ПРОБЛЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАВЫШЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДУЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ МЕЛО–МЕРГЕЛЬНЫХ ПОРОД

ПРОБЛЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАВЫШЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДУЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ МЕЛО–МЕРГЕЛЬНЫХ ПОРОД

Научная статья

Губарев С.А.*

ORCID: 0000–0002–6086–6215,

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, Белгород, Россия

* Корреспондирующий автор (gubarev.sereja[at]yandex.ru)

Аннотация

Возведение сооружений на мело – мергельном грунте в мировой практике насчитывает несколько столетий. На территории Европы, данный тип грунта, получил распространение при строительстве таких сооружений как: мосты, путепроводы и тоннели.

Повсеместная распространённость мело – мергельных пород на территории России, в частности, на территории Белгородской области, обусловило проведение инженерных изысканий, в том числе, применение метода статического зондирования. Данное исследование проводится с целью экспериментального определения расчетных характеристик мело – мергельного грунта с помощью погружения зонда.

У данного способа имеется ряд недостатков, на одном из которых в данной работе было заострено особое внимание. Это проблема получения завышенных результатов при проведении статического зондирования. В данной работе были выделены причины и найдены решения данной проблемы.

Ключевые слова: статическое зондирование, мело – мергельная порода, фундамент, сопротивление грунта, зонд.

ON THE ISSUE OF OBTAINING INFLATED RESULTS OF THE STUDIED CHARACTERISTICS USING STATIC PROBING AND BASED ON CHALK - MARL ROCKS

Research article

Gubarev S.A.*

ORCID: 0000–0002–6086–6215,

Belgorod State Technological University, Belgorod, Russia

* Corresponding author (gubarev.sereja[at]yandex.ru)

Abstract

The construction of structures on chalk-marl soil across the world has been performed for several centuries. In Europe, this type of soil has become widespread in the construction of structures such as bridges, overpasses and tunnels.

 The ubiquity of chalk-marl rocks on the territory of Russia, particularly on the territory of Belgorod Oblast, has led to engineering surveys, including the use of the static probing method. The study is carried out for the purpose of experimental determination of the calculated characteristics of the chalk – marl soil by means of probe immersion.

This method has a number of disadvantages, one of which has been of particular interest for this research. This is the problem of obtaining inflated results when conducting static probing. The paper identifies the causes and solutions to this problem.

Keywords: static probing, chalk - marl rock, foundation, soil resistance, probe.

Введение

Мел, как порода, представляет собой полускальную, осадочную горную породу, являющийся разновидностью известняка, которая имеет зоогенное происхождение, представленная в датском, туронском, сантонском коньякском, маастрихтском и кампанском ярусах. Его физико - ме­ханические характеристики зависят не только от структурно - текстурных особенностей, соотношения слагающих его компо­нентов, но и от природных факторов окружающей среды: влаж­ности и температуры.

В настоящее время в Белгородской области исследование характеристик меловых грунтов производится в результате инженерно - геологических изысканий. В частности, в поймах р. Везелка и р. Северский Донец пласт мела залегает в непосредственной близости от поверхности и чаще всего находится в водонасыщенном состоянии [1].

Актуальность исследования обусловлена широким использованием метода статического зондирования грунтов, изменением требований к проектированию фундаментов в современном строительстве, а также выявленным существенным расхождением исследуемых характеристик грунтов.

Методы и принципы исследования

Статическое зондирование представляет собой метод исследования грунтов, представляющий собой получении сведений о послойном составе и свойствах грунтов на строительных площадках, где планируется возведение свайного фундамента и где не представляется возможным использование иных методик [2].

Суть статического, заключается в последовательном и непрерывном вдавливании зонда в грунт, при определенном давлении, специально подобранной установкой, скорость погружения достигает 1,5 метра в минуту. После завершения исследований, штанги и зонд извлекаются из образовавшейся скважины, которая, в свою очередь, тампонируется.

По данным обработки результатов зондирования определяются значения удельного сопротивления грунта прониканию конического наконечника и трения грунта по боковой поверхности зонда в зависимости от глубины.

