Статическое зондирование в инженерных изысканиях

Трудно себе представить современные инженерно-геологические изыскания для строительства без применения статического зондирования.

Технический прогресс в области техники и технологии зондирования носит всеобъемлющий характер (многофункциональные пенетрационно-буровые установки, зонды, программное обеспечение).

Ни один из полевых методов исследования строения грунтовых массивов, состояния и свойств грунтов не дает такой разносторонней и комплексной информации, информации, которая позволяет инженеру-геологу, с одной стороны, понять и объяснить неоднородность геологической среды, а с другой – предложить обобщенные модели поведения грунтов для решения различных геотехнических задач. Эти обстоятельства заставляют многие организации применять в изысканиях самую совершенную зондировочную технику и соответствующие технологии, обычно приобретаемые за рубежом. К сожалению, отечественная промышленность еще не доросла до понимания важности и скрытых инновационных возможностей развития соответствующих производств для обширного российского рынка. Однако можно предположить, что эта сторона проблемы – вопрос времени, в течение которого технологии зондирования все шире будут внедряться в процесс изысканий и доминировать среди других полевых методов. Наряду с технологическими вопросами, не менее злободневно стоит проблема интерпретации результатов зондирования. В настоящее время интерпретация материалов зондирования в большинстве случаев носит крайне ограниченный характер. В простейшем случае это подтверждение деления геологического разреза на инженерно-геологические элементы, обычно устанавливаемые на основе бурения разведочных скважин, в лучшем – выход на некоторые нормативные эмпирические коррелятивные зависимости между параметрами зондирования и показателями физико-механических свойств. Несколько лучше обстоит дело с использованием результатов зондирования для определения несущей способности свай. Однако вопрос о том, в какой мере при этом использовать замеры боковых сопротивлений по муфте трения остается открытым. В большинстве случаев расчет ведется по указаниям СНиП 2.02.03-85 (п. 5.11), в Петербурге со ссылкой на рекомендации ТСН 50-302-2004. Однако в этих расчетах часто неоправданно используется понижающий коэффициент 1.25, называемый коэффициентом надежности. При наличии не менее шести точек зондирования данный коэффициент следует рассчитывать на основе реального коэффициента вариации выполненных расчетов, что в большинстве случаев существенно увеличивает расчетные величины [1].

При интерпретации материалов зондирования почти никогда не рассматриваются теоретические представления отечественных и зарубежных авторов о самой модели процесса зондирования. В текущей отечественной периодике, посвященной инженерным изысканиям, вообще не видно современных работ, связанных с развитием метода статического зондирования. Хуже того, постоянно возникают инсинуации по поводу якобы весьма ограниченных возможностей данного метода, и культивируется его использование только в рамках устаревших и во многом ошибочных ГОСТ 19912 и интерпретационных таблиц СП 11-105-97. Кроме того, существует реальная опасность закрепления такого положения в новых актуализированных нормативных документах.

Между тем в технологически развитых странах именно статическое зондирование стало ведущим методом исследования грунтов in-situ, ему посвящаются самые серьезные теоретические разработки и практические обобщения [2]. Свидетельством тому стал выход в свет новой работы профессора П. К. Робертсона « Интерпретация статического зондидирования – комплексный подход» (Interpretation of Cone Penetration Tests – a unified approach) [3].

В указанной работе обращается внимание на новые данные, накопленные в практике применения статического зондирования в различных странах и направленные на самое широкое использование нормализованных моделей поведения грунтов – normalized Soil Behaviour Type (SBTn), основанных на применении откорректированных и нормализованных значений лобовых (qt) и боковых (ft) сопротивлений зонда. Данные модели представляют собой классификационные палетки, пришедшие на смену точечным диаграммам, предложенным в свое время П. К. Робертсоном (Robertson at al., 1986) [4]. Классификационные поля на данных диаграммах ограничены критическими линиями состояний (Critical State Line) для широкого спектра песчано-глинистых грунтов. При этом особое внимание уделяется вопросу выделения переходных зон от грубозернистых несвязных грунтов к тонкозернистым связным и обратно, с чем постоянно приходится сталкиваться в ходе зондирования. Закономерности изменения различных показателей состава и свойств грунтов в границах отдельных областей всесторонне обоснованы, как со стороны накопленного эмпирического материала, так и теоретических представлений о влиянии напряженного состояния грунтов на результаты замеров лобовых и боковых сопротивлений. С этой стороны особенно важным моментом оказалась связь чистого сопротивления конусу (qt – v0) со скоростями поперечных сейсмических волн (Vs), что позволяет построить обоснованную теоретическую модель связи параметров зондирования, деформационных и прочностных характеристик грунтов непосредственно в массиве.

