Badania geotechniczne

Gleboznawca USBR rozwija próbnik gleby Giddings Probe z bezpośrednim wypychaniem.

Badania geotechniczne są wykonywane przez inżynierów geotechników lub geologów inżynierskich w celu uzyskania informacji o fizycznych właściwościach gruntowych robót ziemnych i fundamentów pod projektowane budowle oraz w celu naprawy uszkodzeń robót ziemnych i budowli spowodowanych warunkami gruntowymi; ten rodzaj dochodzenia nazywa się badaniem witryny. Badania geotechniczne służą również do pomiaru oporu cieplnego gruntów lub materiałów zasypowych wymaganych pod podziemne linie przesyłowe, rurociągi naftowe i gazowe, odpady radioaktywne unieszkodliwiania i składowania energii słonecznej. Badanie geotechniczne obejmie eksplorację powierzchniową i podpowierzchniową terenu. Czasami metody geofizyczne są wykorzystywane do pozyskiwania danych o miejscach. Eksploracja podpowierzchniowa zwykle obejmuje pobieranie próbek gleby i badania laboratoryjne pobranych próbek gleby.

Badania geotechniczne są bardzo ważne, zanim będzie można zbudować jakąkolwiek konstrukcję, od pojedynczego domu po duży magazyn, budynek wielopiętrowy i projekty infrastrukturalne, takie jak mosty, kolej dużych prędkości i metro .

Eksploracja powierzchni może obejmować mapowanie geologiczne , metody geofizyczne i fotogrametrię lub może być tak prosta, jak profesjonalista geotechniczny spacerujący po terenie w celu obserwacji warunków fizycznych w tym miejscu. Aby uzyskać informacje o warunkach glebowych pod powierzchnią, wymagana jest jakaś forma eksploracji podpowierzchniowej. Metody obserwacji gleb pod powierzchnią, pobierania próbek i określania właściwości fizycznych gleb i skał obejmują wykopy badawcze, wykopy (szczególnie do lokalizacji uskoków i płaszczyzn osuwiskowych ), odwierty i in situ testy. Można je również wykorzystać do identyfikacji zanieczyszczeń w glebie przed rozwojem, aby uniknąć negatywnego wpływu na środowisko.

Pobieranie próbek gleby

Wytaczadła występują w dwóch głównych odmianach: o dużej średnicy i małej średnicy. Odwierty o dużej średnicy są rzadko używane ze względów bezpieczeństwa i kosztów, ale czasami są używane, aby geolog lub inżynier mógł wizualnie i ręcznie zbadać stratygrafię gleby i skał na miejscu. Odwierty o małej średnicy są często używane, aby umożliwić geologowi lub inżynierowi zbadanie gleby lub wykopów skalnych lub pobranie próbek z głębokości za pomocą próbników gleby oraz wykonanie badań gleby na miejscu.

Próbki gleby są często klasyfikowane jako naruszone lub nienaruszone ; jednak „niezakłócone” próbki nie są naprawdę niezakłócone. Próbka naruszona to taka, w której struktura gruntu została zmieniona na tyle, że badania właściwości strukturalnych gruntu nie będą reprezentatywne dla warunków in-situ, a jedynie właściwości ziaren gruntu (np. rozkład uziarnienia, granice Atterberga ) , charakterystyka zagęszczenia gleby, określenie ogólnej litologii osadów glebowych i ewentualnie zawartość wody) można dokładnie określić. Próbka nienaruszona to taka, w której stan gleby w próbce jest wystarczająco zbliżony do warunków gleby in-situ, aby umożliwić wykorzystanie badań właściwości strukturalnych gleby do przybliżenia właściwości gleby in-situ. Próbki uzyskane metodą niezakłóconą służą do określania rozwarstwienia gruntu , przepuszczalności , zagęszczenia, konsolidacji i innych cech inżynierskich.

Zbieranie gleby na morzu wprowadza wiele trudnych zmiennych. Na płytkiej wodzie pracę można wykonywać z barki. Na głębszych wodach potrzebny będzie statek. Próbniki gleby głębinowej są zwykle wariantami próbników typu Kullenberg, modyfikacją podstawowego rdzenia grawitacyjnego wykorzystującego tłok. Dostępne są również próbniki dna morskiego, które powoli wpychają rurkę zbierającą w glebę.

