При проведении инженерно-геологических исследований специалисты прибегают к методу статического зондирования грунтов, т. к. он по праву считается наиболее эффективным из всех используемых методов.

Его колыбелью считается Голландия, т. к. именно там в 30-х годах 20-го века метод статического зондирования был впервые использован в работе инженерами-геологами.

Позднее эстафету в использовании вышеупомянутого метода переняли такие государства, как Япония, США, Австралия, которые, проводя всяческие геологические работы либо инженерные изыскания, по достоинству оценили этот метод. В связи с освоением нашими специалистами-строителями новых грунтов, считавшимися ранее абсолютно непригодными по причине своей слабости, статическое зондирование стало применяться и в России.

В связи с этим в строительстве специалисты все чаще стали использовать фундаменты из свай. Однако это требовало дополнительных исследований. К примеру, теперь необходимо было рассчитать несущую способность свай и установить свойства грунтов в их естественном залегании.

Самым быстрым, экономным был определен метод статического зондирования. Он помог специалистам решить вопрос целесообразности использования таких фундаментов, а также позволил получить наиболее полные и объективные данные для составления чертежей свайных фундаментов.

Хотя чаще всего данный метод употребляется именно при создании проекта свайного фундамента, но и другие геологические работы зачастую требуют его применения. Он приходит на помощь при получении наиболее полных и достоверных данных о грунте, таких как его мощность, границы распространения, однородность по площади и глубине.

Применение метода статического зондирования сводится к непрерывному вдавливанию в почву с помощью статической нагрузки специального зонда. При проведении испытательных работ применяют различные конструкции установок.

Показатели сопротивления грунта регистрируются непрерывно или с интервалами по глубине погружения зонда. При достижении исследователями установленной ранее глубины погружения испытание прекращают. Инженерные изыскания прерываются также в случае, если применяемое оборудование требует приложения предельных усилий при погружении в грунт.

Работы методом статического зондирования производят специальной установкой, которая осуществляет непрерывное вдавливание зонда в грунт со скоростью 1,2 м/мин. Регистрируют данные о сопротивлении зонда погружению непрерывно либо с шагом менее 0,2 м.

Для проведения данного типа геологических работ применяют установки статического зондирования разных конструкций, но вот зонд в любом случае применяют стандартный. Такой зонд имеет наконечник диаметром 36 мм на штангах, имеющих в диаметре 36 мм, с углом раскрытия 60*. Наконечник зонда снабжен датчиками, регистрирующими сопротивление грунтов, трение их о боковую поверхность зонда, а также отклонение зонда от вертикали при погружении.

Заканчиваются инженерные изыскания по достижении зондом заданной глубины или при достижении максимально возможного для данного типа оборудования усилия.

Весь комплекс работ по проведению инженерных изысканий методом статического зондирования регламентируется двумя основными документами. В первую очередь, это ГОСТ 19912-2001, а также Европейский стандарт от 1977 года.

Наиболее широко метод статического зондирования применяется при проектировании свайных фундаментов для расчета несущей способности забивных и буронабивных свай различного сечения. Статическое зондирование позволяет не только оценить возможность и целесообразность применения свайных фундаментов, но и получить полный объем показателей, необходимых для составления рабочих чертежей свайного фундамента. Применение статического зондирования позволяет во многих случаях минимизировать объем дорогостоящих и трудоемких опытных испытаний свай статической нагрузкой.
Сопротивление конуса в песках и глинистых грунтах отличаются. В глинах и суглинках удельное сопротивление конуса возрастает медленно, равномерно и редко превышает 4-5 МПа. В песках сопротивление конуса увеличивается с глубиной быстро и скачкообразно и составляет более 5-15 МПа. Удельное сопротивление на боковой поверхности зонда в глинистых грунтах значительно больше, чем в песках, что обусловлено большим удельным сцеплением глин и суглинков.
При расшифровке графиков статического зондирования выделяют характерные интервалы с одинаковыми или близкими значениями удельного сопротивления грунта под наконечником и на боковой поверхности.
По данным измерений, полученных в процессе испытания, вычисляют значения удельного сопротивления грунта под конусом зонда и удельного сопротивление на муфте трения зонда, после чего строят графики изменения этих величин по глубине зондирования.
Статическое зондирование выполняется путем непрерывного вдавливания зонда в грунт. Показатели сопротивления грунта регистрируются непрерывно или с интервалами по глубине погружения зонда не более 0,2 м. Скорость погружения зонда в грунт составляет (1,2+-0,3) м/мин. Испытание заканчивают после достижения заданной глубины погружения зонда или достижения предельных усилий для применяемого оборудования. По окончании испытания зонд извлекают из грунта, а скважину тампонируют. Регистрацию показателей сопротивления грунта внедрению зонда производят в журнале испытания, на диаграммной ленте или в блоке памяти системы регистрации.
Зонд установки снабжен тензометрическим наконечником, в котором расположены чувствительные элементы, обеспечивающие, в зависимости от конструкции установки, замер сопротивления грунта конусу зонда, трения по боковой поверхности чувствительной части наконечника и отклонения наконечника зонда от вертикали (с помощью инклинометра).

