Jaki penetrometr statyczny CPT wybrać? Sondowanie statyczne CPT staje się coraz bardziej popularną metodą badawczą i kolejne formy geotechniczne podejmują decyzję o zakupie penetrometru statycznego. W nielicznych tylko przypadkach kupujący ma odpowiednią wiedzę teoretyczną i praktykę pozwalające na dokonanie świadomego wyboru a w wielu przypadkach wybór jest przypadkowy, oparty wyłącznie na subiektywnej i niekompletnej prezentacji urządzenia przez jego dystrybutora. Niniejsze zwięzłe opracowanie ma wypełnić lukę w zakresie elementarnej wiedzy o dostępnych na rynku urządzeniach i w pewnym zakresie ułatwić potencjalnym przyszłym użytkownikom sond CPT/CPTU dokonanie możliwie najbardziej świadomego wyboru. A. Prędkość penetracji jest podstawowym elementem, który decyduje o tym czy sondowanie jest zgodne ze standardem CPT/CPTU. Powinna wynosić 2 cm/s ±20% czyli powinna zawierać się w przedziale od 1.6 do 2.4 cm/s niezależnie od oporu penetracji w całym zakresie siły nacisku sondy. Urządzenia, które nie spełniają tego warunku w całym zakresie nominalnego nacisku nie powinny być brane pod uwagę, ponieważ wykonywane przez nie sondowania nie są zgodne ze standardami i praktycznie nie są interpretowalne. B. Maksymalny nacisk sondy. Parametr ten obok skutecznego zakotwienia - determinuje zastosowanie sondy do określonego rodzaju gruntów i maksymalną głębokość penetracji. 1. Sondy aktualnie produkowane dzielą się na: a. Lekkie o nacisku 25-75 kn, o zasięgu średnio 5-10 m b. Średnie o nacisku 100-150 kn o zasięgu penetracji 10-20 m c. Ciężkie o nacisku 200 kn o zasięgu penetracji 20-40 m Przytoczone wartości dotyczą gruntów o średnim oporze penetracji (luźne i średnio zagęszczone piaski, grunty spoiste plastyczne do półzwartych) i są jedynie szacunkowe. Istnieją jednostkowe konstrukcje o większych naciskach (250-300 kn) ale są one stosowane sporadycznie, w wyjątkowych okolicznościach. Zastosowanie takiej siły nacisku wiąże się z szeregiem problemów związanych z wytrzymałością urządzeń pomiarowych i żerdzi. UWAGA. Maksymalny nacisk sondy podawany przez producenta może czasem wprowadzać w błąd. Istotna jest nie chwilowa wartość nacisku możliwa do osiągnięcia w krótkim okresie czasu i przy krótkotrwałym zwiększeniu ciśnienia w układzie hydraulicznym poza zakres nominalny, ale taka wartość przy której penetrometr może wykonywać w sposób ciągły wciskanie ze stałą prędkością 2 cm/s zgodnie ze standardem CPT. Pomiar wykonywany z inną prędkością wciskania nie jest możliwy do zinterpretowania przy pomocy standardowych metod. Kolejnym problemem podrasowanych sond jest system kotwienia. Moment obrotowy głowicy obrotowej stosowanej do wkręcania kotew jest zwykle bez zmiany (zwiększają się tylko obroty), więc przy chwilowo zwiększonej sile nacisku zwykle następuje wyrywanie kotew. Parametrem, który pozwala na przybliżone oszacowanie czy podawany maksymalny nacisk statyczny jest rzeczywisty jest moc silnika spalinowego penetrometru: Urządzenia o rzeczywistym nacisku statycznym na poziomie 100 kn mają silniki spalinowe o mocy 10-15 kw (13.6 20.4 KM), Urządzenia o rzeczywistym nacisku statycznym na poziomie 200 kn mają silniki spalinowe o mocy powyżej 25 kw (34.0 KM). C. Sposób zrównoważenia siły nacisku. 1. Siła nacisku sondy może być zrównoważona przez: a. Zastosowanie urządzenia o całkowitym ciężarze przewyższającym (o co najmniej kilka ton) maksymalną siłę nacisku sondy. Takie konstrukcje są zwykle montowane w kontenerach na dużych samochodach ciężarowych z napędem na 2 lub 3 osie lub na samobieżnych ciężkich podwoziach gąsienicowych. b. Zakotwienie, zwykle za pomocą kotew talerzowych o średnicy 200-350 mm. Stosowanie kotew spiralnych (podobnych do szneków) nie jest zalecane z uwagi na ich bardzo słabą skuteczność kotwienia. W zależności od konstrukcji sondy stosuje się 1, 2 lub 4 kotwy.