Развитие и углубление методов интерпретации результатов зондирования в рамках SBTn разворачивается на базе сопоставления с унифицированной системой классификации грунтов по британским и американским регламентам (Unified Soil Classification System – USCS), основанной на показателях грансостава и пластичности.
Сразу отметим, что ничего подобного в практике отечественных инженерно-геологических изысканий не применяется, а в силу различия используемых критериев оценки состава, состояния и свойств грунтов сопоставление унифицированной классификации USCS с российскими нормативными оценками крайне затруднено. Это говорит о том, что для российских условий необходимо еще создать свою систему критериев сопоставления показателей состава и свойств грунтов по лабораторным данным и результатам зондирования.

Основываясь на сложностях обоснования интерпретационных моделей грунтов, проф. Робертсон вводит в практику оценки полноты и глубины инженерно-геологических исследований понятие о геотехническом риске, хотя, по сути дела, речь идет не о риске в трактовке его как уровня опасности, а о категориях сложности исследования строения и свойств грунтовых массивов естественного сложения с использованием современных методов полевых и лабораторных работ. Соответственно применение статического зондирования и расширенной процедуры интерпретации его результатов следует относить к высокому уровню сложности (высокий геотехнический риск, по П. К. Робертсону).

В указанном выше труде [3] речь идет о дальнейшем развитии методов интерпретации результатов зондирования, заложенных трудами Робертсона, Кампанеллы, Лунна и Мейна в период 1983 – 2007 гг. (Robertson and Campanella, 1983; Lunne et al., 1997; Mayne, 2007). Практическое применение этих разработок было закреплено в рекомендациях Международного общества по механике грунтов и фундаментостроению по производству статического зондирования – International References Test Procedure 1989, 1997.

Эти рекомендации широко применяются во всем мире, за исключением России, где на фоне достаточно широкого использования новой зондировочной техники стараются упорно не замечать новых интерпретационных возможностей в данной области. Для реализации этих возможностей прежде всего необходимо зондирование с измерением динамического порового давления (u2) и внедрения опытов по диссипации порового давления для получения представлений о природном поровом давлении (u0). Однако такая технология требует дополнительных финансовых расходов (специальные зонды, обученные кадры, дополнительное время производства опытов). Если изыскатели и готовы к такому развитию событий, то заказчики различного рода (инвесторы, проектировщики) далеко не всегда понимают все преимущества данной технологии, а, следовательно, и не стремятся оплачивать такие работы. В этом направлении предстоит большая разъяснительная работа, а пока постоянно действующий семинар по технологии статического зондирования при институте повышения квалификации Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета особым спросом не пользуется.

Таким образом, развитие статического зондирования связано с повышенной степенью сложности инженерно-геологических изысканий, во-первых, из-за внезапных отказов и неисправностей оборудования, прежде всего зондов, представляющих весьма чувствительные электронные измерительные системы, во-вторых, из-за сложности интерпретационных процедур, требующих всестороннего рассмотрения геологических условий региона, специального программного обеспечения и опытных кадров.
Согласно представлениям проф. Робертсона [3], изыскательские программы низкой степени сложности (риска) могут базироваться на применении зондирования без замера порового давления и использовании традиционных консервативных методов пробоотбора и оценки грунтов. Автором данной статьи предложено относить такого рода статическое зондирование к нулевому классу, когда интерпретация результатов зондирования осуществляется по сокращенной процедуре [5].

Применение сейсмических зондов, замеры порового давления, опыты по диссипации порового давления, равно как использование любых других новых методов, несомненно, повышает уровень сложности всего комплекса изыскательских работ. При этом указанные методы могут поддерживаться выборочным опробованием и традиционными лабораторными методами, но корреляция между ними носит сугубо локальный характер. Такие изыскательские программы можно оценить в рамках умеренной сложности с повышением стоимости изыскательских работ в 1,2 – 1,5 раза.

