Глава 3. МЕТОД СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

3.1. С какой целью проводятся испытания грунтов методом

статического зондирования?

Стандартные пенетрационные испытания (СРТ) сегодня представляют

собой наиболее популярный метод полевых испытаний грунтов, применяемый

практически во всех инженерно-геологических изысканиях из-за низкой

стоимости, быстроты исследований (1–1,5 часа на 30 м), большого объема

информации. Стандартная процедура испытаний предполагает использование

гидравлической системы, которая обеспечивает непрерывное погружение

(пенетрацию) зонда с использованием буровых штанг длиной от 1 до 1,5 м и

скоростью 20 мм/с.

При исследовании свойств грунтов используются зонды различной

конструкции: в России – НИИОСП им. Н.М.Герсеванова (ПИКА), Геотест

(www.geotest.ural.ru) и других производителей; за рубежом –

www.vertek.ara.com, www.geo.fugro.com, www.geonor.com и др. Некоторые

модели зондов являются коммерческими, в то время как другие

разрабатываются в геотехнических лабораториях и применяются при

проведении научных исследований (Zeng X. и Hlasko H., 2005)

Методы зондирования уже более 60 лет используются с целью

идентификации типа грунта, стратиграфии и определения механических

свойств грунтов. За это время конструкция зондов непрерывно изменялась: от

динамического (SPT) к тензозонду (СРТ), а затем к пьезозонду (CPTU)

и сейсмозонду (SCPTU). Тензозонд способен непрерывно измерять лобовое

сопротивление и трение на боковой поверхности. Пьезозонд дополнительно

может измерять поровое давление. В последнее время стали выпускать

сейсмозонды, которые в отличие от пьезозонда, дополнительно позволяют

измерять скорость поперечной волны. В некоторых случаях применяются

зонды с встроенными изотопами, для измерения плотности и влажности

грунтов.

В некоторые зонды встроены телекамеры, при помощи которых в процессе

их погружения можно выявить структуру грунтов или наличие трещин,

разрывов, каверн. Эти зонды принято обозначать как VisCPTu.

В одной из конструкций отечественного зонда (ПИКА-11), одновременно

с измерением лобового сопротивления и трения по боковой поверхности

муфты был введен датчики для измерения естественного гамма-фона

и влажности грунта. Конструкция зонда ПИКА-2Н дополнительно позволяет

измерить температуру в массиве грунта при зондировании.

Конструкция системы осевого нагружения различается существенным

образом у различных производителей. В классическом виде она монтируется

на шасси грузовика и создают нагрузку до 200 – 350 кН, навешивается на

стандартные буровые станки или закрепляется анкерами в малогабаритной

конструкции. Максимальная глубина пенетрации зависит от инженерно-

геологических условий, мощности системы осевого нагружения и может

достигать глубины не менее 30 м.

а) б) в)

Рис. 3.1. Оборудование для пенетрационных испытаний

с использованием конического зонда:

а – на базе автомобиля; б – на гусеничном шасси; в – внешний вид зондов

Глубина погружения зонда измеряется потенциометрическим или

лазерным датчиком перемещений с синхронизацией измерений с датчиков

силы и порового давления.

В России стандартизирован метод испытания тензозондом (ГОСТ 19912).

За рубежом используются различные стандарты. В США испытания

выполняются в соответствии с требованиями стандарта ASTM

D 3441. В странах Европейского Союза испытания проводятся в соответствии

с требованиями Еврокод 7 часть 2 (EN 1997-2).

3.2. Какие свойства грунтов можно определить из полевых

испытаний с использованием метода статического зондирования?

На рис. 3.2 приведена диаграмма, составленная Mayne (2000)

и показывающая возможности статического зондирования.

Испытания с полным набором датчиков (силы, горизонтального давления,

порового давления, наклона, ускорения), например, SCPTU позволяют

определить следующие свойства и характеристики грунтов:

– вид грунта;

– мощность слоев грунта;

– недренированную прочность связных грунтов сu;

– недренированный угол внутреннего трения ;

– упругий модуль сдвига G;

– коэффициент относительной плотности ID;

– коэффициент переуплотнения OCR;

– коэффициент бокового давления Ko;

– коэффициент консолидации в горизонтальном направлении ch;

– коэффициент фильтрации kf;

– параметры для определения несущей способности свай;

– параметры для определения осадки и несущей способности фундаментов

мелкого заложения.

Рис. 3.2. Диаграмма возможностей зондов типа SCPTU (Mayne, 2000)

Однако на практике, в соответствии с рекомендациями стандартов

определяют лишь несколько свойств и характеристик грунта, которые

приведены в табл. 3.1. Т а б л и ц а 3 . 1

Свойства и характеристики грунтов,

определение которых рекомендовано различными стандартами

Определяемые свойства и характеристики грунтов

Стандарт

Вид грунта ГОСТ 19912, ASTM D 5778, ISO 22476-1, ISO 22476-3, ENV 1997-2, JGS 1435

Мощность слоев грунта ГОСТ 19912, ASTM D 5778, ISO 22476-1, ISO 22476-3, ENV 1997-2, JGS 1435

Угол внутреннего трения песчаных

грунтов, и силы сцепления Приложение D – ENV 1997-2; приложение И, СП 47.13330

Плотность сложения песчаных грунтов Приложение И, СП 47.13330

Дренированный одометрический модуль деформации Eoed

Приложение D, ENV 1997-2

Нормативный модуль деформации E Приложение И, СП 4713330

Показатель текучести IL Приложение И, СП 47.13330 Определение несущей способности свай ГОСТ 5686, приложение D ENV 1997-2

Параметры для определения осадки и несущей способности фундаментов мелкого заложения

Приложение D, ENV 1997-2

3.3. Какие зонды применяются в методе статического зондирования?

В зависимости от конструкции наконечника зонды подразделяются на три

типа (рис. 3.3). Зонд I типа с наконечником в виде конуса и кожуха позволяет

измерять сопротивление грунта под конусом и общее сопротивление грунта на

боковой поверхности зонда. Зонд II типа с наконечником в виде конуса

и муфты трения, а также зонд III типа с наконечником в виде конуса, муфты

трения и уширителя позволяют измерять сопротивление грунта под конусом

и локальное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте

трения) зонда. Для всех типов зонда площадь основания конуса составляет

10 см2, а величина угла при вершине конуса – 60о.

Рис. 3.3. Зонды для статического зондирования I , II и III типа:

1 – конус; 2 – кожух; 3 – штанга; 4 – муфта;

5 – уширитель (Мариупольский Л.Г., 1989)

За рубежом зонды, измеряющие лобовое сопротивление и трение по боковой

поверхности, получили наименование CPT (cone penetrometer), а измеряющие

лобовое сопротивление, трение и поровое давление – CPTU. В России зонд первого

типа называют тензозондом или электрическим зондом.

Существующие зонды могут быть разделены на два класса. Зонды первого

класса применяются для оценки свойств грунтов при статическом нагружении,

зонды второго класса используются для оценки сейсмических свойств

грунтов.

Зонды первого класса можно разделить на две группы: тензометрические

(СРТ) и пьезоэлектрические (CPTU).

К зондам второго класса относятся пьезо-сейсмоакустические (SCPTU),

в которые могут быть встроены: видеокамера; дополнительные датчики для

измерения электрической проводимости, интенсивности потока гаммолучей,

химического состава грунтовых вод.

2.4. Можно ли совместить процесс статического зондирования

с отбором монолитов грунта?

Да, подобная технология была предложена компанией «Gouda Geo-

Equipment B.V.» (http://www.gouda-geo.com). Для этого используется

устройство, показанное на рис. 3.4. Стандартным зондом СРТ невозможно

отобрать монолит грунта, но его можно получить, если использовать

устройство предложенное Gouda. Применение стандартного зонда позволяет

выявить слои грунта и выполнить предварительную оценку физических

и механических характеристик грунтов, необходимые для проектирования

оснований и фундаментов. Отбор монолитов позволяет получить более

надежные значения свойств грунтов, так как параллельно можно выполнить

лабораторные испытания и скорректировать результаты полевых

исследований. Количество отбираемых монолитов будет зависеть от типа

фундамента, требований надежности и сложности инженерно-геологических

условий. Обычно, монолиты отбирают в местах, которые оцениваются как

опасные по результатам СРТ испытаний.

а) б)

Рис. 3.4. Отбор монолитов в процессе статического зондирования; а –

конструкция устройства с извлекаемым зондом (Applied Research Associates,

Inc., www.ara.com); б – схема отбора монолитов (www.gouda-geo.com):

1 – механизм нагружения; 2 – труба; 3 – тонкостенный грунтонос;

4 – режущая кромка; 5 – пьезозонд; 6 – образец грунта; 7 – погружение

зонда; 8 – захват грунтоноса; 9 – вдавливание грунтоноса в грунт

Технология, предложенная компанией Gouda позволяет отбирать

монолиты не только с определенной глубины и последующим подъемом

монолита грунта на поверхность, но и накапливать монолиты внутри

устройства в процессе статического зондирования.

На рис. 3.4а показано комбинированное устройство, в котором статическое

зондирование сочетается с отбором монолитов грунта. Для этого

пробоотборник или зонд поочередного опускаются в место отбора монолита

или зондирования внутри неизвлекаемой трубы. Подъем и опускание

пробоотборника и зонда осуществляются тросом. При погружении обсадной

трубы внутренняя полость перекрывается извлекаемой заглушкой.

2.5. Какие измерения выполняются тензометрическим зондом?

В процессе непрерывного погружения зонда выполняются измерения

лобового сопротивления и трения на боковой поверхности, называемой

муфтой трения. Для этого используются тензометрические датчики силы.

Поэтому, иногда данный тип зонда называют тензометрическим или

электрическим.

Основные типы конструкции зонда показаны на рис. 3.5 и отличаются

способом измерения лобового сопротивления и трения на боковой

поверхности. Наибольшее применение на практике имеет зонд, показанный на

рис. 3.5 а.

