Исследование плотности и прочности горных пород методами зондирования

В настоящее время при инженерных изысканиях широкое применение получили методы статического и динамического зондирования. Это очень простые методы исследований преимущественно песчаных и глинистых пород, дающие широкую информацию об их плотности, прочности, деформационных свойствах и однородности. Кроме того, с помощью этих методов можно устанавливать изменение геологического разреза по глубине, выявлять глубину залегания и мощность слабых слоев и зон плотных, прочных и коренных пород, а также изменение степени уплотнения, и упрочнения искусственно отсыпанных или намытых пород во времени. Методы зондирования позволяют получать необходимые данные для проектирования и оценки условий строительства свайных фундаментов, шпунтовых ограждений и других видов строительных работ.

Опыты состоят в задавливании или забивании в горные породы зонда с коническим наконечником (редко грунтоноса-пробоотборника). При статическом зондировании зонд задавливается в породы, при динамическом - забивается. По тем сопротивлениям, которые оказывают горные породы проникновению в них зонда, судят об их плотности, прочности и других свойствах. Естественно, что такие исследования горных пород не являются достаточно точными, они дают предварительные, главным образом приближенные представления об их свойствах. При сочетании методов зондирования с другими видами геологических работ, результативность их, т.е. точность и достоверность, значительно повышаются.

Статическое и динамическое зондирование - это полевые экспресс - методы, для интерпретации результатов которых на предварительных стадиях изысканий их надо обязательно сочетать с разведочными работами - геофизическими и горно-буровыми, а на детальных - использовать в качестве дополнительных с целью повышения детальности изысканий в целом и решения специальных вопросов (например, при проектировании свайных фундаментов и др.).

ГОСТ 20069-74 и 19912-74 и (СН 448-72) рекомендуют при инженерных изысканиях для конкретных зданий и сооружений зондирование производить в пределах их контуров или не более чем в 5 м от них. Для получения сопоставимых данных часть точек зондирования рекомендуется располагать на расстояниях не более 5 м от разведочных выработок, из которых производят отбор монолитов горных пород для лабораторных исследований и выполняют другие полевые исследования. Практика показывает, что данные зондирования необходимо рассматривать совместно с данными, получаемыми при бурении скважин и проходке горных выработок. Этого требуют ГОСТ 20069-74 и 19912-74. Глубину зондирования определяют исходя из необходимости исследования определенной толщи горных пород как оснований зданий и сооружений. Предельная глубина зондирования не должна превышать 20-и. Область применения статического и динамического зондирования в зависимости от вида и физического состояния горных пород регламентируется данными, приведенными в табл.1.

Таблица 1.

Область применения статического и динамического зондирования по СН 448-72

* Допускается по специально разработанной методике при проведении экспериментальных работ.

При статическом зондировании основными показателями свойств горных пород являются:

а) общее сопротивление зондированию Rобщ, кгс;

б) сопротивление погружению конуса Rконкгс/см2;

в) удельное сопротивление погружению конуса Rуд. кон, кгс/см2;

г) сопротивление трению по боковой поверхности зонда Rтр,кгс/см2.

Общее сопротивление горных пород - это то сопротивление, которое они оказывают проникновению зонда. Оно равно тому усилию (кгс), которое передается зонду гидравлическим домкратом или весом груза.

При использовании современных гидравлических установок оно равно

Rобщ = pFц,

где p - показание манометра, отражающее давление в цилиндре гидравлического домкрата, кгс/см2; Fц - площадь поршня гидравлического домкрата, см2.Часть усилий, расходуемых на вдавливание зонда, расходуется на преодоление сил трения между зондом и породой. Если исключить эти сопротивления, получим сопротивление горных пород, оказываемое непосредственно проникновению конуса, т. е. сопротивление погружению конуса Rкон.

Rкон = Rобщ - Rтр.

Современные установки для статического зондирования позволяют производить измерение общего сопротивления зондированию по показаниям манометра, а сопротивления проникновению конуса - по показаниям динамометра и индикаторов часового типа.

Удельное сопротивление статическому зондированию конусом равно

Rуд = Rкон / Fк ,

где Fк - площадь поперечного сечения конуса, см2.

Удельное сопротивление - это сопротивление горных пород проникновению конуса, приходящееся на единицу его поперечного сечения. Международными конгрессами по механике грунтов и фундаментостроению (IV в 1957 г. в Лондоне и V в 1961 г. в Париже) было рекомендовано использовать для статического зондирования конус диаметром 36 мм, площадью 10 см2, с углом при вершине 60°.

Сопротивление горных пород трению по боковой поверхности зонда равно

Rтр = Rобщ - Rкон

Современные конструкции установок для статического зондирования позволяют измерять либо общее сопротивление горных пород и сопротивление их погружению конуса, либо сопротивление проникновению конуса и величину трения по боковой поверхности зонда.

При динамическом зондировании горных пород основными показателями являются: а) показатель динамического зондирования N; б) глубина погружения зонда от определенного числа ударов стандартного молота S (это число ударов принято называть залогом); в) условное динамическое сопротивление горных пород Rд, кгс/см2 (по ГОСТ 19912-74 обозначается pд,т. е. не так, как оно обозначается международными индексами).

Показателем динамического зондирования принято называть число ударов молота, необходимое для погружения зонда на определенную глубину. В нашей стране эта глубина принята равной 10 см. Отсюда показатель динамического зондирования равен

N = 10n / S ,

где n - число ударов в залоге; S - глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

Показатель динамического зондирования зависит не только от сопротивления, оказываемого горными породами проникновению зонда, но и от сил трения, развивающихся по боковой поверхности зонда при его погружении, и от увеличения его веса с глубиной. Поэтому при обработке результатов испытаний вводят соответствующие поправки на боковое трение пород и на увеличение веса зонда. Эти поправки приводятся в методических руководствах.

Основным показателем свойств горных пород при динамическом зондировании считается условное динамическое сопротивление горных пород Rд. Только этот показатель предлагается ГОСТ 19912-74 и (СН 448-72). Его вычисляют по формуле

Rд = KП0Фn / S ,

где K - коэффициент для учета потерь энергии при ударе, определяемый по специальной таблице; П0 - коэффициент для учета влияния применяемого оборудования, определяемый по специальной таблице; Ф- коэффициент для учета трения штанг о горные породы, определяемый по данным двух испытаний, в одном из которых зондирование производится в процессе бурения; n - число ударов в залоге; S - глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

Для статического и динамического зондирования применяют разнообразные установки и станки. Наиболее часто используют установки конструкции ГПИ Фундаментпроект марки С-979, БашНИИ-промстроя марки С-832 и ВСЕГИНГЕО марки СПК. Известны установки конструкции и других организаций.

Информация для статьи заимствована из книги: Ломтадзе В.Д. "Инженерная геология. Специальная инженерная геология." Л, Недра, 1978