Для определения состава грунта, его несущей способности, наиболее эффективного исследования земного пласта в естественных условиях залегания используется статическое зондирование. Глубина опускания зонда соответствует 10 м, но допускается меньшая, если пласт коренных почвенных пород проходит близко к поверхности. При неглубоком залегании плотных грунтов, их несвязной консистенции или глинистых породах разрешается опускать исследовательский зонд только на глубину 5 м. Для того чтобы определить, что под зондовым конусом располагается слой достаточной мощности, бурят одну скважину. По ее изучениям определяют нужную глубину зондирования.
Исследовательские цели зондирования грунта
ГОСТ 20069-1974 содержит нормативы и правила статического зондирования.
Процедура производится для выявления:
- характеристики геологического элемента в условиях естественного залегания (мощности слоя, границы определенного участка грунта, состава и состояния на момент исследования);
- границ однородных пластов по глубине и площади распространения;
- глубины залегания верхней границы мощных скальных грунтов, крупнообломочных почвенных пластов;
- статические испытания приблизительно оценивают физико-механические свойства земли;
- определяется предел сопротивляемости, боковое сопротивление грунта под зондом;
- для искусственно насыпанных грунтов проводится исследование степени уплотнения.
Суть процедуры
Статическое зондирование грунтов производится для определения механических и физических свойств почвенного слоя, поэтому в результате получают нормативные характеристики почвы. При обработке данных исследования вначале определяют среднее арифметическое показание по результатам одного опускания зонда для выяснения характеристик слоя. Для окончательного результата сопоставляют средние показатели по всем произведенным точкам зондирования на выбранной площадке.
Процесс исследования осуществляется циклами, которые содержат следующие операционные процедуры:
- выполняется постепенное равномерное вдавливание стержня с периодической фиксацией показаний физических и механических свойств почвы приблизительно через 20 см;
- производится запись на диаграммных автоматических лентах всех показаний исследования грунта;
- для наращивания последующего штангового участка поднимается шток домкрата;
- статическое зондирование оканчивается при достижении прибором искомой выбранной глубины или максимальных нагрузок на конус зонда.
Общие вопросы по зондированию
При опускании зонда показания сопротивления почвенных слоев снимают под наконечником прибора и на боковых его стенках. Метод статического исследования применяют как самостоятельное испытание или сочетают с другими инженерными и геологическими определениями характеристик почвы. В процессе исследований получают значения толщины каждого слоя, выявляют образовавшиеся линзы грунта, границы расположения различных типов почв, поводят оценку их текущего состояния.
Все эти усредненные показатели используют для определения возможности забивки свай, расчета глубины их опускания в грунт, выводят данные для установления предельной глубины свайного основания, находят оптимальные места для расположения исследовательских площадок.
После проведения полевых исследований статическим исследованием грунта получают такие данные:
- об удельном сопротивлении почвы под острием конуса, выражаемом в МПа (кгс/см2);
- о сопротивлении земляного слоя на боковой стороне муфты конуса, единица измерения - кн.
Результаты статического зондирования получаются достоверными, если проведение работ проходит по заранее утвержденному плану и оформленному по всем правилам заданию на осуществление геологических и инженерных испытаний.
Оборудование для зондирования грунта
Установка, применяемая для проведения испытания, состоит из следующих частей:
- наконечник и штанга, вместе образующие зондирующее устройство;
- устройство по типу домкрата, предназначенное для вдавливания наконечника в грунт, и приспособление, извлекающее зонд;
- для опирания установки - статически уравновешенная станина, закрепленная анкерами;
- измерительные и считывающие устройства с возможностью фиксации на гибком носителе.
Зонды с наконечниками используются трех распространенных типов. Первый вид наконечника состоит из кожуха и самого конуса. Второй тип зонда оснащен наконечником из муфты трения конусной формы. Третий наконечник имеет в комплекте муфту трения, конус и расширитель. Метод статического зондирования требует, чтобы, несмотря на применяемую конструкцию зонда, его основание по площади соответствовало 10 см2. Угол при конусной вершине составляет 60º.
По технологии требуется, чтобы диаметр муфты снаружи был равен этому показателю основания корпуса, а ее длина составляла 31 см. Диаметр штанги снаружи - 36 см для зонда 1-го типа, а два вторых вида допускают диаметр до 55 см. Принимается этот размер исходя из технологических расчетов.
Подготовительные работы
По эксплуатационной инструкции, которая выдается изготовителем при покупке машины, проводят периодическое испытание оборудования и его проверку. Работоспособность определяют после покупки установки и перед ее использованием на полигоне. Испытание проводят не реже одного раза в три месяца, а также обязательно после ремонта и замены любой из запчастей. Полученные результаты проверки оформляют соответствующим актом.
Установка статического зондирования постоянно подвергается износу, происходит частичная потеря прямолинейности штанги, поэтому через каждые 15-20 точек погружения собирают звенья в участок не менее 3 м и проверяют прямую линию. Отклонения допускаются не более 5 мм по всей длине. Проверка касается и высоты наконечника зонда, которая не допускает уменьшения длины более чем на 5 мм.