D. Platforma na której sonda jest zamontowana. Współczesne penetrometry statyczne mogą być zamontowane na następujących platformach: 1 2 3 W dużych kontenerach zamontowanych na podwoziach ciężkich samochodów ciężarowych z napędem na 2 lub 3 osie o maksymalnym ciężarze dopuszczalnym rzędu 30 t. Całkowity ciężar takiego zestawu (samochód + kontener + penetrometr) wynosi zwykle ok. 25 t. Penetrometry zamontowane w ten sposób mają standardowo maksymalny nacisk 200 kn. Napęd układu hydraulicznego jest w większości konstrukcji brany z tzw. PTO (wałka zewnętrznego skrzyni rozdzielczej samochodu, a więc silnik samochodowy jest źródłem energii dla penetrometru). Przygotowanie takiego zestawu do pracy polega na uniesieniu i wypoziomowaniu samochodu na (zwykle) 3 siłownikach hydraulicznych. Sondy tego typu gwarantują wysoką ergonomię i komfort pracy załogi oraz wysoką dzienną wydajność. Ograniczenia tych urządzeń związane są z praktycznym brakiem możliwości zastosowania głowicy wiercącej oraz wysoką ceną zestawu. W trudnych warunkach terenowych i obszarze zalesionym gabaryty i ciężar sondy zmniejszają jej użyteczność. W produkcji takich zestawów specjalizują się firmy holenderskie Geomil i A.P. van den Berg oraz firma Vertek/Hogentogler (USA). W dużych kontenerach zamontowanych na samobieżnych ciężkich podwoziach gąsienicowych. Całkowity ciężar takiego zestawu (kontener + podwozie gąsienicowe + penetrometr) wynosi ok. 25 t. Penetrometry zamontowane w ten sposób mają zwykle maksymalny nacisk 200 kn. Przygotowanie takiego zestawu do pracy polega na uniesieniu i wypoziomowaniu zestawu na (zwykle) 3 siłownikach hydraulicznych. Transport na miejsce pracy jest wykonywany przy użyciu specjalnych niskopodwoziowych przyczep i odpowiedniego ciągnika/samochodu. Sondy tego typu gwarantują wysoką ergonomię i komfort pracy załogi oraz wysoką dzienną wydajność. Ograniczenia tych urządzeń związane są z praktycznym brakiem możliwości zastosowania głowicy wiercącej oraz wysoką ceną zestawu. W trudnych warunkach terenowych i obszarze zalesionym gabaryty i ciężar sondy zmniejszają jej użyteczność. W produkcji takich zestawów specjalizują się firmy holenderskie Geomil i A.P. van den Berg oraz Vertek/Hogentogler (USA). Na samobieżnej, lekkiej platformie gąsienicowej. W taki sposób montowane są urządzenia średnie (o nacisku 90-150 kn) i ciężkie (200 kn). Całkowity ciężar takiego urządzenia wynosi, w zależności od typu i producenta od 1.2 t do 4.5 t. Przygotowanie takiego zestawu do pracy polega na zakotwieniu penetrometru i wypionowaniu masztu. Transport na miejsce pracy jest zwykle wykonywany przy użyciu specjalnych przyczep typu laweta samochodowa, ciągnionych przez samochód osobowy z napędem na dwie osie lub na platformie samochodu ciężarowego. Ten typ penetrometru jest najbardziej uniwersalny i jako jedyny - obok wersji na samochodzie typu pick-up (pkt. 6) - umożliwia bezproblemowy montaż głowicy wiercącej. Podstawową funkcją tych urządzeń jest sondowanie statyczne CPT/CPTU a dodatkową wiercenie. W związku z tym funkcje wiertnicze są zwykle ograniczone w porównaniu z typowymi wiertnicami. W produkcji takich penetrometrów specjalizują się firmy Geotech (Szwecja), Geomil i A.P. van den Berg (Holandia), Geoprobe (USA) oraz Pagani (Włochy).
