Комплексная технология инженерно-геологических исследований и проектирования оснований

Введение

В предлагаемой вниманию читателей статье приведены результаты исследований, выполненных в ООО НПП «Геотек» с целью разработки комплексного подхода к инженерно-геологическим изысканиям и проектированию оснований зданий и сооружений [10, 11].

В настоящее время геологи выполняют инженерно-геологические исследования, а задачи проектирования решают инженеры-строители/геотехники. Эта разорванность в решении одной и той же задачи снижает эффективность работы и увеличивает сроки строительства. С целью повышения эффективности работ ООО НПП «Геотек» предлагает объединить этапы инженерно-геологических изысканий и проектирования в единое целое. Существующие информационные системы передачи и обработки данных, информационно-измерительные системы позволяют решить рассматриваемую задачу в подобной постановке. В 2012 году на конференции геологов в городе Калуга [17] впервые была поставлена задача создания комплексной технологии инженерно-геологических изысканий. В этом же году в ООО НПП «Геотек» было проведено производственное совещание с основными разработчиками программных средств для геологов из России и Республики Беларусь [2]. Было отмечено, что существующие в настоящее время компьютерные технологии предоставляют огромные возможности для обработки данных инженерных изысканий и результатов инженерных расчетов с возможностью их визуализации. Но основным препятствием дальнейшего прогресса остается отсутствие взаимодействия как между самими изыскателями, так и между изыскателями, проектировщиками и заказчиками. По результатам совещания было сформулировано следующее предложение: «необходимо ввести дополнения в СНиП 11-02-96, касающееся применения единого электронного формата обмена инженерно-геологическими данных как внутри изыскательских организаций, так и между ними. Этот же формат будет удобен и проектировщикам, так как он использует одни и те же правила, что позволяет применять электронные данные геологов сразу же для целей проектирования». Данное предложение было отправлено в НОИЗ, но к сожалению, не получило дальнейшего развития в связи с его превращением в НОПРИЗ.

В настоящее время основания зданий и сооружений проектируются с использованием аналитических и численных решений. Аналитические решения приведены в соответствующих сводах правил (СП) [20,21,22 и др.]. Они просты, легко программируемы, требуют определения минимального количества характеристик грунтов, а многолетняя практика их применения свидетельствует о надежности данных решений. Численные методы расчета оснований значительно сложнее, в большинстве случаев необходимо определять при проведении инженерно-геологических изысканий большее количество характеристик/параметров моделей грунтов, и часто их достоверность приходится проверять, используя аналитические решения. В связи с тем, что до сих пор является обязательным выполнение требований СП, то при разработке предлагаемой комплексной технологии мы предлагаем использовать соответствующие аналитические решения расчета оснований по деформациям и несущей способности, приведенные в нормативных документах. Структура предлагаемой технологии позволяет применять и численные методы решений, реализованные в различных программах, таких как PLAXIS, FLAC и др. Однако пока не совсем понятно, как определить все параметры моделей грунтов непосредственно в полевых условиях.

Цель наших исследований заключается в разработке комплексной технологии инженерно-геологических изысканий, включающей не только определение физико-механических характеристик грунтов, но и одновременно расчет оснований по предельным состояниям. Современные информационные и информационно-измерительные системы позволяют это сделать уже сегодня. Следует отметить, что подобный подход к решению поставленной задачи был одобрен на заседании Комитета по конструктивным, инженерным и технологическим системам НОПРИЗ, которое состоялось 19.12.2018 г.

С целью реализации поставленной задачи в ООО НПП «Геотек» разрабатываются технические и программные средства, содержание которых приведено в руководстве «Комплексная технология инженерно-геологических исследований и проектирования оснований» (см. файл в конце статьи).

Цель этого руководства заключается в описании методологии по использованию и интерпретации данных полевых испытаний грунтов для принятия решения о выборе типа фундаментов.

Данное руководство применимо при проведении полевых испытаний грунтов с использованием различных методов испытаний, включая статическое (СРТ – Cone Penetration Test, CPTU – Piezecone Penetration Test), динамическое зондирование грунтов (DCPT – Dynamic Cone Penetration Test) и пробоотборником (SPT – Standard Penetration Test), испытания плоским штампом (Plate load test), испытания винтовым штампом (Russia screw test – аббревиатура авторов), испытания методом вращательного среза (Vane shtar test), испытания дилатометром (Dialatometer test), буровое зондирование (Russia Drilling test – аббревиатура авторов).

В руководстве рассмотрены основные теоретические положения, рекомендуемые к применению при использовании комплексной технологии инженерно-геологических исследований и проектирования оснований, включающая не только определение стратиграфии и физико-механических характеристик грунтов, но и одновременно расчет оснований зданий и сооружений по деформациям и несущей способности.