Статическое зондирование следует применять в сочетании с другими видами инженерно – геологических исследований для:

• выделения инженерно-геологических элементов (мощность, граница распространения грунтов различного состава и состояния);
• определения однородности грунтов по площади и глубине;
• определение глубины залегания кровли крупнообломочных грунтов;
• приближенной количественной оценки характеристик свойств грунтов;
• определение сопротивления грунта под сваей и по ее боковой поверхности;
• определения степени уплотнения и упрочнения во времени искусственно сложенных (насыпных и намывных) грунтов;
• выбора мест расположения опытных площадок для детального изучения физико-механических свойств грунтов.

При проведении инженерно-геологических изысканий под конкретные здания и сооружения зондирование грунтов следует производить в пределах их контуров или на расстоянии от контуров зданий и сооружений не более 5 м.

Для получения сопоставительных данных часть точек необходимо располагать на расстоянии не ближе 25 диаметров зонда от не обсаженной и незаполненной бетоном скважины, в которых производят отбор грунтов для лабораторных исследований и другие виды полевых испытаний грунтов, и не ближе 1 м от ранее выполненного зондирования.

В соответствии с потребностями практики различными фирмами выпускается широкий ассортимент установок, начиная от ручных переносных и кончая установками на трехосных автомобилях и вездеходах.

В результате полевых испытаний грунтов статическим зондированием определено:

• удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда qc (cone resistance), МПа;
• удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда fs (sleeve friction), МПа;
• вычислен показатель Rf (%) = F/Q*100, где F – удельное трение по боковой поверхности зонда, Q – сопротивление внедрению конуса

Тензометрические наконечники с датчиками порового давления (пьезоконусы).

Появившиеся в последние годы наконечники с датчиками порового давления (пьезоконусы) являются перспективным дополнением к обычным установкам зондирования, расширяя возможности оценки грунтов. В установках для измерения порового давления конструкция электрического наконечника обеспечивает измерение сопротивления конуса qс, трения по муфте fs и порового давления и. Применение пьезоконусов началось около 10 лет назад. Исследования с помощью пьезоконусов расширяют и улучшают возможности обычного статического зондирования. Основные преимущества испытаний с пьезоконусом: возможность различать дренированные и недренированные испытания, возможность уточнять замеренное сопротивление конуса на основе учета порового давления и конструкции наконечника, возможность определять консолидационные характеристики грунтов. Эти преимущества позволяют более точно определять характер напластования и вид грунтов, а также их физико-механические характеристики.

Пьезоконус, в дополнение к обычному конусу, имеет следующие основные части для измерения порового давления: пористый фильтр, камеру поровой жидкости и датчик измерения порового давления. Местоположение фильтра на наконечнике до настоящего времени не стандартизировано. В различных конструкциях он располагается: на острие конуса, на теле конуса, непосредственно над основанием конуса, над муфтой трения и т.д.

Фильтр представляет собой кольцевой элемент внешним диаметром 35,6 мм, обычно высотой 5 мм. Изготовляют фильтры из нержавеющей стали, керамики, прокаленной бронзы, карборунда, сцементированного кварцевого песка, пропилена и т.п. Фильтр должен удовлетворять трем, в известной степени противоречивым, требованиям: он должен быть жестким, обладать высокой проницаемостью для жидкости и низкой для воздуха. Размер отверстий фильтров составляет примерно 100 микрометров. Одним из основных требований к фильтрам является их невысокая стоимость, так как после каждого испытания фильтр следует менять, В качестве жидкости, заполняющей камеру, наиболее часто используются силиконовое масло или глицерин (малосжимаемые жидкости).