Ценность статического зондирования состоит в возможности в установлении отметки кровли прочных пород, к которым относятся и мело – мергельные породы.

Чаще всего, кровля мела, подстилающая четвертичные отложения, существенно подвержена процессам выветривания, что приводит к её разрушению до пастообразного состояния, с постепенным переходом в трещиноватый массив и большей сохранностью исходной структуры коренного мела [3], [4].

Основные результаты

Совместно с лабораторией ООО «Белгородстройизыскания», были проведены исследование участка местности на территории города Белгорода, с использованием метода статического зондирования. По экспериментальным данным инженерно – геологических изысканий, было представлено геологическое строение участка местности в таблице 1.

 

Таблица 1 – Инженерно-геологическое строение

№ ИГЭ	Глубина, м	Мощность, м	Отметка, м	Описание грунтов	Геологический возраст
1	2,4	1,7	172,5	Насыпной грунт	t IV
2	3,1	1,4	171,1	Песок мелкий, средней плотности, малой степени водонасыщения	al
3	3,7	0,6	170,5	Суглинок полутвердый
4	4,8	1,1	169,4	Песок мелкий, плотный, малой ст. водонасыщения
5	9,0	5,1	164,3	Суглинок полутвердый, слоистый, ожелезнённый, с прослойками сцементированного суглинка и глины
6	15,0	5,1	159,2	Мел белый, выветрелый, дресвяно – щебнистый

  А также представлены данные статического зондирования, которые отражены в таблице 2.  

Таблица 2 – Сопротивлению грунта зонду

Глубина, м	Сопротивление грунта зонду					Наименование грунта
	удельное		лобовое, кН	боковое, кН	общее, кН
	лобовое, МПа	боковое, кПа
1,0	2,6	21	2,60	0,74	3,34	Насыпной грунт
1,2	2,5	21	2,50	0,74	3,24
1,4	1,4	19	1,40	0,67	2,07
1,6	2,9	14	2,90	0,49	3,39
1,8	5,2	27	5,20	0,95	6,15
2	7,4	47	7,40	1,65	9,05
2,2	10,1	58	10,10	2,03	12,13
2,4	3,6	64	3,60	2,24	5,84
2,6	6,2	49	6,20	1,72	7,92	Песок
2,8	5,8	49	5,80	1,72	7,52
3	6,4	51	6,40	1,79	8,19
3,2	3,8	56	3,80	1,96	5,76	Суглинок
3,4	1,3	16	1,30	0,56	1,86
3,6	2,6	10	2,60	0,35	2,95
3,8	14,0	25	14,00	0,88	14,88	Песок
4	13,4	105	13,40	3,68	17,08
4,2	28,2	115	28,20	4,03	32,23
4,4	28,6	195	28,60	6,84	35,44
4,6	7,8	430	7,80	15,08	22,88
4,8	5,9	364	5,90	12,76	18,66	Суглинок
5	4,2	156	4,20	5,47	9,67
5,2	2,6	144	2,60	5,05	7,65
5,4	4,1	115	4,10	4,03	8,13
5,6	3,8	121	3,80	4,24	8,04
5,8	5,6	121	5,60	4,24	9,84
6	2,4	138	2,40	4,84	7,24
6,2	4,6	91	4,60	3,19	7,79
6,4	3,4	154	3,40	5,40	8,80
6,6	3,6	152	3,60	5,33	8,93
6,8	3,7	142	3,70	4,98	8,68	Суглинок
7	8,5	142	8,50	4,98	13,48
7,2	2,0	189	2,00	6,63	8,63
7,4	4,6	152	4,60	5,33	9,93
7,6	4,0	163	4,00	5,71	9,71
7,8	3,6	138	3,60	4,84	8,44
8	6,6	245	6,60	8,59	15,19
8,2	5,3	210	5,30	7,36	12,66
8,4	4,4	142	4,40	4,98	9,36
8,6	3,5	169	3,50	5,93	9,43
8,8	2,9	158	2,90	5,54	8,44
9	3,0	132	3,00	4,63	7,63
9,2	3,0	109	3,00	3,62	6,82
9,4	2,6	108	2,60	3,58	6,28
9,6	3,7	91	3,70	3,19	6,89
9,8	10,9	121	10,90	4,24	15,14
10	3,0	138	3,00	4,84	7,84	Мел
10,2	4,0	97	4,00	3,40	7,40
10,4	4,0	109	4,00	3,82	7,82
10,6	3,6	108	3,60	3,68	7,28
10,8	2,9	70	2,90	2,45	5,35
11	4,1	74	4,10	2,59	6,69
11,2	3,4	60	3,40	2,10	5,50
11,4	3,4	117	3,40	4,10	7,50
11,6	2,2	99	2,20	3,47	5,67
11,8	6,4	109	6,40	3,82	10,22
12	3,6	95	3,60	3,33	6,93
12,2	4,4	80	4,40	2,80	7,20
12,4	3,6	142	3,60	4,98	8,58
12,6	2,5	64	2,50	2,24	4,74
12,8	2,5	47	2,50	1,65	4,15
13	3,1	64	3,10	2,24	5,34
13,2	2,9	58	2,90	2,03	4,93
13,4	4,6	80	4,60	2,80	7,40
13,6	4,0	64	4,00	2,24	6,24
13,8	4,4	68	4,40	2,38	6,78
14	4,2	64	4,20	2,24	6,44
14,2	4,8	68	4,80	2,38	7,18
14,4	4,9	86	4,90	3,02	7,92
14,6	5,0	78	5,00	2,73	7,73
14,8	3,6	74	3,60	2,59	6,19
15	5,0	78	5,00	2,73	7,73
15,2	5,2	78	5,30	2,73	8,03