4 5 6 Na specjalnie zaprojektowanej przyczepie, której rama jest równocześnie platformą penetrometru. Przyczepy te mają zwykle odpowiednią homologację pozwalającą na ciągnięcie odpowiednim samochodem po drogach publicznych. Całkowity ciężar takiej przyczepy wynosi ok. 2 t. Penetrometry zamontowane w ten sposób mają zwykle maksymalny nacisk 200 kn. Przygotowanie takiego zestawu do pracy polega na uniesieniu przyczepy na siłownikach hydraulicznych lub mechanicznych łapach, wypoziomowaniu i zakotwieniu. Kotwy sa zwykle wkręcane urządzeniem hydraulicznym napędzanym z układu penetrometru. Transport miejsce pracy i po terenie badań jest zwykle wykonywany przy użyciu samochodu terenowego z napędem na dwie osie. W produkcji takich zestawów specjalizują się firmy holenderskie Geomil i A.P. van den Berg. Na ramie bez własnego podwozia kołowego, lub wyposażonej w koła ułatwiające jedynie lokalny transport po terenie badań (nie można ciągnąć po drogach publicznych). Konstrukcje tego typu mogą być monoblokami (zespół napędowy i penetrometr zamontowane na wspólnej ramie) lub składać się z dwu oddzielnych modułów modułu penetrometru z siłownikami i układem sterowania hydrauliki oraz modułu napędowego z silnikiem, pompą hydrauliczną i zbiornikiem oleju hydraulicznego. W taki sposób montowane są urządzenia lekkie (o nacisku 50 kn) i średnie (100-150 kn), sporadycznie ciężkie (200 kn). Całkowity ciężar takiego urządzenia wynosi, w zależności od typu i producenta, od 0.3 t do 1.5 t. Przygotowanie takiego zestawu do pracy polega na zakotwieniu penetrometru (ręcznie lub kluczem hydraulicznym napędzanym z układu hydraulicznego penetrometru) i wypionowaniu masztu. Transport na miejsce pracy jest zwykle wykonywany przy użyciu samochodu dostawczego lub specjalnych przyczep typu laweta samochodowa, ciągnionych przez samochód osobowy z napędem na dwie osie. W produkcji takich penetrometrów specjalizują się firmy Geomil i A.P. van den Berg (Holandia). Na otwartym samochodzie typu pick-up, o dopuszczalnym ciężarze całkowitym (DCC) do 3.5 t lub samochodzie ciężarowym o DCC powyżej 3.5 t. Penetrometry zamontowane w ten sposób mają maksymalny nacisk 50-150 kn. Napęd układu hydraulicznego jest brany z tzw. PTO lub z dodatkowego silnika napędzającego wyłącznie układ penetrometru. Podstawową funkcją takich wiertnic jest wiercenie i pobieranie prób a funkcją dodatkową jest funkcja penetrometru CPT. Maszty tych urządzeń, w zależności od typu i wagi, wyposażone są w głowicę wiercącą i młot hydrauliczny oraz urządzenia ułatwiające prace wiertnicze (żurawiki etc.). Zwykle te same urządzenia (maszty) montowane są na samochodach pick-up i podwoziach gęsienicowych. Przygotowanie takiego zestawu do pracy polega na wysunięciu masztu poza platformę samochodu i oparciu go o ziemię i wypionowaniu. W produkcji takich urządzeń specjalizują się firmy amerykańskie Geoprobe i AMS.
