает график лобового сопротивления во времени и график осадки зонда (рис.2). На рисунке 3 видно, что графики лобового сопротивления для различных видов глинистых и песчаных грунтов имеют различное очертание. Если совместить графики лобового сопротивления и осадок и условно назвать его механическим портретом грунта, то у разных типов грунтов будут свои портреты, что и показано на рисунке 4.

Рис 2. График лобового сопротивления и осадки наконечника зонда.

Рис 3. Сопоставление графиков лобового сопротивления в глинистых и песчаных грунтах.

Рис 4. Графики лобового сопротивления совмещённые с графиками осадок.

Таким образом, при динамическом зондировании, в отличие от статического, мы получаем весьма насыщенную информацию.

В настоящее время на определение механических характеристик грунтов на каком-либо объекте требуется несколько месяцев. Эту же работу с применением динамического зондирования и математического моделирования можно будет решить за несколько дней.

Необходимо сделать шаг по выходу из застоя и воспользоваться плодами научно-технического прогресса. При этом повысится качество проектирования сооружений, снизится трудоёмкость выполнения работ, сократятся сроки. Остается лишь решить вопрос с применением математического моделирования в форме решения обратной задачи, с которой на сегодняшний день далеко не каждый инженер может справиться.

Приглашаем всех заинтересованных специалистов к участию в наших исследованиях для завершения необходимых работ, разработки программного обеспечения и вывода технологии в широкое применение.