Próbniki gleby

Próbki gleby pobiera się za pomocą różnych próbników; niektóre dostarczają tylko próbki zakłócone, podczas gdy inne mogą dostarczać próbki względnie niezakłócone.

Łopata. Próbki można pobrać, wykopując glebę z terenu budowy. Próbki pobrane w ten sposób są próbkami zaburzonymi.
Wyrobiska próbne to stosunkowo niewielkie wykopane ręcznie lub maszynowo transze służące do określania poziomu wód gruntowych i pobierania z nich naruszonych próbek.
Ślimak napędzany ręcznie/maszynowo. Ten próbnik zazwyczaj składa się z krótkiego cylindra z krawędzią tnącą przymocowaną do pręta i uchwytu. Próbnik jest przesuwany przez połączenie obrotu i siły skierowanej w dół. Próbki pobrane w ten sposób są próbkami zaburzonymi.
Ciągły ślimak lotu. Metoda pobierania próbek przy użyciu świdra jako korkociągu. Świder jest wkręcany w ziemię, a następnie wyciągany. Gleba jest zatrzymywana na ostrzach świdra i przechowywana do testów. Gleba pobrana w ten sposób jest uważana za naruszoną.
Łyżka dzielona / próbnik SPT. Stosowany w „Standardowej metodzie badawczej dla standardowego testu penetracji (SPT) i pobierania próbek gleby metodą dzielonej beczki” (ASTM D 1586). Ten próbnik to zazwyczaj wydrążona rura o długości 18-30 cali i średnicy zewnętrznej 2,0 cala, podzielona wzdłuż na pół. Hartowana metalowa stopka napędowa z otworem 1,375 cala jest przymocowana do dolnego końca, a zawór jednokierunkowy i adapter żerdzi wiertniczej na głowicy próbnika. Jest wbijany w ziemię za pomocą 140-funtowego (64 kg) młota spadającego z wysokości 30 cali. Liczba uderzeń (uderzeń młotem) wymagana do przesunięcia próbnika o łącznie 18 cali jest liczona i raportowana. Zwykle stosowany w przypadku gruntów niespoistych, próbki pobrane w ten sposób są uważane za naruszone.
Zmodyfikowany sampler z Kalifornii. w „Standardowej praktyce grubościennej, pierścieniowej, dzielonej beczki, próbkowania gleby1” (ASTM D 3550). Podobny w koncepcji do próbnika SPT, tuleja próbnika ma większą średnicę i jest zwykle wyłożona metalowymi rurkami do przechowywania próbek. Próbki ze zmodyfikowanego próbnika kalifornijskiego są uważane za zakłócone ze względu na duży stosunek powierzchni próbnika (powierzchnia ściany próbnika/powierzchnia przekroju poprzecznego próbki).
Próbnik tubowy Shelby. Wykorzystywany w „Standardowej praktyce pobierania próbek gleby cienkościennymi rurami do celów geotechnicznych” (ASTM D 1587). Ten próbnik składa się z cienkościennej rurki z krawędzią tnącą na czubku. Głowica próbnika mocuje rurkę do żerdzi wiertniczej i zawiera zawór zwrotny i odpowietrzniki ciśnieniowe. Ten próbnik, zwykle używany w glebach spoistych, jest wprowadzany do warstwy gleby, zwykle o 6 cali mniej niż długość rurki. Próżnia wytwarzana przez zawór zwrotny i spójność próbki w rurce powodują zatrzymanie próbki, gdy rurka jest wycofany. Standardowe wymiary ASTM to: 2" OD, 36" długości, 18 grubości; 3" OD, 36" długości, 16 grubości; i 5" OD, 54" długości, 11 grubości. ASTM dopuszcza inne średnice, jak o ile są one proporcjonalne do znormalizowanych projektów rur, a długość rur ma być dostosowana do warunków polowych.Gleba pobierana w ten sposób jest uważana za nienaruszoną.
Próbniki tłokowe. Te próbniki to cienkościenne metalowe rurki, które zawierają tłok na końcu. Próbniki są wciskane w dno odwiertu , przy czym tłok pozostaje na powierzchni gleby, podczas gdy rura ślizga się po nim. Te próbniki zwrócą nienaruszone próbki w miękkich glebach, ale są trudne do przesunięcia w piaskach i sztywnych glinach i mogą zostać uszkodzone (narażając próbkę) w przypadku napotkania żwiru. Corer Livingstone , opracowany przez DA Livingstone , jest powszechnie używanym próbnikiem tłokowym. Modyfikacja rdzenia Livingstone z ząbkowaną głowicą wgłębną umożliwia obracanie go w celu przecinania podpowierzchniowej materii roślinnej, takiej jak małe korzenie lub zakopane gałązki.
Próbnik z beczki dzbanka. Ten sampler jest podobny do samplerów tłokowych, z tą różnicą, że nie ma tłoka. W górnej części próbnika znajdują się otwory odciążające, które zapobiegają wzrostowi ciśnienia wody lub powietrza nad próbką gleby. Odpowiednimi próbkami gleby dla tego próbnika są glina, muł, piasek, częściowo zwietrzałe skały.