Полевые испытания грунтов предлагается проводить с использованием измерительно-вычислительного комплекса АСИС (ИВК АСИС), различных методов полевых испытаний грунтов (ГОСТ 19912, ГОСТ 20276 и др., СП 47.13330, МГСН 2.07-01) и методов расчета оснований зданий и сооружений по предельным состояниям (СП 22.13330, СП 24.13330, СП 25.13330).

В первой части настоящего руководства приведены основные принципы, заложенные в основу ИВК АСИС, которые рассмотрены в данной публикации.

Во второй части приведена методика определения стратиграфии грунтов и физико-механических характеристик грунтов с использованием корреляционных уравнений.

В третьей части приведена методика построения корреляционных уравнений с использованием данных лабораторных и полевых испытаний грунтов.

В четвертой части приведены методы расчета оснований зданий и сооружений по предельным состояниям, применяемые в РФ и за рубежом.

В пятой части приведена методика оценки потенциала сыпучих грунтов к разжижению при сейсмическом нагружении, применяемая в России и за рубежом.

В шестой части приведена методология оценки неоднородности природных массивов грунтов исходя из чувствительности системы «Фундамент – Основание», предложенная сотрудниками НИИОСП им. Н.М.Герсеванова.

В седьмой части приведена методика геометризации физико-механических характеристик грунтов с использованием интерполяционных функций.

Методы испытаний грунтов

Большинство из требуемых физико-механических характеристик грунтов для проектирования оснований зданий и сооружений можно определить как в лабораторных [14] так и полевых условиях [12,13,15,16]. Более привлекательным является определение физико-механических характеристик грунтов в полевых условиях, например, с использованием методов статического, динамического, бурового зондирования, испытаний винтовым штампом, вращательным срезом и др. Первые два метода известны и широко применяются в практике инженерно-геологических изысканий [6,10,29,30,31], метод бурового зондирования (Russian drilling test – RDT) малоизвестен и пока еще редко применяется в отечественной практике при определении механических характеристик грунтов и при расчленении грунтовой толщи на отдельные слои, несмотря на его показанную эффективность [3,5,6,11,26,27]. Следует заметить, что пока мы обсуждаем с 1989 года применять или не применять буровое зондирование в России, в Европейском союзе в 2016 году введен стандарт на подобные испытания дисперсных и скальных грунтов (ISO 22476-15:2016) [28].

Все же, пока более широкое применение как в отечественной и преимущественно зарубежной практике изысканий находит метод статического зондирования (СРТ – cone penetration test), который используется не только для расчленения грунтовой толщи на инженерно-геологические элементы, но и для определения прочностных и деформационных характеристик грунтов [6,10,28,29,30,31]. В методе статического зондирования в грунт непрерывно, с заданной скоростью погружается устройство в виде стального цилиндра с наконечником, называемое зондом. Статическое зондирование выполняется с использованием передвижных небольших переносных устройств с усилием вдавливания до 20 кН или установок на самоходном пневматическом или гусеничном шасси с усилием вдавливания до 100–300 кН. Глубина зондирования зависит от конструкции зонда, но определяется в основном массой автомобиля, которая может достигать 20–25 тн.

При определении механических характеристик грунтов используются корреляционные зависимости между параметрами, измеряемыми в процессе внедрения зонда в грунт и данными лабораторных испытаний грунтов [6,10,30]. Измеряемыми параметрами являются: удельное сопротивление грунта под наконечником зонда q_c, удельное сопротивление грунта на боковой поверхности

При исследовании свойств мерзлых грунтов обязательным параметром, измеряемым при проведении испытаний, является температура грунта. В настоящее время завершено обсуждение нового стандарта статического зондирования мерзлых грунтов [12]. Стандарт предусматривает испытания мерзлых грунтов с нагревом зонда и измерение сопротивления грунта зондированию и температуры грунта как при погружении, так и при оттаивании-замерзании.

Несмотря на ряд преимуществ метода СРТ и его широкое применение на протяжении многих лет (более 50), по сравнению с другими полевыми методами испытаний он трудоемок в мерзлых и неприменим в скальных грунтах. При исследовании песчаных и гравелистых грунтов или на больших глубинах его возможности также ограничены, так как требуется использование более прочных зондов и машин с большой собственной массой, как правило, более 20 тонн. Для этого используется анкеровка или обычные автомашины утяжеляются добавочными грузами из монолитного бетона или стальных плит и используется несколько типов зондов.