Поровое давление при зондировании изменяется очень быстро, особенно в частослоистых грунтах, поэтому измеряемое давление имеет динамический характер. Для надежного измерения непрерывно меняющегося порового давления преобразователь должен обеспечить минимальное запаздывание во времени. Преобразователи располагаются на уровне фильтров и находятся поэтому в прямом контакте с поровой водой, поступающей через фильтр. Чувствительность преобразователя измеряется изменением объема поровой жидкости на единицу давления. В показанном на рис. 1 пьезоконусе преобразователь давления имеет чувствительность 0,2 мм на весь диапазон давления от 0 до 2 МПа.

Изготовление и использование пьезоконусов является сложной технической задачей, поэтому, несмотря на получаемые с их помощью дополнительные данные о грунтах, их применение весьма ограничено. Они используются в основном для исследований глинистых грунтов в научных целях, а также при зондировании на шельфе, где усложнение испытания определяется необходимостью получения достоверных данных о грунтах, используемых для проектирования сложных и очень дорогих сооружений. В работе приведен результат опроса 80 специалистов различных стран о применении пьъезоконусов. Из ответов видно, что зондирование пьезоконусом составляет менее 10% общего объема статического зондирования. Исключением являются исследования на шельфе в некоторых странах (Норвегия, Канада), где зондирование пьезоконусом составляет более 80% общего объема статического зондирования.

В основные задачи статического зондирования входит обеспечение исходными инженерно-геологическими данными проектирования и строительства (для выбора типа фундаментов, определения глубины заложения и предварительных размеров фундаментов, выбора несущего слоя грунтов под сваи, определение несущей способности и размеров свай, составления проекта производства земляных работ, контроля разуплотнения грунтов при производстве земляных работ).

Интерпретация результатов статического зондирования

Расшифровку графиков статического зондирования следует производить с выделением характерных интервалов с одинаковыми или близкими значениями удельного сопротивления грунта под наконечником и на участке боковой поверхности.

Многочисленные исследования указывают на то, что соотношение сопротивления муфты трения к лобовому сопротивлению (“пропорция трения”) помогает идентифицировать тип грунта. Этот показатель может варьировать в значительных пределах в зависимости от того, является ли грунт песчаным или глинистым.

Сопротивление конуса в песках и глинистых грунтах резко различны. В то время как в глинах удельное сопротивление конуса возрастает медленно, равномерно и редко превышает 4Мпа, сопротивление конуса в песках, как правило, быстро и зигзагообразно увеличивается с глубиной и составляет более 4 МПа. Эта зигзагообразность объясняется снижением сопротивления при разрушении песчаного основания и последующим увеличением сопротивления конуса погружению. В глинистых грунтах последовательность снижения и восстановления прочности происходит так часто, что не отражается на графике зондирования.

Впечатляет и Скорость, с которой зонд погружается в грунт. И если, скажем, качество полученных данных при бурении напрямую зависит от квалификации и добросовестности оператора буровой установки, который проводит забор проб, метод статического зондирования этот фактор исключает. Все параметры свойств грунтов фиксирует компьютер.

К тому же, статическое зондирование позволяет получать широкий диапазон данных. Например, датчики регистрирует информации неоднородности почв, определяют поровое давление, удельную электропроводность, температуру и т.д. Это позволяет проектировщикам принять верное решение При выборе типа фундаментов и далее провести расчеты несущих способностей как буронабивных, так и забивных свай.

Несомненным преимуществом метода является его экологичность и относительно невысокая стоимость, Погонный метр исследования разреза методом статического зондирования обходится в 4 раза дешевле бурения.

Зондирование можно отнести и к более щадящему методу изучения почв. Особенно это важно при обследовании грунтов в историческом, плотно застроенном центре Петербурга. Бурение десятка скважин по периметру здания 18 века, несомненно, принесет больше вреда, чем зондирование.