книги из ГПНТБ / Трофименков Ю.Г. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов

Подчиненная роль динамическаго зондирования конусом в составе работ, применяемых при инженерно-геологических ис­ следованиях, отмечается и в зарубежной практике изысканий. Так, в книге Г. С англ-ера [16], обобщающей большой опыт изу­ чения грунтов с помощью зондирования -в ряде европейских стран, а также в США и Канаде, отмечается, что применение динамических пенетрометров может быть оправдано только в следующих случаях:

для выбора типа фундамента на стадии разработки пред­ варительного проекта;

для назначения размеров фундамента при отсутствии дан­ ных более детальных исследований (из-за большой стоимости «классических» приемов исследований или когда невозможно отобрать образцы грунтов);

при исследовании отложений, вследствие высокого сопротив­ ления исключающих применение методов испытаний путем статического погружения пенетрометров.

При этом необходимо обратить внимание на то, что испы­ тания грунтов динамическим зондированием конусом за -рубе­ жом имеют меньшее применение, а их методика отличается от принятой в СССР.

В то же время в определенных условиях испытания грунтов динамическим зондированием могут быть весьма эффективным средством, а в некоторых случаях и одним из немногих, при­ годных для исследования условий залегания и свойств грунтов, например при исследовании плотности естественных и искус­ ственно намытых песков, особенно -когда они залегают ниже уровня грунтовых вод.

-Основной задачей, решаемой при испытаниях динамичес­ ким зондированием (при условии, что состав исследуемых грун­ тов по данным бурения не вызывает сомнения), является выяв­ ление в однородных по литологическому составу, главным об­ разом песчаных, отложениях участков, отличающихся как бо­ лее рыхлым, так и более плотным сложением. Простота опы­ тов и быстрота их выполнения позволяет определять границы таких участков (оконтуривать участки) с достаточной степенью детализации.

Не менее важно при этих испытаниях определить положение границ, разделяющих литологические -слои в многослойной толще. Не имея возможности (по финансовым соображениям и срокам окончания изыскательских работ) располагать сква­ жины близко одну от другой, часто на геологических разрезах такие границы показывают весьма условно. .

Применение испытаний грунтов динамическим зондирова­ нием в значительной степени -восполняет этот пробел. Для этого часть точек зондирования-располагают -рядом со скважинами. Выполняя динамическое зондирование в промежутках между скважинами, по характеру погружения зонда определяют

80

границы между сдоями. Это в значительной степени .способст­ вует повышению надежности и достоверности результатов изы­ сканий в тех случаях, когда по условиям строительства грани­ цы между слоями грунтов необходимо наносить на разрезы с высокой точностью (например, при проектировании свайных фундаментов).

Приведенные выше соображения позволяют определить об­ ласть ‘применения испытаний грунтов динамическим зондирова­ нием при условии качественной оценки результатов.

•Допускается по специально’ разработанной* методике при проведении эксперимен­ тальных работ.

81

Сопоставление результатов испытаний грунтов динамичес­ ким зондированием с данными лабораторных исследований позволило установить определенные корреляционные зависимо­ сти между показателями зондирования и некоторыми свойства­ ми грунтов. Однако установление таких зависимостей '(напри­ мер, между числом ударов, затрачиваемых на погружение зон­ да, и плотностью песков) является весьма сложным. Объясня­ ется это тем, что погружение зонда зависит от многих одновре­ менно действующих факторов, а выявление влияния какоголибо одного из них при сохранении постоянства других в естест­ венных условиях сопряжено со значительными трудностями.

Им'Ѳнно поэтому, несмотря на многочисленные в этом на­ правлении работы многих исследователей, некоторые корреля­ ционные зависимости получены только для отдельных разно­ видностей грунтов определенного состава и состояния.

Этим следует объяснить долгое отсутствие единых норма­ тивно-инструктивных документов, регламентирующих методику применения и оценку результатов таких распространенных испытаний, как динамическое зондирование. ‘Нормативно-инст­ руктивная документация на этот вид испытаний ограничива­

лась ведомственными инструкциями, часто носящими противо­ речивый характер.

Первым официальным документом для организаций, выпол­ няющих инженерно-геологические изыскания для строительст­ ва на территории РСФСР, явилась «Инструкция по испытанию грунтов динамическим зондированием конусом» (РСН 32-70 Госстроя РСФСР), составленная на основе опыта в этой обла­ сти Фундамѳнтпроекта и других ведущих изыскательских орга­ низаций. Как отмечено выше, с июля 1973 г. ‘Введены в действие «Указания по зондированию грунтов для строительства» ‘(ОН 448-72 Госстроя ССОР).

В качестве показателя динамического зондирования в СН 448-72 принята величина «условного динамического сопротив- лріния» п„. опцеделяемая по формуле

N — количество ударов в залоге;

h — глубина погружения зонда за залог в см.