При разметке точек погружения используют геодезические нивелиры и теодолиты, на отмеченных местах выставляют маяки по высоте и вертикали. После проведения статического зондирования повторно проверяют правильность расположения точек. Если из-за геологических особенностей местности не устанавливаются маяки, то делают планировку грунта для улучшения условий. Мачта зондирования не отклоняется более 5º, иначе результаты считаются спорными.
Проведение зондирования
Статическое зондирование выполняется в соответствии с порядком, предусмотренным в инструкции по эксплуатации полевых установок. Полученные результаты обязательно через периодические промежутки фиксируются на гибкой ленте при скорости вдавливания 1 м в минуту. Погружение считается оконченным, если на зонд оказывается давление заданной величины.
Помимо гибкого носителя результаты проведенных испытаний записываются в специальные журналы. Скважину после работы тампонируют землей и помечают знаком, на котором стоят данные испытательной точки и наименование организации, проводившей процедуру. В обязательном порядке восстанавливают грунт, поврежденный в процессе работ.
Обработка полученных данных
Все полученные характеристики грунта оформляют в виде наглядных графиков, где по глубине отметок зондирования изменяются показания. Для построения используют диаграммные ленты или данные записей в журнале зондирования. Все графики выполняют в одном масштабе, его изменение разрешается при сохранении соотношения между вертикальными и горизонтальными координатами. Если рядом расположены горные выработки, то их показывают на графике отдельными линиями.
Классификация и виды грунтов
Подземные грунты разнообразны по химическому составу, кристаллической структуре и характеру расположения в слое. Подразделение грунтов производится согласно СНиП II-15-1974 ч. 2.
Скальные грунты представляют собой жесткие почвенные отложения, залегающие плотным массивом, иногда допускаются трещиноватые участки. К ним относятся магматические породы (граниты), осадочные отложения (конгломераты, песчаный грунт), метаморфические слои (сланцы, гнейсы, кварциты). Почвенные образования подобного типа отличаются большой прочностью при сжатии, хорошо сопротивляются замерзанию, являются отличным основанием под строительство.
Если скальные грунты характеризуются наличием трещин, то их показатели ухудшаются в плане промерзания и прочности. Такую почву делят на группы, определяемые по содержанию солей, способности к размягчению и растворимости в воде.
Нескальные грунты образовываются осадочным способом в природных условиях и не содержат в своей решетке жестких структурных связей. В зависимости от размера частиц их делят на крупнообломочный, песчаный грунт, глинисто-пылеватые и биогенные скопления.
Характеристика крупнообломочных грунтов
К ним относятся несвязанные куски горных образований, в которых преобладают обломки величиной до 2 мм, и их содержится в массе не более 50%. По форме и величине гранул различают такие виды грунтов: валунный, глыбовый, щебенистый, галечниковый, гравийный и дресвяный. Считаются отличным основанием для тяжелых строительных и механических конструкций, если располагаются на предшествующем плотном слое. Сжимание под действием нагрузки отмечается незначительное. Хорошо если в общей массе почвы содержится до 40% песка или глинистого и пылевого заполнения, что дает дополнительные прочностные характеристики.
Показатели песчаных грунтов
В своем составе эти типы грунтов содержат минеральные частицы и зерна кварцита крупностью не более 2 мм. Глинистых составляющих - не более 3%, что приводит к утере пластичности. В зависимости от крупности зерна песчаные грунты делят на виды:
- пыль составляют крупицы диаметром от 0,05 до 0,005 мм;
- мелка фракция диаметром более 0,1 мм;
- средняя крупность диаметром более 0,25 мм;
- крупный диаметр частиц составляет 0,5 мм и больше;
- гравелистый вид содержит в составе вкрапления диаметром больше 2 мм.
Несущая способность песчаного основания повышается с увеличением крупности зерен. Непластичные песчаные грунты обладают невысокой степенью сжатия, после начала действия нагрузки осадка быстро прекращается. Крупнозернистые виды песчаных грунтов в процессе нагрузки повышают плотность и, соответственно, прочность.
Такие типы грунтов, как песчаные с добавлением глины, в некоторых случаях проявляют способность к просадке и набуханию. Первая возникает под действием собственного веса и намачивания, второй увеличивает объем грунта, а при высыхании он уменьшается, что приводит к трещинам и потере прочности.
Глинистые породы
Грунты, относящиеся к глинистым видам, содержат в своем составе мелкие чешуйчатые частицы диаметром не более 0,005 мм. Допускается вкрапление небольшого числа пылеватых песчаных зерен. Глинистый грунт относится к пучинистым породам, так как тонкие капилляры и большие плоскости между частицами для содержания влаги приводят к быстрому насыщению водой, что разрушает целостность пласта при действии заморозков. Глинистые грунты делят на следующие:
- глины - содержат глинистых чешуек более 30%;
- суглинки - количество чешуек уменьшается до 10-30%;
- супеси характеризуются соедржанием от 3 до 10% чешуек.
Глинистые виды грунтов меняют прочность в зависимости от влажности. Сухие выдерживают значительную нагрузку. От содержания глинистых частиц зависит показатель пластичности и текучести.