Testy na miejscu

Standardowy test penetracyjny to dynamiczny test penetracyjny in situ, którego celem jest dostarczenie informacji o właściwościach gleby, a także pobranie próbki gleby naruszonej do analizy granulometrycznej i klasyfikacji gleby.
Dynamiczny test penetrometrem stożkowym to test in situ, w którym ciężar jest ręcznie podnoszony i opuszczany na stożek wbijający się w ziemię. rejestruje się liczbę mm na uderzenie i wykorzystuje się ją do oszacowania niektórych właściwości gleby. Jest to prosta metoda testowa i zwykle wymaga poparcia danymi laboratoryjnymi, aby uzyskać dobrą korelację.
Test penetracji stożka ( CPT) przeprowadza się za pomocą oprzyrządowanej sondy ze stożkową końcówką, wciskanej hydraulicznie w glebę ze stałą prędkością. Podstawowy instrument CPT podaje opór końcówki i opór ścinania wzdłuż cylindrycznej lufy. Dane CPT zostały skorelowane z właściwościami gleby. Czasami używane są instrumenty inne niż podstawowa sonda CPT, w tym:
Sonda penetrometru piezostożkowego jest zaawansowana przy użyciu tego samego sprzętu, co zwykła sonda CPT, ale sonda ma dodatkowy przyrząd, który mierzy ciśnienie wody gruntowej w miarę przesuwania sondy.
Sejsmiczna sonda penetrometru piezokonowego jest zaawansowana przy użyciu tego samego sprzętu, co sonda CPT lub CPTu, ale sonda jest również wyposażona w geofony lub akcelerometry do wykrywania fal poprzecznych i / lub fal ciśnienia wytwarzanych przez źródło na powierzchni.
Sondy penetrometru pełnego przepływu (t-bar, kula i płyta) są używane w wyjątkowo miękkich glebach gliniastych (takich jak osady dna morskiego) i są przesuwane w taki sam sposób jak CPT. Jak sugerują ich nazwy, pręt T jest cylindrycznym prętem przymocowanym pod kątem prostym do przewodu wiertniczego, tworząc coś, co wygląda jak litera T, kula jest dużą kulą, a płyta jest płaską okrągłą płytą. W miękkich glinach gleba przepływa wokół sondy podobnie jak lepki płyn. Ciśnienie wynikające z przeciążenia i ciśnienia wody w porach jest równe ze wszystkich stron sondy (w przeciwieństwie do CPT), więc nie jest konieczna żadna korekta, co zmniejsza źródło błędu i zwiększa dokładność. Szczególnie pożądane na miękkich glebach ze względu na bardzo małe obciążenie czujników pomiarowych. Sondy pełnego przepływu można również przesuwać w górę iw dół, aby zmierzyć rezystancję ponownie uformowanego gruntu. Ostatecznie geotechnicy mogą wykorzystać zmierzoną odporność na penetrację do oszacowania wytrzymałości na ścinanie bez odwodnienia i po przeformowaniu.
Test sondy spiralnej, eksploracja i badanie zagęszczenia gleby za pomocą testu sondy spiralnej (HPT) stało się popularne jako szybka i dokładna metoda określania właściwości gleby na stosunkowo płytkich głębokościach. Test HPT jest atrakcyjny dla inspekcji fundamentów na miejscu, ponieważ jest lekki i może być szybko przeprowadzony przez jedną osobę. Podczas badania sonda jest wbijana na żądaną głębokość, a moment obrotowy wymagany do jej obrócenia służy jako miara do określenia właściwości gleby. Wstępne testy ASTM wykazały, że metoda HPT dobrze koreluje ze standardowymi testami penetracyjnymi (SPT) i testami penetracyjnymi stożka (CPT) z kalibracją empiryczną.

