Sondowania CPT, CPTU

Sondowania CPT lub CPTU, są obecnie jednym z podstawowych rodzajów badań wykonywanych w geotechnice. Pozwalają w precyzyjny sposób określić parametry gruntów znajdujących się w podłożu. Poniżej przedstawiam podstawowe informacje na temat sondowań CPT, CPTU.

Zarys historyczny sondowań CPT, CPTU

Początki sondowań CPT sięgają roku 1932 r., kiedy to holenderski inżynier Pieter Barentsen z Holenderskiego Departamentu Prac Publicznych, opracował metodę pomiaru oporu stożka wciskanego w podłoże gruntowe, bez wykorzystania rur osłonowych.

Sonda ta stanowiła zestaw składający się z rury gazowej oraz żerdzi stalowej, do której był przymocowany stożek. Tak skonstruowaną sondę wciskało się w grunt ręcznie, natomiast przyrząd pomiarowy stanowił manometr połączony ze stożkiem. Ta prosta konstrukcja, była bazą do tworzenia kolejnych urządzeń tego typu, aż po współczesne sondy CPT.

Podstawowym problemem metody Barentsena był fakt, że do wciskania, wykorzystywano masę ludzkiego ciała. Dwie dorosłe osoby mogły wygenerować obciążenie wynoszące zaledwie 16 kN. W gruntach bardziej skonsolidowanych, taka niewielka siła wciskająca praktycznie uniemożliwiała wykonanie badania. W roku 1935, udało się znaleźć rozwiązanie tego problemu.

Pod kierownictwem T. K. Huizinga, ówczesnego dyrektora Laboratorium Mechaniki Gruntów w miejscowości Delft, w Holandii, skonstruowano nową sondę. Urządzenie to generowało siłę wciskającą wynoszącą 10 t. Pomimo tego, że przygotowanie całego osprzętu, razem z systemem obciążania za pomocą dosypywanego piasku, zajmowało 3 dni, metoda ta stanowiła kolejny kamień milowy w rozwoju sondowań statycznych.

Pierwszy raz za pomocą sondy wciskanej CPT udało się obliczyć nośność pali drewnianych. Do tego momentu konieczne było wykonywanie pali testowych.

W latach 50, wynaleziono stożek, który umożliwiał pomiar tarcia generowany na pobocznicy. Pomiar ten był rejestrowany w sposób mechaniczny. Dopiero w latach 60, zaczęto wprowadzać skuteczne rozwiązania elektroniczne.

Kolejnym ważny krokiem było rozpoczęcie pomiarów ciśnienia wód porowych, zawartych w gruncie, podczas wciskania stożka. W latach 80, ustandaryzowano tego rodzaju pomiar podczas wykonywania badań CPT. Obecnie czujnik do pomiaru ciśnienia wód porowych jest umieszczany tuż za stożkiem.

Współczesne sondowania CPT, CPTU

W Polsce sonda statyczna stała się popularna dopiero na początku XX w. W przeciwieństwie do sondy dynamicznej, statyczna daje dużo więcej informacji na temat podłoża gruntowego. Za pomocą sondy dynamicznej możemy określić tylko zagęszczenie gruntów sypkich.

Sondowania CPT, CPTU znajdują zastosowanie w przypadku praktycznie każdego rodzaju gruntu. Jednak sonda statyczna jest szczególnie użyteczna przy badaniu parametrów gruntów spoistych tj. gliny czy iły, o konsystencji plastycznej.

Dzisiejsze sondy statyczne, aby wcisnąć stożek w podłoże gruntowe wykorzystują urządzenia hydrauliczne. Duża moc jaką dysponują, pozwala na wykonanie badania do głębokość sięgającą nawet kilkudziesięciu metrów. Siłowniki hydrauliczne wciskające stożek wraz z kolumną żerdzi, posiadają moc wynoszącą przeważnie od 50 kN do nawet 200 kN.

Podejmowano próby wdrażania do użytku jeszcze mocniejszych jednostek, jednak kolumny żerdzi oraz elementy pomiarowe nie były w stanie wytrzymać jeszcze większego obciążenia.

Różne typy podwozi na których umieszcza się sondę

Duża moc urządzeń hydraulicznych potrzebuje odpowiednio dużej przeciwwagi, aby można było tego typu badanie przeprowadzić. Obecnie najpopularniejsze sondy CPT, CPTU są umieszczane na podwoziach samochodów ciężarowych, których masa wynosi ok. 20 t. Taki ciężar stanowi idealną przeciwwagę dla siły wciskającej.

Duża waga tego typu urządzeń jest konieczna, ale może też stanowić problem. Ciężarówka nie na każdy teren będzie w stanie wjechać. Ponadto, oprócz samej wagi problem mogą stanowić również gabaryty takiego urządzenia.

Z drugiej strony, lekkie sondy CPT montowane na przyczepach, są coraz rzadziej spotykane. Pomimo stosunkowo niewielkich rozmiarów, a co za tym idzie mobilności, często nie pozwalają one na skuteczne wykonanie badania do większych głębokości. Są po prostu zbyt lekkie.

Pewne rozwiązanie problemu dobrania odpowiedniego ciężaru, stanowią sondy CPT montowane na samobieżnych podwoziach gąsienicowych. Wielkością oraz wagą dorównują 2 tonowej wiertnicy. Ze względu na stosunkowo niewielki ciężar i potrzebę zrównoważenia siły wciskającej, tego typu sondy są wyposażone w specjalne kotwy. Dzięki kotwom przytwierdza się sondę do podłoża gruntowego. Wkręca się je w grunt przed każdym badaniem.