   

По СП 50–102–2003 был выполнен расчет основных характеристик, для сваи периметром 1,2 м, необходимых для расчета свайного фундамента, опирающегося на мел, данные которого представлены в таблице 3 [5], [6].

 

Таблица 3 – Расчетные значения по мелу

Глубина погружения, м	Сопротивление под нижним концом сваи, кПа	Боковое сопротивление сваи на 1 м слоя, кПа	Нормативное боковое сопротивление сваи, кПа	Предельно сопротивление сваи, кН
				под нижним концом	На боковой поверхности	общее
10,0	3018	56,40	55,77	271,66	669,25	940,90
11,0	2733	45,50	54,84	245,93	723,85	969,78
12,0	2572	48,00	54,27	231,50	781,45	1012,95
13,0	2677	39,82	53,16	240,90	829,23	1070,13
14,0	3092	35,60	51,90	278,24	871,96	1150,19

 

Сталкиваясь со статическим зондированием, многие изыскатели отмечают, что значения деформационных характеристик, полученных при использовании статического зондировании, отличаются в большую сторону от значений, которые определяются лабораторными методами. Эта проблема находит своё подтверждение и на примере исследования характеристик представленной территории [7], [8], [9].

Значительные расхождения выявляются при определении угла внутреннего трения, которые в некоторых случаях, достигают двукратной разницы между полевыми и лабораторными методами исследований. Данная проблема, с меньшим расхождением, возникает и при определении несущей способности свай, где прослеживается обратная зависимость, данные статического зондирования отличаются в меньшую сторону, а погрешность остаётся довольно большой, в диапазоне 20 – 30 % [10], [11], [12].

Одной из основных причин, такого рода погрешностей, является наступление предельного равновесия. Оно возникает в процессе нагружения грунта при заглублении зонда и продолжительном росте напряжения. При достижении пикового напряжения, грунт начинает разрушаться. Не маловажную роль играет скорость, с которой грунт разрушается, так как в моменте она резко возрастает и превышает скорость заглубления зонда, что подтверждается скачкообразностью определяемых характеристик в этот момент.

