Практическое применение результатов статического и динамического зондирования для оценки вида лессового грунта и его прочностных характеристик (на примере Северо-Кавказского региона)

Е Ю. Григорян

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВИДА ЛЕССОВОГО ГРУНТА И ЕГО ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Отражены результаты анализа инженерно-геологических изысканий лессовых грунтов Северо-Кавказского региона с применением полевых методов зондирования. Предметом анализа являлся поиск зависимостей между показателями зондирования, видом грунта и его прочностными характеристиками. Составлены эмпирические уравнения для определения вида лессового грунта и его прочностных характеристик по данным статического и динамического зондирования.

На территории Северного Кавказа основным типом грунтовых оснований являются просадочные лессовые грунты. Наличие этих образований автоматически, в соответствии со Строительными нормами, переводит строительную площадку в III (сложную) категорию инженерно-геологических условий.

Совершенствование фундаментостроения в сложных грунтовых условиях невозможно без разработки и применения новых скоростных методов изысканий, которые позволяют объективно и быстро произвести оценку строительных свойств грунтов непосредственно на строительных площадках.

Полевые методы испытания грунтов имеют неоспоримые преимущества по сравнению с их лабораторными исследованиями:

1) возможность изучения сравнительно большого объема массива пород;

2) при испытании происходит меньшее нарушение естественного сложения грунтов;

3) свойства грунтов изучаются в условиях естественного напряженного состояния;

4) полевые испытания дают информацию, которую невозможно получить лабораторными методами.

Недостатки полевых методов:

1) фиксированный момент испытаний;

2) относительная длительность и дороговизна полевых работ;

3) часто невозможно провести большое число опытов для статистического анализа;

4) недостаточное теоретическое обоснование и неоднозначность интерпретации результатов некоторых полевых методов.

Среди полевых методов испытания слабых грунтов в естественных условиях лидирующее место занимают статическое и динамическое зондирование. Их основным достоинством является возможность непрерывной оценки состава и свойств лессовых грунтов в условиях естественного залегания. При этом можно исключить точечное опробование геологического разреза с отбором проб-монолитов, которое часто происходит с неконтролируемым нарушением структуры естественного грунта. Кроме нарушений при отборе грунта, изменение его состояния может произойти в процессе транспортировки и хранения.

Взаимосвязь динамического и статического зондирования. Изыскательские организации, как правило, не имеют полного комплекта установок для динамического и статического зондирования. Поэтому важно было сравнить оба эти метода на объектах Северного Кавказа. Анализ данных динамического и статического зондирования показал, что оба метода являются взаимозаменяемыми, т.к. между ними существует тесная связь (рис. 1) с коэффициентом корреляции г = 0,86.

qc, МПа г = 0,86

Рис. 1. Зависимость между динамическим и статическим зондированием лессовых грунтов Северного Кавказа

Эта зависимость сохраняется также при использовании для зондирования малого конус 5 =10 см2, но коэффициент корреляции снижается до 0,71.

Зависимость между показателями зондирования описывается уравнением

N = 0,4558 дс + 0,574, где ^ сопротивление динамическому зондированию, характеризуемое числом ударов стандартного молота установки УБП-15 на 1 дм погружения зонда, уд/дм; дс- удельное сопротивление конусу при статическом зондировании стандартной установкой, МПа.

Определение вида грунта

ГОСТ 19912-2001 «Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием» [1] рекомендует применять методы полевых испытаний грунтов зондированием для ряда инженерно-изыскательских работ, в которые не входит определение вида грунта.

При анализе нескольких тысяч определений нами была обнаружена тесная связь между показателями статического зондирования - лобовым сопротивлением зонду (дс) и его боковым трением (/). Коэффициент корреляции г между этими характеристиками составил 0,72.

Обнаруженная зависимость позволяет отказаться от применения зондов II типа (без муфты трения) и наце-

ливает на изготовление более простых установок статического зондирования. С другой стороны, знание отношения между показателями зондирования позволяет определить вид лессового грунта без отбора проб и их испытания в лабораторных условиях.

Имеющиеся точки производственных испытаний мы разделили на две группы. К первой группе отнесли лессы и легкие лессовидные суглинки, а к другой - средние и тяжелые суглинки и глины. Коэффициент корреляции г между лобовым и боковым сопротивлениями зонду для лессов и легких лессовидных суглинков (типичных лессов Ставропольского края) составил 0,86, для средних и тяжелых лессовидных суглинков и глин, распространенных в основном в западных районах Предкавказья, коэффициент корреляции г = 0,79.