Рис. 3.5. Конструкции зондов:

а – датчики лобового сопротивления (3) и трения (1) работают на сжатие;

б – датчик лобового сопротивления (3) работает на сжатие, а трения (1)

на растяжение; в – два датчика силы, первый (3) измеряет лобовое

сопротивлениие, а второй (4) лобовое сопротивление плюс трение

Внутренний датчик силы используется для регистрации осевой нагрузки

с торца зонда Fc. Второй датчик силы используется для измерения осевой силы

или усилия за счет трения на боковой поверхности подвижной муфты

с растяжением конуса, или если расположен сзади муфты, то регистрирует

лобовое усилие плюс усилие трению ( )c sF F . В последнем случае,

комбинация усилий минус отдельно измеренное лобовое усилие дают усилие

за счет трения.

Сигналы с датчиков усиливаются, преобразуются в цифровой вид

и передаются на поверхность грунта с использованием кабеля и может быть

объединена с глобальной позиционной системой (GPS) и локальными

геоинформационными системами (GIS).

Беспроводная система передачи данных измерений (рис. 3.6) пока еще не

нашла широкого применения на практике из-за ее малой надежности. Известна

только одна беспроводная система, разработанная компанией Geoprobe

(www.geoprobe.com).

Рис. 3.6. Схема измерительной системы с акустическим способом передачи

данных измерений (Ruck, 1996)

3.6. Чем пьезозонд отличается от тензометрического зонда?

Пъезозонд имеет дополнительно встроенный датчик для измерения

избыточного порового давления. Разработано большое количество

пьезозондов, которые имеют практически один и тот же диаметр, но

с различным расположением пористых фильтров для измерения порового

давления. В одних зондах пористые фильтры размещены у основания или по

середине конуса, а в других – на цилиндрической части за конусом (рис. 3.7).

а) б) в) г)

Рис. 3.7. Расположение датчика порового давления:

а – на вершине конуса u1; б – на основании конуса u2; в – выше муфты трения

u3; г – зонд с тремя датчиками порового давления

Положение датчика порового давления не стандартизировано. При

исследовании стратиграфии применяются зонды с датчиком порового

давления у вершины или основания конуса. При проведении испытания

с целью определения несущей способности свай измерение порового давления

выполняется за муфтой трения.

На практике, в большинстве случаев, используются зонды с фильтрами за

конусом. Положение данного места измерения порового давления 2u

рекомендовано ISSMGE (2001), De Beer (1988). При измерении порового

давления можно в случае необходимости вводить корректировку

сопротивления конусу qt с учетом эффекта порового давления, что наиболее

важно для глинистых грунтов.

Практика испытаний показывает на то, что в глинистых грунтах

предпочтительно использование пьезозонда первого типа u1. В тоже время,

применение второго типа пьезозонда u2 оправдано, если измеряется лобовое

сопротивление qc, которое должно быть скорректировано qt, так как поровое

давление действует на неэквивалентной проекции площади конуса

(Jamiolkowski, et al., 1985; Lunne et al., 1997a; Campanella and Robertson, 1988).

Важное различие состоит также в том, что первый тип конуса всегда дает

положительные значения порового давления, в то время как второй тип конуса

дает положительное значение при исследовании мягкопластичных

и тугопластичных нетрещиноватых глин, но показывает нулевые или даже

отрицательные значения в твердых трещиноватых грунтах (Mаyne et al., 1990).

На рис. 3.8 приведены результаты испытаний двух типов конусов в твердых

глинах, показывающие рассмотренные явления.

Рис. 3.8. Влияние расположения датчика порового давления на результаты

измерений (Mayne, 2000): uo – гидростатическое поровое давление

Измеряемые параметры

1. Лобовое сопротивление qc

Определяется как сила, действующая на конус Fc, поделенная на площадь

проекции конуса Ac:

. (3.1)

Опыт работы с СРТ показывает на то, что для песчаных грунтов значения

лобовое сопротивление qc коррелируется с эффективным углом внутреннего

трения , относительной плотностью ID и эффективным горизонтальным

напряжением от собственного веса грунта ho . В глинистых грунтах qc связано

с недренированной прочности cu и эффективным давлением предварительного

уплотнения p . Для CPTu испытаний измеренное значение qc должно быть

скорректировано, принимая во внимание измеренные значения порового

давления. Согласно исследованиям Lunne et al., (1997) для этого следует

использовать следующее выражение:

, (3.2)

где a=d2/D2 – коэффициент, учитывающий различия в площади основания

конуса на которое не оказывает действие поровое давление к полной площади

основания конуса; u2 – поровое давление, измеренное в основании конуса (рис.

3.9).

c

cc

A

Fq

2)1( uaqq ct

Рис. 3.9. Схема к корректировке площади поперечного

сечения пьезозонда

Коэффициент a учитывает неравенство площадей в основании конуса,

который является константой конструкции зонда и может быть найден путем

нагружения осевой нагрузкой при заданной давлении жидкости

в калибровочной камере. В NCHRP (2007) рекомендуется применять a0,80,

что дает минимальную коррекцию. Однако, большинство конусов с площадью

10 см2 имеют 0,75a0,82, а конусы с площадью 15 см2 имеют

0,65a0,80 (Mayne, et al., 2001а). Как явно следует из ряда исследований

(Lunne et al., 1997; Robertson & Campanella, 1988), что разница между

измеренным значением qc и скорректированным qt может быть от 20 до 70 %.

Для песка коррекция дает значения qt5 МПа, для глин qt 2 МПа, исключение

составляют переуплотненные глинистые грунты, у которых qt5 МПа (Sabatini

et al., 2002).

Сопротивление трению на боковой поверхности зонда

Определяется как отношение измеренного значения осевой силы на

поверхности муфты трения Fs к ее площади As:

. (3.3)

Точно также как и лобовое сопротивление, сопротивление трению на

боковой поверхности зонда корректируется по величине измеренного

порового давления:

, (3.4)

s

ss

A

Ff

2buff st

где b – постоянная пьезозонда, определяемая всесторонним обжатием

в калибровочной камере давления и называемое коэффициентом нетто

площади боковой поверхности муфты трения.

Сопротивление трению часто связывается с лобовым сопротивлением

(Lunne et al., 1997) применяя коэффициент трения:

. (3.5)

Высокие значения характерны для глинистых грунтов

вследствие высокого сцепления и малого трения, в то время как низкие

значения имеют место в песке и маловлажных глинах.

Поровое давление

Измерение порового давления выполняется с помощью датчиков давления

через пористые фильтры, которые располагаются в различных местах зонда.

Стандартное положение фильтра в основании конуса и обозначается как

u2 (см. рис. 3.7). Для песка u2 имеет близкие значения к гидростатическому

давлению u2uo, в то время как в глинистых грунтах намного больше u2> uo.

Senneset et al. (1982, 1988, 1989) ввели коэффициент порового давления,

который используется в номограммах для классификации грунтов:

2 0q

t vo

u uB

q

, (3.6)

где uo – гидростатическое давление; vo – вертикальное напряжение от

собственного веса грунта.

3.7. В чем отличие сейсмозонда от пьезозонда?

Различие заключается в наличии дополнительных датчиков, которые

позволяют измерять скорость прохождения поперечной волны, возникающей

при ударном воздействии на поверхности грунта. В качестве датчиков

используются геофоны или акселерометры (рис. 3.10). В последнее время для

этой цели стали использовать MEMS акселерометры.

Динамическая нагрузка на поверхности грунта создается при помощи

обычного молотка весом 5-10 кг, которым ударяют по металлической

пластине (рис. 3.11). Возникающая упругая волна регистрируется геофоном.

Обычно используется три геофона, встроенные в зонд или один

трехкоординатный акселерометр. Данные измерений позволяют определить

характеристики грунтов. Измерив, скорость прохождения поперечной волны,

находят упругий модуль сдвига G.

,%100t

s

q

fFR

%)10%43( FR

%)51( FR

Рис. 3.10. Конструкция сейсмического зонда:

1 – трехкоординатный геофон или акселерометр (измерение продольных Vp или

поперечных Vs волн); 2 – датчики силы; 3 – пористый фильтр; 4 – инклинометр;

5 – термистор; 6 – муфта трения; 7 – датчик порового давления;

8 – конус

Рис. 3.11. Определение времени t прохождения поперечной волны

На рис. 3.12 показаны результаты одного из полевых испытаний грунтов

с использованием сейсмозонда.

а) б) в) г) д)

Рис. 3.12. Профили, построенные по результатам испытаний с использованием

сейсмозонда:

а – лобовое сопротивление; б – сопротивление трению;

в – поровое давление на основании конуса;

г – время регистрации упругой волны;

д – скорость поперечной волны (Mayne, 2000)

3.8. Какие требования предъявляет Еврокод к статическому

зондированию?

В Еврокоде (EN 1997-2) приведены требования к конструкции, методам

и интепретации результатов пенетрационных испытаний. Даны рекомендации

применительно к испытаниям с использованием тензометрического (СРТ)

и пьезозонда (CPTU).

С целью унификации конструкции зондов и измеряемых величин приняты

следующие определения, относящиеся к тензозондам и пьезозондам,

основные элементы которых показаны на рис. 3.13, 3.14:

– сопротивление (лобовое) конуса qc – измеренная осевая нагрузка Qc

действующая на конус, поделенная на полную площадь основания

конуса Ac;

– силы трения fs – измеренная сила трения, действующая на муфте трения,

поделенная на ее площадь;

– коэффициент трения /f s cR f q , где qc и fs определены на одной глубине,

выраженный в процентах;

– коэффициент трения /f c sI q f , где qc и fs определены на одной глубине.

Рис. 3.13. Конструкция пьезозонда по ENV 1997-2

Рис. 3.14. Определения для пьезозонда по ENV 1997-3:1999

Для CPTU зондов используются следующие дополнительные

определения:

– коэффициент площади конуса (а): АN/Ас, где АN – нетто площадь конуса

(см. рис. 3.14);

– поровое давление u – поровое давление, измеренное при погружении

зонда и, возникающее вместе сопряжения конуса с цилиндрической частью

(муфта трения) зонда;

– избыточное поровое давление ou u u , где uo – поровое давление,

существующее в грунте на уровне конуса;

– полное (скорректированное) сопротивление конуса (1 )t cq q u a ;

– коэффициент порового давления /q voB u , где vo – полное

вертикальное напряжение от собственного веса грунта перед

пенетрационными испытаниями на уровне основания конуса.

3.9. Как определяется сопротивление грунта при внедрении

в него зонда?