Для того чтобы минимизировать погрешности и решить проблему, необходимо использовать модернизированные установки статического зондирования, использующие современные технологии по измерению напряжения в толще грунта, регулирующие скорость погружения зонда и имеют повышенную частоту обновления данных. Так же необходимо использование пространственного анализа данных, включающего в себя соединение близлежащих скважин, с помощью автоматизированного ПО, для представление полной инженерно – геологического модели разреза, визуализации и дальнейшего 3D моделирования модели грунта, с возможностью переноса данных в программный продукт для проектирования фундамента [13].

Одной из таких современных установок, является установка CPT. Надежность получаемых данных обеспечивается контролем качества, выполняемым непосредственно при производстве работ и в процессе обработки данных. При этом конечные фактические результаты зондирования практически лишены влияния человеческого фактора, которое растет в процессе последующего анализа данных и их интерпретации [14].

Таким образом, для фиксации автоколебаний системы «зонд-грунт» при проведении статического зондирования необходимо применение систем непрерывной регистрации, позволяющих отслеживать параметры дискретного погружения с целью определения статических и динамических характеристик прочности грунта. В процессе вдавливания современного зонда оператор имеет возможность визуального контроля глубины и скорости погружения. При работе в режиме трансляции данных на мониторе отображаются результаты зондирования в режиме реального времени.

Так как все методы инженерной геологии взаимосвязаны, они всегда должны использоваться комплексно, с учетом конкретных грунтовых условий, а также ограничений каждого метода. Грамотное их сочетание и совместный анализ получаемых результатов - залог успеха в исследовании площадки работ.

Заключение

На данный момент метод статического зондирования является одним из наиболее перспективных в области инженерных изысканий, потому что способен решать задачи исследования грунтовых массивов на значительной глубине залегания, действую с минимальными нарушениями структуры пород и при этом обладая экономической целесообразностью, а в некоторых случаях и вовсе не имеет аналогов [15].

Значения, полученные в ходе данного исследования, представляют собой особую ценность, так как при возведении свайного фундамента, на данном участке местности, под проектируемое сооружение значительного веса и малой площади, конец сваи, по предварительному расчету, вполне может оказаться погружен в кровлю мела, для которого табличных данных для расчета – нет.

