Геофизические методы исследования фундаментов

Зачем проводят геофизические изыскания для строительства? Задачи исследования и применение результатов

Геофизические изыскания для строительства дают результаты, на основании которых специалисты-проектировщики делают прогноз поведения участка в соответствии с его геопараметрами. В новом обзоре рассказываем о целях и составе работ, а также разбираемся в некоторых тонкостях физических параметров грунта.

Почему важно провести инженерно-геофизические изыскания перед строительством?

Инженерно-геофизические исследования — это обязательный этап проектирования объекта. Без заключения ни одна экспертиза не даст разрешения на строительство, потому что стройка «вслепую» — это опасное и безответственное мероприятие. В первую очередь геофизические изыскания нужны, чтобы разработать проект с учетом всех возможных вариантов поведения грунта и продлить срок эксплуатации будущего строения.

Результаты исследований помогут выбрать подходящий фундамент

Сведения о параметрах грунта помогают спрогнозировать его дальнейшее поведение. Чтобы снизить риск преждевременного разрушения, выбирают фундамент, который выдержит любые естественные изменения в составе и структуре почв — не просядет и не раскрошится. Проектировщики рассчитывают точные нагрузки и сопоставляют их с характеристиками участка.

Оптимальный выбор стройматериалов

На выявленные свойства грунтов опираются и при выборе сырья для строительства: некоторые параметры почв исключают применение тех или иных стройматериалов. Имея эти данные на руках, проектировщики могут точно сказать, какие варианты оптимально подходят для конкретного участка, а какие использовать ни в коем случае нельзя.

Что входит в состав геофизических изысканий для строительства

Основная задача специалистов, которые проводят инженерно-геофизические изыскания , — это выявление свойств грунта, которые могут оказать фатальное влияние на судьбу будущего сооружения. Расположение границ слоев грунта и их параметры, сейсмическое поведение местности и другие частные геофизические особенности участка — все эти данные в совокупности и являют собой цель исследований.

Определение интенсивности блуждающих токов

Блуждающие токи — это электротоки, которые неизбежно утекают в почву с заземленных устройств. Основной источник их появления — это наземный и подземный электрический транспорт (троллейбусы, трамваи, электропоезда, вагоны метро и т.п.).

Такое напряжение в грунте таит две опасности. Во-первых, люди, которые будут заняты в строительстве и будущие жители дома подвергаются риску получения электротравм. Во-вторых, блуждающие токи — это одна из прямых причин преждевременного коррозионного разрушения строительных конструкций.

Направление, форма и амплитуда блуждающих токов опасны своей непостоянностью. Самыми вредными для металлоконструкций признают блуждающие токи от источников выпрямленного и постоянного напряжения: разрушение в анодных областях может достигать 10 мм в год.

Помимо блуждающих токов, на коррозионную активность почв влияют следующие параметры:

• влажность;
• пористость и состав газовой фазы порового пространства;
• проницаемость грунта;
• величина pH;
• процентное содержание органических кислот и соединений;
• содержание сульфат-восстанавливающих бактерий;
• состав минеральных солей грунтового электролита.

Чтобы определить, какие меры будут оптимальными для конкретного участка, проводят вертикальное электрическое зондирование. Это один из первых методов электроразведки, его популярность объясняется простотой работ и высокой достоверностью результатов.

Микросейсморайонирование

Этот тип работ встречается под разными названиями — микросейсмика, сейсмическое микрорайонирование, сейсмомикрорайонирование или просто СМР. Исследование позволяет вычислить расчетные значения активности на участке, чтобы на их основании специалисты могли оценить риски и принять верное проектное решение.

Если балльность местности, где планируется строительство, по картам общего сейсмического районирования превышает 7 баллов (для объектов повышенного уровня ответственности — 6 баллов), эта процедура обязательна для проведения.

Помимо расчетных значений сейсмичности, исследования дают и другую важную информацию:

• как глубоко залегают подошвы оползней;
• есть ли на участке и на близлежащей территории водорастворимые породы и карстовые явления — полости, оставшиеся на месте таких пород.

Сейсморазведка (МОВ ОГТ)

Этот метод нужен для поучения геолого-геофизической информации, полезной при проектировании и строительстве объекта. В ходе проведения сейсморазведки специалисты искусственно возбуждают упругие волны и регистрируют их. Вне геологических изысканий для строительства метод применяют при поиске месторождений полезных ископаемых. Сейсморазведка ценна количеством информации, которую получают в ходе исследований.

Аббревиатура МОВ расшифровывается как метод отраженных волн, его суть заключается в однократном отражении искусственных волн от целевой геологической границы. При изучении георазреза таким образом детальность составляет 0,5% от глубины залегания границы. Полученные в ходе исследования избыточные данные суммируют по признаку общей глубинной точки, или ОГТ — это расширяет возможности метода отраженных волн.