Метод динамического зондирования используется с целью определения сопротивления грунтов путем динамического внедрения в грунт стального цилиндра (пробоотборника) с последующим отбором образцов нарушенной структуры для классификации грунтов. За рубежом данная схема испытаний сокращенно именуется как SPT (standart penetration test). В России данный метод практически не применяется, испытания проводятся путем ударного погружения в грунт конуса [6,10,16]. В отличие от статического зондирования данный метод применим в песчаных, гравелистых и крупнообломочных грунтах.

Метод бурового зондирования позволяет проводить исследования свойств практически всех видов грунтов, подобных песчаным, глинистым, гравелистым, скальным и мерзлым грунтам. В этом методе бурение скважины выполняется шнеком с буровым инструментом, тип которого зависит от вида грунта. В связи с тем, что шнек практически без усилия погружается в грунт, это позволяет использовать обычные буровые станки, массово применяемые при проведении инженерно-геологических изысканий без их модернизации. Как будет показано ниже, объединение метода статического и бурового зондирования позволяет существенным образом увеличить количество измеряемых параметров, что полезно при построении корреляционных зависимостей.

Технология испытаний грунтов методом бурового зондирования

Иными словами, по нашему мнению, метод бурового зондирования является очень перспективным методом полевых исследований свойств грунтов [3]. Во-первых, данный метод, в отличие от статического зондирования, применим не только в глинистых и песчаных грунтах, но и в крупнообломочных, скальных и мерзлых. Во-вторых, рассматриваемый метод позволяет прямо, без использования корреляционных зависимостей, определять модуль деформации грунтов и силы сопротивления сдвигу [5]. В тоже время, используя корреляционные зависимости можно находить и другие характеристики грунтов, как и в случае статического и динамического зондирования.

Рис. 1. Устройство бурового зондирования: а – комплект оборудования; б – зондирование

Комплект оборудования для бурового зондирования показан на рис. 1. На этом рисунке устройство для измерения параметров бурения расположено в верхней части колонны шнеков, ниже рассмотрен вариант расположения подобного устройства в нижней части полой шнековой колонны.

Метод бурового зондирования включает испытания дисперсных и мерзлых грунтов путем измерения ряда параметров в процессе бурения скважины сплошным или полым шнеком, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры, измеряемые при зондировании различными методами

Устройство бурового зондирования представляет собой измерительную систему, включающую датчики, усилители сигналов и аналого-цифровой преобразователь, которые конструктивно расположены внутри стального цилиндра, имеющего по торцам стандартные хвостовики (рис. 2) [7].

На рисунке 1б и рисунке 3 показана установка для бурения скважин, содержащая транспортное средство, на платформе которого размещены мачта с вращателем, гидравлическая система, обеспечивающая работу бурильно-кранового оборудования, и устройство для измерения параметров бурения (рис. 1а), один конец которого соединен с валом вращателя, другой – с хвостовиком буровой колонны. Устройство для измерения параметров бурения содержит датчик силы «двунаправленного действия» для измерения усилий сжатия и растяжения, датчик для измерения крутящего момента, датчик для измерения скорости вращения, датчик наклона (рис. 2).

Рис. 2. Устройство для измерения параметров бурения: 1 – блок датчика момента; 2 – блок датчика силы; 3 – блок электроники; 4 – аккумулятор; 5 – корпус; 6 – хвостовик

Измерение глубины погружения буровой колонны и линейной скорости выполняется потенциометрическим дальномером, показания дальномера по интерфейсу RS 485 передаются и записываются в базе данных компьютера.

Датчики силы, момента, угла наклона и скорости вращения подключены к платам АЦП, запитанным от встроенного аккумулятора. Платы АЦП по интерфейсу RS-485 подключены к беспроводному модему RS-485/ZigBee. Антенна модема выведена на верхнюю часть устройства. Со стороны управляющей ЭВМ находится модем для беспроводной связи ZigBee, подключаемый через порт USB. Для обмена данными между платами АЦП и ЭВМ используется протокол ModBus RTU. К ЭВМ подключен электронно-преобразующий блок с интерфейсом RS-485 для дальномера, располагающегося на мачте буровой установки. Процесс регистрации и визуализации параметров бурения осуществляется программой АСИС-6.

Рис. 3. Установка бурового зондирования: 1 – буровой станок; 2 – мачта; 3 – вращатель; 4 – буровая колонна; 5 – долото; 6 – дальномер; 7 – устройство для измерения параметров бурения; 8 – компьютер

Устройство для измерения параметров бурения работает следующим образом. Устройство верхним хвостовиком соединяется с вращателем бурового станка, а нижний хвостовик устройства соединяется с буровой колонной. На мачте закрепляется дальномер, тросик которого фиксируется на корпусе вращателя. При помощи кнопки на верхнем торце устройства включается источник питания, и сигналы с датчиков (силы, момента, вращения, перемещения, наклона) начинают поступать в цифровом виде по беспроводной связи в компьютер.