Без статического зондирования, в этом случае, невозможно обойтись и исходя из полученных данных, опирание концов свай на мел является обоснованной рекомендацией, для устройства фундамента на данном типе грунта, так как сопротивление грунта на боковой поверхности сваи и под её нижним концом приближены к табличным значениям глинистых грунтов.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Иванова, Е. О. Верхнемеловые отложения юго–запада ЦЧЭР (Белгородская и Курская области) / Е. О. Иванова, А. Д. Савко // Труды НИИ геологии Воронеж. гос. ун–та. Вып. 64, 2011. – 206 с.
2. Кулачкин Б.И. Экспериментально-теоретические исследования и разработка метода зондирования в инженерной геологии / Б.И. Кулачкин : Дисс. доктора г.-м. наук. – М., 1990
3. Грунты России. Т. 1. / Т. В. Андреева и др. – М.: КДО, 2011. – 672 с.
4. Трофимов В.Т. Грунтоведение / В. Т. Трофимов, В. А. Королёв, Е. А. Вознесенский. М.: Изд–во МГУ, 2005. 1024 с.
5. Трабукин В.В. Особенности использования мело–мергельных образований в качестве оснований зданий и сооружений / В.В. Трабукин // ВЕСТНИК ВГУ. СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ. 2017. № 4 – 127с.
6. Погорелов Ю.С. Опыт комплексирования геофизических методов «Немфис» и РАП при инженерно–геологических исследованиях разреза с меловыми отложениями / Ю.С. Погорелов, А.И. Рыбалов, Б.Я. Адигамов и др. Инженерная геофизика 2015 – Геленджик, Россия, 20–24 апреля 2015 г.
7. Сергеев С.В. Инженерно–геологические условия функционирования комплекса Белгородского государственного университета / С.В. Сергеев, М.А. Рыбалов // Научные ведомости НИУ БелГУ. Серия Естественные науки 3(74), (10), 2010.
8. Болдырев Г.Г. Комплексная технология инженерно-геологических изысканий / Г.Г. Болдырев, В.А. Барвашов, И.Х. Идрисов и др.// Вестник ПНИПУ. – 2017. – Т. 8 – № 3. – C. 22–33.
9. McCann T. Pocket Guide Geology in the Field / Tom McCann. Springer, Berlin, Heidelberg 2021 №1, VI, 162 р. DOI: 10.1007/978–3–662–63082–2
10. Сергеев С.В. Особенности сооружения свайных фундаментов в меловых грунтах / С.В. Сергеев, А.И. Рыбалов, Н.С. Соколов // Жилищное строительство 4, 33–39 (2017).
11. Леонычев, А.В. Проблемы использования мело-мергельных пород в качестве основания сооружений и их решение / А.В. Леонычев : Автореф. док. тех. наук. Москва (1995).
12. Губарев С.А. Использование мел - мергельных пород в качестве основания, для проектирования свайных фундаментов / С.А. Губарев, Т.Г. Калачук; Клюев С.В., Клюев А.В. (ред.) // Материалы Международной конференции Промышленное и гражданское строительство 2021. ICC 2021 года. Конспекты лекций по гражданскому строительству, том 147, С. 176-181.
13. Шокальский М.Ю. Методы статического зондирования грунтов CPTU, SCPT и RCPT: практика применения, анализа и обработки их результатов / М.Ю. Шокальский // Журнал «Инженерные изыскания», №8/2013, С. 40-45.
14. Драновский А. К интерпретации результатов статического зондирования грунтовых оснований / А. Драновский, А. Латыпов // Известия КазГАСУ. 2010. №1 (13), С. 162-169.
15. Латыпов А. Об интерпретации данных статического зондирования грунтов / А. Латыпов, Е. Яббарова // Известия Томского Политехнического Университета. Инжиниринг Георесурсов, Том 330, № 10 (2019), С. 82-90.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ivanova, E. O. Verhnemelovye otlozhenija jugo–zapada CChJeR (Belgorodskaja i Kurskaja oblasti) [Upper Cretaceous Deposits of the South-West of the Central Black Sea Region (Belgorod and Kursk Regions)] / E. O. Ivanova, A. D. Savko // Trudy NII geologii Voronezh. gos. un–ta. [Proceedings of the Research Institute of Geology of Voronezh State University] Vol. 64, 2011. – p. 206 [in Russian]
2. Kulachkin B.I. Jeksperimental'no-teoreticheskie issledovanija i razrabotka metoda zondirovanija v inzhenernoj geologii [Experimental and Theoretical Research and Development of the Sounding Method in Engineering Geology] / B.I. Kulachkin // Dissertation of the Doctor of Geological and Mineralogical Sciences – M., 1990 [in Russian]
3. Grunty Rossii [Soils of Russia]. Vol. 1. / T. V. Andreeva et al. – M.: KDO, 2011. – p. 672 [in Russian]
