СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ
METHOD OF ENGINEERING-GEOLOGICAL SURVEYING

Область техники
Изобретение относится к области строительства и предназначено для инженерно-геологических изысканий и проектирования оснований зданий и сооружений.
Уровень техники
Аналогом заявляемого технического решения является ЗОНД ДЛЯ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ (патент SU №1742415, заявка 4838433/33 от 12.06.90, МПК E02D, 1/00 опубликовано 23.06.92 [1]), включающий корпус, полый конусный наконечник с фильтром, датчик лобового сопротивления, датчик порового давления мембранного типа, гидравлически связанный рабочей камерой с фильтром конусного наконечника, компенсационный фильтр, уширитель, при этом компенсационный фильтр расположен на верхнем торце уширителя, а компенсационная камера расположена над нерабочей поверхностью мембраны и гидравлически связана с компенсационным фильтром.
Недостатком данного устройства является невозможность контроля постоянной скорости перемещения зонда при его погружении в грунт, что снижает точность измерений.
Другим аналогом заявляемого технического решения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ (патент RU №2626865, [2]), содержащее транспортное средство, на платформе которого размещены мачта с вращателем, гидравлическая система, обеспечивающая работу бурильно-кранового оборудования, и устройство для измерения параметров бурения, один конец которого соединен с валом вращателя транспортного средства, другой - с хвостовиком буровой колонны, отличающаяся тем, что с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерений устройство для измерения параметров бурения снабжено датчиком силы двунаправленного действия, датчиком для измерения скорости вращения и датчиком для измерения угла наклона буровой колонны, при этом измерение глубины погружения буровой колонны и линейной скорости выполняется потенциометрическим дальномером.
Недостатком данного устройства является невозможность контроля скорости вращения вращателя и линейной скорости перемещения буровой колонны.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ ГРУНТОВ И МАТЕРИАЛОВ (Патент на изобретение RU №2404418, заявка: 2009107801/28, 04.03.2009, опубликовано 20.11.2010, МПК G01N 3/00, E02D 1/00), содержащий измерительно-вычислительный комплекс автоматизированной системы испытаний в строительстве (ИВК АСИС), прибор (механическое устройство) силового нагружения, применяемый при определении параметров моделей материалов, с набором датчиков, подключенных к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) и цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), выходы которых через интерфейсы RS-485 и RS-232 соединены с цифровой электронно-вычислительной машиной, имеющей программные средства обработки результатов (данных) измерений и управления силовым нагружением, отличающийся тем, что по данному способу производят одновременные физические испытания образцов одного и того же материала, используя произвольное число приборов силового нагружения, проводят испытания при различном виде напряженного состояния и траекториях напряжений, определяют начальные значения параметров для выбранных моделей материалов, выполняют численное моделирование испытаний, результаты численного моделирования идентифицируют с результатами механических испытаний с использованием различных моделей материалов и одного из методов оптимизации, выбирают модель материала, наилучшим образом отвечающую результатам механических испытаний.
Основным недостатком данного изобретения является невозможность определения параметров моделей грунтов в полевых условиях. В настоящее время испытания грунтов в полевых условиях различными методами такими как статическое зондирование, динамическое зондирование, буровое зондирование, испытания винтовым штампом, испытания методом вращательного среза и другие [4, 5, 6] выполняются путем силового нагружения соответствующих устройств погружаемые в грунт механизмом с ручным управлением усилия подачи (осевой нагрузки), визуальным контролем скорости вращения и линейной скорости перемещения, которые должны быть постоянными. Например, согласно ГОСТ 19912-2012 [4] линейная скорость погружения зонда статического зондирования должна быть постоянной, равная 2 см/с, что невозможно контролировать при ручном управлении механизмом нагружения. При испытании грунтов винтовым или плоским штампами согласно ГОСТ 20276-2012 [5] требуется постоянство давления на грунт до завершения процесса стабилизации осадки штампа на текущей ступени нагружения. Как правило, давление создается гидравлическим домкратом, в результате, вследствие осадки штампа давление в системе гидропривода изменяется и приходится его вручную поддерживать постоянным. Кроме того, испытания могут длиться несколько суток и заранее неизвестно, когда закончится процесс стабилизации осадки штампа, что вызывает необходимость постоянных наблюдений за его осадкой. В методе бурового зондирования [6] важным является сохранение постоянной скорости вращения и линейной скорости перемещения буровой колонны, которая зависит от прочности разбуриваемого грунта и глубины погружения буровой колонны.
Существенным недостатком является также то, что в настоящее время инженерно-геологические изыскания и проектирование оснований зданий и сооружений выполняются раздельно друг от друга. В первом случае выполняются рекомендации СП 47.13330 [7], а при проектировании оснований требования СП 22.13330, СП 24.13330, СП 25.13330 и др. [10, 11, 12]. Последовательность работ на изыскания и проектирование увеличивает продолжительность строительства зданий и сооружений.