Test dylatometru z płaską płytą (DMT) to sonda z płaską płytą, często zaawansowana przy użyciu platform CPT, ale może być również zaawansowana z konwencjonalnych platform wiertniczych. Membrana na płycie przykłada siłę poprzeczną do materiałów glebowych i mierzy wywołane odkształcenie dla różnych poziomów przyłożonego naprężenia na żądanym przedziale głębokości.

Badania gazowe in-situ można przeprowadzić w otworach po ukończeniu oraz w otworach sond wykonanych w bokach wyrobisk próbnych w ramach rozpoznania terenu. Testowanie odbywa się zwykle za pomocą przenośnego miernika, który mierzy zawartość metanu jako jego procentową objętość w powietrzu. Mierzone są również odpowiednie stężenia tlenu i dwutlenku węgla. Bardziej dokładna metoda stosowana do monitorowania w dłuższym okresie, polegająca na instalowaniu w odwiertach rur do monitorowania gazu. Zazwyczaj obejmują one szczelinowe rury PCV otoczone żwirem o jednym rozmiarze. Górna część rurociągu o długości od 0,5 m do 1,0 m zwykle nie jest szczelinowa i jest otoczona bentonitem peletki do uszczelnienia otworu. Zawory są zamontowane, a instalacje chronione przez zamykane pokrywy zaworów odcinających, zwykle montowane równo z gruntem. Monitorowanie odbywa się ponownie za pomocą przenośnego miernika i zwykle odbywa się co dwa tygodnie lub co miesiąc.

Testy laboratoryjne

Na glebach można przeprowadzić wiele różnych testów laboratoryjnych w celu zmierzenia szerokiej gamy właściwości gleby. Niektóre właściwości gleby są nierozerwalnie związane ze składem matrycy glebowej i nie mają na nie wpływu wzburzenia próbki, podczas gdy inne właściwości zależą od struktury gleby oraz jej składu i można je skutecznie przetestować jedynie na stosunkowo nienaruszonych próbkach. Niektóre testy gleby mierzą bezpośrednie właściwości gleby, podczas gdy inne mierzą „właściwości wskaźnikowe”, które dostarczają użytecznych informacji o glebie bez bezpośredniego pomiaru pożądanej właściwości.

