Классификация грунтов по группам

Современные требования к определению параметров свойств грунтов

Современные требования к изысканиям, а в частности к определению многих параметров свойств грунтов, обусловлены широким (и в перспективе повсеместным) применением математического моделирования и использовании программных комплексов типа Ansis и Plaxis.

Применяемые в этих программах модели поведения грунтов требуют определения некоторых параметров свойств грунтов, которые не регламентируются действующими нормативными документами, таких как коэффициент переуплотнения (OCR), требующий определения при компрессионных испытаниях давления переуплотнения, т.е. той точки на графике нагрузка-деформация, когда к упругим деформациям добавляются пластические, или такого, как секущий модуль деформации Е50, одометрический модуль деформации Еoed и многих других.

На сайте пензенской компании «НПП-Геотек» размещены многочисленные публикации на эту тему, в том числе, подробные и прекрасно проиллюстрированные, с подробными рекомендациями по определению параметров свойств грунтов (за что огромное спасибо уважаемому Г.Г. Болдыреву).

Однако на сегодняшний день не существует утвержденных методических рекомендаций по специфике инженерно-геологических изысканий для обоснования расчетных моделей поведения грунтов, реализуемых в современных программных комплексах. Таких рекомендаций, в которых подробно описывались бы используемые в различных программных комплексах модели поведения грунтов, основные применяемые в них параметры свойств грунтов, схемы лабораторных и полевых испытаний, применяемые для получения этих параметров, и т.д.

Конечно, квалификация каждого инженер-геолога, работающего в отрасли, должна быть достаточной, чтобы при необходимости разобраться во всех особенностях требований современных моделей поведения грунтов к определению параметров свойств, однако грамотно разработанные, подробные методические рекомендации могут оказать значительную помощь исполнителям изысканий, как с точки зрения экономии времени, поскольку этот вопрос зачастую стоит наиболее остро, так и с точки зрения повышения качества конечной информации, используемой затем в проектировании и расчетах.

И мне кажется, что в этом направлении сейчас следует прилагать существенные усилия Комитету по нормативному и техническому регулированию НОПРИЗ.

Такой документ жизненно необходим отрасли инженерно-геологических изысканий и проектирования.

Исследования свойств грунтов методом статического зондирования

Метод статического зондирования является одним из наиболее быстрых методов получения большого объема данных при проведении инженерно-геологических изысканий (рис. 7). Метод широко известен, стандартизирован в РФ и за рубежом и показал свою надежность и эффективность в течение не менее 75 лет своего применения .

Рис. 7. Процедура сбора и обработки СРТ данных

На рисунке 7 показана схема потока информации при статическом зондирования – от измерения параметров зондирования до обработки данных измерений с целью определения физических и механических характеристик грунтов. Используя измеренные значения параметров зондирования (лобовое сопротивление, сила трения, поровое давление, скорость поперечных волн), строятся профили и определяется тип поведения грунта (рис. 8). Более подробно данная процедура рассмотрена в работах . Следует отметить, что метод хорош тем, что данные измерений в цифровом формате непрерывно поступают на пульт оператора (буровика) в режиме реального времени. Скорость считывания параметров зондирования составляет миллисекунды и они могут быть записаны с любым интервалом по глубине, например, 1 см. Обычно рекомендуются интервалы 10–20 см. Подобная плотность измерений позволяет использовать статистические методы обработки данных измерений, что в итоге повышает точность и надежность исследований.

Рис. 8. Пример построения профилей параметров зондирования и литологической колонки

Рис. 9. Выбор типа корреляционного уравнения

Физические и механические характеристики грунтов определяются с использованием корреляционных уравнений, связывающих параметры зондирования с той или иной характеристикой грунта (рис. 9). Эти уравнения получены для различных типов грунтов и приведены в многочисленной литературе . Для примера, приведем некоторые из них:

угол внутреннего трения (Mayne, 2005)

. (1)

где

; (2)

– полные напряжения от собственного веса грунта; z – глубина;

– эффективные напряжения от собственного веса грунта;

– гидростатическое давление в грунтовой воде;

– скорректированное лобовой сопротивление; а – параметр зонда. В случае применения зонда типа СРТ

не измеряется и

;

– измеряемое лобовое сопротивление.

. (3)

где

– измеряемое избыточное поровое давление;

удельный вес грунта (Robertson & Cabal, 2010)

,(4)

где

– силы трения;

gW– удельный вес воды одной размерности;

с g; pa– атмосферное давление той же размерности, что и qt, равное 100 кПа.