Предлагаемый способ объединяет в единый производственный процесс инженерно-геологические изыскания и проектирование оснований сооружений. Результатом является сокращение сроков инженерно-геологических изысканий вследствие применения методов полевых испытаний грунтов с автоматизированным контролем процесса испытаний и интерпретации данных испытаний. При этом результатом инженерно-геологических исследований является не только информация о свойствах грунтов, но и оценка их влияния на поведение проектируемого здания или сооружения.
Сущность технического решения
Целью изобретения является сокращение сроков строительства зданий и сооружений путем совмещения этапов инженерно-геологических исследований и проектирования оснований зданий и сооружений, повышение точности исследования свойств грунтов.
Цель достигается тем, что способ осуществляется с помощью измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), содержащего буровой станок с механизмом силового нагружения с датчиками, устройства для испытаний грунтов в полевых условиях с датчиками (например, устройство статического зондирования, СРТ; устройство динамического зондирования, SPT; устройство бурового зондирования, RDT; винтовой штамп, RST и другие), датчики которых подключены к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), и цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП), выходы которых через интерфейсы RS-485 и RS-232 соединены с компьютером, имеющий программные средства обработки данных измерений и управления механизмом силового нагружения, производят испытания, используя произвольное число устройств для полевых испытаний грунтов, определяют параметры испытаний (например, при статическом зондировании: лобовое сопротивление, силы трения, поровое давление [4]), используя параметры испытаний и корреляционные зависимости между параметрами испытаний и характеристиками грунтов определяют тип грунта [13], физические и механические характеристики грунтов [7], используя компьютер и программы выполняют расчет осадки, крена и глубины сжимаемой толщи [10] непосредственно в полевых условиях в процессе проведения испытаний грунтов. Контроль работой механизма силового нагружения (скорость вращения, осевая нагрузка, линейная скорость) выполняется ИВК с использованием прямой и обратной связи, путем анализа данных показаний датчиков механизма силового нагружения и результатов расчета осадки, крена и глубины сжимаемой толщи.
Признаки, отличающие предлагаемый способ инженерно-геологических изысканий и проектирования оснований зданий и сооружений, заключаются в том, что проводят полевые испытания грунтов с помощью ИВК, содержащего буровой станок с управляемым ИВК механизмом силового нагружения, различные устройства с датчиками для испытаний грунтов в полевых условиях (например, устройство статического зондирования, устройство динамического зондирования, устройство бурового зондирования, винтовой штамп, крыльчатку и др.), датчики которых подключены к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) и цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), выходы которых через интерфейсы RS-485 и RS-232 соединены с компьютером, имеющий программные средства обработки результатов измерений и управления механизмом силового нагружения, по команде компьютера используя ЦАП управляют механизмом силового нагружения бурового станка. В процессе измерений выполняют расчет физико-механических характеристик грунтов и расчет оснований зданий и сооружений по предельным состояниям - деформациям и несущей способности. Данные расчета оснований, например, осадка фундамента, используются для определения глубины испытаний и оценки крена проектируемого здания или сооружения. Полевые испытания грунтов с использованием ИВК продолжаются до вычисляемой ИВК глубины сжимаемой толщи и заданной разности осадок и крена здания или сооружения.
Предлагаемый способ включает ИВК, в который входит несколько различных устройств для полевых испытаний грунтов с целью определения физических и механических характеристик грунтов. Использование нескольких типов устройств позволяет определить одни и те же характеристики грунтов различными методами. Например, модуль деформации грунтов в полевых условиях может быть найден с использованием устройства статического зондирования, устройства динамического зондирования, устройства бурового зондирования, винтовым и плоскими штампами, прессиометром, дилатометром [4, 5, 6, 7, 8]. Используя данные нескольких испытаний и ГОСТ 20522-2012 [9] выполняют статистическую обработку данных испытаний и определяют нормативное значение модуля деформации и расчетные значения характеристик прочности (угол внутреннего трения и силы удельного сцепления) с заданной доверительной вероятностью. Точность определения характеристик грунта подобным образом увеличивается.
В программную подсистему ИВК входят системное и прикладное программное обеспечение, в совокупности образующие математическое обеспечение ИВК. Системное программное обеспечение представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера (операционная система WINDOWS или любая другая) и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; проводить диагностику технического состояния. Прикладное программное обеспечение представляет собой взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих: типовые алгоритмы представления и обработки сигналов с датчиков, управления процессом силового нагружения устройств для испытаний грунтов; архивирование данных измерений; метрологические функции ИВК (аттестация, поверка и т.п.); подпрограммы расчета оснований по предельным состояниям.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг. 1 изображена буровая установка для испытаний грунтов в полевых условиях.
На фиг. 2 изображена структурная схема измерительно-вычислительного комплекса.
На фиг. 3 изображена блок схемы испытаний грунтов и расчета оснований зданий и сооружений.
На фиг. 4 изображены некоторые результаты вычислений в программе Geotek Field.
На фиг. 5 изображен пример профиля модуля деформации грунтов.
Пример реализации технического решения
На фиг. 1 буровая установка содержит транспортное средство 1, мачту 2, механизмом силового нагружения 3, буровую штангу 4, устройство для полевых испытаний грунтов 5, дальномер 6, блок электроники 7, компьютер 8.