Значения коэффициентов k и Ф (для песчаных «аеыщеннңх

82

подхода к использованию результатов испытаний. Однако это использование будет особенно эффективным, если резуль­ таты, получаемые по новой методике оценки, будут сравни­ ваться с результатами, полученными на основании ранее при­ менявшихся методов, отображающих большой опыт испытаний грунтов динамическим зондированием за многие годы его ис­ пользования.

Динамическое зондирование, относящееся к эксперимен­ тальным методам, имеет практическое значение лишь при на­ личии корреляционных зависимостей, установление которых весьма сложно и требует большого количества опытных дан­ ных. Указанное подтверждается приводимыми далее сообра­ жениями по оценке влияния на показатели динамического зон­ дирования некоторых из основных факторов.

первой в ряду факторов, влияющих на показатели динамическо­ го зондирования конусом. Наличие корреляционных зависи­ мостей, связывающих показатели зондирования с плотностью песков, можно видеть в работах /многих авторов. Отметим, что в большинстве случаев для характеристики плотности прини­ мают не пористость, а объемный вес (напомним, что этот пока­ затель помимо пористости зависит также от минералогического состава песков и степени заполнения пор водой) или объемный вес скелета песков.

83

Рис. 37. Характеристики плотности песков различного генезиса по значениям показателя зондирования N

I — рыхлые; II — средней шлотностн; ІИ — плотные

дирования подсчеты по формуле (16) при равных рд .приводят к сильно отличающимся значениям N/h, причем чем плотнее пес­ ки, тем больше это различие.

Данные о плотности сложения песков различной крупности и влажности, определяемые по значениям условного динами­ ческого сопротивления (по ОН 448-72), приведены в табл. 17.

Показатели зондирования, определяющие плотности песков, изменяются, по-видимому, в большей степени для коренных песков. Так, в работе [13] приводятся результаты испытаний динамическим зондированием конусом нижнемеловых песков на одной из площадок Рязани. Эти пески, характеризующиеся средней плотностью (по данным лабораторных определений на образцах, отобранных режущим кольцом), в то же время обла-

84

дают чрезвычайно высокими значениями показателей зондиро­ вания: на 10 см погружения зонда приходилось затрачивать

личными значениями показателей зондирования. Это объясня­ ется разными условиями их формирования и залегания, различ­ ными степенью упрочнения, размером и формой зерен, сте­ пенью водонасьгщения и т, и.

Корреляционные зависимости между значениями показателя зондирования N и плотностью сложения песков показаны на рис.' 38. На этом рисунке линиями / и II обозначены зависимо­ сти между значениями N и объемным весом скелета песков, заимствованные из [7, 13], а линией III — между значениями <Ѵ и объемным весом песков в естественном'состоянии, заимство­ ванные из {4]. Графики / и II показывают, что и пески.одного генезиса (в данном случае аллювиальные) при одной и :той же плотности могут иметь значения показателя зондирования, от­ личающиеся примерно в 2 раза.

85

Приведенное выше позволяет согласиться о теми авторами, которые ів общем (комплексе изыскательских работ испытаниям динамическим зондированием конусом отводят роль вспомога­ тельнаго метода для качественной оценки плотности песков.

Рис. 38. Зависимости показателя зондирования N от плотности сложения 'песков

/ — // — объемный вес скелета аллю­

виальных песков соответственно волж­ ских и днепровских; /// — объемный вес флювногляцнальных песков в ес­ тественном состоянии

Что же касается использования результатов этого метода для количественной оценки плотности песков, то здесь оно возмож­ но, по-видимому, лишь для строительных площадок с хорошо изученными условиями.

Влажность и степень насыщения песков водой

Влияние на показатели зондирования содержащейся в песке воды следует рассматривать для двух возможных состояний, определяемых положением уровня подземных вод и характери­ зуемых значением относительной влажности:

а) состояния полного насыщения песка водой при положе­ нии уровня (подземных вод выше участка зондирования (водонасыщенные іпеоки е относительной влажностью, равной 1);

б) состояния неполного насыщения песка водой при поло­ жении уровня подземных вод ниже участка зондирования (влажные пески е относительной влажностью меньше 1).

Влияние на показатели динамического зондирования кону­ сом содержания воды в большей степени изучено для водонасыщен.ных песков и в значительно меньшей для песков различ­ ной влажности. Большинство авторов едины в мнении о том, что водонасыщенные пески по сравнению с влажными песками од­ ной и той же плотности оказывают меньшее сопротивление по­ гружению зонда при его забивке. Однако степень влияния водонаеыщения на изменение показателей зондирования различны­ ми авторами оценивается по-разному.

86

Лески, характеризуемые рыхлым сложением, в состоянии водойасыщѳния значительно уменьшают сопротивление забивке зонда. Некоторые исследователи [4, 7] оценивают это уменьше­ ние на 30—40% и даже вдвое.