Программы с высоким уровнем сложности базируются на решении наиболее сложных геотехнических задач, когда необходимо в пределах грунтового массива надежно выделить критические зоны, четко и обоснованно разделить грунты разного состава, состояния и свойств. При этом корреляция результатов зондирования затрагивает уже специальные лабораторные методы и должна учитывать накопленный опыт в сходных инженерно-геологических условиях, в том числе и международный опыт. Для выделения и прослеживания таких критических зон рекомендуется создание опорных профилей (с шагом между точками зондирования около 1–5 м), с опробованием разреза при помощи самих зондировочных установок и тонкостенных пробоотборников, а также проверка состояния грунтов на основе выполнения зондирований 2-го или 3-го классов, когда замеры порового давления и процедуры тщательной тарировки всех измерительных систем становятся обязательными. Удорожание такого вида исследований может достигать 100%, а иногда и более, по сравнению с программами, основанными на так называемых нормативных указаниях. В связи с высокой стоимостью таких исследований необходимо прежде всего тщательное согласование технического задания на изыскания между изыскателями и проектировщиками с указанием задач, которые предполагается решить с помощью зондирования.

Развитие расширенных интерпретационных подходов к результатам статического зондирования очевидно связано с пониманием тесной связи теоретических и экспериментальных данных о поведении зонда в различных грунтах. В общем случае реальное поведение грунта как многофазной системы, находящейся в условиях сложного напряженного состояния, при проникновении в него конусного зонда, насыщенного различными датчиками, не может быть сведено к упрощенным модельным представлениям. Хотя при интерпретации результатов зондирования пока преобладают полуэмпирические зависимости, по мнению проф. Робертсона, они могут быть поддержаны и теоретическими представлениями. В основе таких представлений лежат очевидные факты дренированного характера процесса пенетрации в грубозернистых грунтах и недренированного – в тонкозернистых грунтах. Практически решение этих вопросов упирается в необходимость замеров порового давления в грунтах и прослеживание динамики его изменений.

Согласно международной процедуре зондирования (IRTP, 1999), проблема изменения порового давления в грунтах рассматривается применительно к замерам, которые производятся с помощью камеры, расположенной непосредственно за конусным наконечником (u2). Последние конструкции зондов в настоящее время имеют равноплощадные концы муфты трения, что позволяет производить корректировку замеров только лобовых сопротивлений (qc), оставляя без изменений замеры боковых сопротивлений (fs). При этом корректировка лобовых сопротивлений в грубозернистых грунтах, в том числе и песках, столь незначительна, что при интерпретации результатов возможно использование первичных замеров (qt ~ qc). Однако в тонкозернистых грунтах такое допущение было бы крайне ошибочным. Из этого следует, что в сложных слоистых разрезах, где наблюдается многократная смена типов грунтов, введение поправок на поровое давление становится методически необходимым для всего массива полевых наблюдений.

