Предлагаем вниманию читателей сокращенный адаптированный перевод доклада малайзийских исследователей М.Х. Джамилюса и др. «Как сделать правильным неправильное: инженерные изыскания на участке, сложенном слабым грунтом» (Jamilus et al., 2016), сделанного в 2016 году на Международном симпозиуме по инженерным исследованиям и инновациям (IRIS) в Малакке (Малайзия). Этот доклад также был опубликован в виде статьи в журнале Materials Science and Engineering («Материаловедение и инженерия») издательством британской научной благотворительной организации IOP (Institute of Physics – «Институт физики»), ставшей поистине международной. Данная работа находится на официальном сайте IOP в открытом доступе по лицензии Creative Commons Attribution 3.0 (CC BY 3.0), которая позволяет распространять, микшировать, адаптировать, переводить и использовать публикации, даже в коммерческих целях, при условии ссылки на первоисточники. В нашем случае полная ссылка на источник для перевода (Jamilus et al., 2016) приведена в конце. Несмотря на то что этот доклад был сделан уже 7 лет назад, он может быть полезен российским специалистам, поскольку в нем описан передовой уникальный опыт малазийских инженеров.
Инженерные изыскания – очень важный процесс, с помощью которого получают инженерно-геологическую, геотехническую, геологическую и другую информацию, которая может повлиять на строительство или эффективность развития проекта гражданского строительства. Однако общепринятая практика проведения изысканий не всегда соответствует установленным стандартам. Достоверность полученной информации зависит от нескольких факторов, в том числе от правильности выполнения всех процедур, компетентности работников, а также проведения надзора. В этой статье обсуждается несколько примеров методов изысканий. Подробно объясняется разница между практическим использованием некоторых методов инженерно-геологического бурения и тем, как они должны применяться правильно. Есть надежда, что это поможет тому, чтобы инженерные изыскания всегда планировались индивидуально и представляли собой интерактивный и гибкий процесс обнаружения и внесения изменений в зависимости от состояния грунта.
Инженерные изыскания на территории строительства должны быть неотъемлемой частью процесса возведения объекта. К сожалению, они часто рассматриваются как необходимый, но мешающий этап, который должен выполнить проектировщик, если он не хочет, чтобы его считали некомпетентным [1]. Однако изыскания должны быть тщательно продуманным процессом с научным сопровождением и учетом как условий площадки, так и типа предполагаемого строительства.
Для каждого проекта гражданского строительства есть одно простое требование – построить его правильно с первого раза, чтобы не пришлось делать это во второй раз. В современных инженерных технологиях при проектировании фундаментов и надфундаментных частей зданий и сооружений используются передовые компьютеры и программное обеспечение для проектирования. Однако, если рассматриваемый базовый этап для проектирования выполнен неверно, при строительстве могут возникнуть серьезные проблемы.
В Малайзии доступные данные, материалы и ресурсы для камерального изучения территории будущего строительства, как правило, очень ограниченны [2]. При этом грунтовое основание является жизненно важным элементом для каждого здания или сооружения. Хотя исходно именно о нем известно меньше всего, для создания безопасного и экономичного объекта должны быть известны свойства и поведение слагающих площадку строительства грунтов [3].
В геотехнике для обладания базовыми знаниями, необходимыми для любой цели проектирования, является действительно важной достоверность информации о грунтовом основании, полученной в результате инженерных изысканий. Она зависит от таких факторов, как:
Почти все операции по инженерно-геологическим исследованиям на площадке изысканий включают бурение, отбор образцов грунта и испытания, в том числе неразрушающими методами там, где это необходимо. Отбор проб и полевые испытания проводятся в том числе с поверхности земли в скважинах на некоторой глубине. Поэтому основным требованием при любом бурении и взятии образцов с глубины является отбор небольших объемов грунта, которые необходимо испытать в лаборатории. И здесь крайне важно, чтобы образец не подвергался изменениям до проведения испытаний, поскольку главной целью является получение достоверной картины о природных грунтовых условиях под поверхностью земли.
При изысканиях может быть получена информация о свойствах каждого слоя грунта [3]. Такими важными данными являются, например, толщина и ориентация слоя, структура, механический и химический состав и прочность грунта (рис. 1).