Сопротивление внедрению зонда определяется двумя способами.

В первом измеряется полная сила сопротивления, включающая боковое

и лобовое сопротивление и боковое сопротивление (силы трения)

определяется путем вычитания лобового сопротивления из полного

сопротивления внедрению конуса (см. рис. 3.5 в). Во втором случае лобовое

сопротивление и боковое сопротивление внедрению определяются раздельно

(рис. 3.5 а,б). При этом измеряемые силы трения не превышают 1 МПа.

В твердых глинах силы трения, как правило, значительно больше, поэтому для

подобных грунтов рекомендуется использовать первый способ измерения.

Для справки в табл. 3.2 – 3.4 приведены конические зонды с усилием

вдавливания в 10 и 15 тнс (www.lankelma.com/), применяемые в Англии. Т а б л и ц а 3 . 2

Измерение первым методом

Параметры 10 тнс 15 тнс

Угол при вершине конуса 60o 60o

Диаметр 35,7 мм 43,8 мм

Проекция сечения 1000 мм2 1500 мм2

Длина муфты трения 134 мм 164 мм

Площадь муфты трения 15000 мм2 22500 мм2

Max. усилие на пенетрометр 100 кН 150 кН

Max. лобовое сопротивление qc (если fs = 0) 100 МПa (100 кН) 100 МПa (150 кН)

Max. боковое трение fs (если qc = 0) 6,6 МПa(100 кН) 6.6 МПa(150 кН)

Диаметр вдавливающей штанги 36 мм 36 мм

Т а б л и ц а 3 . 3

Измерение вторым методом

Параметры 10 тнс 15 тнс

Угол при вершине 60o 60o

Диаметр 35,7 мм 43,8 мм

Проекция сечения 1000 мм2 1500 мм2

Длина муфты трения 134 мм 164 мм

Площадь муфты трения 15000 мм2 22500 мм2

Max. усилие на пенетрометр 100 кН 150 кН

Max. лобовое сопротивление qc (если fs = 0) 100 МПa (100 кН) 100 МПa (150 кН)

Max. боковое трение fs 1 МПa (15 кН) 1 МПa (22,5 кН)

Диаметр вдавливающей штанги 36 мм 36 мм

Т а б л и ц а 3 . 4

Общие данные

Скорость пенетрации 20 ± 5 мм/с

Max. наклон 15o

Датчики Лобовое сопротивление

Боковое трение

Угол отклонения от вертикали

Глубина

Поровое давление измеряется (только для CPTU)

с max. до 1 МПa, 2 МПa or 5 МПa. В Англии

поровое давление измеряется до 4 МПа,

в частности в меловых отложениях

Положение установки Не менее 1 м от предыдущего CPT, или

в 20 диаметрах от предыдущей скважины

Уровень установки Вертикально ± 2o

Расстояние между измерениями max. 20 мм

Калибровка Каждые 3 месяца или 3000 м зондирования

3.10. Что измеряется при статическом зондировании?

Все зависит от конструкции зонда. Стандартный зонд (СРТ) позволяет

измерить два значения: силы лобового сопротивления qc и силы трения fs. Если

используется пьезозонд, то можно измерить не только лобовое сопротивление

и силы трения, но и поровое давление u. В этом случае значение порового

давления зависит от места расположения датчика порового давления. В том

случае, если зонд оборудован акселерометром (геофон), то можно измерить

скорость поперечной волны Vs и угол наклона зонда относительно вертикали

i.

а) б) в) г) д)

Рис. 3.15. Пример построения профиля по результатам испытаний СPTU:

а – скорректированное лобовое сопротивление; б – силы трения; в – поровое

давление; г – скорость поперечной волны; д – схема измеряемых величин

(http://www.ce.gatech.edu/~geosys/Faculty/Mayne/Research/misc/CPTu%20Animat

ion.pps)

а) б) в)

Рис. 3.16. Пример построения профилей:

а – лобовое сопротивление конуса; б – силы трения;

в – упругий модуль сдвига (Mаyne, 2000)

На рис. 3.15, 3.16 показаны примеры построения профиля измеренных

значений.

В некоторых зондах предусмотрена возможность измерения

электрического сопротивления в нескольких точках по высоте зонда.

Разработаны зонды с датчиком для измерения природного уровня гамма-

излучения минералов (гамма-каротаж), что используется для оценки

стратиграфии грунтов (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Зонды с дополнительными возможностями для измерений

3.11. Как интерпретировать результаты измерений, полученные

в процессе зондирования?

Результаты CPT и CPTU испытаний могут быть использованы для

определения стратиграфии, классификации грунтов и определения свойств

дисперсных и мягких скальных грунтов, если позволяет устройство

нагружения и мощность зонда.

На сопротивление погружению зонда оказывает несколько факторов,

такие как уровень природных напряжений, плотность грунта, стратиграфия,

состав минералов, вид грунта его структура и др.

Результаты СРТ – испытаний должны быть связаны с лабораторными

испытаниями образцов грунта с целью нахождения эмпирических

зависимостей для параметров прочности и деформируемости. Поэтому

приведенные ниже выражения для угла внутреннего трения, недренированной

прочности и модуля упругости можно использовать лишь как оценочные

значения.

В CPTU – испытаниях полное (скорректированное) лобовое

сопротивление конуса qt и коэффициент порового давления Bq должны быть

определены используя, измеренные на одной глубине значения лобовое

сопротивление qc и поровое давление u.

Для интерпретации результатов CPTU должно быть использовано поровое

давление uo и полное вертикальное напряжение от собсвтенного веса грунта

vo, существующее в грунте перед испытаниями. Значение ou является

природным гидростатическим давлением, значение vo может быть

определено по известным значениям удельного веса слоев грунта и глубины.

В том случае, если результаты СРТ – испытаний используются для

классификации грунтов, классификация должна быть основана, как минимум,

на значениях лобового сопротивления конуса, сил трения и коэффициенте

трения. Лучшая классификация получается из CPTU – испытаний, используя

значения полного сопротивления конуса qt, избыточного порового давления u

и коэффициента порового давления Bq.

3.12. Можно ли использовать результаты СPT- и CPTU-испытаний

с целью классификации грунтов?

Это основное преимущество статического зондирования по сравнению

с другими полевыми методами испытаний. Для этой цели применяется

несколько методов (Searle, 1979; Meigh, 1987; Presti и Squeglia, 2011). Все они

основаны на корреляции между лобовым сопротивлением qc, силами трения

на боковой поверхности fs и/или поровым давлением u и видом грунта.

В первом методе используется коэффициент трения. Коэффициент трения

определяется, как / 100%f s cR f q и применяется при идентификации вида

грунта.

На рис. 3.18 показана диаграмма, приведенная в нескольких источниках

(Schmertmann, 1978), которая может быть применена для определения типа

грунта, если известны значения лобового и бокового сопротивления.

Рис. 3.18. Диаграмма для идентификации типа грунта

(Schmertmann, 1978, 1988)

В зарубежной практике часто используются номограммы для

классификации грунтов. Подобные номограммы, предложенные Robertson et

al. (1986) приведены на рис. 3.19. Сопоставительный обзор различных методов

классификации грунтов на основе данных пенетрационных испытаний можно

найти в работе Fellenius et al. (2000).

а) б)

Рис. 3.19. Классификация грунтов, основанная

на исследованиях Robertston et al. (1986):

а – зависимость qt и Rf; б – зависимость qt и Bq:

1 – чувствительны тонкодисперсные; 2 – органо-минеральные грунты;

3 – глина; 4 – суглинки; 5 – супеси; 6 – пылеватые и опесчаненые супеси;

7 – пылеватые пески и опесчаненые супеси; 8 – пылеватые пески;

9 – пески; 10 – гравелистые и крупнозернистые пески; 11 – твердые глины; 12 –

переуплотненные грунты

На рис. 3.19 показаны две номограммы. Первая используется в том случае,

если испытания проводились тензометрическим зондом, без измерения порового

давления. Зная значения лобового сопротивления qc и найдя коэффициент трения

Rf определяют вид грунта, используя классификатор, приведенный на рис. 3.19.

Вторая номограмма применяется тогда, когда испытания выполняются

пьезозондом и измеряется поровое давление на основании конуса. В этом случае,

прежде чем использовать номограмму находится значение параметра порового

давления из выражения (3.6).

Данная классификация не совпадает со стандартной классификацией

ГОСТ 25100, основанная на традиционных лабораторных испытаниях

грунтов. Поэтому классификация на основе испытаний статическим

зондированием является оценочной, но ее преимущество в том, что она может

быть сделана непосредственно в полевых условиях.

В связи с тем, что испытания проводятся с автоматической записью

данных измерений, то и их обработка выполняется также автоматически

с использованием соответствующих программ, в том числе и с целью

классификации исследуемых грунтов.

Как видно из рис. 3.17б, на этой номограмме имеются зоны, для которых

коэффициент порового давления имеет отрицательное значение. Это

соответствует случаю, когда при непрерывном внедрении зонда в грунт

измеренное поровое давление u2 оказывается ниже гидростатического

(природного) давления uo. В этом случае рекомендуется прекратить

погружение зонда и дождаться рассеивания избыточного порового давления.

После чего испытания продолжаются.

3.13. Можно ли найти коэффициент переуплотнения OCR

из данных измерений?

Коэффициент переуплотнения /p voOCR характеризует историю

формирования грунтовых отложений и определяется как отношение

максимального в прошлом эффективного напряжения p от собственного

веса грунта к текущему напряжению от собственного веса грунта vo .

Показатель OCR используется с целью классификации глинистых грунтов,

которые в зависимости от его значения подразделяются на нормально

уплотненные ( 1OCR ) и переуплотненные ( 1OCR ).

OCR можно найти из полевых испытаний, если в ходе испытаний

измеряется поровое давление. Используя результаты испытаний с помощью

пьезозонда и аналитическое решение (рис. 3.2), основанное на расширении

цилиндрической полости Mayne и Chen (1994) получили следующее

выражение для определения OCR:

– для первого типа пьезозонда:

1/

11 ( )2 1

1,95

t

vo

q uOCR

M

; (3.7)

– для второго типа пьезозонда:

1/

21 ( )2 1

1,95 1

t

vo

q uOCR

M

. (3.8)

Данные выражения получены путем численного решения

с использованием модели грунта семейства Саm-Сlay.