E. Jak wybrać odpowiedni penetrometr statyczny? 1. Podstawowym parametrem, który powinien być wzięty pod uwagę jest przeznaczenie urządzenia. Przy definiowaniu przeznaczenia należy uwzględnić następujące czynniki: a. Jakie jest przewidywane obciążenie penetrometru? i. Jeżeli penetrometr ma być używany sporadycznie, wyłącznie jako urządzenie uzupełniające do wyrywkowej weryfikacji badań innymi metodami, to celowy jest wybór konstrukcji relatywnie taniej, o niekoniecznie najwyższej jakości i bezawaryjności, o niskiej lub średniej wydajności i ograniczonej ergonomii. Długi okres zwrotu takiej inwestycji nie jest problemem z uwagi na relatywnie niski koszt zakupu. Podstawowym wyborem przy takich założeniach jest urządzenie na ramie bez własnego podwozia kołowego typu 5 ewentualnie jakaś tania konstrukcja typu 3, 4 lub 6. ii. Jeżeli penetrometr ma być używany intensywnie jako podstawowe narzędzie badawcze to celowy jest wybór konstrukcji o możliwie a. wysokiej jakości i bezawaryjności, b. wysokiej wydajności, c. wysokiej ergonomii. Wysoka produktywność takich urządzeń przy intensywnej eksploatacji pozwala na uzyskanie krótkiego okresu zwrotu i generowanie dużych zysków pomimo wyższych kosztów zakupu. Podstawowym wyborem przy takich założeniach jest urządzenie zamontowane w kontenerze (typ 1 lub 2) lub wyższej jakości konstrukcja typu 3 (na własnym podwoziu gąsienicowym). b. Jaka jest przewidywana głębokość badań? i. Jeżeli penetrometr ma być używany wyłącznie lub głównie do płytkich sondowań o głębokości kilku m to celowym jest wybór sondy lekkiej typu 5 lub 6. ii. Jeżeli penetrometr ma być używany w zakresie głębokości do kilku-kilkunastu m w gruntach o niskim lub średnim oporze penetracji to celowym jest wybór sondy średniej typu 3, 5 lub 6. iii. Jeżeli penetrometr ma być używany we wszystkich gruntach i w zakresach głębokości, w których wykonuje się sondowania CPT, to koniecznym wyborem jest sonda ciężka 200 kn typu 1, 2, 3, lub 4, z uwzględnieniem UWAGI w pkt. B. c. Jakie dodatkowe metody badawcze sa przewidywane? i. Jeżeli istotnym elementem badań mają być wiercenia to koniecznym wyborem jest uniwersalne urządzenie na platformie gąsienicowej typu 3 lub typu 6 zamontowane na samochodzie pick-up. Pozostałe urządzenia nie dają możliwości zamontowania głowicy wiertniczej. Bardzo ważnym parametrem jest moment obrotowy głowicy wiertniczej. Urządzenia o momencie obrotowym poniżej 0.8 knm praktycznie nie pozwalają na sensowne wiercenia, urządzenia o momencie w zakresie 0.8-1.5 knm pozwalają na wiercenia o średnicy do 80 w zakresie rzędu 6-10 m natomiast urządzenia o momencie rzędu 2.5 knm i więcej pozwalają na wiercenia o średnicy 80 w zakresie głębokości 20 m. ii. Jeżeli wiercenia nie są przewidywane, to każdy z prezentowanych penetrometrów może być brany pod uwagę. iii. Pozostałe metody penetracyjne (CPT-CPTU, SCPT, DMT, FVT i inne) mogą być teoretycznie realizowane na każdym lub prawie każdym z zaprezentowanych urządzeń. W rzeczywistości mogą istnieć pewne ograniczenia wynikające z konstrukcji urządzenia wciskającego i elementu pomiarowego. W przypadku wątpliwości należy uzyskać jednoznaczną deklarację producenta urządzenia. a. UWAGA 1. Przy kompletacji systemu pomiarowego należy wziąć pod uwagę fakt, że wiele