одометрический модуль деформации (Kulhawy & Mayne, 1990)

.(5)

модуль общей деформации (МГСН.2.07-97)

. (6)

На рисунке 9 показан пример использования корреляционных уравнений, приведенных в СП 47.13330.2012.

Приведенные уравнения относятся к глобальным зависимостям, которые получены для грунтов различного типа и генезиса и могут быть рекомендованы только в качестве оценочных значений характеристик. Точное (локальное) значение характеристики грунта может быть получено путем сопоставления данных лабораторных испытаний и данных статического зондирования. При этом может быть использована структура уравнений (1–6) с изменением в них соответствующих коэффициентов. В рассматриваемую технологию инженерно-геологических изысканий введен модуль «Статистика», который позволяет строить локальные корреляционные уравнения. Методика построения уравнений основана на «Руководство по составлению региональных таблиц нормативных и расчетных показателей свойств грунтов. ПНИИИС Госстроя СССР. М: Стройиздат, 1981, 55 с.».

Пример построения локального корреляционного уравнения показан на рисунке 10 при определении зависимости модуля общей деформации от показателя текучести .

Рис. 10. Подбор зависимости модуля общей деформации от показателя текучести

О системе выделения ИГЭ

Систему выделения ИГЭ, на мой взгляд, нельзя считать устаревшей или не актуальной.

Ведь ИГЭ – гибкий инструмент. Коллеги в публикациях указывали, что выделение ИГЭ – субъективная вещь, и каждый инженер-геолог выделяет элементы по-своему.

Но ведь так и должно быть.

Гидрогеолог при составлении геофильтрационной модели также выделяет расчетные блоки на основании всей имеющейся у него информации с учетом уровня детализации. И все гидрогеологические модели, даже относящиеся к одному участку или к одному водоносному комплексу, составленные разными специалистами или в различное время, различаются между собой.

Такой же подход реализован и в инженерной геологии. Выделение ИГЭ – первый этап геотехнической схематизации.

Действующий ГОСТ на основе заложенной в него логики позволяет применять инструмент выделения ИГЭ гибко.

— п. 4.6 ГОСТ «Грунты. Методы статистической обработки…» гласит:

— «За ИГЭ принимают некоторый объем грунта, одного и того же происхождения, подвида, или разновидности».

Остальные положения касаются параметров статистической обработки.

Кроме того, пункт 5.4 прямо это позволяет: «если установлено, что характеристики грунтов изменяются в пределах предварительно выделенного ИГЭ случайным образом, этот элемент принимают за окончательный независимо от значений коэффициента вариации характеристик».

Так, на стадии ТЭО, с учетом низкого уровня детализации, ИГЭ могут выделяться в пределах крупных грунтовых толщ, а на стадии РД, при высокой детальности исследований, могут учитывать и наличие прослоев, и изменение параметров толщ по направлениям, и иные факторы.

Было бы достаточное количество полевых и лабораторных испытаний, чтобы обеспечить эти ИГЭ свойствами.

В Еврокоде реализован похожий подход. Там выделяются «условно однородные толщи». Особенности подхода, определяемого Еврокодом, в том, что «условно однородные толщи» могут быть однородными не по всем параметрам, а только по некоторым, необходимым для конкретного расчета. И в Европе эти «условно однородные толщи» выделяет геотехник, а не геолог.

Но как раз в этом и преимущество отечественного подхода, поскольку первоначально ИГЭ выделяет как раз геолог, который «держит в голове» исходную литолого-стратиграфическую модель, а также все влияющие факторы – сезонное изменение свойств верхних толщ, колебания уровня подземных вод, положение в пространстве ослабленных зон, густоту сети трещиноватости и многое другое.

В дальнейшем проектировщики вправе объединять или дробить ИГЭ в зависимости от требований конкретных расчетов и используемых расчетных моделей.

Так что, мне кажется, отказываться от столь удобного, гибкого и логически обусловленного инструмента явно преждевременно.

Конечно, у ИГЭ есть свои границы применимости.

До тех пор, пока применяются аналитические методы расчетов, реализованные в ГОСТ и СП, ИГЭ безусловно можно и нужно применять.

Как указывает в своих статьях Алексей Бершов, ИГЭ нельзя применять в тех ситуациях, когда расчеты осадок, устойчивости и иные проводятся с помощью расчетных программ, реализующих конечно-элементную модель и «продвинутые» модели поведения грунтов.