4. Trofimov, V. T. Gruntovedenie [Soil Science] / V. T. Trofimov, V. A. Koroljov, E. A. Voznesenskij. – M.: Publishing house MGU, 2005. – p. 1024 [in Russian]
5. Trabukin V.V. Osobennosti ispol'zovanija melo–mergel'nyh obrazovanij v kachestve osnovanij zdanij i sooruzhenij [Features of the Use of Chalk-Marl Formations as Bases of Buildings and Structures] / V.V. Trabukin // VESTNIK VGU. SERIJa: GEOLOGIJa. [Proceedings of Voronezh State University. Series: Geology] 2017. № 4 – p. 127 [in Russian]
6. Pogorelov Ju.S. Opyt kompleksirovanija geofizicheskih metodov «Nemfis» i RAP pri inzhenerno–geologicheskih issledovanijah razreza s melovymi otlozhenijami [Experience of Integration of Geophysical Methods “Nemfis” and RAP in Engineering-Geological Studies of a Section With Cretaceous Deposits] / Ju.S. Pogorelov, A.I. Rybalov, B.Ja. Adigamov et al. // Inzhenernaja geofizika 2015 [Engineering Geophysics 2015] – Gelendzhik, Russia, April 20–24, 2015 [in Russian]
7. Sergeev S.V. Inzhenerno–geologicheskie uslovija funkcionirovanija kompleksa Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta [Engineering and Geological Conditions of Functioning of the Belgorod State University Complex]. / S.V. Sergeev, M.A. Rybalov // Nauchnye vedomosti NIU «BelGU». Serija Estestvennye nauki. [Scientific Bulletin of the National Research University “BelSU”. Natural Sciences Series.] 3(74)(10), (2010). [in Russian]
8. Boldyrev G.G. Kompleksnaja tehnologija inzhenerno-geologicheskih izyskanij [Complex Technology of Engineering and Geological Surveys] / G.G. Boldyrev, V.A. Barvashov, I.H. Idrisov et al. // Vestnik PNIPU [PSTU Bulletin]. – 2017. – Vol. 8 – № 3. – pp. 22–33. [in Russian]
9. McCann T. Pocket Guide Geology in the Field / Tom McCann. Springer, Berlin, Heidelberg 2021 №1, VI, 162 р. DOI: 10.1007/978–3–662–63082–2
10. Sergeev S.V. Osobennosti sooruzhenija svajnyh fundamentov v melovyh gruntah [Features of the Construction of Pile Foundations in Chalk Soils]. / S.V. Sergeev, A.I. Rybalov, N.S. Sokolov // Zhilishhnoe stroitel'stvo 4 [Housing Construction 4], 33–39 (2017). [in Russian]
11. Leonychev, A.V.: Problemy ispol'zovanija melo-mergel'nyh porod v kachestve osnovanija sooruzhenij i ih reshenie: Avtoref. dok. teh. nauk. [Problems of Using Chalk-Marl Rocks as the Foundation of Structures and Their Solution: Abstract of Dessertation of the Doctor of Technical Sciences.] / A.V. Leonychev - Moskva (1995). [in Russian]
12. Gubarev S.A. Ispol'zovanie mel - mergel'nyh porod v kachestve osnovanija, dlja proektirovanija svajnyh fundamentov [The Use of Chalk - Marl Rocks as a Base for the Design of Pile Foundations]. [Electronic resource] / S.V. Kljuev, A.V. Kljuev (ed.) // Materialy Mezhdunarodnoj konferencii Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo 2021. ICC 2021 goda. Konspekty lekcij po grazhdanskomu stroitel'stvu [Proceedings of the International Conference Industrial and Civil Construction 2021. Icc 2021. Lecture Notes on Civil Engineering], Volume 147, pp. 176-181. [in Russian]
13. Shokal'skij M.Ju.: Metody staticheskogo zondirovanija gruntov CPTU, SCPT i RCPT: praktika primenenija, analiza i obrabotki ih rezul'tatov [Methods of Static Sounding of Soils CPTU, SCPT and RCPT: Practice of Application, Analysis and Processing of Their Results] / M.Ju. Shokal'skij // Zhurnal «Inzhenernye izyskanija» [“Engineering Surveys” Magazine], №8/2013, pp. 40-45. [in Russian]
14. Dranovskij A. K interpretacii rezul'tatov staticheskogo zondirovanija gruntovyh osnovanij [On the Interpretation of the Results of Static Sounding of Soil Bases] / A. Dranovskij, A. Latypov // Izvestija KazGASU [Kazan State University of Architecture and Engineering Bulletin]. 2010. №1 (13), pp. 162-169. [in Russian]
15. Latypov A. Ob interpretacii dannyh staticheskogo zondirovanija gruntov [On Interpretation of Data of Static Sounding of Soils] [Electronic resource] / A. Latypov, E. Jabbarova // Izvestija Tomskogo Politehnicheskogo Universiteta. Inzhiniring Georesursov [Tomsk Polytechnic University Bulletin. Georesources Engineering], Volume 330, № 10 (2019), pp. 82-90. [in Russian]