Параметр контролирует величину пластической объемной деформации

и определяется из выражения:

1 /s cC C , (3.9)

где Cs и Cc – коэффициенты компрессии. Значение параметра Cs находится на

ветви разгрузки, а Cc – на первичной ветви консолидации из компрессионных

испытаний грунтов в лабораторных условиях.

Для естественных слитных и не сцементированных глинистых грунтов

параметр 0,75 . В грунтах с большой структурной прочностью

и сцементированных материалах это значение может быть более 1,0.

Рис. 3.20. Определение коэффициента переуплотнения

из различных испытаний (Mаyne, 2000):

СPTU – испытания пьезозондом; CRS – компрессионные испытания

с постоянной скоростью деформации; IL Oed – компрессионные испытания при

ступенчатом нагружении

Параметр M находится из выражения

6sin / (3 sin )M , (3.10)

где – эффективный угол внутреннего трения.

На рис. 3.20 приведен пример определения OCR из испытаний, которые

можно увидеть в работе Mаyne (2002).

Для практических целей рекомендуется принимать значения M = 1,2;

=30о и 0,75 в глинистых грунтах с малой структурной прочностью.

Давление предварительного уплотнения может быть найдено из

следующей эмпирической зависимости (Chen и Mаyne, 1996):

0,305( )p t voq , (3.11)

или

0,230,65( )p t vo pq I , (3.12)

где Ip – число пластичности глинистого грунта.

Следует иметь в виду, что приведенные эмпирические зависимости были

получены для конкретных грунтовых отложений. Поэтому для иных грунтов

необходимо провести лабораторные испытания, например, компрессионные,

найти p , затем провести полевые испытания и найти между ними данные

зависимости. Для примера, на рис. 3.21 приведены подобные испытания

выполненные Mаyne (1991).

Рис. 3.21. Сопоставление результатов компрессионных и результатов

статического зондирования (Mаyne, 1991)

3.14. Какие таблицы можно использовать для определения

параметров грунтов, используя результаты статического

зондирования?

Подобных таблиц можно найти достаточно много в различных отчетах или

научных публикациях. Ниже приведена таблица, заимствованная из стандарта

Европейского союза ENV 1997-2. В таблице приведены значения

эффективного угла внутреннего трения и дренированного модуля упругости.

Подобная таблица приведена в СП 47.13330, приложение И, табл. 1–8. Т а б л и ц а 3 . 5

Значения параметров прочности и деформируемости

Коэффициент

относительной

плотности ID

Сопротивление

конуса qc, МПа

Эффективный угол

внутреннего

трения , град.

Дренированный

модуль упругости E, МПа

Очень рыхлые

Рыхлые

Средней плотности

Плотные

Очень плотные

0,0 – 2,5

2,5 – 5,0

5,0 – 10,0

10,0 – 20,0

>20,0

29 – 32

32 – 35

35 – 37

37 – 40

40 – 42

< 10

10 – 20

20 – 30

30 – 60

60 – 90

Значения даны для песка. Для пылеватых грунтов значения должны быть

уменьшены на 3о. Для гравелистых грунтов необходимо добавить 2о.

E – секущий модуль упругости, полученный аппроксимацией в зависимости от

уровня напряжений и времени. Значения приведены для дренированного модуля

упругости, соответствующего осадке в течение 10 лет. Некоторые исследования

показывают на то, что эти значения могут быть менее на 50 % в пылеватых грунтах

и на 50% выше в гравелистых грунтах. В случае вычисления осадки при бытовом

давлении более чем 2/3 от предельного давления, модули упругости должны быть

приняты половине приведенных значений.

В таблице приведены значения эффективного угла внутреннего трения и

дренированного модуля упругости E в зависимости от лобового сопротивления

конуса для песка с минералами кварца и пылевого шпата.

Между результатами СРТ и дренированным углом внутреннего трения

существует зависимость, вида:

13,5lg 23cq , (3.13)

где qc – лобовое сопротивление конуса, МПа.

Эта зависимость справедлива для песка выше уровня грунтовых вод

и сопротивлении конуса в диапазоне 5 – 28 МПа.

3.15. Как определить коэффициент бокового давления грунта

в состоянии покоя?

Коэффициентом бокового давления грунта в состоянии покоя называется

отношение эффективного горизонтального напряжения к эффективному

вертикальному напряжению от собственного веса грунта:

hoo

vo

K

. (3.14)

Вертикальные напряжения от собственного веса грунта вычисляются как

vo z , где – удельный вес грунта, а z – глубина, на которой определяется

напряжение. Значение ниже уровня грунтовых вод принимается с учетом

взвешивающего действия воды.

Горизонтальные напряжения по предложению Mayne (1990) могут быть

найдены из эмпирической зависимости следующего вида:

'0,1 t vo

o

vo

qK

, (3.15)

где vo – эффективное природное напряжение, а

vo - полное природное

напряжение.

Более точно горизонтальные напряжения могут быть измерены

прессиометром, динамометрическим зондом или дилатометром при

проведении полевых испытаний. Они могут быть также найдены из

лабораторных испытаний образцов грунта в приборе трехосного сжатия или

компрессионном приборе с измерением боковых напряжений.

3.16. Как определить одометрический модуль деформации, используя

результаты статического зондирования?

Одометрический модуль деформации определяется в лабораторных

условиях путем испытания образцов грунта в компрессионных приборах.

Следует различать одометрический модуль и компрессионный модули

деформации. Одометрический модуль деформации определяют из наклона

касательной к начальному участку зависимости ( )f , а компрессионный

модуль деформации получают путем умножения одометрического модуля на

коэффициент , учитывающий поперечное расширение грунта:

k oedE E . (3.16)

В Еврокоде 7, приложение D.5, одометрический модуль деформации

рекомендуется находить из выражения:

2

1

0,5w

vo voed a

a

E w pp

, (3.17)

где w1 – коэффициент жесткости; w2 – экспонента жесткости; для песчаных

грунтов с коэффициентом однородности менее 3, w2= 0,5; для глин с низким

числом пластичности ( 35Lw ),w2= 0,6; vo – эффективное вертикальное

напряжение под подошвой фундамента или на любой глубине ниже ее от

собственного веса грунта; v – эффективное вертикальное напряжение от

внешней нагрузки под подошвой фундамента или на любой глубине ниже ее;

pa – атмосферное давление; Ip – число пластичности; wL – влажность на границе

текучести.

Значения коэффициента жесткости 1w определяются из следующих

выражений:

– для слабо гранулированных песчаных грунтов ( 3)UC выше уровня

грунтовых вод

1 167lg 113cw q диапазон применения 5 30cq ; (3.18)

– для хорошо гранулированных песчаных грунтов ( 6)UC выше уровня

грунтовых вод

1 463lg 13cw q диапазон применения 5 30cq ; (3.19)

– для глинистых грунтов с низким числом пластичности (0,75 1,30)LI

и выше уровня грунтовых вод

1 15,2 50cw q . (3.20)

Выполнено большое количество исследований с целью связать значения

одометрического модуля деформации с лобовым сопротивлением конуса.

Общая зависимость имеет вид:

oed cE q , (3.21)

где qc – измеренное значение лобового сопротивления конуса.

Величина коэффициента перехода зависит от вида грунта, что видно из

табл. 3.6. Т а б л и ц а 3 . 6

Оценочные значения одометрического модуля деформации для глинистых грунтов

(Sanglerat, 1972)

qc (МПа) 1

oed c

v

E qm

0,7cq

0,7 2,0cq

2,0cq

3 8

2 5

1 2,5

Глина с низкой пластичностью (CL)

2,0cq

2,0cq

3 6

1 3

Илы низкой пластичности (ML)

2,0cq 2 6 Высокопластичный ил и глины

(МН, СН)

1,2cq 2 8 Органические илы (OL)

0,7cq

50 100w

100 200w

200w

1,5 4

1 1,5

0,4 1,0

Торф и органические глины (Pt,OH)

Jones и Rust (1995) нашли для аллювиальных глинистых грунтов, на

территории Южной Африки, значение коэффициента α = 2.75 ± 0.55.

Senneset et al. (1988) нашли зависимость между скорректированным

значением лобового сопротивления qt зонда и одометрическим модулем

деформации, которая показаны на рис. 3.22. Для илистых грунтов, они

получили линейную зависимость между qt и Eoed в виде следующих уравнений:

2oed tE q для 2,5tq МПа, (3.22)

4 5oed tE q для 2,5 5tq МПа. (3.23)

Рис. 3.22. Зависимость компрессионного модуля деформации от

скорректированного значения лобового сопротивления зонда (Senneset et

al.,1988)

Для переуплотненных глин Senneset et al. (1988) выявили хорошее

совпадение осредненных 10 значений n t voq q (нетто сопротивление, vo –

напряжение от собственного веса грунта) с отклонением в 5 nq ,

(рис. 3.23 а). Однако для нормально уплотненных глин, одометрические

модули деформации хорошо совпадают с верхним пределом 8 nq (3.23 б).

Эти примеры показывают на возможность определения одометрического

модуля деформации для глинистых грунтов, с использованием эмпирических

зависимостей и результатов CPT-испытаний.

а) б)

Рис. 3.23. Отклонения в измерениях компрессионного модуля деформации:

1 – среднее; 2 – нижняя граница

Kulhawy and Mayne (1990) в результате выполненных исследований для

различных грунтов получили следующее выражение:

8,25( )oed t voE q . (3.24)

Анализируя рассмотренные исследования, можно сделать вывод о том, что

между лобовым сопротивлением зонда и одометрическим модулем

деформации существует линейная зависимость. Однако эта зависимость

характеризуется различными значениями коэффициента пропорциональности

, который зависит от вида грунта. Поэтому этот коэффициент следует

определять исходя из местных инженерно-геологических условий, найдя его

опытным путем из сравнительных полевых и лабораторных испытаний. После

чего с уверенностью можно применять на практике приведенные выражения.

3.17. Как определить коэффициент консолидации?

Коэффициент консолидации cv используется при расчете осадки насыпей

и фундаментов во времени. В лабораторных условиях данный параметр

определяется путем испытаний образцов грунта в компрессионном приборе.