Что еще нужно знать о работах и порядке проведения?

Исследования геофизических параметров участка невозможно провести самостоятельно: для получения корректных данных необходимо привлекать специалистов высокой квалификации, у которых есть необходимое оборудование. Также важно убедиться в том, что нанятые работники понимают специфику не только работы, но и требования к оформлению результатов.

Как проводят работы

Геофизика участка предполагает три этапа.

• Подготовка. Как и любые инженерные изыскания, геофизические работы начинают с обсуждения технического задания и согласования перечня исследований.
• Полевые работы. После подписания договора специалисты выезжают на участок, чтобы провести оговоренный ранее комплекс изысканий. На месте выполняют инструментальные работы, при необходимости набирают образцы для лабораторного анализа.
• Камеральный этап. Специалисты производят необходимые расчеты, обрабатывают образцы и формируют заключение для передачи заказчику.

На основании полученного документа выявляют оптимальные для исследованного участка строительные решения, при необходимости отчет предъявляют по месту требования.

Источник

Методы исследования оснований

Геофизические методы

Применение геофизических методов исследования грунтов для целей реконструкции зданий имеет весьма важную роль в инженерно-геологических изысканиях.

Актуальность использования геофизических методов обоснована прежде всего плотной городской застройкой с высоким насыщением околодомовых территорий инженерными сетями и другим инженерным оборудованием. В этих условиях закладка разведочных шурфов и бурение скважин сдерживается невозможностью их размещения вблизи здания. Гораздо успешнее поставленные задачи решаются с помощью геофизики, хотя совершенно необходимо такие работы проводить в комплексе с другими методами исследования, например, зондированием и полевыми методами испытания грунтов в скважинах.

Однако количество определений и точек зондирования геодезическими методами можно значительно расширить многократно, этим самым попытаться увеличить точность получаемых характеристик.

Задачи, решаемые геофизическими методами исследования грунтов следующие:

— исследование литологического строения площадки застройки;

— определение вида грунта (насыпных, слабых, заторфованных);

— однородность массива по физическим свойствам;

— измерение плотности и влажности;

— приближенная оценка механических свойств грунта (деформативность, прочность);

— выявление погребенных структур рельефа;

— определение уровня, скорости и направления подземных вод;

— выявление пустот на глубине (карсты, заброшенные колодцы,

— подземные ходы и т.д.);

— обнаружение в грунтах действующих и заброшенных коммуникаций и протечек;

— обнаружение погребенных фундаментов;

— оценка потенциально опасных в экологическом отношении зон и локальных участков.

Методы, которые могут применяться для изысканий при реконструкции, следующие:

— радиолокация (метод «Радар»);

— радиационные методы измерения плотности и влажности грунтов;

— радиометрический метод измерения радиоактивности грунтов;

— радиоволновый метод межскважинного просвечивания;

— сейсмоакустический метод контроля сплошности и толщины фундаментных конструкций (свай, фундаментов, стен в грунте и т.п.);

— электромагнитный метод поиска и прослеживания кабелей и подземных коммуникаций;

— вертикальное сейсмическое профилирование.

Возможности геофизических методов и средств приведены в табл. 5.2.

Методы и средства геофизических работ при реконструкции зданий

№ п/п	Геотехнический метод	Определяемый параметр	Вид работ	Нормативный документ
Инженерная сейсморазведка (МПВ)	Уточнение геологического строения, определение уровня подземных вод, оценка физико-механических свойств грунтов, определение наличия карста и степени закарстованности	Геофизические исследования для нового строительства и реконструкции	СНиП 11-02, СП 11-105 (ч.1)
Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ)	Уточнение геологического строения, определение уровня подземных вод (в отсутствие электрических помех), определение наличия карста и степени закарстованности	Тот же	Тот же
Методы межскважинного прозвучивания просвечивания (МП)	Определение зон развития слабых грунтов, карста, нарушений сплошности массива и т.д.	Геофизические исследования для нового строительства и реконструкции	СНиП 11-02, СП 11-105 (ч.1)

Продолжение табл. 5.2

Методы высокочастотной дипольной электроразведки	Уточнение геологического строения, в том числе при наличии полов железобетонных плит, оценка неоднородности грунтов, плотности сложения с выявлением пустот и зон разуплотнения	Геофизические исследования для нового строительства и реконструкции, мониторинг состояния массива грунтов	Рекомендации по применению метода дипольной высокочастотной электроразведки в геотехнических исследованиях, НИИОСП, М., 2001.
Электродинамическое зондирование с дневной поверхности и из шурфов (ЭДЗ)	Приближенная оценка прочностных и деформативных характеристик грунтов (плотности сложения, модуля деформации, сцепления, угла внутреннего трения) по величине условного динамического сопротивления, приближенная оценка литологического состава	Обследование грунтов оснований при реконструкции	ГОСТ 19912, Руководство по электроконтактному динамическому зондированию. М., 1983.