Далее буровой мастер приводит в действие вращатель и начинается процесс бурения скважины. Крутящий момент и осевая нагрузка от буровой установки одновременно передаются на верхний хвостовик устройства. Крутящий момент измеряется датчиком момента, а осевая сила измеряется двунаправленным датчиком силы. При этом на датчик момента передаётся только крутящий момент (М), а на датчик силы только осевая сила (N). Скорость вращения устройства измеряется датчиком скорости вращения, размещенного в узле электроники. Перемещение буровой колонны измеряется лазерным или потенциометрическим дальномером. Наклон буровой колонны измеряется датчиком наклона, также размещенным в узле электроники. Этот же датчик может использоваться для контроля угла наклона мачты бурового станка. Крутящий момент и осевая сила от нижнего хвостовика устройства передаются на буровую колонну, разбуривающую грунт.

Рассмотренное устройство бурового зондирования расположено в верхней части колонны шнеков над поверхностью грунта. Поэтому на измеряемые параметры бурения оказывает влияние изгиб колонны шнеков, силы трения между поверхностью реборд шнека и грунтом, силы трения между перемещаемым грунтом и стенками скважины и другие факторы. Однако эти недостатки можно исключить, если устройство бурового зондирования разместить в первом звене полой колонны шнеков, введя в конструкцию выдвигаемый зонд статического зондирования. Пример реализации подобного технического решения показан в [4].

Подобное комбинированное устройство бурового и статического зондирования позволяет измерять не только параметры бурения (крутящий момент, осевая нагрузка, скорость вращения, перемещение, давление на грунт под буровым инструментом, релаксация напряжений), но и одновременно параметры статического зондирования (удельное сопротивление грунта под конусом зонда; удельное сопротивление грунта вдоль муфты трения зонда; температура конуса зонда; время в процессе стабилизации процесса нагрева и оттаивания мерзлого грунта; мощность нагрева и температура нагрева; скорость поперечных и продольных волн; поровое давление).

Вследствие того, что измерение параметров комбинированного зондирования (бурения и зондирования) выполняется в процессе проходки скважины, то подобный тип зондирования возможен практически во всех грунтах: как в дисперсных, так и в скальных и мерзлых.

Процедура проведения испытаний методом комбинированного зондирования

Исследования грунтов методом комбинированного зондирования проводятся следующим образом. В стандартный патрон вращателя бурового станка вставляется устройство для измерения параметров бурения и статического зондирования (в дальнейшем по тексту – устройство), конструктивно выполненное в виде цилиндра с ребордами. На рисунке 1а реборды условно не показаны. Это устройство может быть установлено на любом буровом станке, включая малогабаритные. Одним концом устройство соединяется с приводом бурового станка, а ко второму присоединяется буровой инструмент (например, трехперьевое долото) и зонд статического зондирования. Фактически это устройство является первым звеном полой шнековой колонны. Устройство включает датчики для измерения параметров бурения и статического зондирования, перечень которых приведен в таблице 1. Сигналы с датчиков усиливаются, преобразовываются в цифровой вид и по беспроводной связи передаются в компьютер. Компьютер располагается в кабине автомашины или на пульте управления буровым станком. Устройство работает автономно без участия бурового мастера. Измеряемые параметры автоматически записываются в базу данных компьютера, а показания с датчиков выводятся на экран компьютера. Предусмотрена также возможность отображения на экране компьютера профилей изменения параметров бурения (рис. 4) и зондирования (рис. 5 а,б) с глубиной.

Процедура испытаний грунтов методом комбинированного зондирования включает следующие операции:

1. Ввод в управляющую программу ситуационного плана объекта/фундамента, глубину заложения, нагрузки и другие данные.

2. Установка бурового станка на месте исследований и подготовка его к работе.

3. Закрепление в приводе бурового станка устройства зондирования и дальномера на мачте бурового станка.

4. Запуск питания электроники устройства и программы управления измерениями. Считывание нулевых показаний измерительной системы.

5. Запуск привода бурового станка и погружение устройства в грунт.

6. Автоматическое протоколирование данных измерений параметров бурения и статического зондирования (табл. 1).

7. Определение типа поведения грунта по Робертсону [30], расчет характеристик грунтов с использованием корреляционных уравнений [19], расчет осадки в точке зондирования [21,23,24], расчет коэффициента жесткости основания (коэффициент постели) [9,10,23] и др.

8. Зондирование в другой точке площади подошвы фундамента/сооружения с выполнением операций по п. 6,7.