В случае испытания грунтов зондом типа СPTU, коэффициент

консолидации определяется оценивая скорость диссипации порового

давления. Испытания предусматривают остановку процесса вдавливания

зонда, после этого фиксируется изменение порового давления u во времени

(рис. 3.24). В связи с тем, что дренирование поровой воды имеет место

в горизонтальном направлении, в направлении от зонда, то испытания

позволяют определить не вертикальный, cv, а горизонтальный коэффициент

консолидации ch.

Рис. 3.24. Изменение порового давления во времени (Schnaid, 2009)

Коэффициент консолидации в горизонтальном направлении ch находится

с использованием следующего выражения:

2

r

h

TR Ic

t , (3.25)

где T – безразмерный коэффициент времени, определяемый из табл. 3.7;

R – радиус зонда; t – время диссипации, обычно принимаемое при 50 %

степени диссипации порового давления (рис. 3.24); Ir – коэффициент

жесткости, определяемый как / uG c , здесь G – упругий модуль сдвига, а cu –

недренированная прочность грунта. Т а б л и ц а 3 . 7

Коэффициент времени (Houlsby and Teh, 1988)

Степень

консолидации

(%)

Положение фильтра

На поверхности

конуса

На

основании

конуса

5 радиусов

выше

основания

конуса

10 радиусов

выше основания

конуса

20 0,014 0,038 0,294 0,378

30 0,032 0,078 0,503 0,662

40 0,063 0,142 0,756 0,995

50 0,118 0,245 1,110 1,460

60 0,226 0,439 1,650 2,140

70 0,463 0,804 2,430 3,240

80 1,040 1,600 4,100 5,240

При определении коэффициента консолидации сh используется

следующая процедура.

1. Начертить график зависимости нормализованного значения порового

давления ( ) / ( )t o i oU u u u u от времени в логарифмическом или t

масштабе, где , ,t i ou u u – текущее, начальное и гидростатическое поровое

давление, соответственно.

2. Вычислить uo из положения уровня грунтовых вод.

3. Вычислить разницу между начальным поровым давлением iu

и гидростатическим поровым давлением uo и из графика (рис. 3.24) найти

время для 50 % диссипации порового давления, 50% ( ) / 2i ou u u .

4. Используя значения 50t и T из табл. 3.7 вычислить коэффициент

консолидации из уравнения 2

r

h

TR Ic

t .

Приведенная процедура применима для нормальных и слегка

переуплотненных глинистых грунтов ( 3)OCR .

3.18. Как определяется упругий модуль сдвига?

Упругий модуль сдвига G можно определить выполнив лабораторные или

полевые испытания грунтов. При определении упругого модуля сдвига

в лабораторных условиях необходимо подготовить образцы и провести

испытания в приборе трехосного сжатия с измерением скорости поперечной

волны Vs, генерируемую пьезоэлементами, которые встроены в основание

и нагрузочный штамп прибора (рис. 3.25).

Рис. 3.25. Лабораторные и полевые методы определения упругого модуля

сдвига (Mayne, 2002а, 2002б)

С этой же целью можно провести испытания с образцами грунта на

циклическое кручение, использовать метод резонансной колонны или

провести обычные испытания в приборе трехосного сжатия, но деформации

измерять только на локальной базе в центре образца грунта с разрешением 10-

3 и менее (Болдырев, 2008).

В полевых условиях упругий модуль сдвига также определяется путем

измерения скорости прохождения поперечной волны Vs, но уже не в образце

грунта, а в массиве (рис. 3.10, 3.11). Для этого на поверхности грунта

прикладывается импульсная нагрузка, а возникающие при этом колебания

грунта измеряются акселерометром (геофоном), который расположен внутри

зонда или опускается в пробуренную скважину.

Зная расстояние от источника динамической нагрузки до акселерометра,

и определив время прохождения упругой волны по измеренной амплитуде

колебаний, находят скорость поперечной волны Vs, а затем и упругий модуль

сдвига:

2

sG V , (3.26)

где – плотность грунта.

Если известно значение коэффициента Пуассона, которое незначительно

изменяется при упругом поведении грунта, примерно от 0,2 до 0,3, то

используя известное выражение из теории упругости, можно найти упругий

модуль деформации:

2 (1 )E G . (3.27)

Известны эмпирические зависимости, предложенные для оценки упругого

модуля сдвига G . Модуль сдвига и модуль упругости связаны между собой

приведенным выражением, однако они могут быть определены независимо

друг от друга с использованием различных методов испытаний. Mayne and Rix

(1993) предложили следующую корреляционную зависимость между G

и коэффициентом пористости, oe :

0,965 1,13406 c oG q e . (3.28)

В то же время, известны зависимости для определения скорости

поперечной волны через параметры, определяющие сопротивление конуса

при погружении. Baldi et al. (1989) предложили для определения Vs в песчаных

грунтах использовать следующую зависимость (рис. 3.26):

0,13 0,27277( ) ( )s t voV q , (3.29)

где Vs – скорость волны сдвига (м/с); qt – скорректированное сопротивление

конуса (МПа); vo – эффективное напряжение от собственного веса грунта.

Рис. 3.26. Оценка скорости поперечной волны из CPT испытаний

в чистом кварцевом песке (Baldi et al., 1989)

Рис. 3.27. Оценка скорости поперечной волны из CPT-испытаний в глинистых

грунтах (Mayne et al., 1995)

Для глинистых грунтов подобная зависимость получена Mayne et al. (1995)

в виде (рис. 3.27):

0,6271,75( )s tV q . (3.30)

Это выражение авторы рекомендуют использовать для глин от

мягкопластичных до твердых, как трещиноватых, так и сплошных.

Используя данные испытаний различных типов грунтов, от песчаных до

глинистых, включая и смешанные типы грунтов Hegazy and Mayne (1995)

получили следующее обобщающее выражение для определения скорости

волны сдвига:

1,67 0,3(10,1 lg 11,4) ( / 100)s t s tV q f q , (3.31)

где qt – скорректированное сопротивление конуса (кПа); fs – сопротивление

трению (кПа).

3.19. Влияет ли вид грунта на результаты испытаний?

В общем случае лобовое сопротивление в песках может быть более 5 МПа,

в то время как в глинистых грунтах обычно менее 2 МПа. Избыточное поровое

давление, возникающее в песчаных грунтах примерно равно

гидростатическому давлению, вследствие быстрого его рассеивания из-за

высокой проницаемости песка. В глинистых грунтах, от нормально

уплотненных до переуплотненных, измеренное значение порового давления

u2 (на основании конуса) часто от 3 до 10 раз более гидростатического

порового давления. В сильно переуплотненных и трещиноватых глинах

и плотных суглинках часто поровое давление имеет отрицательное значение

из-за расширения грунта при сдвиге. Следует заметить, что при использовании

зонда с датчиком порового давления, расположенного у вершины конуса

поровое давление всегда положительно во всех грунтах.

3.20. Как определить недренированную прочность грунта?

Недренированная прочность характеризуется параметром cu, который

определяется различными лабораторными и полевыми методами испытаний.

Этот показатель характеризует прочность слабых водонасыщенных

глинистых грунтов. Это, как правило, мягкопластичные и текучепластичные

глинистые грунты с незавершенным процессом естественной консолидации.

Параметр cu используется при проектировании насыпей и оснований зданий

и сооружений при быстрых темпах возведения и при отсутствии возможности

дренирования.

В отличие от ГОСТ 20276, в Еврокоде 7, кроме указаний как использовать

результаты испытаний зондированием с целью классификации и выделения

слоев грунтов приведена методика определения рекомендуемых значений

геотехнических параметров. Эти параметры используются при расчете

несущей способности оснований фундаментов, расчете осадок фундаментов,

а также при определении несущей способности свай.

При определении параметров для вычисления несущей способности

и осадки отдельно стоящих фундаментов учитывается, что они могут быть

определены с использованием результатов испытаний (СРТ) и полу-

эмпирических или аналитических методов расчета.

В случае применения аналитических решений, например, приложение В в

ENV 1997-2, недренированная прочность связных грунтов может быть

определена из следующего выражения:

c vou

k

qc

N

, (3.32)

где qc – сопротивление конуса определяется из СРТ испытаний; vo –

напряжения от собственного веса грунта; Nk – коэффициент, определяемый

опытным путем.

Для случая СPTU-испытаний используется другое выражение, вида:

,

t vou

k t

qc

N

. (3.33)

В этих зависимостях коэффициенты Nk и Nk,t находятся из корреляционных

лабораторных и полевых испытаний для конкретных инженерно-

геологических условий.

Среднее значение Nk как функция числа пластичности, для грунтов

с 10pI может быть оценено из выражения:

1019

5

p

k

IN

. (3.34)

Используя найденные значения OCR можно найти нормализованное

значение недренированной прочности из выражения

0,750,5sinu

vo

cOCR

. (3.35)

Известны эмпирические зависимости для cu, полученные для CPTU,

использующие корреляцию между эффективным сопротивлением конуса

и избыточным поровым давлением. Зависимость предложенная Senneset et al.

(1982) имеет вид:

2( )tu

ke

q uc

N

, (3.35)

где u2 – избыточное поровое давление измеряемое на основании конуса; Nke –

коэффициент можно найти, используя рис. 3.28.

Рис. 3.28. К определению коэффициента Nke для мягких глинистых отложений

(Schnaid, 2009)

3.21. Как определить эффективный угол внутреннего трения?

Эффективный угол внутреннего трения может быть определен используя

сопротивление конуса qc, также из корреляционных испытаний, принимая во

внимание эффект глубины испытаний. Как пример, в ENV 1997-2 приведена

табл. D.1 (табл. 3.8) для определения песка с минералами кварца и полевого

шпата из известных значений qc. Эти значения могут быть применены для

определения несущей способности отдельно стоящих фундаментов, когда не

учитывается эффект глубины заложения.

В Еврокоде приведена следующая корреляционная зависимость:

13,5lg 23,cq (3.36)

где – эффективный угол внутреннего трения (град.); qc – лобовое

сопротивление (МПа).

Эта зависимость рекомендуется для однородных гравелистых песков

с коэффициентом неоднородности менее трех, выше грунтовых вод и лобовом

сопротивлении в диапазоне 5 МПа cq 28 МПа.