Окончание табл. 5.2

Радиоизотопный метод измерения плотности и влажности грунтов (в поверхностном и глубинном вариантах)	Плотность и влажность грунтов	Геофизические исследования при реконструкции, определение наличия пустот и разуплотнения грунтов под полами, мониторинг изменений физических свойств грунтов	ГОСТ 23061
Радиолокационное зондирование (РЛЗ)	Оценка геологического строения (для глинистых грунтов – до 8-10 м, для песчаных и известняков – до 25-30 м), выявление подземных полостей зон разуплотнения, определение уровня подземных вод, оценка глубины заложения фундаментов (при отсутствии металлических конструкций), определение расположения инженерных коммуникаций и утечек воды	Геофизические исследования при реконструкции, подземном строительстве (детализация), мониторинг состояния массива грунтов	Рекомендации по применению георадиолокационных исследований при геотехнических работах. НИИОСП, М., 2000.

Требования, предъявляемые к геофизическим методам исследования грунтов, следующие:

— обязательный предварительный учет инженерно-геологической обстановки на площадке по данным бурения имеющихся скважин, а также использование другой информации прошлых лет для разработки программы работ для выбора сети исследований;

— предварительный учет расположения подземных коммуникаций на площадке работ;

— обеспечение достаточной глубины исследований, не меньше глубины бурения исследовательских скважин;

— возможность выявления слоев и структур массивов грунта, различных по физическим свойствам, установленных при бурении другими способами.

В результате проведения геофизических работ должны быть установлены:

— литологическое строение площадки;

— физико-механические свойства грунтов по корреляционным зависимостям и со статистической обработкой;

— степень однородности слоев;

— выделение насыпных (сверху) слоев грунта и наличие слабых (заторфованных, рыхлых);

— наличие в массиве грунта пустот и погребенных объектов;

— положение уровня подземных вод, наличие водоупоров;

— положение глубины заложения фундаментов, в т.ч. и свайных.

Результаты геофизических методов должны способствовать выбору мероприятий по усилению (укреплению) оснований и уменьшению негативных влияний геосферы на здание.

Зондирование

Зондирование является одним из эффективных и недорогих способов исследования грунтов в условиях их естественного залегания. Зондирование может применяться как статическое (вдавливание наконечника), так и динамическое (забивка зонда). Зондированием можно устанавливать последовательность залегания слоев грунта с оценкой их плотности, косвенно определять их физико-механические свойства. Автоматизация процессов погружения зондов и компьютерный прием с обработкой получаемой информации о грунтах оперативно ускоряет весь процесс зондирования, позволяющий проводить и обрабатывать множество точек зондирования и укладываться в короткие сроки исследования грунтов.

Для целей реконструкции решению поставленных задач наиболее отвечает статическое зондирование. Процесс заключается во вдавливании в грунт с постоянной скоростью конуса диаметром 36 мм и площадью 10 см 2 , с углом при вершине 60º. Конус закреплен на штангах, свободно перемещающихся во внешней трубе.

Применение зондирования регламентируется ГОСТ 19912-2001 «Грунты. Методы полевых исследований статическим и динамическим зондированием».

При погружении зонда измеряют удельное сопротивление грунта погружению конуса q_с и общее усилие погружению трубы. Разность этих значений дает величину бокового трения Q_S (см. рис. 5.2).

При использовании специального оборудования зонда возможно измерение порового давления в грунте, а также плотности, объемной влажности и естественного гамма-фона грунта.

Показатели сопротивления грунта следует регистрировать непрерывно или с интервалами по глубине через 200 мм при скорости погружения 1,2÷0,3 м/мин. По данным измерений при погружении вычисляют значения Q_S, q_с, f_c и строят графики изменения этих величин по глубине (см. рис. 5.2).

Рис. 5.2. Статическое зондирование

где	fs	−	удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда;
qс	−	удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда;
QS	−	общее сопротивление грунта на боковой поверхности;
Н	−	глубина погружения зонда.

Прессиометрические методы

Основы прессиометрического метода исследования грунтов заложены французским инженером Л. Менаром (pressure − давление). Прессиометры Л. Менара известны с середины XX века. Они нашли применение в деятельности геотехнических фирм многих стран. Активное дальнейшее развитие прессиометрического метода получило в СССР с 70−х годов прошлого века в НИИ оснований им. Н.М. Герсеванова и в УПИ им. С.М. Кирова (В.Б. Швец, Лушников В.В., Елпанов В.Г., Яровой Ю.И., Ямов В.И. и др.).

Суть метода заключается в обжатии участка буровой скважины избыточным (против бытового) давлением с измерениями возникающих деформаций грунта по расширению нагруженного участка скважины [28].

