Динамическое зондирование

Специалистам, занимающимся инженерно-геологическими изысканиями, хорошо известно, что при бурении скважин отобрать образец песчаного грунта ненарушенного строения, особенно находящегося ниже уровня грунтовых вод, является сложной, трудоемкой, а иногда практически невыполнимой задачей.

Этим следует объяснить частое отсутствие в отчетах о выполненных инженерно-геологических изысканиях данных о плотности сложения пройденных скважинами песчаных грунтов. В большинстве случаев оценка плотности песков дается по косвенным показателям, например по характеру сопротивления песков внедрению буровых наконечников, что носит условный и, конечно, субъективный характер. Поэтому, располагая лишь данными о гранулометрического составе и некоторых других физических характеристиках песчаных грунтов, проектировщики лишены возможности оценивать плотность сложения песков и их механические свойства. Естественно, что такое положение не могло удовлетворить проектные и изыскательские организации и потребовало от них разработки способа оценки плотности песчаных грунтов в состоянии естественного залегания как при бурении скважины, так и без их бурения.

Второстепенная роль динамического зондирования в составе инженерно-геологических исследований отмечается и в зарубежной практике изысканий в ряде европейских стран, а также США и Канаде. Здесь необходимо отметить, что испытания грунтов динамическим зондированием за рубежом имеют меньшее применение, а их методика отличается от принятой в нашей стране. В то же время в определенных условиях испытания грунтов динамическим зондированием могут быть весьма эффективными, а в некоторых случаях и единственно пригодными для исследования условий залегания и свойств грунтов, например при исследовании плотности естественных и искусственно намытых песков, особенно когда они залегают ниже уровня грунтовых вод. Особенно остро необходимость оценки плотности сложения песчаных грунтов возникает при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений (плотин, шлюзов, зданий ГЭС) в условиях равнинных рек.

Основной задачей, решаемой при испытаниях грунтов динамическим зондированием (при условии, что состав исследуемых грунтов по данным бурения не вызывает сомнения), является выявление в однородных по литологическому составу, главным образом песчаных, отложениях участков, отличающихся как более рыхлым, так и более плотным сложением. Простота опытов и быстрота их выполнения позволяют 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 располагать скважины близко одну от другой, часто на геологических разрезах такие границы показывают весьма условно. С помощью этого метода можно расчленить разрез пород на слои, отличающиеся сопротивлением динамической пенетрации с высокой точностью (до 0,05 м). Для этого часть точек зондирования располагают рядом со скважинами. Выполняя динамическое зондирование в промежутках между скважинами, по характеру погружения зонда определяют границы между слоями. Это в значительной степени способствует повышению надежности и достоверности результатов изысканий в тех случаях, когда по условиям строительства границы между слоями грунтов необходимо наносить на разрезы с высокой точностью (например, при проектировании свайных фундаментов).

Динамическое зондирование предназначено для исследования песчано-глинистых пород, содержащих не более 40% крупнообломочного материала, на глубину до 20 м.

Динамическое зондирование конусом заключается в забивке (ударами молота) в грунт зонда, представляющего собой колонну штанг и наконечник, падающего с фиксированной высоты. Диаметр основания конуса обычно больше диаметра штанг. В России чаще всего используют зонд со штангами диаметром 42 мм и коническим наконечником (угол раскрытия конуса 60o) диаметром 74 мм.

Глубину погружения (забивки) зонда S от определенного числа ударов (залога) и числа ударов n , затрачиваемых на интервал погружения зонда (обычно 10 см), принято называть показателями зондирования.

При забивке зонда фиксируют число ударов и глубину погружения зонда от одного залога, который устанавливают в зависимости от сопротивления грунта. Сопротивление, оказываемое грунтом зонду, называется динамическим сопротивлением пенетрации. Оно включает сопротивление грунта прониканию и силу трения по боковой поверхности зонда (между грунтом и штангами).

Динамическое сопротивление пенетрации выражают в виде относительной величины, числа стандартных ударов на 10 см погружения зонда,

В процессе зондирования, с увеличением глубины испытаний, увеличиваются масса зонда (навинчивание новых штанг) и трение по боковой поверхности зонда. Вследствие этого в величину N вносится поправка N1 = N · k , где N1 – исправленный показатель динамической пенетрации, k – коэффициент, учитывающий приращение массы зонда и трение между зондом и стенками зондировочной скважины.

Интенсивность динамического сопротивления пенетрации, т.е. сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения зонда, называется удельным динамическим сопротивлением пенетрации (ω).

где P – вес молота,

Q – вес зонда,

Н – высота падения молота,

А – площадь поперечного сечения наконечника зонда,

F – трение по боковой поверхности зонда (учитывается при зондировании пластичных глинистых и водонасыщенных песчаных грунтов),

S – осадка от залога,

n – число ударов в залоге.

При небольшой глубине зондирования (до 7 м) и при отсутствии трения по боковой поверхности

Условное динамическое сопротивление подсчитывают по формуле:

где k – коэффициент учета потерь энергии при ударе молота,

А – удельная кинетическая энергия падающего молота,

Ф – коэффициент, учитывающий потери энергии на трение штанг о грунт.

Величины k , А, Ф определяют по таблице в зависимости от типа оборудования (легкое, основное, тяжелое), интервала глубины зондирования и типа грунтов (песчаные, глинистые).

Результаты динамического зондирования представляют в виде графиков: зависимости показателя зондирования N , ω, рд от глубины ξз . По показателям динамического зондирования можно определять приближенные значения показателей свойств.