Т а б л и ц а 3 . 8

Оценочные значения эффективного угла внутреннего трения

и дренированного модуля упругости E для кварцевого и feldspar песка

по лобовому сопротивлению конуса qc

Коэффициент

относительной

плотности ID

Лобовое

сопротивление qc,

МПа

Эффективный угол

внутреннего трения

1, град.

Дренированный

модуль упругости

E2, МПа

Очень рыхлые 0 – 2,5 29 – 32 <10

Рыхлые 2,5 – 5,0 32 – 35 10 – 20

Средней плотности 5,0 – 10,0 35 – 37 20 – 30

Плотные 10,0 – 20,0 37 – 40 30 – 60

Очень плотные > 20 40 – 42 – 90 1 Значения действительны только для песчаных грунтов. Для пылеватых грунтов

должно быть сделано уменьшение на 3о. 2 Значения E аппроксимированы к уровню напряжений и времени и являются

секущими модулями. Значения приведены для дренированного модуля,

соответствующего осадке в 10 лет. Они получены из предположения, что

распределение вертикальных дополнительных напряжений соответствует

2:1. Некоторые исследователи отмечают, что эти значения могут быть ниже на 50%

в пылеватых грунтах и на 50% выше в гравелистых грунтах. В крупнообломочных

переуплотненных грунтах, модули могут быть значительно больше. Когда

вычисляется осадка для бытового давления более чем 2/3 от проектного

дополнительного предельного давления (несущая способность), модули должны быть

приняты половине значений, приведенные в таблице.

Robertson and Campanella (1983) предложили следующую эмпирическую

зависимость для определения угла внутреннего трения:

35 11,5lg30

c

vo

q

, (3.37)

где qc – сопротивление конуса, а vo – эффективное напряжение от

собственного веса грунта.

Для песчаных грунтов, эффективный угол внутреннего трения может быть

определен, используя нормализованное значение лобового сопротивления 0,5

1 ( / ) / ( / )c c a vo aq q p p , где pa – отсчетное напряжение, равное

атмосферному давлению (100 кПа). Ниже приведенное выражение получено

Kulhawy & Mayne (1990) с использованием статистического анализа

испытаний в лотке несцементированных кварцевых песков:

117,6 11,0 lg( )cq . (3.38)

На рис. 3.29 приведен пример применения данного выражения при

исследовании пылеватого песка в штате Джорджия. Результаты

30 консолидированных трехосных испытаний образцов ненарушенной

структуры (отобраны тонкостенным грунтоносом) были получены независимо

в двух коммерческих лабораториях и дали значения 34,5 36,0 . Эти

результаты, совпали со значениями, найденными из СРТ испытаний на

глубине от 4 до 16 м в природных грунтах, с высоким содержанием

мелкозернистого песка (примерно 70 % мелкозернистого песка, 25 %

пылеватых частиц, 5 % глины).

Рис. 3.29. Пример определения эффективного угла внутреннего трения

в пылеватом мелкозернистом песке (Mayne, 2000)

3.22. Существует ли связь между результатами испытаний

динамическим зондированием (SPT) и пьезопенетрометром (CPTu)?

В работах Robertson et. al. (1983) и Burland и Burbidge (1985) приведена

эмпирическая зависимость между полевыми испытаниями методами CPT,

CPTU и SPT. На рис. 3.30 показана зависимость между cq (кПа)/ N (удар)

и размером частиц грунта. Следует заметить, что графики построены

в полулогарифмическом масштабе.

Рис. 3.30. Эмпирическая зависимость между CPT и SPT для различных

типов грунтов (Robertson et. al., 1983; Burland and Burbidge, 1985)

3.23. Какие требования предъявляются к оборудованию,

к измерительной системе и к процедуре калибровки датчиков?

Требования к оборудованию

Геометрия зонда пенетрометра – угол при вершине, диаметр и высота

конуса; боковая поверхность и место измерения порового давления должны

отвечать требованиям ГОСТ или иных стандартов. В частности за рубежом

пенетрационные испытания проводятся в соответствии с процедурой, которая

приведена в International Reference Test Procedure for Cone Penetration Test

(CPT) (1988), в США ASTM, в Европейском Союзе ENV 1997-2 и ISO 22476-

15.

Основные требования следующие:

– зонд и первая штанга должны быть одинакового диаметра и длиной не

менее 1 м;

– конус должен иметь поперечное сечение в основании 10 см2

с 38,4 мм < dc < 36,0 мм и 24,0 мм < hc < 31,2 мм, где dc диаметр конуса, а hc –

высота конуса;

– размеры конуса могут быть приняты менее чем стандартное значение

в 10 см2, но в этом случае должны быть выполнены исследования

подтверждающие адекватность результатов испытаний по отношению

к стандартному конусу.

Требования к измерительной системе

В процессе полевых испытаний измерительная система должна позволять

собирать и отображать в реальном времени измеренные данные, как

в цифровой, так и графической форме.

Принимая во внимание все возможные источники ошибок, точность

измерений должна быть лучше, чем наименьшее из следующих значений:

– 2% типовых измерений (среднее значение) для датчиков лобового

сопротивления и трения;

– 1% регистрируемого порового давления.

Требования к калибровке датчиков

Калибровка выполняется для датчика лобового сопротивления и датчика

трения в соответствии с требованиями, которые были сформулированы

Norwegian Geotechnical Society Guidelines for CPTs, NGF (1994). Данные

калибровки должны быть приведены в отчете. Калибровка должна быть

выполнена перед каждыми полевыми испытаниями и не менее четырех раз

в год или после каждых 100 испытаний.

Если в ходе испытаний была достигнута нагрузка близкая к номиналу

датчика, то должна быть выполнена его новая калибровка.

Для каждого зонда должна быть выполнена оценка влияния температуры

на показания датчиков в двух режимах:

– измерения показаний датчиков при нулевой нагрузке и изменении

температуры от 0 до 40оС;

– определение коэффициента калибровки для каждого датчика при

температуре +5оС. Метод определения калибровочных коэффициентов

должен быть объяснен.

3.24. Какие требования предъявляются к процедуре испытаний?

Процедура испытаний должна соответствовать требованиям

национального стандарта и не противоречить International Reference Test

Procedure for Cone Penetration Test (CPT) (1988), в части:

– скорость пенетрации должна быть 20 мм/с с точностью 5 мм/с;

– длина каждого этапа погружения зонда должна быть как возможно

большой и определяется возможностями системы нагружения.

Предпочтительно непрерывное нагружение по всей глубине пенетрации;

– запись сигналов со всех датчиков должна быть не менее одного раза

в секунду (через каждые 20 мм погружения зонда);

– в случае проведения испытаний пьезозондом фильтры должны быть

полностью водонасыщены, что обеспечивает мгновенный отклик датчика

порового давления;

– испытания по оценке скорости рассеивания избыточного порового

давления должны быть проведены не менее, чем до 50% консолидации,

которая определяется как половина времени между остановкой пенетрометра

и измеряемым поровым давлением.

Скорость записи данных в течение испытаний на рассеивание избыточного

порового давления принимается следующей:

– в течение первой минуты два раза каждую секунду;

– между первой и 10 минутами каждую минуту;

– после 10 минут один раз в минуту.

При проведении испытаний их результаты осредняются на участках

глубины длиной 10 диаметров конуса: 5 диаметров выше вершины конуса

и 5 диаметров ниже вершины конуса. В резко выраженных слоистых грунтах,

вследствие их малой мощности, сопротивление грунта, измеряемое зондом не

всегда отражает свойства индивидуальных слоев, в особенности тонких слоев

при их толщине менее 5 диаметров конуса.

3.25. Какие результаты испытаний должны быть приведены

в отчете?

Данные измерений должны быть представлены в соответствии

с требованиями национальных стандартов и общих международных процедур:

«International Reference Test procedure (1988) и NGF (1994).

После каждого испытания, в полевой журнал, должна быть записана

следующая информация (или в форме таблиц или на СРТ профиле):

– место испытаний;

– номер испытания;

– дата проводимых испытаний;

– серийный номер зонда;

– геометрия и размеры с отметкой положения и размеров пористого

фильтра;

– номинал датчиков (лобового сопротивления, трения и порового

давления);

– запись показаний всех датчиков при нулевой нагрузке перед и после

каждого испытания. При погружении зонда в лидерную скважину, запись

выполняется внизу скважины;

– используемые коэффициенты калибровки;

– видимые повреждения на конусе или боковой поверхности зонда;

– скорость пенетрации;

– видимый прогиб опорной конструкции;

– любые отклонения в течение испытаний;

– нетто площадь конуса и муфты трения;

– уровень грунтовых вод или глубина воды при испытаниях на реках

и море;

Результаты измерений должны быть представлены в цифровом виде на

диске:

– глубина пенетрации (м);

– коэффициент площади конуса;

– величина лобового сопротивления (МПа);

– величина сил трения (кПа);

– поровое давление (МПа). Если применяется несколько датчиков

порового давления, то для каждого датчика;

– полная нагрузка в течение испытания (кН).

Все измеряемые значения должны быть отображены графически:

– масштаб для глубины 1 м (поле) = 1 см (график);

– масштаб измеренных значений лобового сопротивления, трения

и порового давления должен приниматься исходя из конкретных грунтовых

условий.

В дополнение к измеренным CPT к CPTU данным должны быть

представлены следующие скорректированные параметры:

– скорректированное лобовое сопротивление (1 )t cq q a u , где u –

поровое давление, измеряемое на основании конуса;

– скорректированное трение ft, в том случае если поровое давление было

измерено на обоих концах муфты трения;

– коэффициент трения ( / )100%f s tR f q или ( / )100%t tf q ;

– коэффициент порового давления 2( ) / ( )q o t voB u u q с поровым

давлением, измеренным на основании конуса.

3.26. Как используют результаты испытаний зондированием

для определения несущей способности свай?

Полагают, что СРТ-испытания дают более надежную оценку несущей

способности свай, по сравнению с SPT-методом. К тому же СРТ-метод проще,

быстрее, дешевле и обеспечивает непрерывную регистрацию данных

измерений по глубине, а результаты могут быть обработаны как

с применением эмпирических зависимостей, так и аналитических и численных

решений. Общепринятая схема работы сваи в грунте совпадает с работой

зонда, так как в обоих случаях оцениваются силы трения на боковой

поверхности и лобовое сопротивление. Поэтому СРТ-метод более широко

применяется для определения несущей способности свай.