9. Определение разности осадок, крена фундамента/сооружения [21] и коэффициента жесткости основания.

10. Выполнение операций по п. 5–9 в другой точке подошвы фундамента/сооружения до достижения заданной величины неравномерности осадок и крена фундамента/сооружения.

Рис. 4. Профили измеряемых параметров: 1 – крутящий момент; 2 – осевая нагрузка; 3 – скорость вращения; 4 – линейная скорость

Процедура испытаний грунтов с целью определения модуля деформации методом бурового зондирования включает следующие дополнительные операции.

1. На заданной глубине испытаний прекращается бурение скважины.

2. Буровая колонна при помощи привода бурового станка поднимается вверх на 10–20 см над забоем скважины и прокручивается для снятия сил трения между стенкой скважины и шнеком.

3. Используя датчик силы двунаправленного действия определяется вес колонны шнеков и грунта на ребордах.

4. Буровая колонна опускается в забой скважины, включается вращение и буровой инструмент погружается в грунт на 20–30 см ниже забоя скважины.

6. Выполняется пошаговое погружение буровой колонны в грунт с измерением осадки и давления на грунт под буровым инструментом.

7. Используя решение, приведенное в ГОСТ 20276-2012 [13] и зависимость «осадка-давление» находится модуль деформации грунта на заданной глубине.

Пример подобных испытаний и сравнение результатов с испытаниями винтовым штампом приведены в работе [5].

Интерпретация данных измерений

Интерпретация данных статического зондирования достаточно полно отражена в многочисленных работах, в том числе и процитированных ранее [10,29,30,31] и будет также описана в последующих частях рассматриваемого руководства.

Интерпретация данных бурового зондирования включает определение следующих параметров.

1. Механическая мощность при вращательном движении на текущей глубине бурения, кДж/с:

А= M·2πω, (1)

где M – текущий крутящий момент, Н·м; ω – частота вращения бурового инструмента, с^-1.

Этот параметр характеризует работу, затрачиваемую в единицу времени при бурении скважины.

2. Удельная энергия. В 1965 году Р.Тиль [32] предложил использовать для контроля процесса бурения скважин параметр, называемый удельной энергией. Под удельной энергией понимается величина работы, необходимая для бурения единичного объема грунта:

где

Показатель удельной энергии используется для оптимизации скорости погружения в породу бурового инструмента при проходке глубинных вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин. Скорость погружения (пенетрации) зависит от нескольких факторов, включая следующие: нагрузка на инструмент, скорость вращения, градиент давления в забое скважины, давление бурового раствора, прочность породы и др. Однако в области инженерно-геологических изысканий показатель удельной энергии практически не используется, несмотря на то, что также выполняется бурение скважин, но только меньшей глубины.

Впервые параметр механической мощности при вращательном движении был применен в ПНИИИС (Россия) в 1989 году [3] с целью выделения мощности слоев с различной прочностью. Позднее в работах [5,6,10,26,27] была показана возможность применения данного метода не только для выделения инженерно-геологических элементов, но и для определения модуля деформации.

На рисунке 5 показаны результаты статического и бурового зондирования на одной и той же площадке изысканий. Испытания были выполнены на расстоянии не более 2 м друг от друга. Затем, используя данные статического зондирования, было выполнено разделение грунтовой толщи на инженерно-геологические элементы (рис. 5 а,б). Подобное разделение было выполнено на профилях механической мощности и удельной энергии, графики которых показаны на рисунке 5 в. Если сравнить рисунки 5 а,б и рисунок 5 в, то можно сделать вывод о практическом совпадении мощности и количества выделенных инженерно-геологических элементов обеими методами. Таким образом, можно говорить о совпадении двух методов испытаний при выделении мощности инженерно-геологических элементов. Из профилей, которые приведены на рисунке 6, видно, что на глубине от 6 до 9 м залегает более прочный слой грунта. Это песок средней крупности, что было выявлено путем отбора монолитов из контрольной скважины.

С целью сравнения полученных результатов было проведено бурение контрольной скважины с отбором монолитов грунта на глубину до 12 м. Используя классификационные показатели (ГОСТ 25100-2010) выполнено разделение грунтовой толщи на инженерно-геологические элементы (рис. 5 г). Как видно из рисунка 5, классический метод ГОСТ 25100 показывает несколько иные результаты. В пределах глубины от 1 до 6,5 м выделен один инженерно-геологический элемент, в то время как из интерпретации данных методом СPT и RDT получено два инженерно-геологических элемента. Из рисунка 6 а видно, что ИГЭ-1 и ИГЭ-2 могут быть объединены в один элемент, так как значения q_c по глубине изменяются незначительно. Можно сделать вывод о том, что при выделении слоев грунта при использовании профиля q_c получаются более точные результаты.