На фиг. 2 изображена структурная схема ИВК включающая набор датчиков в устройствах для полевых испытаний грунтов и механизме силового нагружения, компьютер, управляющую программу АСИС и вычислительную программу Geotek Field.
На фиг. 3 изображена блок схема программы Geotek Field включающая модули: определение типа поведения грунта, физико-механические характеристики грунтов, расчет оснований зданий и сооружений по предельным состояниям.
Исследования грунтов предлагаемым способом проводятся следующим образом.
В механизм силового нагружения 3 буровой установки 1 вставляется буровая штанга 4, а к ней присоединяется одно из устройств для полевых испытаний грунтов 5 (в дальнейшем по тексту - устройство). Устройство включает датчики, сигналы с которых усиливаются, преобразуются в цифровой вид и по беспроводной связи передаются блок электроники 7, а затем в компьютер 8. Блок электроники и компьютер располагается в кабине автомашины или в пульте управления буровой установки. Измеряемые сигналы с датчиков устройств с использованием управляющей программы АСИС преобразуются в физические величины, передаются для вычислений в программу Geotek Field и выводятся на экран компьютера (фиг. 4).
Процедура полевых испытаний грунтов предлагаемым способом включает следующие операции:
1. Ввод в управляющую программу ИВК ряда параметров.
1.1. Для расчета оснований: ситуационный план здания или сооружения, места испытаний, глубина заложения и нагрузки на фундамент; величина неравномерности осадки и крена здания или сооружения и, другие параметры.
1.2. Для управления механизмом силового нагружения: линейная скорость погружения (см/с), скорость вращения (об/с), параметр стабилизации осадки (см/мин) и другие параметры.
2. Установка бурового станка на месте испытаний согласно заданным географическим координатам и подготовка его к работе.
3. Закрепление в силовом механизме бурового станка устройства для полевых испытаний грунтов и дальномера на мачте бурового станка.
4. Запуск питания ИВК и программы управления испытаниями АСИС. Считывание нулевых показаний измерительной системы.
5. Запуск по команде компьютера силового механизма бурового станка и погружение устройства в грунт. В процессе погружения устройства в грунт выполняется контроль заданных параметров (п. 1.2) управления механизмом силового нагружения программой АСИС.
6. По мере поступления данных измерений с устройств и преобразования их в физические величины, используя программу Geotek Field выполняется определение типа поведения грунта [13], расчет физико-механических характеристик грунтов с использованием корреляционных зависимостей (приложение И [7]), расчет осадки в точке испытаний с использованием решений СП 22.13330 [10], расчет коэффициента жесткости основания [14], расчет сжимаемой толщи и глубины испытаний и др. Результаты вычислений приведены на фиг. 4 и фиг. 5, где 1, 2, 3, 4 - профили модуля деформации по данным зондировании на расстоянии не более 2 м друг от друга.
7. После завершения на первой точке испытаний выполняются испытания в другой точке плана здания или сооружения с выполнением операций по п. 2-6 и расчетом разности осадок и крена здания или сооружения [10].
8. Выполнение операций по п. 2-8 в другой точке плана здания или сооружения до достижения заданной величины неравномерности осадок и крена.
Промышленная применимость
Способ проведения инженерно-геологических изысканий промышленно реализуем, позволяет сократить сроки строительства зданий и сооружений и повышает точность исследований свойств грунтов.
Список литературы
1. Патент на изобретение SU №1742415, заявка №4838433/33 от 12.06.90, МПК E02D 1/00, опубликовано 23.06.92. Зонд для статического зондирования водонасыщенных грунтов.
2. Патент на изобретение RU №2626865, заявка №2015154948 от 21.12.2015, опубликовано 02.07.2017, МПК Е21В 44/00. Устройство для измерения параметров бурения.
3. Патент на изобретение RU №2404418, заявка №2009107801/28, 04.03.2009, опубликовано 20.11.2010, МПК G01N 3/00, E02D 1/00. Способ определения параметров моделей грунтов и материалов.
4. ГОСТ 19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием. М., Стандартинформ, 2012.
5. ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. М., Стандартинформ, 2013.
6. Болдырев Г.Г., Кальбергенов Р.Г., Кушнир Л.Г., Новичков Г.А. Буровое зондирование грунтов. Инженерные изыскания, 2012, №12, с. 38-45.
7. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Общие положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. М., 2012.
8. Болдырев Г.Г. Полевые методы испытаний грунтов, 2013, 356 с.
9. ГОСТ 20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний, 2013.
10. СП 22.1330.2011. Основания зданий и сооружений. М.: Минрегион России, 2011.
11. СП 24.1330.2011. Свайные фундаменты. М.: Минрегион России, 2011.
12. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: Минрегион России, 2012.
13. Lunne Т., Robertson Р.K., Powell, J.J.M. Cone penetration testing in geotechnical practice. Blackie Academic. Chapman-Hall Publishers, U.K.; available from EF Spon. Routledge Pub., New York, 1997, 312 p.
14. Патент на изобретение №2631445, заявка №2016106683, от 25.02.2016, дата публикации 30.09.2017, МПК E02D 1/02. Способ определения количества выработок при проведении инженерно-геологических изысканий.