Из литературных источников известно несколько методов для

определения несущей способности свай, используя СРТ-данные. Эти методы

можно разделить на две группы (Roberston и Campanella, 1988):

1. Прямое приближение, в котором:

– лобовое сопротивление сваи q1 определяется через лобовое

сопротивление конуса зонда qc;

– силы трения на боковой поверхности сваи f определяются или из сил

трения на муфте трения зонда fs или лобового сопротивления qc.

2. Непрямое приближение, в котором СРТ-данные qc и fs используются

в начале для определения характеристик прочности грунтов (недренированная

прочность и угол внутреннего трения), а затем они используются для

определения лобового сопротивления сваи qt и сил трения fs, используя

формулы, основанные на полуэмпирических или теоретических методах.

В большинстве случаев используется первая группа методов. Это методы,

предложенные в работах Schmertmann (1978), de Ruiter и Beringen (1979),

Bustamante и Gianeselli (1982), Tumay и Fakhroo (1982), Aoki и De Alencar

(1975), Price и Wardle (1982), Philipponnat (1980), Eslami и Fellenius (1997) и др.

Лобовое сопротивление и трение определяются из СРТ данных путем

осреднения в предполагаемой зоне влияния. Описание этих методов можно

найти в работе Titi и Abu-Farsakh (1999).

В работе Shariatmadari et al. (2006, 2008) предложен метод определения

несущей способности свай, включающий совместную оценку данных SPT

и CPT испытаний. Авторы предлагают использовать параметр 60( / ) /c aq p N

введенный Lunne et al. (1997) и его преобразование к данным СРТ испытаний,

предложенное ранее Eslami и Fellenius (1997):

60400cq N ; 60392tr N ;

604sr N (3.39)

На рис. 3.31 приведено сравнение различных методов с использованием

оценки вероятности накопленной ошибки и логарифмом нормального

распределения. Наибольшую точность дают методы Shariatmadari et al.,

Meyerhof и Briaud и Tucker.

Рис. 3.31. Графики логарифма нормального распределения для различных

методов (Shariatmadari et al., 2006)

Согласно рекомендаций ENV 1997-2, при вычислении несущей

способности свай можно использовать корреляцию между результатами

испытаний статической нагрузкой и результатами CPT-испытаний.

В приложении D6 (ENV 1997-2) приведен пример оценки несущей

способности одиночной сваи основываясь на результатах измерения лобового

сопротивления зонда qc. В табл. 3.9 (D3) и 3.10 (D4) приведены корреляции

между результатами испытаний свай статической нагрузкой и СРТ-

результатами для крупнозернистых песчаных грунтов. Лобовое

сопротивление pd и силы трения по боковой поверхности ps сваи даны как

функция лобового сопротивления внедрению конуса qc и нормализованы по

отношению осадки головы сваи.

Т а б л и ц а 3 . 9

Удельное лобовое сопротивление сваи в крупнозернистом песке

Безразмерная

осадка s/ds; s/db

Удельное лобовое сопротивление pd, МПа, при среднем значении

сопротивления конуса qc, МПа

10cq 15cq 20cq 25cq

0,02 0,70 1,05 1,40 1,75

0,03 0,90 1,35 1,80 2,25

0,10 ( )gs 2,0 3,00 3,50 4,0

П р и м е ч а н и е . Промежуточные значения берутся по линейной интерполяции.

В случае применения свай с уширением, значения должны быть умножены на 0,75.

s – осадка головы сваи; ds – диаметр ствола сваи; db – диаметр основания сваи; sg –

предельная осадка головы сваи.

Т а б л и ц а 3 . 1 0

Удельные силы трения на боковой поверхности сваи в крупнозернистом песке

Среднее значение лобового

сопротивления конуса qc, МПа

Удельное сопротивление трению ps, МПа

0 0

5 0,040

10 0,080

15 0,120

П р и м е ч а н и е . Промежуточные значения берутся по линейной интерполяции.

В отечественной практике для этой цели используется подобный метод,

который также основан на измерении значений сопротивления зонда

погружению (Колесник и Рыжков, 1966, 1968, 1969; Колесник, 1972; Еникеев,

1979; Биленко и Миткина, 1986; Файерштейн и Максимов, 1986; Готман и др.,

1989, 1990; Мариуплоьский, 1989; Шеменков, 1989; Гончаров и др., 1991;

Миткина, 1994а,б; Миткина и Готман, 1989, 1990, 1994 а,б; Трофименков,

1995; Рыжков и Исаев, 2010;

3.27. Можно ли определить плотность грунтов, используя

статическое зондирование?

Можно, но более менее достоверно только песчаных грунтов. Показатель

плотности грунтов используется не только для определения напряжений от

собственного веса грунта, но и в различных расчетах при проектировании

фундаментов. В частности, при определении расчетного сопротивления

грунта, предельной нагрузки на грунты основания, давления на шпунтовые

и подпорные стены и т.д.

В лаборатории плотность грунтов определяется с использованием

монолитов, которые должны быть отобраны грунтоносами без нарушения

естественной структуры. Отобрать монолиты без нарушения структуры,

в особенности в песчаных, гравелистых грунтах или супесях, практически

невозможно. По этой же причине достаточно сложно получить

корреляционные связи между сопротивлением зондированию и плотностью

песчаных грунтов в условиях их естественного залегания. В большинстве

случаев, корреляционные связи получаются путем испытания песков

зондированием в лаборатории с использованием специальных калибровочных

камер.

Рис. 3.32. Зависимость удельного веса сухого грунта от нормализованного

значения лобового сопротивления (NCHRP Synthesis 368, 2007)

Результаты подобной процедуры испытаний по определению плотности

сухого грунта d через нормализованное значение лобового сопротивления

qt1 приведены на рис. 3.32. Линия регрессия дана для различных видов песка

от несцементированного кварца до силикатных песков. Существенное

влияние на результаты оказывает форма частиц и минералогический состав

песка. Поэтому результаты подобных испытаний должны применяться на

практике с осторожностью.

Рис. 3.33. Зависимость удельного веса водонасыщенного грунта от скорости

поперечной волны и глубины (NCHRP Synthesis 368, 2007)

Для водонасыщенных грунтов, включая глины от мягкопластичных до

твердых, илы, рыхлые пески и гравий скорость поперечной волны является

функцией удельного веса грунта. Подобная зависимость показана

на рис. 3.33.

Robertson в одной из своих последних работ (2010) рекомендует применять

номограмму (рис. 3.34) для определения безразмерного значения удельного

веса грунта /W основываясь на данных СРТ испытаний. Приведенные

зависимости аппроксимрованы следующим уравнением:

/ 0,27lg 0,36[lg( / )] 1,236W f t aR q p , (3.40)

где Rf – коэффициент трения, %; W – удельный вес воды одной размерности

с ; pa – атмосферное давление той же размерности, что и qt.

Рис. 3.34. Номограмма для определения / W .

Обозначения для зон грунтов приведены на рис. 3.19

3.28. Какие номограммы используются для определения

свойств грунтов и в чем их отличия?

При классификации грунтов с использованием метода СPT применяются

следующие корреляционные зависимости, основанные на:

1. Robertson и Campanella (1983) – коэффициент трения (рис. 3.19а);

2. Campanellа и Robertson (1985) – поровое давление (рис. 3.19б);

3. Robertson и др. (1986) – нормализованное значение коэффициента

трения и нормализованное значение порового давления;

5. Jefferies и Davies (1993) – нормализация на трех параметрах.

Обширный экспериментальный анализ применения метода CPT для

классификации грунтов выполнил Berry et аl. в 1998 году. Испытания были

проведены на 13 различных участках, используя CPT, SPT и лабораторные

испытания. Для классификации грунтов методом CPT были применены

процедуры, предложенные Douglas и Olsen (1981), Robertson и Campanella

(1983, 1985), Robertson (1990) и сравнение их с результатами лабораторных

определений классификационных показателей тех же грунтов. Результаты

всех видов испытаний были осреднены на тех же глубинах. Результаты

обработки дали следующее совпадение в процентах для СРТ: Robertson

и Campanella (1983) – 63,1%; Douglas и Olsen (1981) – 67,7%; Robertson (1990)

–77,7%; Robertson и Campanella (1985) – 79.9%.

Основываясь на этих данных, можно сделать вывод о том, что

классификация с использованием номограмм порового давления Campanella

and Robertson (1985) дает более точные значения – 79,9%. Следом идет

процедура, основанная на нормализованной номограмме порового давления

Robertson (1990).

В 1990 году Roberston, используя нижеприведенные выражения,

нормализовал параметры номограмм (рис. 3.19) по отношению к природному

эффективному давлению, что позволяет делать сравнение грунтов на

различной глубине.

T voT

V

qQ

; (3.40)

sR

T vo

fF

q

; (3.41)

2 oq

T vo

u uB

q

. (3.42)

где QT – нормализованное лобовое сопротивление; FR – нормализованный

коэффициент трения; Bq – коэффициент порового давления; qT – лобовое

сопротивление, скорректированное с учетом порового давления

( 2 1T cq q u a ; fs – боковое трение; u2 – поровое давление, измеренное

в основании конуса; vo – природное давление; v – эффективное природное

давление; uo – гидростатическое давление воды.

Рис. 3.35. Нормализованное лобовое сопротивление и нормализованный

коэффициент трения (Roberston, 1990)

Рис. 3.36. Нормализованные лобовое сопротивление и коэффициент

порового давления (Roberston, 1990)

Нормализованные номограммы приведены на рис. 3.35 и 3.36. Описание

зон приведено в подрисуночной надписи к рис. 3.19.

Несмотря на то, что номограммы, приведенные на рис. 3.19, 3.35,

3.36 широко используются на практике, они имеют один недостаток –

иссследователь должен решать, какую из номограмм следует применить –

через коэффициент трения или через поровое давление. Что делать, если при

использовании обеих номограмм совместно окажется, что грунт

классифицируется различным образом? (Maher et al., 2002). Следует

использовать все три нормализованных значения Qt, FR и Bq, а окончательное

решение принимать, опираясь на классификационные показатели грунтов.

Номограмма для трех параметров классификации грунтов показана на рис.