По мере увеличения плотности влияние водонасыщеяия на сопротивление забивке зонда оказывается в меньшей степени. Плотные пески оказывают практически одинаковое сопротивле­ ние, независимо от того, выполняется зондирование выше или ниже уровня подземных вод.

Ввиду отсутствия достаточного опыта ответить на вопросы о влиянии на показатели зондирования гидравлического состоя­ ния водоносных горизонтов, а также величин давлений гидро­ статического и в поровой воде в настоящее время не представ­ ляется возможным. При оценке результатов испытаний грунтов динамическим зондированием конусом влияние этих факторов, так же как и влажность иаводонасыщенных песков, принято не учитывать.

Однако уже сейчас можно сослаться на отдельные публика­ ции, содержащие сведения по количественной оценке влияния некоторых из этих факторов [13].

Гранулометрический состав и форма зерен

Очевидно, что гранулометрический состав песков не может не влиять на результаты испытаний динамическим зондирова­ нием конусом. Убеждает в этом сравнение между собой графи­ ков, относящихся к пескам, однородным по гранулометрическо­ му составу, и к -неоднородным пескам, содержащим крупные включения. Первые из них отображают стабильные значения по всей глубине исследуемой толщи; вторые обычно характери­ зуются наличием пик, являющихся следствием тех сопротивле­ ний, которые оказывают забивке зонда крупные включения.

Естественно, что различие в результатах зондирования пес­ ков, близких по гранулометрическому составу, менее заметно (например, между песками крупными и средней крупности, средней крупности и мелкими и т. д.). Этим, по-шидимому, сле­ дует объяснить мнение многих исследователей о том, что гра­ нулометрический состав не оказывает влияния на показатели зондирования, по крайней мерепри сравнении результатов испытаний песков равной плотности -от мелкодо среднезер­ нистых и даже от мелкодо крупнозернистых [3].

Однако большой опыт применения динамического зондиро­ вания позволил уже при разработке некоторых ведомственных инструкций, а впоследствии при выпуске РОН 32-70 и ОН 448-72 разграничить показатели зондирования для песков крупных, средней -крупности и мелких.

87

Рис. 39...Номограмма для определе­ ния угла внутреннего трения по по­ казателю динамического 'зо'ндиров'а-

■ н и я

В настоящее время отсут­ ствуют экспериментальные данные по определению влия­ ния на показатели зондирова­ ния формы, окатанностп и ше­ роховатости поверхности зерен песка. В этих вопросах авторы не располагают достаточным экспериментальным материа­

лом, так же как не имеют оснований указать на чей-либо опыт, и могут только присоединиться к тому мнению, которым пред­ положительно утверждается наличие такого влияния.

Количественная сторона 'рассматриваемого вопроса может быть оценена с учетом следующих соображений.

Известно, что в зернистых (несвязных) грунтах с увеличе­ нием количества крупных включений и уменьшением степени окатанноети зерен при прочих равных условиях (плотности, влажности и т. д.) возрастает угол внутреннего трения. Для песков средних по' крупности, однородности и плотности угол внутреннего трения в зависимости от окатанноети зерен может изменяться в широких пределах: 27° (очень хорошо окатанные зерна) и 33° (плохо окатанные зерна) [9].

Эти же данные показывают, что крупность зерен несвязных грунтов на величину угла внутреннего трения влияет в мень­ шей степени.

Сложность вопроса и влияние на его ответ многих одно­ временно действующих факторов затрудняет разработку стро­ гих и точных зависимостей между значениями угла внутреннего трения ер песчаных грунтов и показателями динамического зон­ дирования.

Однако трудности, связанные с отбором образцов песка не­ нарушенной структуры для определения ф традиционными спо­ собами, делают целесообразным использовать результаты ис­ пытаний грунтов динамическим зондированием хотя 'бы для ориентировочной оценки значений угла внутреннего трения.

На рис. 39, заимствованном из РСН 32-70, приведена номо­ грамма для определения угла внутреннего трения по данным динамического зондирования в песках средней крупности.

Значения угла внутреннего трения, по данным СН 448-72, для песков различной крупности в зависимости от удельного динамического сопротивления приведены в табл. 18. •

88

грунт его боковой поверхности. Однако этим влияние глубины забивки зонда на результаты испытаний может не ограни­ читься, если учитывать изменение величины природного (быто­ вого) давления.

По мере заглубления зонда природное давление на уровне

1.9кгс/см2, а на глубине 15 м

вподошве суглинка—2,925 кгс) /см2; в толще водонасыщенно­ го песка (с учетом взвешиваю­

щего действия воды) природ­ ное давление на уровне кров­ ли суглинка составляет

1.09кгс/см2, а на глубине 15 м

втолще суглинка (с учетом веса столба воды над водоупо-

ром) — 2,765 кгс/см2.

Рис. 40. Эпюра ’бытового давления

89