Нельзя использовать ИГЭ при больших площадях участков проектирования, при большой мощности активной зоны сооружения, т.е. во всех тех случаях, когда «размазывание» свойств по объему ИГЭ приводит к погрешности расчетов, превышающих допустимую.

Вероятно, вопрос применения или неприменения подхода выделения ИГЭ должен решаться на стадии составления проектировщиком ТЗ на инженерно-геологические изыскания.

В том случае, если условия проектирования требуют отказа от выделения ИГЭ, это требование должно быть указано в ТЗ, а в программе производства работ (ППР) должна быть представлена методика исследований инженерно-геологических условий с описанием подхода к расчленению геологического разреза и подхода к представлению распределения свойств грунтов в пространстве.

К примеру, расчленение разреза будет проводиться до грунтовых толщ (критерии их выделения определял среди прочих В.Т. Трофимов), а описание свойств грунтов в пространстве будет задаваться на основе гистограмм распределения, графиков рассеяния, формул тренда изменения свойств с глубиной или по выделенному направлению и т.д.

И, естественно, необходимы изменения в нормативных документах, которые позволят «узаконить» отказ от выделения ИГЭ.

Скачать ГОСТ 25100-2011 .pdf Грунты и их классификация

Сведения о государственном стандарте ГОСТ 25100-2011

Стандарт разработан рациональным объединением изыскателей (НОИЗ), Научноисследовательским, проектно-изыскательским и конструкторскотехнологическим институтом (НИИОСП) им. Н.М.Герсеванова – институтом ОАО “НИЦ “Строительство”, Институтом геоэкологии им. Е.М.Сергеева РАН, Московским государственным университетом (МГУ) им. М.В.Ломоносова при участии ОАО “Росстройизыскания”, ОАО “Фундаментпроект”, Государственного унитарного предприятия г.Москвы “Мосгоргеотрест”, ОАО “ГСПИ”, ООО “Мостдоргеотрест”, Государственного предприятия Московской области “Мособлгеотрест”, Московского геологоразведочного института (МГРИ-РГГРУ), Московского государственного строительного университета (МГСУ)

Стандарт ГОСТ 25100-2011 внесен техническим комитетом по стандартизации ТК 465 “Строительство”

Стандарт ГОСТ 25100-2011 принят межгосударственной научно-технической комиссией по стандартизации, техническому нормированию и оценке соответствия в строительстве (МНТКС) (приложение Д к протоколу N 39 от 8 декабря 2011 г.)

Грунты и их характеристики

Плывуны – содержат мелкие глинистые или песчаные частицы, разбавленные водой. Степень плывучести определяется по количеству воды в грунте.

Сыпучие грунты (песок, гравий, щебень, галька) состоят из слабосцепленных между собой частиц разного размера.

Мягкие грунты – содержат слабосвязанные между собой частицы землистых пород (глинистых или песчано-глинистых).
Слабые грунты (гипс, глинистые сланцы и др.) состоят из слабосвязанных между собой частиц пористых пород.

Средние грунты – (плотные известняки, плотные сланцы, песчаники, известковый шпат) состоят из связанных между собой частиц пород средней твердости.

Крепкие грунты – (плотные известняки, кварцевые породы, полевые шпаты и др.) содержат связанные между собой частицы пород большой твердости.

Состав и объем инженерно-геологических изысканий

Состав и объем инженерно-геологических изысканий определяется программой, которая является обязательной, согласно требованиям СП 47.13330.2016 и СП 446.1325800.2019. Состав и объем изысканий зависит от стадии подготовки документов для последующего проектирования. Например, при проведении инженерно-геологических изысканий для подготовки проектной документации нормы рекомендуют назначать количество горных выработок в зависимости от категории инженерно-геологических условий (I-III) на расстоянии от 25 до 100 м, в пределах контуров проектируемых зданий и сооружений. При этом до 30% горных выработок допускается заменять точками статического или динамического зондирования.

Глубина выработок на площадках зданий и сооружений должна быть на 2 м ниже активной зоны взаимодействия сооружения с грунтовым массивом.
Толщину активной зоны рассчитывают по СП 22.13330. При отсутствии данных об активной зоне глубину горных выработок следует устанавливать в зависимости от типов фундаментов и нагрузок на них (этажности):

для ленточных и столбчатых фундаментов – в зависимости от нагрузки на фундаменты;
для свайных фундаментов – в зависимости от длины сваи и нагрузки на куст свай;
для плитных фундаментов –1/2 ширины фундамента, но не менее 20 м от его подошвы;
для свайно-плитных фундаментов по максимальной глубине требований перечислений 2) и 3) и т.д. (см. СП 47.13330.2012, п. 6.3.8).