Опыт зондирования, накопленный по работам на суше, показывает, что проблема точности замеров порового давления во многих случаях упирается в переменное состояние насыщения измерительного элемента камеры порового давления при движении зонда через различные слои грунтов. В этом случае становятся важными сама процедура насыщения камеры порового давления и измерительного элемента, а также выбор насыщающей жидкости. Например, применение силиконового масла, отличающегося повышенной вязкостью по сравнению с обычно применяемым глицерином, значительно уменьшает потерю насыщения, хотя и не снимает эту проблему полностью. Переменное состояние насыщения особенно заметно при зондировании в зоне аэрации. Чтобы избежать указанных эффектов, рекомендуется при неглубоком залегании грунтовых вод производить предварительную заливку зондировочной скважины водой и проверку работы зонда в условиях гидростатического давления. Однако подобные эффекты наблюдаются и при проходке пере-уплотненных глин или плотных пылеватых песков1, в которых в силу сдвиговых деформаций, вызванных внедрением конуса, развивается дилатансия. В этом случае могут фиксироваться даже отрицательные значения порового давления, что достаточно часто наблюдается при зондировании на территории Санкт-Петербурга. Указанные эффекты связаны с выделением из насыщающих камеру растворов мелких пузырьков воздуха, в результате чего насыщенность датчика порового давления падает. Можно предположить, что при движении конуса через глинистые грунты, где развивается высокое поровое давление, происходит обратное всасывание названных пузырьков, в результате чего датчик порового давления становится вновь полностью насыщенным. Таким образом, в ходе движения зонда через сложно построенные геологические разрезы датчик порового давления может несколько раз менять степень своего насыщения, при этом очень трудно точно отслеживать границы смены этих состояний. В настоящее время стали применяться портативные вакуумные устройства, которые обеспечивают высокое качество насыщения камер порового давления. Само собой разумеется, что данной проблемы не существует при зондировании на шельфе, где постоянное давление столба воды обеспечивает стационарное насыщение датчиков. Подобная картина возвратного движения пузырьков воздуха позволяет предположить, что в опытах по диссипации тоже может происходить обратное насыщение измерительных элементов зонда, даже если первоначально полное насыщение было утрачено. Как бы то ни было, корректировка лобовых сопротивлений с помощью поправок на поровое давление имеет громадное значение для уменьшения влияния так называемых концевых эффектов и интерпретации моделей поведения песчано-глинистых грунтов в условиях их частого переслаивания.

В настоящее время в американские регламенты для производства статического зондирования ASTM, D5778 (2000) заложены жесткие требования к конструкции муфт трения для того, чтобы минимизировать влияние порового давления при различной площади концов муфты. По сравнению с замерами лобовых сопротивлений замеры бокового трения имеют ограниченное, но очень важное применение, исходя из предположения равенства замеров по муфте трения с сопротивлением перемятого (англ., remolded) грунта прямому срезу в недренированных условиях, т. е.
su (remolded) = fs

Это, в свою очередь, позволяет использовать результаты зондирования для оценки физического состояния тонкозернистых глинистых грунтов через показатель чувствительности, т. е. отношение сопротивления грунта недренированному прямому срезу при естественном и нарушенном сложении su/su (remolded).
Для нормализованных значений лобовых сопротивлений и коэффициента трения с учетом эффективных напряжений чувствительность нормально консолидированных связных грунтов (NC) определяется выражением [3]:

где Fr – нормализованное значение коэффициента трения (в долях единицы).

Как следует из вышесказанного, комплексная программа интерпретации строится на процедурах нормализации откорректированных значений параметров зондирования, что было обосновано, как указывает Робертсон, в теоретической работе Роуфа (Wroth, 1984) [6]. Это позволило построить многочисленные зональные диаграммы связи и интерпретации параметров зондирования с комплексными показателями состояния и деформирования грунтов. Все эти диаграммы строятся на базе откорректированных и нормализованных параметров зондирования Qt1 и Fr. Линейку интерпретационных палеток открывает диаграмма связи типологического индекса грунта Ic с нормализованными моделями SBTn (рис. 1).

Рис. 1. Классификационная зональная диаграмма для определения типа грунта (SBT) в зависимости от показателя Ic (по П. К. Робертсону, 2009)

В период с 1991 по 2006 гг. разными авторами (Jeffries and Davies, 1991, 1993; Olsen and Mitchel, 1995; Eslami and Fellenius, 1997; Zhang and Tumay, 1999; Jeffries and Been, 2006) были предложены различные модификации нормализованных диаграмм дифференцированно для грубозернистых несвязных и тонкозернистых связных грунтов с учетом эффективных вертикальных напряжений, определяющих работу зонда в различных грунтовых средах. Основным среди указанных предложений остается зональный график SBTn, который представляет общую модель связи нормализованных параметров зондирования и типологического комплексного индекса испытуемых грунтов Ic (Робертсон и др., 1986; Робертсон, 2009) [2, 3, 4]: 

Робертсон и Райд (Robertson and Wride, 1998) [7], а затем Занг (Zhang, 2002) [8], предложили способ нормализации параметров зондирования, прежде всего лобовых сопротивлений, в рамках степенной зависимости для напряжений, действующих в рабочей зоне зонда, т. е.