Рис. 5. Профили статического и бурового зондирования: а – удельное сопротивление грунта под конусом зонда; б – удельное сопротивление грунта на боковой поверхности зонда; в – механическая мощность и удельная энергия; г – выделение слоев по ГОСТ 25100

Оценка неоднородности площадки исследований и определение количества выработок

Достоверность инженерно-геологических исследований зависит от качества и объема исследований, особенно при наличии специфических грунтов и неоднородности их сложения. Определяющими факторами здесь являются инженерно-геологический элемент и его физико-механические характеристики. Согласно СП 47.13330 [19], расстояния между ближайшими выработками/скважинами назначаются в диапазоне от 20 до 100 м. Вследствие такой разреженности очень часто в поле зрения геолога не попадают особенности геологического строения: выклинивания слоев, линзы грунтов и др. Кроме того, если было выявлено их наличие по одной или нескольким выработкам, то их граница назначается исходя из опыта геолога. Определение свойств грунтов путем отбора монолитов в выработках не дает полной информации о свойствах массива исследуемого грунта из-за искусственно большого расстояния между выработками и малого объема испытуемого грунта.

В то же время современные методы полевых исследований грунтов, такие как статическое, динамическое и буровое зондирование, позволяют получать непрерывную информацию о физических и механических свойствах грунтов по глубине и достаточно дешево с увеличением количества мест испытаний в пределах исследуемой площадки изысканий. Запись данных параметров зондирования может выполняться с любым интервалом по глубине. Используя известные корреляционные уравнения и данные зондирования, можно найти характеристики грунтов по глубине. Далее, вводя коэффициенты надежности, можно получить расчетные значения характеристик грунтов, а затем выполнить расчет оснований по деформациям и/или несущей способности. Все это можно сделать в полевых условиях непосредственно в процессе зондирования грунтов.

В предлагаемой технологии инженерно-геологических изысканий контролируемыми параметрами являются значения осадки и крена проектируемого здания, значения которых нормированы в СП 22.13330 [21]. Зондирование грунтов в пределах пятна проектируемого здания продолжается до тех пор, пока расчетные значения осадки и крена перестанут изменяться существенным образом. Таким образом, мы уходим от нормативной установки назначения количества выработок по СП 47.13330 [19] к их определению, исходя из гипотезы предполагаемой априори неоднородности исследуемого грунтового массива. Естественно, что для однородного по свойствам массива грунта потребуется меньшее количество выработок, чем для неоднородного.

В процессе зондирования на экране компьютера бурового мастера после проходки каждой точки зондирования появляются значения глубины сжимаемой толщи, осадки и крена сооружения и отображаются профили физико-механических характеристик грунтов (рис. 6). Это позволяет ему визуально анализировать поступающую информацию для принятия решения о завершении зондирования на рассматриваемой площадке изысканий. Глубина зондирования определяется из расчета сжимаемой толщи по одному из условий СП 22.13330 и контролируется в процессе зондирования, что позволяет прекратить зондирование при достижении глубины сжимаемой толщи плюс 1–2 м. Глубина сжимаемой толщи зависит от давления под подошвой фундамента и деформационных свойств грунтов основания и соответственно глубина зондирования может быть различной в пределах площади проектируемого здания, а не нормативной как в СП 47.13330.

Рис. 6. Профили лобового сопротивления и модуля деформации: 1,2,3,4 – номера точек зондирования на расстоянии не более 2 м друг от друга

Расчет осадки выполняется от среднего давления сооружения на основание методом послойного элементарного суммирования с учетом неоднородности грунта, выявленной в результате испытаний. Такие расчеты выполняются для каждой точки зондирования, а не под всей подошвой фундамента. Затем определяются коэффициенты жесткости основания над каждой точкой зондирования, которые затем экстраполируются на всю поверхность основания, причем рассматриваются варианты расчета при различных значениях функции экстраполяции Шепарда [1,23,24]. Для оценки достоверности используемых корреляционных зависимостей назначаются опорные скважины с отбором монолитов грунта и выполняются лабораторные испытания грунтов. Полученные данные применяются для оценки достоверности полученной информации и перерасчета в случае необходимости осадки и крена проектируемых зданий.

Реализация предлагаемой технологии инженерно-геологических исследований

Как было отмечено ранее, ООО НПП «Геотек» разрабатывает в настоящее время технические и программные средства для решения задачи в рассмотренной выше постановке [7,8,9,10]. При успешном решении поставленной задачи, геологи будут освобождены от необходимости выполнения большого объема камеральных работ, поскольку обработка данных испытаний и, что самое непривычное, определение ряда характеристик грунтов, расчет осадки и крена, определение коэффициента постели и другие расчеты будут выполняться в процессе изысканий на площадке проектируемого объекта.