В прессиометрическом методе исследования грунтов выразилось оптимальное сочетание точности получаемых результатов со стоимостью проводимых испытаний. В некоторых геотехнических ситуациях этот метод по точности является единственно возможным, например, на большой глубине или в неустойчивых грунтах и т.п.

Поэтому исходя из необходимости исследования различных видов грунтов, геотехники-исследователи в ведущих изыскательских организациях, снабжены прессиометрическими установками для слабых водонасыщенных грунтов, просадочных, мерзлых и мерзлых при оттаивании и т.д.

С помощью прессиометрии можно получить прямым или косвенным методом механические характеристики грунтов в скважинах, а также вдавливанием, в массив на больших глубинах (> 25 м), в том числе на морских шельфах, что выгодно отличает этот метод от ранее известных.

Для целей реконструкции зданий реальные характеристики сжимаемости несущего слоя грунта (модуль деформации) под фундаментами можно определить прессиометрами, используя для этого изыскательские скважины для уточнения строения геологического разреза. Для этого используют радиальный и лопастной прессиометры.

Испытания радиальным прессиометром пневматического действия проводят в скважинах по методике ГОСТ 20276-2001 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости».

Модуль деформации Е, МПа определяют по результатам нагружения грунта (стенок скважины) горизонтальной (радиальной) нагрузкой в стенках скважины с помощью камеры зонда радиального прессиометра (см. рис. 5.3)

Рис. 5.3. Радиальный прессиометр

Испытания проводят следующим образом: в камере зонда создают от источника воздуха давление ступенями по 0,025 МПа до соприкосновения упругой оболочки зонда со стенками скважины, что устанавливают по датчикам перемещений. Далее нагружение ведут ступенями, величиной, указанной в табл. 5.4 для соответственного вида грунта и режима испытания.

Каждую ступень давлений выдерживают до условной стабилизации деформаций стенок скважины по критерию, не превышающему 0,1 мм за время, указанное в табл. 5.3; 5.5.

Критерии условной стабилизации деформаций стенок скважин в зависимости от режима испытаний

Грунты	Режим испытания	Время условной стабилизации деформации t, мин
Пески со степенью влажности:	Медленный
Sr≤ 0,8
Sr> 0,8
Глинистые с показателем текучести:
IL≤ 0,25
IL> 0,25
Органоминеральные и органические
Пески	Быстрый
Глинистые
Органоминеральные и органические

Ступени давления назначают по табл. 5.4.-5.6.

По данным исследований строят график зависимости перемещения стенок скважины от давления = (см. рис. 5.3).

Величины рабочих ступеней давления при испытаниях радиальным прессиометром

Грунты	Коэффициент водонасыщения	Ступени давления Δp, МПа, при плотности сложения грунтов	Время условной стабилизации деформации t, ч
плотные	средней плотности	рыхлые
Крупнообломочные	Sr ≤ 1,0	0,1	0,1	0,1	0,5
Пески крупные	Sr ≤ 1,0	0,1	0,05	0,025	0,5
Пески средней крупности	Sr≤ 0,5	0,1	0,05	0,025	0,5
0,5 1,1
Глинистые с показателем текучести
IL≤ 0,25	0,1	0,1	0,05	0,05
0,25 1,0	0,05	0,025	0,01	0,01
При коэффициенте пористости е > 1,1 время условной стабилизации увеличивается на 1 ч.

Грунты	Ступени давления Δp, МПа	Время условной стабилизации деформации t, ч
Просадочные природной влажности	0,05
Просадочные после замачивания	0,025
Органоминеральные и органические	0,005-0,01

На графике приводят осредняющую прямую методом наименьших квадратов или графически и выделяют прямолинейный участок графика: по оси давления от р_о (конец обжатия скважины) до р_n (предел пропорциональности). По оси этот участок ограничивается значениями Δ_ro (радиус скважины) и Δ_rn (конечная деформация линейного участка).

Модуль деформации грунта Е, МПа, вычисляют для линейного участка графика = по формуле

, (5.1)

где	Кr	−	корректирующий коэффициент при проведении испытаний с сохранением природного напряженного состояния грунта коэффициент Кr допускается принимать для песков и супесей 1,3; для суглинков 1,35; для глин 1,42.
ro	−	радиус скважины, равный

, (5.2)

где	rpr	−	радиус прессиометра, см;
Δro	−	приращение радиуса прессиометра, соответствующее рo, см;
Δp	−	приращение давления на стенку скважины между двумя точками, взятыми на осредняющей прямой, МПа;
Δr	−	приращение перемещения стенки скважины (по радиусу), соответствующее Δp, см.

Для условий реконструкции определение модуля деформации можно вести путем прессиометрических испытаний по быстрому режиму – 80% и по медленному (базовому) – 20% от общего количества испытаний.

Источник