Granice Atterberga: Granice Atterberga określają granice kilku stanów konsystencji gruntów plastycznych. Granice są określone przez ilość wody, jaka gleba musi znajdować się na jednej z tych granic. Granice nazywane są granicą plastyczności i granicą płynności, a różnica między nimi nazywana jest wskaźnikiem plastyczności. Granica skurczu jest również częścią granic Atterberga. Wyniki tego testu można wykorzystać do przewidywania innych właściwości inżynierskich.
Kalifornijski współczynnik łożysk: ASTM D 1883. Badanie określające przydatność próbki gruntu lub kruszywa jako podłoża drogowego. Tłok jest wciskany w sprasowaną próbkę i mierzony jest jego opór. Ten test został opracowany przez firmę Caltrans , ale nie jest już używany w metodzie projektowania nawierzchni Caltrans. Jest nadal używany jako tania metoda szacowania modułu sprężystości.
Bezpośredni test ścinania: ASTM D3080. Test bezpośredniego ścinania określa skonsolidowane właściwości wytrzymałościowe próbki po odsączeniu. Stała prędkość odkształcenia jest przykładana do pojedynczej płaszczyzny ścinania pod normalnym obciążeniem i mierzona jest odpowiedź na obciążenie. Jeśli test ten jest wykonywany przy różnych obciążeniach normalnych, można określić wspólne parametry wytrzymałości na ścinanie.
Test wskaźnika rozszerzalności: Ten test wykorzystuje ponownie uformowaną próbkę gleby do określenia wskaźnika rozszerzalności (EI), empirycznej wartości wymaganej przez przepisy dotyczące projektowania budynków, przy zawartości wody 50% [ ^{wymagane wyjaśnienie ]} dla gruntów ekspansywnych, takich jak ekspansywne gliny .
Testy przewodności hydraulicznej Dostępnych jest kilka testów określających: przewodność hydrauliczną gleby . Obejmują one stałą wysokość podnoszenia, opadającą wysokość podnoszenia i metody stałego przepływu. Testowane próbki gleby mogą być dowolnego typu, w tym ponownie uformowane, nienaruszone i zagęszczone.
Test edometryczny: Można go wykorzystać do określenia parametrów konsolidacji (ASTM D2435) i pęcznienia (ASTM D4546).
Analiza wielkości cząstek: Ma to na celu określenie gradacji gleby . Większe cząstki są oddzielane w analizie sitowej część, a drobniejsze cząstki są analizowane za pomocą areometru . Rozróżnienie między grubymi i drobnymi cząstkami jest zwykle dokonywane przy 75 μm. Analiza sitowa wytrząsa próbkę przez coraz mniejsze oczka, aby określić jej gradację. Analiza areometryczna wykorzystuje szybkość sedymentacji do określenia gradacji cząstek.
Test wartości R: Kalifornijski test 301 Ten test mierzy poprzeczną reakcję zagęszczonej próbki gruntu lub kruszywa na pionowo przyłożony nacisk w określonych warunkach. Ten test jest używany przez Caltrans do projektowania nawierzchni, zastępując kalifornijski test współczynnika nośności.
Testy zagęszczania gleby: Standard Proctor (ASTM D698), Modified Proctor (ASTM D1557) i California Test 216 . Testy te służą do określenia maksymalnej masy jednostkowej i optymalnej zawartości wody, jaką gleba może osiągnąć przy danym wysiłku zagęszczania.
Testy ssania gleby: ASTM D5298.
Testy trójosiowego ścinania: Jest to rodzaj testu, który służy do określenia właściwości gruntu w zakresie wytrzymałości na ścinanie. Może symulować ograniczające ciśnienie, jakie gleba wniknie głęboko w ziemię. Może również symulować warunki z odwodnieniem i bez odwodnienia.
Nieograniczony test kompresji: ASTM D2166. Ten test ściska próbkę gleby, aby zmierzyć jej wytrzymałość. Modyfikator „nieograniczony” kontrastuje ten test z testem trójosiowego ścinania.
Zawartość wody: Badanie to określa zawartość wody w glebie, zwykle wyrażoną jako procent masy wody w stosunku do suchej masy gleby.

Eksploracja geofizyczna

geofizyczne są wykorzystywane w badaniach geotechnicznych do oceny zachowania się terenu podczas zdarzenia sejsmicznego . Mierząc fali ścinającej w glebie , można oszacować dynamiczną odpowiedź tej gleby. Istnieje wiele metod określania prędkości fali ścinającej w miejscu:

Metoda krzyżowa
Metoda otworowa (z sejsmicznym CPT lub urządzeniem zastępczym)
Odbicie lub załamanie fali powierzchniowej
Rejestrowanie zawieszenia (znane również jako logowanie PS lub logowanie Oyo)
Analiza widmowa fal powierzchniowych (SASW)
Wielokanałowa analiza fal powierzchniowych (MASW)
Mikrodrżenie refrakcyjne (ReMi)

Inne metody:

Elektromagnetyczne (radar, rezystywność)
Badanie telewidzów optycznych/akustycznych
Analiza fal powierzchniowych
Przetwarzanie i modelowanie sejsmiczne
Innowacyjne rozwiązania dla wyzwań związanych z inspekcją nawierzchni, mostów i betonu.
Lokalizowanie kanałów kablowych, kabli sprężających i siatek zbrojeniowych/zbrojeniowych, wykrywanie kabli przewodzących prąd
Wykrywanie i mapowanie metalowych lub plastikowych instalacji, kanałów i pustych przestrzeni, przewodów gazowych i kabli zasilających
Badanie poziomu wód gruntowych

Zobacz też

Linki zewnętrzne

UC Davis Wideo na temat typowych metod wiercenia i pobierania próbek w inżynierii geotechnicznej.