Рис. 7. Структурная схема ИВК АСИС

Для реализации подобной технологии разрабатывается измерительно-вычислительный комплекс ИВК АСИС. ИВК являются важной разновидностью измерительно-информационных систем и представляют собой функционально объединенную совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенных для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

В настоящее время ИВК АСИС – это совокупность средств измерения (приборы и устройства) и набора управляющих (АСИС) и вычислительных программ (Geotek Field и другие) для измерения параметров зондирования и интерпретации данных полевых [12,13,16] и лабораторных испытаний грунтов [14] (рис. 7). Полевые испытания включают: статическое (СРТ – cone penetration test, CPTU – piezocone test, SCPTU – seismic cone penetration test) и динамическое (SPT – static penetration test и DCPT – dynamic cone penetration test) зондирование; буровое зондирование (RDT – Russian drilling test); испытания винтовым (RST – Russian screw test) и плоским штампами (PLT – plate load test); испытания методом вращательного среза (VS – vane shear) и др. Лабораторные испытания проводятся с использованием ИВК (Госреестр номер 29250-05) [8].

ИВК АСИС принимает сигналы в цифровом виде с датчиков устройств зондирования (CPT, CPTU, SCPTU, SPT, DCPT и др.), преобразовывает их в физические величины (см. табл. 1), выполняет базовую интерпретацию с точки зрения типа поведения грунтов [10,29,30,31], определяет различные физические и механические характеристики грунтов и выполняет расчет деформации оснований зданий и сооружений в соответствии с требованиями сводов правил [20,21,22] в течение всего процесса погружения устройств зондирования в грунт с использованием программы Geotek Field. Линейная скорость погружения, скорость вращения, усилие подачи и другие параметры силового воздействия контролируются и управляются через обратную связь с механизмом бурового станка программой АСИС.

Как было отмечено ранее, оценочные значения характеристик грунтов находятся с использованием соответствующих корреляционных уравнений. Корреляционные уравнения в программе Geotek Field основаны на работах отечественных и зарубежных исследователей [10,29,30]. Следует иметь в виду, что корреляционные уравнения представлены только в качестве руководства по геотехническому использованию и должны быть тщательно проанализированы и скорректированы для местных разновидностей грунтов. Значения полученных характеристик грунтов являются оценочными и должны быть уточнены путем проведения соответствующих лабораторных испытаний грунтов.

В то же время программа Geotek Field имеет модуль «Статистика», который используется для построения местных корреляционных уравнений по данным лабораторных и полевых испытаний грунтов. Структура модуля «Статистика» основана на руководстве по составлению региональных таблиц нормативных и расчетных показателей свойств грунтов [18] и ГОСТ 20522 [15].

В настоящее время программа Geotek Field включает несколько модулей расчета оснований: расчет осадки и крена; расчет переменного коэффициента жесткости основания; расчет несущей способности оснований фундаментов с использованием аналитических решений [20,21,22].

Программа Geotek Field может использоваться как интерпретатор данных испытаний и в составе ИВК АСИС непосредственно при проведении полевых испытаний грунтов. Структурная схема программы Geotek Field приведена на рисунке 8. На рисунке 9 приведены результаты определения типа поведения грунта [11,29].

Рис. 8. Структурная схема программы Geotek Field

Рис. 9. Результаты определения типа поведения грунта

Заключение

Предлагаемая комплексная технология объединяет в единый производственный процесс инженерно-геологические изыскания и проектирование оснований сооружений. Результатом является сокращение сроков изысканий вследствие применения методов зондирования грунтов с автоматизированным контролем процесса испытаний и интерпретации данных измерений. При этом результатом инженерно-геологических исследований является не только информация о свойствах грунтов, но и оценка их влияния на поведение проектируемого здания или сооружения.

Список литературы

1. Барвашов В.А., Болдырев Г.Г., Уткин М.М. Расчет осадок и кренов сооружений с учетом неопределенности свойств грунтовых оснований. Геотехника. – 2016. – № 1. – С. 12–29.

2. Барвашов В.А., Болдырев Г.Г., Даянов С.Н., Грицкив Ю.И., Карпов А.А., Полидовец В.В., Т.Ю.Мелихова Т.Ю. 2012. О выборе единого электронного формата обмена данными инженерно-геологических изысканий. Проектирование и инженерные изыскания, №3 (17).

3. Болдырев Г.Г., Кальбергенов Р.Г., Кушнир Л.Г., Новичков Г.А. Буровое зондирование грунтов. Инженерные изыскания. 2012. № 12. С. 38-42.