n — показатель степени, непосредст-венно связанный с типом грунта по SBT;
pa — атмосферное давление, выраженное в тех же единицах, что qt . 
Соответственно, когда n = 1, Qtn = Qt1.
Занг (Zhang, 2002) [8] предположил прямую связь индекса грунта Ic и экспоненты напряжений n, что было выражено уравнением:

В последние годы указанные зависимости неоднократно проверялись и уточнялись с различных сторон, в частности, в специальных калибровочных камерах и центрифугах, что позволило с уверенностью утверждать, что в области песчаных грунтов показатель нормализованных напряжений n стремится к значению 0,5, а в области глинистых – к значению 1,0, при этом форма классификационных полей очерчивается нелинейными зависимостями и определяется эффективными вертикальными напряжениями (рис. 2). 

 Рис. 2. Диаграмма связи показателя n с нормализованными параметрами зондирования для различных типовых моделей грунтов (по П. К. Робертсону, 2009)

Отмеченная нелинейность зависимостей более ярко выражена в плотных песках по сравнению с рыхлыми песками. Еще в 1986 г. Болтон (Bolton, 1986) на основе опытов с песками различной плотности доказал, что при значении экспоненты напряжений близкой к 1,0, в плотных песках при высоких напряжениях свободная дилатансия подавляется и происходит дробление минеральных зерен [9]. Уровень напряжений, при которых происходит дробление зерен в песках, является функцией их природной плотности и сжимаемости, однако этот процесс затрагивает непосредственно лишь рабочую зону вокруг конуса. На рис. 2 показано, что для тонкозернистых грунтов значение n может быть равным 1,0, в то время как для грубозернистых грунтов при невысоких значениях вертикальных напряжений оно лежит в интервале от 0,5 до 0,9. Когда же эти напряжения превышают 1 МПа, для большинства грунтов n превышает 1,0.

Все выше приведенные рекомендации основаны на экспериментальных наблюдениях и позволяют по-новому взглянуть на возможности глубоких и обоснованных интерпретаций результатов статического зондирования для решения сложных геотехнических задач. Следует подчеркнуть, что интерпретация грунтов на основе результатов зондирования может существенно отличаться от оценки грунтов традиционными методами, поскольку реакция зонда зависит от таких факторов, как действующие напряжения, особенно эффективные напряжения, история формирования актуального напряженного состояния массива, наличие крупных включений, степень водонасыщения грунта, динамика рассеивания порового давления. Это еще раз подчеркивает значимость основательной подготовки специалиста-интерпретатора на базе знания региональных особенностей геологического разреза, истории геологического развития региона, знания самой технологии зондирования и опыта зондирований в сходных геологических условиях.

Более подробное рассмотрение влияния названных факторов на результаты зондирования будет продолжено в следующей статье.

Литература
1. Захаров М. С., Колодий Е. В. Определение расчетной нагрузки на сваю с учетом неоднородности геологического разреза. Сб. тезисов межрегиональной конференции. — СПб: ЛенНИИПроект, 2008 г.
2. Lunne T., Robertson P. K., Powell J. J. Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. — Blackie Academic & Professional. 1997.
3. Robertson P. K. Interpretation of Cone Penetration Tests — a unified approach. MS 08-158. // Submitted to the Canadien Geotechnical Journal. 2009.
4. Robertson P. K., Campanella R. G., Gillespie D. and Greig J. Use of Piezometer Cone data. In-Situ’86. Use of in-situ testing in Geotechnical Engineering, GSP 6, ASCE, Reston, VA, Publication, SM 92. 1986.
5. Захаров М. С. Статическое зондирование в инженерных изысканиях. Учебное пособие. — Изд. СПб ГАСУ. 2008 г.
6. Wroth C. P. The interpretation of in-situ soil tests. Rankine Lecture, // Geotechnique (4). 1984.
7. Robertson P. K. and Wride C. E. Evaluation cyclic liquefaction potential using the cone penetration test // Canadian Geotechnical Journal, Ottawa, 35 (3). 1998.
8. Zhang Z., Robertson P. K. and Brachman R. W. I. Estimating Liquefaction induced Ground Settlements From CPT for Level Ground // Canadian Geotechnical Journal, 39 (5). 2002.
9. Bolton M. D. The strength and dilatancy of sands // Geotechique. 1986.