Рис. 1. Исследование слоев грунтового основания
Чтобы получить всю информацию при изысканиях, во-первых, инженер должен внимательно наблюдать и регистрировать все, что он видит и что необходимо сделать во время исследований [4]. Изыскания, включающие бурение, как показано на рисунке 2, а, должны быть тщательной и искусной работой. По мере увеличения глубины инженерно-геологической скважины буровая коронка разрушает и вытесняет встреченный грунт, который поднимается наверх с помощью воды (бурового раствора). Инженер должен внимательно следить за тем, что выходит из скважины (рис. 2, б). По вытесняемой из скважины водной суспензии из диспергированного шлама можно оценить изменения в слоях, просто наблюдая за изменениями цвета суспензии и типа измельченного материала в ней. При этом появляется очень важная информация о том, где происходят изменения слоев и с какой глубины следует взять образец грунта или выполнить испытание.
Рис. 2. Метод вращательного роторного бурения (а) и суспензия, поднимающаяся из скважины (б) 
Как только скважина достигнет необходимого для испытания уровня, можно вынуть буровые штанги, измерить глубину с помощью рулетки и сравнить ее с оцененной глубиной бурения. Затем можно провести стандартное пенетрационное испытание (SPT) в скважине на заданной глубине. Измеренное количество ударов при этом динамическом испытании (N) используется для расчета несущей способности грунтов основания и различных элементов фундамента, например свай в песчаных грунтах. SPT – это эмпирический тест, поэтому инженер должен быть осторожен и внимателен при его выполнении. Любое изменение в процедуре (например, изменения в направлении и скорости удара, колебания штанг, плотность их соединения, состояние желонки) может повлиять на пригодность полученных данных к использованию.
Хотя метод SPT является весьма распространенным, на самом деле он не подходит для слабых грунтов. Образец, полученный из пробоотборника SPT, можно проверить на содержание компонентов грунта.
Уточнить значения N для целей проектирования можно, проведя различные лабораторные испытания ненарушенных образцов. Поэтому, чтобы получить репрезентативные образцы, состояние которых очень близко к таковому in situ, важно, чтобы их отбор выполнялся очень тщательно, особенно в случае слабых грунтов [5]. Для этого существует несколько способов в зависимости от типа грунта.
Одним из лучших инструментов для получения хорошего репрезентативного образца грунта в ненарушенном состоянии является забивной пробоотборник с поршнем (рис. 3). Процедура взятия образца состоит во введении в грунт трубки с поршнем, выполняющим роль заглушки. Поршень удерживается на месте, и трубка вдавливается в слабый грунт одним непрерывным ходом. Это создает вакуум, достаточный для удержания образца, и вызывает лишь весьма незначительные его повреждения. Затем образец осторожно извлекается, запечатывается и транспортируется в лабораторию для дальнейших испытаний с целью получения подходящих расчетных параметров.
Рис. 3. Забивной поршневой пробоотборник
Ненарушенные образцы должны давать достаточно достоверные результаты о свойствах слабых грунтов при условии, что они взяты из однородных слоев. Однако грунты могут иметь неоднородности, которые могут потребовать изменений в результатах испытаний или проведения дополнительных испытаний для большей уверенности. Такие неоднородности нелегко заметить.
На рисунках 4 и 5 показаны некоторые примеры неоднородностей в образцах грунта после их лабораторных испытаний. На рисунке 4 показаны ненарушенные образцы, которые были разрезаны сразу после проведения испытаний. При высушивании после этого глинистые участки сжимаются, что позволяет выявить неоднородности, например прослои мелкого песка и песчаные линзы, как показано на рисунке 5. Такие неоднородности действуют как дополнительные пути для воды. И если это не принять во внимание при расчетах осадок, это может вызвать огромные проблемы при строительстве зданий или сооружений.
Рис. 4. Ненарушенные образцы, разрезанные после испытаний
Рис. 5. Глинистые участки испытанных и разрезанных образцов после высушивания могут сжиматься, что позволяет выявить неоднородности
На рисунке 6 показаны образцы, взятые из скважины ненарушенными, которые после извлечения и высыхания продемонстрировали все неоднородности слоев грунта. Таким образом, непосредственные результаты лабораторных испытаний недостаточны для использования при проектировании. Результаты испытаний грунтов, которые следует применять при проектных расчетах, должны учитывать неоднородности [6].