4. Болдырев Г.Г., Болдырева Е.Г., Идрисов И.Х. Способ и устройство для испытания грунтов статической и динамической нагрузкой. Патент на изобретение №2446251 от 27 марта 2012.

5. Болдырев Г.Г., Мельников А.В., Меркульев Е.В., Новичков Г.А. Сравнение методов лабораторных и полевых испытаний грунтов. Инженерные изыскания, №14, 2013. С. 28-47.

6. Болдырев Г.Г. Полевые методы испытаний грунтов, 2013. С. 356.

7. Болдырев Г.Г., Болдырева Е.Г., Идрисов И.Х. Устройство для измерения параметров бурения. Патент на изобретение №2626865. Дата публикации 02.08. 2017.

8. Болдырев Г.Г. Способ определения параметров моделей грунтов и материалов. Патент на изобретение №2404418. Дата публикации 20.11.2010.

9. Болдырев Г.Г., Барвашов В.А., Болдырева Е.Г. Способ определения количества выработок при проведении инженерно-геологических изысканий. Патент на изобретение 2631445, от 22.09.2017.

10. Болдырев Г.Г. Руководство по интерпретации данных испытаний методами статического и динамического зондирования для геотехнического проектирования. Изд-во, ООО Прондо, М., 2017, 476 с.

11. Болдырев Г.Г., Барвашов В.А., Идрисов И.Х., Хрянина О.В. Комплексная технология инженерно-геологических изысканий. Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. – 2017. – Т. 8, № 3. – С. 22–33.

12. ГОСТ Р. 2018. Грунты. Метод полевых испытаний мерзлых грунтов термостатическим зондированием. Проект.

13. ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости, 2012.

14. ГОСТ 12248-2011. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости, 2010.

15. ГОСТ 20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний, 2013.

16. ГОСТ 19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием, 2012.

17. Основные направления в развитии инженерно–геологических изысканий на период 2012–2020. НОИЗ, Калуга, 2012.

18. Руководство по составлению региональных таблиц нормативных и расчетных показателей свойств грунтов. ПНИИИС Госстроя СССР. М: Стройиздат, 1981. – 55 с.

19. СП 47.13330.2012 (Актуализированная редакция СНиП 11-02-96). Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. М.: Госстрой России, 2012.

20. СП 24.1330.2011. Свайные фундаменты. М.: Минрегион России, 2011.

21. СП 22.1330.2011. Основания зданий и сооружений. М.: Минрегион России, 2011.

22. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: Минрегион России, 2012.

23. Шейнин В.И., Сарана Е.П., Артемов С.А., Фаворов А.В. Алгоритм и программы инженерного расчета осадок фундаментных плит с учетом неравномерности нагрузки на основание и неоднородности массива. Основания, фундаменты и механика грунтов, 2006, №5, с. 2-7.

24. Сарана Е.П., Шейнин В.И. Усовершенствование методики инженерного расчета осадки и крена фундаментной конструкции высотного здания. Основания, фундаменты и механика грунтов, 2007, №6, с. 2-7.

25. Barvachov V.A., Boldyrev G.G. Sensitivity of structures and geological data. COMPDYN 2017. 6th ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake EngineeringM. Papadrakakis, M. Fragiadakis (eds.) Rhodes Island, Greece, 15–17 June 2017.

26. Boldyrev G., Novichkov G. Evaluation of Tip Resistance to Auger Drilling. 5th International Conference on Geotechnical and Geophysical Site Characterisation, 5-8 September, Australia, 2016.

27. Boldyrev G., Novichkov G. The Boring Sounding of Alluvial Soils. Proceedings of 13th Baltic Sea Geotechnical Conference, 2016, pp. 97-99.

28. ISO 22476-15:2016. Geotechnical investigation and testing -- Field testing -- Part 15: Measuring while drilling.

29. Lunne T., Robertson P.K., Powell, J.J.M. Cone penetration testing in geotechnical practice. Blackie Academic. Chapman-Hall Publishers, U.K.; available from EF Spon. Routledge Pub., New York, 1997. – 312 p.

30. Robertson P.K., Cabal K.L. Guide to Cone Penetration Testing for Geotechnical Engineering. 2010. – 138 p.

31. Ryzhkov, I.B., Isaev, O.N. 2016. Cone penetration testing of soils in geotechnics. Stockholm, Sweden: Bokforlaget Efron & Dotter AB. - 408 p.

32. Teale R., 1965. The concept of specific energy in rock drilling. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstracts, 2, рр. 57-73.

СОДЕРЖАНИЕ
КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ

СКАЧАТЬ