Динамическое зондирование. Есть ли перспектива?

Отрасль инженерно-геологических изысканий находится на очень низком научно-техническом уровне, вернее, на уровне середины XX века. Большинство применяемых сегодня приборов, технологий и нормативов созданы еще тогда. Всё это хорошо известно. Достаточно ознакомиться с публикациями Е.А.Вознесенского, Е.П.Тарелкина и других исследователей.

Вместе с тем, поскольку материалы инженерных изысканий есть ни что иное, как информация, изыскателям важно, чтобы для оправдания их стоимости отчёт имел достаточную пухлость за счёт, например, страниц с компрессионными или штамповыми испытаниями. Но эти методики совершенно не удовлетворяют запросы проектировщиков, работающих в современных, как правило, импортных программах, требующих для расчетов совсем других данных. Именно поэтому в последние годы так остро стоит вопрос о необходимости разработки новых технологий выполнения инженерно-геологических изысканий.

В подтверждение сказанному можно привести множество примеров. Например, известно, что модули деформаций, определяемые различными методами, могут отличаться на одной площадке в несколько раз.

Другим показательным примером является статическое зондирование. При выполнении данных исследований в каждой точке по глубине зондирования мы получаем две цифры: силу лобового сопротивления наконечника зонда и силу трения по боковой поверхности зонда. Этого часто недостаточно для получения необходимого для расчетов объема данных

Рис. 1.Отечественная установка УСЗГ-20. Масса свыше 20 тонн, стоимость свыше девяти млн руб.

Рис. 2. Промышленный образец установки динамического зондирования. Масса около 2,5 тонн, стоимость 3,5 млн руб.

Динамическое зондирование

Возможной альтернативой перечисленным и другим методам выполнения инженерно-геологических изысканий может стать технология динамического зондирования. У нее есть ряд преимуществ, которые, в случае доведения разработки «до ума», позволят не только получать больший объем данных, но и значительно ускорить проведение исследований.

Так, например, при каждом ударе по наконечнику зонда мы получаем график лобового сопротивления во времени, а также данные по осадке зонда во времени (рис. 3). На рисунке 4 видно, что графики лобового сопротивления для различных видов грунтов (в данном случае, глинистых и песчаных) имеют различное очертание. Если же совместить графики лобового сопротивления и осадок и условно назвать получившуюся кривую «механическим портретом грунта», то у разных типов грунтов будут свои портреты, что и показано на рисунке 5.

Рис. 3. График лобового сопротивления и осадки наконечника зонда

Рис. 5. Графики лобового сопротивления, совмещённые с графиками осадок

К этому можно добавить, что мы можем измерять и силу трения по боковой поверхности муфты трения, что важно для тех, кто занимается определением несущей способности свай.

Что необходимо доработать

По нашему мнению, статическое зондирование применяется не потому, что отвечает всем требованиям, а лишь потому, что обладает высокой технологичностью. А динамическое зондирование не получило широкого распространения в связи с целым рядом недостатков, на решение которых и были направлены наши усилия при разработке технологии (см. таблицу).

Предлагаемая установка динамического зондирования имеет массу 2,5 тонны, то есть она весит в 2-3 раза меньше существующих установок для статического зондирования. Тоже касается и стоимости. При этом производительность выполнения зондирования у предлагаемой установки такая же.

При динамическом зондировании в отличие от статического, мы получаем весьма насыщенную информацию. Но, к сожалению, для практического применения полученных при динамическом зондировании данных необходимо применение математического моделирования в форме решения обратной задачи, с которой способен справиться лишь инженер, хорошо владеющий программированием и знакомый с современной математикой.

Тем не менее, в связи с тем, что в настоящее время для определения механических характеристик грунтов традиционными методами требуется несколько месяцев, а с применением динамического зондирования и математического моделирования - всего несколько дней, дальнейшая проработка данной технологии с созданием специализированного программного обеспечения для выполнения требуемых расчетов, представляется актуальной и интересной.

Таблица. Недостатки технологии динамического зондирования и их решение

Изыскателям и инвесторам

Из всего вышеизложенного следует, что отрасль инженерно-геологических изысканий находится на очень низком научно-техническом уровне. 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.

Предлагаемая технология динамического зондирования не просто какая-то проходная задача, а дело большое и важное, имеющее отраслевое значение, которое выполнено без бюджетного финансирования. Несмотря на то, что уже имеется промышленный образец, для выхода на линейку готовности необходимо получить сертификат, доработать электронику наконечника и разработать программное обеспечение. К этой работе мы приглашаем заинтересованные организации.

Если задача получения механических характеристик грунтов путём математического моделирования по данным динамического зондирования будет решена, то производительность изыскательских работ может повыситься в несколько раз.

ГЕННАДИЙ БОЛДЫРЕВ

Директор по научной работе и инновациям ООО «НПП Геотек», профессор

С большим интересом слежу за исследованиями, которые проводит Анатолий Ким. Ему удалось без всякой поддержки со стороны государства и иных частных инвесторов разработать и наладить производство оборудования для динамического зондирования грунтов, на которые он получил ряд патентов.

Согласен с автором, что динамическое зондирование имеет преимущество по сравнению со статическим зондированием не только из-за меньшей массы установки, но и возможности исследования практически всех видов дисперсных и мерзлых грунтов.

Сущность предлагаемого способа динамического зондирования явно отличается от традиционного метода, применяемого в настоящее время как в России, так и за рубежом.

Традиционное динамическое зондирование основано на использовании корреляционных уравнений, связывающих характеристики грунта с количество ударов молотом на определенную величину погружения зонда. Достоинством является простота конструкции зонда в виде стального конуса, а недостатком – необходимость корректировки коэффициентов корреляционных уравнений путем проведения параллельных лабораторных определений искомых характеристик грунтов. Применение таблиц, например, СП 47.13330 дает большую погрешность, до нескольких раз.

Конструкция зонда А.Кима значительно сложнее из-за наличия датчиков и регистратора с высокой скоростью записи данных измерений. Предлагаемые «портреты» – зависимость изменения лобового сопротивления во времени – имеют устойчивый характер и, по моему мнению, могут быть использованы для интерпретации характеристик грунтов. Аналогия, это определение упругого модуля сдвига по скорости прохождения поперечных волн.

Автор предлагает определять характеристики грунтов путем решения обратной задачи методом математического моделирования. Это возможно, но потребует использования мощных компьютеров, так как задача динамическая и трехмерная. При этом придется использовать модели грунта, в которые входят не только искомая характеристика грунта, но и ряд других параметров. Для определения данных параметров придется проводить лабораторные испытания грунтов и так каждый раз – испытания в поле, испытания в лаборатории, численное решение. Естественно, это трудоемко и дорого.

В заключение от имени ООО «НПП Геотек» предлагаю Анатолию Ким выполнить совместную исследовательскую работу на нашем полигоне.