Рассмотренные нормативные требования должны быть учтены при составлении задания и программы инженерно-геологических изысканий. Например, задание на инженерно-геологические изыскания для подготовки проектной документации, как правило, должно содержать (п. 6.3.2, СП 47.13330.2012):

данные о проектируемых нагрузках на основание;
данные о предполагаемых типах фундаментов;
данные о глубинах заложения фундаментов и подземных частей зданий и сооружений;
данные о высоте и этажности зданий и сооружений;
данные о предполагаемой сфере взаимодействия проектируемых объектов с основаниями фундаментов;
<…>
данные, необходимые для составления программы выполнения инженерно-геологических изысканий, включая ситуационный план (схему) с указанием границ площадок, участков и направлений трасс, с контурами предполагаемого размещения проектируемых зданий и сооружений.

Таким образом, до начала инженерно-геологических изысканий необходимо иметь ситуационный план площадки или трассы изысканий, назначить требуемое количество выработок и точек зондирования, задать тип фундамента, его размеры, глубину заложения и нагрузки, выбрать способ бурения скважин и отбора монолитов грунта, метод зондирования и др.

В предлагаемой технологии эта информация вводится в программу до выхода в поле и используется в дальнейшем в процессе инженерно-геологических изысканий.

На рисунке 4 приведен пример ситуационного плана площадки строительства двух жилых девятиэтажных зданий и выработки, назначенные в соответствии с вышеприведенными нормативными требованиями. Все буровые скважины (выработки) находятся рядом и вне пятна проектируемых зданий, а точки статического зондирования вблизи зданий.

Рис. 4. Пример ситуационного плана площадки изысканий с выработками (кружок с точкой) и точками статического зондирования (красный кружок)

Рис. 5. Ввод параметров проектируемого объекта

Данные о проектируемом объекте строительства вводятся по каждому объекту индивидуально. На рисунке 5 показан пример ввода данных для жилого дома с шифром «4А-4Б».

Глубину выработок предлагается не назначать нормативно, а определять непосредственно при проведении полевых испытаний грунтов методом статического зондирования. Зная размеры, тип фундамента и нагрузки в ходе статического зондирования автоматически выполняется расчет осадки фундамента в точке зондирования по мере погружения зонда в грунт и определяется глубина активной зоны сжатия. При достижении глубины активной зоны сжатия (глубина сжимаемой толщи), плюс 2 м оператор получает на экране полевого компьютера сообщение «Глубина зондирования достигнута».

Рис. 6. Расчет осадки и крена фундамента

На рисунке 6 приведены результаты расчета осадки и крены плитного фундамента методом СП 22.13330.2016. В точке зондирования №551-04 глубина сжимаемой толщи равна 5,98 м, а осадка равна 3,01 см. Таким образом, при действующей нагрузке в 0,13 МПа зондирование следует выполнять до глубины 5,98+2 = 7,98 м.

Виды грунтов

I – категория – Песок, супесь, суглинок лёгкий (влажный), грунт растительного слоя, торф
II – категория – Суглинок, гравий мелкий и средний, глина лёгкая влажная
III – категория – Глина средняя или тяжёлая,разрыхлённая, суглинок плотный
IV – категория – Глина тяжёлая. Вечномёрзлые сезонно промерзающие грунты:растительный слой,торф, пески, супеси, суглинки и глины
V – категория – Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и известняк. Мягкий конгломерат. Вечномёрзлые сезонно промерзающие грунты:супеси, суглинки и глины с примесью гравия,гальки,щебня и валунов до 10% по объёму,а также моренные грунты и речные отложения с содержанием крупной гальки и валунов до 30% по объёму.
VI – категория – Сланцы крепкие.Песчаник глинистый и слабый мергелистый известняк. Мягкий доломит и средний змеевик. Вечномёрзлые сезонно промерзающие грунты: супеси, суглинки и глины с примесью гравия, гальки, щебня и валунов до 10% по объёму, а также моренные грунты и речные отложения с содержанием крупной гальки и валунов до 50% по объёму
VII – категория – Сланцы окварцованные и слюдяные. Песчаник плотный и твёрдый мергелистый известняк. Плотный доломит и крепкий змеевик. Мрамор. Вечномёрзлые сезонно промерзающие грунты: моренные грунты и речные отложения с содержанием крупной гальки и валунов до 70% по объёму.