Niestety to rozwiązanie także nie jest idealne, czasami grunt jest zbyt słaby, aby mógł wytrzymać siłę generowaną przez maszt wciskający stożek. Wtedy dochodzi do podnoszenia się sondy, a tym samym stopniowego wyciągania kotew z gruntu. Innym problemem jest fakt że czasami badanie wykonuje się w terenie zurbanizowanym i po prostu nie zawsze jest możliwość aby zakotwić sondę.

Przebieg badania sondą statyczną CPT lub CPTU

W praktyce, sondowanie CPT polega na wciskaniu w grunt elektronicznego stożka pomiarowego, ze stałą prędkością wynoszącą 2 cm/s. Odpowiednia prędkość wciskania jest konieczna dla poprawności wykonania badania. Sam proces sondowania nie przebiega w sposób ciągły, gdyż w miarę postępu badania dokręca się kolejne żerdzie.

Z reguły żerdzie wykorzystywane do sondowania CPT, CPTU mają 1 m długości. Pomiar jest rejestrowany przez elektroniczne układy pomiarowe, znajdujące się w stożku oraz tulei, a następnie przekazywany za pomocą kabla znajdującego się wewnątrz żerdzi do komputera.

W odróżnieniu od odwiertów geotechnicznych, gdzie próbki gruntu pobiera się do dalszych badań w warunkach laboratoryjnych, sondy CPT pozwalają na badanie grunt “in situ”. Dzięki temu pomiary w sposób bardzo wiarygodny oddają parametry gruntu znajdującego się w miejscu projektowanej inwestycji.

Pobieranie próbek do dalszych badań laboratoryjnych np. podczas wiercenia, praktycznie zawsze wiąże się z naruszeniem struktury gruntu. Przeprowadzając badanie za pomocą sondy CPT można uniknąć tego problemu.

Na podstawie badań sondą CPT, CPTU określamy m.in.:

• granice między poszczególnymi warstwami gruntu np. gdzie kończą się nasypy, a zaczynają grunty rodzime;
• rodzaj gruntu (do pewnego stopnia);
• parametry gruntu tj. stopień plastyczności (IL), stopień zagęszczenia (ID);
• stopień konsolidacji gruntów spoistych
• jednorodność podłoża gruntowego

Jeżeli osoba obsługująca sondę statyczną jest odpowiednio przeszkolona, to może w sposób interpretacyjny określić rodzaj gruntu oraz wydzielić poszczególne jego warstwy. Jest to możliwe dzięki zaawansowanej elektronicznej technologii pomiarowej, znajdującej się wewnątrz metalowego stożka.

Mimo zalet tego rodzaju badania, sondowania statyczne powinny być poparte odwiertami geotechnicznymi. Pozwolą one dokładniej przyjrzeć się litologii gruntów zawartych w podłożu i będą stanowiły ważne uzupełnienie w dokumentacji.

Budowa stożka pomiarowego

Stożki razem z tuleją mają różną budowę i mogą posiadać odmienne układy pomiarowe. Jednak każda końcówka pomiarowa musi mieć możliwość pomiaru oporu, jaki stawia grunt podczas procesu wciskania. Pomiar ten mierzy się za pomocą tensometrów połączonych z mechanicznymi elementami stożka, czyli końcówką stożkową oraz tuleją służącą do pomiaru tarcia na pobocznicy. Opór ten jest wyrażany w MPa.

Badanie tarcia na pobocznicy, walcowatej części penetrometru, znajdującej się zaraz za stożkiem jest również w dzisiejszych czasach standardem. Tuleja oraz końcówka stożka są wykonane ze stali o określonych parametrach. Aby możliwe było prawidłowe przeprowadzenie badania elementy te muszą posiadać ustalone wymiary, które są podane w normie ISO 22476-1:2012.

Stożki pomiarowe mogą posiadać różne wymiary, jednak proporcje ich poszczególnych elementów powinny zostać zachowane, zgodnie z ww. normą. Elementy tworzące stożek z czasem ulegają degradacji na skutek tarcia spowodowanego wciskaniem w grunt. Normy regulujące sposób wykonywania badania CPT przewidują pewną tolerancję dla zużycia stożka, jednak co jakiś czas trzeba je wymieniać.

W przypadku sond CPTU bada się również ciśnienie wody znajdującej się w porach gruntowych. Pomiar ten odbywa się przy pomocy układu membranowo-ciśnieniowego. Aby wykonanie pomiaru wód porowych było możliwe, przed rozpoczęciem badania, układ ten należy wypełnić w całości cieczą. Najczęściej w tym celu wykorzystuje się olej hydrauliczny.

Sam filtr jest zrobiony z tworzywa porowatego, które ze względu na dużą podatność na uszkodzenia oraz tendencję do zatykania się porów, należy wymienić przed każdym kolejnym badaniem. Najczęściej filtr układu pomiaru ciśnienia wody znajduje się tuż za stożkiem.

Ostatnim parametrem mierzonym podczas standardowego badania CPT lub CPTU jest odchylenie stożka od pionu. Ma to znaczenie w przypadku określania rzeczywistej głębokości do jakiej odbyło się badanie. Zbyt duże odchylenie stożka od pionu może skutkować znacznymi przekłamaniami jeżeli chodzi o rzeczywistą głębokość przeprowadzonego sondowania.