Плывуны
Основания, которые при вскрытии начинают двигаться, проявляя большую текучесть и вязкость, называют плывунами. В их состав входят песчаная пыль, глинистые чешуйчатые частицы, илистые добавки. Плывуны содержат много влаги, которая приводит массу в почти жидкое состояние. Грунты такого состава делятся на истинные плывуны и нетрадиционные. Первые в составе содержат много глины и коллоидных вкраплений, характеризующихся быстрым насыщением и плохой влагоотдачей. Их оплывание происходит при содержании влаги в количестве 6-9%, переход в текучее состояние наблюдается после добавления влаги в количестве 15-17%.
К нетрадиционным плывунам относят песчаные пласты, не содержащие глины. Эти грунты отличаются высоким восприятием влаги и способностью быстро отдавать ее. Переходят в текущее состояние, и такие свойства грунтов делают их применение в строительстве невозможным.
Механические и физические характеристики
Важным показателем является гранулометрический состав, который позволяет выяснить, сколько в процентном отношении частиц содержится в массе. К стандартизированным частицам, пригодным для выявления, относят зерна: 40 мм - галька, от 0,25 до 2 мм - песок, 0,05-0,25 мм - пыль, 0,005-0,05 мм - пылевые частицы, до 0,005 мм - глинистые чешуйки.
Объемный вес показывает, сколько весит один кубический метр грунта, для разных пород он составляет от 1,5 до 2,0 т на 1 м3. Коэффициент пористости выявляет отношение общего числа пор ко всему объему грунта. Показатель влажности определяет отношение массы содержащейся влаги к весу этого же объема в сухом состоянии.
Показатель связности позволяет выявить способность мелких зерен и частиц оставаться в целостном виде при нагрузке. Глинистые грунты имеют наивысший показатель, у песчаных пластов взаимное сцепление частиц полностью отсутствует.
Пластичностью называют свойство породы изменять форму под действием нагрузки и оставаться в неизменном виде после ее удаления. Наивысший показатель - у глинистых пород, наименьшие значения проявляют пески и гравелистые основания.
Статическое зондирование выявляет показатель прочности исследуемого слоя. Прочностью называется способность оставаться в неразрушенном состоянии при воздействии нагрузки.
Важной характеристикой породы является сопротивляемость сдвигу. Перемещение одного слоя относительно другого происходит по определенным плоскостям скольжения. При действии нагрузки частицы сопротивляются сдвигу, величина сцепления и образует искомый показатель.
Вечная мерзлота
Подземные воды образуют не только скопления жидкости внутри пластов, но и твердое образование льда. Вечной мерзлотой называют криолитовые области, состоящие из ледяных наслоений. Они образуются в горах, на поверхности равнин с большой степенью минерализации и под землей. Многолетняя мерзлота формируется в областях с постоянными тектоническими замещениями горизонтов влажными породами или в результате промерзания ранее накопившейся жидкости в подземных слоях.
Почти во всех районах мерзлоты встречаются миграционные ледяные скопления. Замерзшая в результате многих лет порода является результатом продолжительного накопления холода в массе подземных пластов. Многие исследователи говорят о ее многовековом существовании еще с давних времен. В результате устоявшегося сурового климата в местах, где располагается многолетняя мерзлота, разрушение ледяных пластов не предвидится, если не нарушается природное равновесие в результате деятельности человека. При использовании в качестве основания для строительства пластов с мерзлыми грунтами обращают внимание на бережное отношение к целостности поверхности, в противном случае может произойти нарушение устоявшегося равновесия.
Линзы в грунте и глубина промерзания
Вечная мерзлота развивается неодинаково в пределах обширной территории. Иногда встречаются отдельные пятна, а порой целые области без перерыва составляет мерзлота. Исследования слоя талого грунта не всегда определяют наличие в нем линз – замерзших участков ледяного скопления. Если здание строится в области талого грунта и была пропущена линза, а оно частично располагается над ней, то тепло от конструкции во время эксплуатации растапливает ледяное скопление, и создаются непрогнозируемые просадки или оползни.
Иногда ледяные линзы формируются искусственно в результате нарушения естественного теплообмена между поверхностью грунта и глубинами.
Законсервированный в глубине лед вспучивается при повышении температуры, деформируя грунт. На прочность основания влияют не только отдельные ледяные линзы, но и природная глубина промерзания грунта. Показатель рассчитывается для наиболее холодного периода в данной местности. При этом в расчет закладывается максимальная влажность породы и условия отсутствия снега на поверхности.
Глубина промерзания учитывается при закладке основания под строительство зданий и сооружений, при этом подошва фундамента заглубляется ниже принятой отметки промерзания. В расчете получается показатель, который несколько превышает реальную глубину промерзания. Его принимают за основу, так как расчет ведется на те случаи, когда стечение обстоятельств приводит к наихудшим условиям эксплуатации.
В заключение следует отметить, что исследование почвенных пластов методом статического зондирования помогает расширять области обитания человека за счет зоны вечной мерзлоты и крайней Сибири, строить там современные поселки и перерабатывающие комбинаты.