Рис. 6. Образцы, взятые из скважины ненарушенными, после извлечения и высыхания продемонстрировали все неоднородности слоев грунта
Компрессионные испытания ненарушенных образцов обычно проводятся на их глинистых частях. Если полученные результаты слепо использовать при проектных расчетах, то может произойти катастрофа из-за уже существующих естественных водных путей, которые могут привести к тому, что оседание произойдет намного быстрее, а установка вертикальных дрен будет слишком неэкономичной. Если не были учтены такие неоднородности, то осадки, на развитие которых могли бы уйти годы, могут произойти в течение нескольких месяцев, если на поверхность грунта будут воздействовать дополнительные нагрузки от конструкций [7].
Ошибки в оценках вызывают много проблем, если данные на таком предварительном этапе развития проекта, как инженерные изыскания, не получены должным образом. Так, при вращательном роторном бурении правильным считается прохождение скважины с помощью режущего инструмента на конце колонны штанг, обсадной колонны [8] и выноса шлама наверх с помощью воды (бурового раствора) (рис. 7, а). Однако на практике скважины часто проходят путем разрушения грунта при вращении бурильной трубы и подаче с помощью насоса напорной струи воды с колебаниями подачи и напора (рис. 7, б).
Рис. 7. Вода (буровой раствор) выносит шлам наверх (а); водоструйная технология, при которой скважина углубляется путем разрушения грунта при вращении бурильной трубы и подачи напорной струи воды с колебаниями подачи и напора (б) 
При вращательном роторном бурении проходка скважины выполняется за счет действия режущих элементов буровой коронки и выноса шлама на поверхность с помощью воды (бурового раствора) по зазору между колонной штанг и обсадной колонной (рис. 8, а). А при водоструйном бурении скважина углубляется за счет грубой силы струи воды, при этом разрушение грунта выходит за пределы обсадной колонны (рис. 8, б). При использовании вращательного роторного бурения грунт под забоем остается неповрежденным и позволяет надежно выполнять отбор проб, испытания и определение изменений слоев. А при водоструйном бурении все это невозможно, поскольку нарушается первоначальное состояние грунта. В таблице показана разница между преимуществами и недостатками вращательного роторного и водоструйного бурения.
Рис. 8. Проходка скважины за счет действия режущих элементов буровой коронки и выноса шлама на поверхность с помощью воды (бурового раствора) (а); проходка скважины за счет грубой силы высоконапорной струи воды при водоструйном бурении (б)
Таблица. Разница между преимуществами и недостатками вращательного роторного и водоструйного бурения
Рис. 9. Удаление и замена грунта при строительстве дороги будет применяться ко всему материалу выше бирюзовой линии, для которой значение N при испытаниях методом SPT равно 5. Однако, если предварительные изыскания и испытания выполнены неверно, например при использовании водоструйной обработки, произойдет сильное разрыхление нижележащего грунта и значение N может уменьшаться или оставаться равным 5 с увеличением глубины, как показано черной линией
В заключение следует еще раз подчеркнуть, что инженерные изыскания – это очень важный процесс, который нельзя игнорировать при любом гражданском строительстве. Рекомендуется, чтобы изыскания планировались индивидуально для каждого объекта. И эти работы должны выполнять инженеры и контролировать консультанты по геотехнике. Также крайне важно, чтобы во избежание каких-либо неверных действий выполнение изысканий поручалось только компетентным подрядчикам. И очень важно, чтобы эти исследования были интерактивным и гибким процессом для своевременного обнаружения необходимости изменений и их внесения в ход работ. Эти условия и рекомендации требуют выполнять почти все регулирующие органы.
—
Авторы хотели бы поблагодарить Исследовательский центр слабых грунтов Университета Тун Хусейн Онн, а также Министерство высшего образования Малайзии за грант, предоставленный на проведение этого исследования в рамках «Программы грантов на исследования (ERGS) Vot. 040».
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку