Испытание грунтов при помощи дилатометра Маркетти в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурга



В составе настоящей статьи рассматривается применение плоского дилатометра Маркетти применимо к условиям слабых водонасыщенных грунтов Санкт-Петербурга, производится сравнение полученных на его основании характеристик грунтов с классическими результатами изысканий, регламентируемыми нормативными документами и применяемыми на объектах города.

Ключевые слова: инженерно-геологические изыскания, дилатометр Маркетти, слабые водонасыщенные грунты.

Инженерно-геологические изыскания являются одними из самых важных, сложных и ответственных видов работ. На основании результатов геологических исследований производится выбор типа фундаментов и последующий расчёт проектного решения зданий и сооружений, выполняются геотехнические прогнозы строительства и их влияния на существующие окружающие здания и пр. Грамотно назначенные, качественно и точно исполненные изыскания позволяют наиболее достоверно выполнить расчёты и максимально близко к фактическим определить прогнозируемые значения собственных и дополнительных деформаций сооружений.

Особое внимание стоит обратить на проведение инженерно-геологических изысканий в условиях слабых глинистых грунтов, повсеместно распространённых в границах исторического центра Санкт-Петербурга. При расположении участка предполагаемой застройки в условиях плотной исторической застройки центральной части города от точности и объёма результатов изысканий зависит не только выбор проектного решения проектируемого сооружения, но и безопасность существующих окружающих зданий, зачастую объектов культурного наследия регионального и федерального значения.

В состав геологических изысканий входят разнообразные принципы и методики полевых, лабораторных, камеральных работ, определяемых на основании СП 11–105–97, СП 446.1325800.2019, СП 47.13330.2016 и др.

Полевые испытания являются важнейшей частью инженерно-геологических исследований. Наиболее популярными методами полевых инженерно-геологических исследований грунтов являются методы статического и динамического зондирования, они успешно применяются как в России, так и за её пределами. Принципиальное отличие состоит в том, что в России метод динамического зондирования проводится конусным зондом (ГОСТ 19912–2012), а в международной практике используется зонд в виде пробоотборника (ASTM D 1586, ISO 22476). Также широкое применение на территории нашей страны находит метод испытания плоским и винтовым штампами, с помощью которого определяют модуль деформации, начального просадочного давления и относительной деформации просадочности (ГОСТ 20276–2012). В зарубежных странах используются другие стандарты, так в США применяют методику испытаний круглым штампом для верхней части дорожного покрытия (ASTM D1195), а в Англии грунт испытывают на сжимаемость и прочность при статическом и кинематическом нагружении круглого штампа на поверхности грунта (BS 1377–9).

В Америке и в странах Европы активно применяется метод испытаний плоским дилатометром Маркетти, он регламентируется нормами ASTM D 6635 и ISO 22476–5, но в России он не пользуется спросом. В нашей стране были разработаны три типа плоского дилатометра: жесткий дилатометр; расклинивающий дилатометр; плоский дилатометр. Однако, на практике ни один из этих приборов не используется. На жесткий и расклинивающий дилатометр отсутствует национальный стандарт, а последний не производится, несмотря на наличие рекомендаций по его использованию в ГОСТ 20276–2012.

В составе настоящей статьи рассматривается использование плоского дилатометра Маркетти применимо к условиям слабых водонасыщенных грунтов Санкт-Петербурга, производится сравнение полученных на его основании характеристик грунтов с классическими результатами изысканий, регламентируемыми нормативными документами и применяемыми на объектах города.

Участок проведения сравнительных изысканий. Опытная площадка расположена в центральной части города, в границах исторического центра, в условиях плотного примыкания к существующим зданиям окружающей застройки.

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез по участку исследования

В составе полевых исследований, выполняемых на основании классических методик, регламентируемых СП 47.13330.2016, первоначально, в 2015г. на участке произведено бурение 8-ми скважин глубиной 32,0–35,0 м и выполнено статическое зондирование в 6-и точках до максимально возможной глубины вдавливания 25,5–33,0 м, прессиометрические испытания грунтов, отбор монолитов и образцов грунтов нарушенного сложения. Позднее, в 2020 г., на площадке проведены дополнительные, уточняющие изыскания по результатам проходки 4-х скважин глубиной 27,0–31,0 м. По результатам изысканий установлено, что напластование и свойства грунтов в пределах исследуемой площадки характерны для центральной части Санкт-Петербурга — под слоем насыпных грунтов залегают достаточно средней плотности и плотные пылеватые пески с модулем деформации 13–30 МПа мощностью 6–8 м, являющиеся несущим слоем для фундаментов как здания реконструируемого на участке, так и сооружений окружающей застройки. Под слоем песков расположена достаточно мощная толща слабых текучих глинистых грунтов с показателем консистенции 0,73–1,42 и модулем деформации 5–10 МПа общей мощностью 12–14 м. Тугопластичные суглинки и супеси с показателем модулем деформации 17–22 МПа в пределах участка залегают на глубинах 24–25 м.

Испытание грунтов плоским дилатометром Маркетти производилось «in situ» в 7-ми точках начиная с глубины 2,10–3,50 м через каждые 20 см, максимальная глубина исследований составила 27,6 м.

По итогам изысканий прочностные и деформационные характеристики, полученные дилатометром, сравнивались со значениями показателей, полученными на основании классических исследований.

1) Анализ прочностных идеформационных характеристик песчаных грунтов

На основании обработанных лабораторных данных и данных, полученных дилатометром было проведено сравнение результатов угла внутреннего трения (для II-ой группы предельного состояния) и модуля деформации для песчаных слоев грунта (ИГЭ 2 и ИГЭ 5), результаты сравнения представлены в таблице № 1.

Таблица 1

Сравнение лабораторных иполевых испытаний песчаных грунтов

№ ИГЭ	Наименование грунта	Дилатометр			Лабораторные испытания
			Ed, МПа	M, МПа	, кПа		E, МПа	Eoed, МПа
2	Пески пылеватые средней плотности	33,37	38,79	66,39	2	26	12	16,15	0,30	0,74	0,24	1,28
5	Пески пылеватые плотные	32,95	20,20	25,82	6	34	13	17,5	0,30	0,74	0,68	0,97

В виртуальной лаборатории Plaxis Soil Test были проведены испытания песчаных грунтов. Для каждого грунта было проведено 2 испытания: по показаниям дилатометра и по показаниям реальных лабораторных испытаний. Сравнительные результаты испытаний в виртуальном стабилометре выражены в графике зависимости (см. рис. 2, 3).

2) Анализ прочностных идеформационных характеристик глинистых грунтов

Обновленный ГОСТ 12248–2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости» рекомендует для водонасыщенных глинистых грунтов (ИГЭ 7, 8а, 8) в нестабилизированном состоянии проводить неконсолидированно-недренированное испытание, по результатам которого получают сопротивление недренированному сдвигу или недренированную прочность. Также для данных грунтов были определены «эффективные» показатели прочности в лаборатории: удельное сцепление и угол внутреннего трения , см. табл. 2.

Получение недренированной прочности предпочтительнее полевыми методами, как раз для этой цели хорошо подходит дилатометр Маркетти, так как в широко применяемых приборах одноплоскостного среза ввиду особенностей конструкции (нет возможности произвести полное водонасыщение) прочность получается с низкими значениями угла внутреннего трения. Альтернативой могут служить трехосные лабораторные испытания для получения .

Таблица 2

Сравнение лабораторных иполевых испытаний глинистых грунтов

№ ИГЭ	Наименование грунта	Дилатометр			Лабораторные испытания
		, кПа	Ed, МПа	M, Мпа	, кПа		E, МПа	Eoed, МПа
7	Суглинки текучие	39,15	3,77	3,88	12	4	5	8,84	0,37	0,57	0,43
8а	Суглинки текучие	47,20	7,43	8,32	8	11	7	12,38	0,37	0,57	0,67
8	Суглинки текучие	55,36	4,30	4,62	8	10	6	10,61	0,37	0,57	0,43

Аналогично песчаным грунтам в виртуальной лаборатории Plaxis Soil Test были проведены испытания глинистых грунтов. Для каждого грунта было проведено 2 испытания: по показаниям дилатометра и по показаниям реальных лабораторных испытаний. Сравнительные результаты испытаний в виртуальном стабилометре выражены в графике зависимости (см. рис. 4, 5, 6).

Результаты сравнительного анализа

Рис. 2. ИГЭ 2. Пески средней плотности

Рис. 3. ИГЭ 5. Пески пылеватые плотные

Рис. 4. ИГЭ 7. Суглинки текучие

Рис. 5. ИГЭ 8а. Суглинки текучие ленточные с утолщенными прослоями песков

Рис. 6. ИГЭ 8. Суглинки текучие

Результаты сравнения для каждого исследуемого грунта представлены в виде наложенных графиков значений по дилатометру (график синего цвета) и по лабораторным испытаниям (график зеленого цвета), см. рисунок 2–6.

Разброс модуля деформации грунтов на основании данных, полученных по результатам классических методик изысканий и на основании испытаний дилатометром Маркетти представлены на рисунке 7.

Рис. 7. Сравнение результатов модуля деформаций для исследуемых грунтов

Выводы:

1. По результатам сравнительного анализа глинистые грунты показали достаточно хорошую сходимость показателей, определённых на основании исследований классическими методами и на основании испытаний плоским дилатометром Маркетти. Песчаные грунты, в свою очередь, показали меньшую сходимость исследуемых показателей, разброс данных по ним оказался гораздо больше.
2. Определение характеристик грунтов на основании их испытаний дилатометром Маркетти производится путём пересчёта данных посредством ряда эмпирических зависимостей, выведенных разработчиками прибора по данным множества наблюдений. Для корректного подсчета деформационных и прочностных характеристик требуется произвести корректировку эмпирических закономерностей, выведенных Маркетти, учитывая особенности слабых глинистых грунтов Санкт-Петербурга.
3. С целью оптимального преобразования результатов изысканий дилатометром в части дополнительных характеристик им определяемых, в объёме дальнейшей работы планируется: детальное исследование грунтов, характерных для Санкт-Петербурга и Ленинградской области с целью наработки базы их исследования посредством дилатометра, выполнения статистической обработки накопленных материалов, с целью введения поправочных коэффициентов, позволяющих в полной мере адаптировать испытания дилатометром к сложным инженерно-геологическим условиям города и области, отличных наличием мощной толщи слабых пылевато-глинистых отложений.

Литература:

1. СП 11–105–97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. — М.: ПНИИИС Госстроя России, 1997.
2. СП 446.1325800.2019 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ. — М.: Стандартинформ, 2019.
3. СП 47.13330.2016 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11–02–96. — М.: Стандартинформ, 2017.
4. ГОСТ 12248–2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости (с Поправкой). — М.: Стандартинформ, 2011.
5. ГОСТ 19912–2012 Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием (Издание с Изменением N 1). — М.: Стандартинформ, 2019.
6. ГОСТ 20276–2012 Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. — М.: Стандартинформ, 2013.