3.37. Зоны совпадают с Roberston (1990), исключая зону 7. Границы зон

поведения грунта могут быть аппроксимированы концентрическими кругами

с использованием показателя классификации грунта Ic, определяемого

выражением

(3.43)

Рис. 3.37. Номограмма, предложенная Jefferies and Davies (1993)

Т а б л и ц а 3 . 1 3

Зоны классификации грунта с использованием показателя классификации Ic

(Jefferies and Davies, 1993)

Показатель Ic Зона номограммы Классификация грунта

Ic < 1,25 7 Гравелистые пески

1,25 < Ic < 1,90 6 Пылеватые пески и опесчаненые супеси

1,9 < Ic < 2,54 5 Супеси

2,54 < < 2,82 4 Суглинки

2,82 < Ic < 3,22 3 Глины

3.29. В чем отличие между основными производителями

оборудования для статического зондирования?

Существует множество компаний, ориентированные на обслуживание

рынка инженерно-геологических исследований в полевых условиях, которые

не сложно найти в сети Интернет. Одни из них производят машины для

погружения механических устройств и сами устройства, в виде зондов

2

2))}(lg(3,15,1))1(lg(3 RqTc FBQI

cI

различного назначения. Другие только зонды с регистраторами данных

измерений, а третьи программы для обработки результатов измерений (табл.

3.14). Список программ для обработки результатов полевых испытаний

различными методами можно найти по адресу:

http://geotechpedia.com/Software/Category/87/In-Situ-Testing. Т а б л и ц а 3 . 1 4

Некоторые производители оборудования для полевых испытаний грунтов

Страна Методы испытаний

Россия: www.geotest.ru СPT, PMT, PLT

Италия: www.pagani-geotechnical.com SPT, CPT, CPTu, SCPTu, DMT, VT

Италия: www.marchetti-dmt.it DMT, SDMT

Голландия: www.apvandenberg.com CPT, CPTu

SPT – cтандартное зондирование (проботборник и конус); CPT, CPTu, SCPTu –

статическое зондирование – трение и лобовое сопротивление, то же и поровое

давление, то же и скорость поперченой волны, соответственно; DMT, SDMT –

дилатометр без измерения и с измерением скорости поперечной волны,

соответственно; VT – крыльчатка; PMT – балонный прессиометр; PLT – плоский

штамп; SW – винтовой штамп

а) б)

Рис. 3.38 (начало). Мобильные установки для статического зондирования

(www.gouda-geo.com):

а, б – на базе гусеничного шасси;

в) г)

Рис. 3.38 (окончание). Мобильные установки для статического зондирования

(www.gouda-geo.com):

в – на базе автомобильного шасси; г – механизм вертикального нагружения

а) б)

в) г)

Рис. 3.39. Ручной пенетрометр компании Gouda (www.gouda-geo.com):

а – общий вид; б – устройство измерения осевой нагрузки (Н); б – комплект

конусов; в – комплект для полевых испытаний методами статического

зондирования и лопастного среза

Рис. 3.40. Обурудование фирмы «Геотест» для испытаний статическим

зондированием (www.geotest.ural.ru/download/Prospect_2006.pdf)

3.30. История развития СРТ

1. Механический конический пенетрометр

Впервые испытания методом пенетрации с применением конического

зонда были проведены в 1932 году P. Barensten (1936) в Голландии. Для этого

была использована газовая труба с внутренним диаметром 19 мм; внутри нее

был размещен стальной стержень свободно перемещающийся вверх и вниз.

Одновременно внешняя труба и внутренний стержень с 10 см2 конусом

и вершиной 60о вдавливались в грунт руками. При этом была введена

корректировка измеренного сопротивления конуса вычтя вес внутреннего

стержня. Глубина исследований составила 10-12 м, а сопротивление

пенетрации регистрировалось манометром.

Несколько датских и бельгийских инженеров использовали раннюю

версию статического зондирования для определения несущей способности

свай (Sanglerat 1972).

Рис. 3.41. Конструкция зонда с конической мантией (Sanglerat 1972)

Begeman (1965) значительно улучшил конструкцию зонда, добавив муфту

трения за конусом (рис. 3.42), что позволило измерить сопротивление трению

в дополнение к лобовому сопротивлению. Измерения выполялись каждые

0,2 м, а в специальных случаях интервал уменьшался до 0,1 м. Begeman (1965)

также был первым, кто предложил использовать коэффициент трения

(сопротивление трению/лобовое сопротивление) для выделения слоев грунта

и определения вида грунта.

В большинстве механических конических пенетрометров для измерения

усилия необходимо надавить на внутренний стержень, контролируя его по

показаниям манометра на поверхности грунта. Механические конические

пенетрометры используются до сих пор из-за их низкой стоимости и простоты

применения. Однако качество измерений зависит от опыта оператора, который

вручную контролирует осевую нагрузку по показаниям манометра. В мягких

грунтах точность измерений может быть не адекватной для качественного

анализа свойств грунтов.

Рис. 3.42. Зонд конструкции Begeman (Sanglerat, 1972)

Одним из важных требований является стабильность показаний

измерительной системы. Показания датчиков могут быть различными до

и после измерений. Влияют температура, влажность, электромагнитные

помехи, колебания сети питания и др. Поэтому перед каждым испытанием

показания датчиков должны быть проверены и оценены.

Применение того или иного типа зонда зависит от требуемой

интерпретации данных измерений, особенно в ответственных проектах, где

требуется оценка результатов исследований высокого качества.

Использование зондов первого типа достаточно для обычных исследований

с выделением слоев грунта, в то время как для определения механических

характеристик грунтов необходимо использовать зонд третьего типа (Lunne et

al., 1997) и сопоставление с лабораторными испытаниями в условиях

трехосного сжатия, компрессию и др.

2. Тензометрические зонды

Как следует из работы Broms and Flodin (1988), первый тензометрический

зонд был, вероятно, разработан в Берлине, во время второй мировой войны.

Далее, в 1948 году Дельфтская лаборатория механики грунтов (DSML)

разработала тензометрический зонд, который погружался в грунт непрерывно

с заданной скоростью, допуская непрерывное считывание давления. Годом

позже система была испытана для измерения лобового сопротивления

и трения по боковой поверхности, но коммерческое применение началось

с 1960 года. В 1962 году DSML разработали пьезозонд, который вначале

использовался только в песках; после 1970 года различные авторы успешно

применили пьезозонд в мягких и слоистых грунтах.

Следует заметить, что в России электрический зонд называют

тензометрическим, так как в нем усилие, лобовое сопротивление и силы

трения измеряются проволочными тензодатчиками. Сигналы с тензодатчиков

передаются на поверхность в аналоговом виде по кабелю внутри полых штанг.

Muhs (1978) отметил следующие преимущества нового зонда по сравнению

с механическим:

1. Исключение возможной ошибки интерпретации результатов испытаний

из-за трения между внутренним стержнем и внешней трубой;

2. Непрерывность испытаний с постоянной скоростью пенетрации без

взаимного контроля перемещения трубы и стержня с конусом;

3. Простота и надежность электрических измерений с возможность

непрерывного считывания показаний с датчиков и автоматическая запись

данных измерений.

Точность измерений может быть высокой, что важно при исследовании

свойств сильно сжимаемых грунтов.

Инклинометр был введен для контроля отклонений от вертикали

и предупреждения оператора от чрезмерного отклонения зонда от вертикали

(Van De Graaf и Jekel, 1982).

3. Пьезозонд

Зонд с датчиком порового давления был предложен в Норвежском

институте геотехники и применен Janbu и Senneset (1974) для измерения

порового давления. Schmertmann (1974) также применил датчик давления для

измерения порового давления в ходе СРТ испытаний.

Рис. 3.43. Зонды различного размера

(слева направо: 2 см2, 10 см2, 15 см2, 40 см2 Robertson и Cabal (2010)

В настоящее время используются пьезоконусы с различным

раположением фильтров для измерения порового давления. Чаще всего

используются зонды с фильтром в основании конуса. Для специальных целей

применяются зонды с двумя или тремя фильтрами. Bayne и Tjelta (1987) and

Zuidberg et al. (1987) предложили зонд с тремя различными местами

размещения фильтров в зонде.

Введение в конструкцию зонда датчиков для измерения порового давления

привело к необходимости корректировки лобового сопротивления и сил

трения.

В течение прошедших трех десятилетий в зонд были вставлены различные

датчики: температуры, электроды, геофоны, датчики для измерения

горизонтальных природных напряжений, акселерометры, радио-изотопные

детекторы для измерения плотности и влажности, датчики гамма-каратожа для

измерения природного радиоактивного фона минералов, микрофоны для

акустического способа беспроводной передачи данных измерений,

видиокамеры, датчики для анализа химического состав грунтов и т.д.

В настоящее время электронная измерительная система полностью

встроена внутрь зонда и имеет цифровой выход с передачей информации по

проводам или с использованием беспроводной связи.

Применение метода СРТ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими

традиционными методами (SPT, использование классификационных

показателей, лабораторные испытания) вследствие быстроты проведения

испытаний, возможности их повторения и экономичности.

Эти преимущества приводят к устойчивому росту использования метода

во многих странах мира, в том числе и в России. Основным преимущество

метода является возможность получения в реальном режиме времени

информации о мощности слоев грунта и виде грунта. К недостаткам следует

отнести невозможность проведения испытаний в плотном песке, гравелистых

и твердых глинистых грунтах. Однако основным недостатком данного метода

является необходимость применения корреляционных зависимостей между

результатами зондирования и данными лабораторных испытаний образцов

грунта. Имеющиеся многочисленные корреляции можно применять лишь как

оценочные значения на стадии проектного задания. Данная проблема легко

устранима путем привязки известных корреляционных зависимостей

к региональным инженерно-геологическим условиям. Следует отметить как

недостаток высокую стоимость оборудования, высокие требования к

квалификации оператора, необходимость постоянной калибровки датчиков

и водонасыщение пористых фильтров.

Тензометрический зонд (СРТ) и пьезозонд (CPTu) наиболее часто

применяются на практике вследствие простоты метода испытаний

и экономичности. Возможность быстрого повторения испытаний, а также

возможность анализа большого количества данных и разработки собственных

региональных корреляционных зависимостей также являются

привлекательными для его широкого применения на практике.