а) выделения инженерно-геологических элементов (толщины слоев и линз, границ распространения грунтов различного состава и состояния);
б) оценки пространственной изменчивости состава и свойств грунтов;
в) определения глубины залегания кровли скальных и крупнообломочных грунтов;
г) количественной оценки характеристик физико-механических свойств грунтов (плотности, модуля деформации, угла внутреннего трения и сцепления грунтов и др.);
д) определения степени уплотнения и упрочнения грунтов во времени;
е) выбора мест расположения опытных площадок и отбора образцов грунтов для детального исследования.
Количественная оценка характеристик физико-механических свойств грунтов, следует проводится на основе статистически обоснованных зависимостей между показателями сопротивления грунта внедрению зонда и результатами определения характеристик другими стандартными методами [5].
Несмотря на вышеизложенное, методы обладают рядом существенных недостатков:
- поскольку усилие вдавливания прикладывается на конце зонда, длинные штанги, погруженные в грунт, могут искривляться и терять устойчивость, искажая результаты испытаний. При погружении зонда в грунт на большую глубину часто наблюдается его отклонение от вертикали. При достижении определенной величины отклонения, не удается извлечь зонд на поверхность без повреждения;
- метод статического зондирования трудно применить при испытании
плотных песчаных и глинистых грунтов твердой консистенции, из-за больших значений усилий вдавливания, что требует применения установок большой грузоподъемности или их анкеровки;
- при проведении динамических испытаний не вся энергия, приложенная к наковальне, передается на зонд. Значительная часть энергии поглощается грунтом, некоторая рассеивается при деформации штанг, молота, наковальни, тросов системы подъема-сброса и т.д. Фактически теряется от 30 и более процентов энергии в зависимости от типа оборудования. Это заставляет для интерпретации опытных данных прибегать к использованию поправочных коэффициентов.
Поскольку при экспресс-оценке механических свойств грунтов с помощью зондирования используются корреляционные зависимости, для устранения вышеизложенных недостатков можно было бы предложить метод испытаний, при котором вертикальная нагрузка на зонд была не вдавливающей, а выдергивающей. Тогда проблемы, связанные с потерей энергии и потерей устойчивости штанг будет решена.
Ниже предлагается разработанный в лаборатории геомеханики ИПРИМ РАН новый способ экспресс определения механических свойств грунтов, реализуемый в ходе ручного бурения буром геолога. Предлагаемый способ имеет некоторое сходство со способом испытания скальных грунтов путем выдергивания анкеров. Способ реализуется путем выдергивания буровых шнеков с разным углом атаки винтовых витков [6]. Перед испытанием шнеки завинчиваются в массив грунт поступательно-вращательным движением для того, чтобы минимизировать нарушение структуры грунта, после чего производится выдергивание шнека, со срезом грунта по цилиндрической поверхности. За счет различных углов атаки шнеков в массиве грунта действуют различные радиальные сжимающие и касательные нагрузки, что позволяет построить график зависимости предельных касательных напряжений от нормальных (рис. 1).
Таким образом, для раздельного определения угла внутреннего трения (φ) и удельного сцепления (c) необходимо провести два испытания используя штоки с различными углами атаки лопастей.
Данный метод можно применять для экспресс-оценки прочностных свойств грунтов по глубине массива непосредственно в процессе бурения легкими установками с минимальными подготовительными работами и на различной глубине (рис. 2).
Предлагаемый метод обладает, по сравнению со статическим и динамическим зондированием следующими преимуществами:
- способ позволяет одновременно производить и бурение, и оценку механических характеристик массива грунта по глубине, при этом время практически не увеличивается;
- нет потерь энергии удара и потери устойчивости штанг, за счет того, что к шнеку прикладывается не сжимающая, а растягивающая нагрузка;
- нет отклонения от вертикали, что часто бывает при статическом и динамическом зондировании;
- испытания по предлагаемому методу можно производить в режиме ползучести – релаксации, что дает дополнительные возможности по оценке механических, в том числе реологических, свойств грунтов.
К сожалению, по величине выдергивающего усилия нельзя непосредственно определить сразу параметры прочности, ввиду сложности теоретического решения задачи. Для определения параметров механических свойств необходимо, как и при зондировании, использовать корреляционные зависимости.
Вывод
Представляется, что данная разработка может быть с хорошим эффектом внедрена в практику инженерных изысканий.
Литература
1. Трофименков Ю.Г., Воробков Л.Н. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Стройиздат, 1981. – 215 с., ил.
2. Болдырев, Г.Г. Полевые методы испытаний грунтов (В вопросах и ответах). Саратов: Издательский центр «РАТА», 2013. С. 356.
3. Ребрик Б.М., Вишневский В.Ф. Вишневский Ударно-вибрационное зондирование грунтов. М: Стройиздат, 1979. - 87 с.: ил.
4. ГОСТ 19912—2012. МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ. СТАНДАРТ. ГРУНТЫ Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием.
5. Болдырев Г.Г., Мельников А.В., Новичков Г.А. Интерпретация результатов полевых испытаний с целью определения деформационных характеристик грунтов // Инженерные изыскания, 2014, №5-6. С. 66-77.
6. Королев М.В. Системные инновации в методах исследования механических свойств грунтов / М.В. Королев; М-во образования и науки Рос. Федерации, ФГБУН Институт прикладной механики Российской академии наук. – М. ФГБУН ИПРИМ РАН: ООО «САМ Полиграфист», 2018. – 376 с., илл.
Статью подготовил:
Начальник Лаборатории испытаний конструктивных слоев дорожных одежд и
грунтов ГБУ "ЦЭИИС" Куцевич О.И.