Эмпирические уравнения для определения вида грунта по данным статического зондирования имеют вид:

- для лессов и легких лессовидных суглинков:

/ = 31,24?с + 12,9;

- для средних и тяжелых лессовидных суглинков и глин:

/ = 14,52?с.

На основе данных зависимостей появилась возможность определить вид лессового грунта непосредственно в полевых условиях и независимо от его состояния.

♦ лесс Л лессовидные суглинки и глины

6 7

Яс, МПа

3

Рис. 2. Зависимость между боковым трением (/, кПа) и лобовым сопротивлением (д„ МПа) в лессовых грунтах разного литологического типа

Указанная зависимость была проверена для нелессовых грунтов по данным табл. 7.17 Свода Правил СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство свайных фундаментов» [2]. Здесь также отмечается тесная связь между лобовым сопротивлением зонду дс и средним значением расчетного сопротивления по боковой поверхности сваи / с коэффициентом корреляции г = 0,99, т.е. для свайных фундаментов нормативный документ устанавливает практически функциональную зависимость между боковым трением и сопротивлением по торцу сваи.

Определение прочностных характеристик лессовых грунтов

При проектировании любых фундаментов очень большое значение имеет определение прочностных характеристик грунтов, на основе которых рассчитывается максимально допустимое давление на грунты основания. Расчетное сопротивление основания под фундаментами мелкого заложения напрямую зависит от прочностных характеристик грунта - сцепления (С, кПа) и угла внутреннего трения (ф°).

Для определения С по данным зондирования предлагается эмпирическое уравнение

С = 11,275дс + 6,4905.

График зависимости между ними показан на рис. 3. При этом коэффициент корреляции г между лобовым сопротивлением зонду и сцеплением грунта составил 0,83.

Анализ фондовых материалов изыскательских организаций Северо-Кавказского региона позволил обнаружить весьма полезную зависимость между прочно-

стными характеристиками лессовых грунтов с коэффициентом корреляции г = 0,69.

На рис. 4 видно, что зависимость между сцеплением С и углом внутреннего трения ф обратная. Это объясняется специфическими особенностями лессовых грунтов, т.к. для обычных глинистых грунтов зависимость между теми же показателями носит прямой характер (рис. 5).

Приведенные на рис. 5 данные взяты из нормативной табл. 27 Пособия к СНиП 2.02.01-83 [3] для «пылеватоглинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений».

с

*

о"

дс, МПа

г = 0,83

Рис. 3. Зависимость между удельным сцеплением грунта и лобовым сопротивлением зонду в лессовых грунтах Северного Кавказа

С, кПа Г = 0,69

Рис. 4. Зависимость между прочностными характеристиками лессовых грунтов Северного Кавказа

30

25

2

& 20 З

& 15

10

♦ ♦ ♦ ♦

♦ ♦

20

40

60

80

100

5

0

0

С, кПа

Рис. 5. Зависимость между прочностными характеристиками непросадочных глинистых грунтов по данным СНиП 2.02.01-83

Следует напомнить, что действующие строительные нормативы по обоим видам зондирования не распространяются на специфические, структурно-неустойчивые лессовые грунты. Поэтому выполненные нами на большом статистическом материале исследования позволяют использовать более информативно данные зондирования просадочных и обводненных

лессовых грунтов Северо-Кавказского региона в практических целях.

Рекомендуемые нами зависимости и уравнения следует дополнительно проверить в проектно-изыскательских организациях Юга России. Затем они могут быть утверждены в качестве региональных строительных норм для практического использования.

Автор благодарит Северо-Кавказский инженерно-геологический Центр Госстроя РФ,

ОАО «Ставропольгражданпроект», ОАО «СтавропольТИСИЗ» и научного руководителя - д-ра геол.-минер. наук, проф. Б.Ф. Галая за помощь при выполнении данной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 19912-2001 «Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием». Режим доступа: http://www.zona-

zakona.ru/zakon/index.php?zakon=fz_pam&go=index

2. СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство свайных фундаментов». Режим доступа: http://www.aquaexpert.m/analytics/?t=2&id=32

3. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83) / НИИОСП им. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1986. 415 с.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 3 сентября 2007 г.