metod badawczych tworzy systemy niewymienne między sobą. Na przykład - system sejsmiczny SCPT jest ściśle związany z systemem pomiarowym CPTU i nie jest możliwe używanie łączne SCPT i CPTU pochodzących od dwu różnych producentów. Kolejnym ograniczeniem jest fakt, że niektórzy producenci penetrometrów CPT nie mają w swojej ofercie wszystkich metod penetracyjnych i kupno systemu CPTU do którego nie są produkowane opcjonalne, przewidywane w przyszłości systemy pomiarowe, może skutkować w przyszłości koniecznością wymiany systemu CPTU lub rezygnacją z pewnych metod badawczych. b. UWAGA 2. Systemy mocowania zestawów pomiarowych niektórych producentów nie pozwalają na stosowanie urządzeń pomiarowych produkowanych przez innych ze względu na geometrię mocowania i dostępną przestrzeń. Na przykład systemy pomiarowe FVT z elektroniczną rejestracją
produkcji Geotech, Geomil lub van den Berg nie dają się zamontować na średnim penetrometrze Pagani z uwagi na zbyt mały rozstaw jego siłowników. d. Jaki system pomiarowy CPTU wybrać? i. W zdecydowanej większości przypadków systemy rejestrujące CPTU są niezależne od urządzenia wciskającego w tym sensie, że do penetrometru jednego producenta można bez problemów zastosować system pomiarowy (kompletny!) wyprodukowany przez innego. ii. Obecne na rynku systemy pomiarowe CPTU można podzielić na: a. Systemy bezprzewodowe, w których transmisja danych ze stożka pomiarowego na powierzchnię jest realizowana za pomocą dźwięku lub fal radiowych, b. Systemy przewodowe, w których stożek pomiarowy jest połączony z rejestratorem na powierzchni kablem. Unikalną wersją systemu przewodowego jest konstrukcja oparta na światłowodach firmy A.P. van den Berg B.V. i. W przypadku penetrometrów typu 1 i 2 zamontowanych w kontenerach oba systemy, przewodowy i bezprzewodowy, są porównywalne. Kabel sygnałowy nie ma kontaktu z gruntem a żerdzie z przewleczonym kablem znajdują się w specjalnym stojaku w zasięgu ręki operatora. ii. W przypadku pozostałych penetrometrów system kablowy jest obciążony następującymi ograniczeniami i niedogodnościami: iii. Wydajność (produktywność) systemów kablowych jest niższa o 20-30% z uwagi na straty czasu związane z koniecznością przewlekania kabla przez żerdzie pomiędzy stojakiem (lub w niektórych przypadkach plandeką na powierzchni gruntu) a masztem penetrometru. iv. Praktycznie nie da się z uwagi na konieczne luzy uniknąć zabrudzenia kabla sygnałowego o grunt. Powoduje to w dalszej kolejności zabrudzenie gwintów żerdzi i konieczność ich ciągłego czyszczenia lub zniszczenie gwintów wskutek niepełnego dokręcenia. iii. Niektóre systemy rejestrujące CPTU są zintegrowane z automatycznym systemem zabezpieczającym penetrometr przy przekroczeniu dopuszczalnego nacisku lub przyrostu odchylenia od pionu. Obecność takiego systemu pozwala na znaczące zmniejszenie ryzyka uszkodzenia względnie drogiego stożka pomiarowego. Sprawdź, czy penetrometr, który rozważasz jest wyposażony w taki system. iv. Istotnym argumentem przy wyborze systemu pomiarowego CPTU jest możliwość jego dalszej rozbudowy o komplementarne systemy pomiarowe takie jak system sejsmiczny SCPT, adapter do pomiaru przewodnictwa gruntu, temperatury etc. Celowe jest rozeznanie przewidywanych przyszłych badan i taki wybór systemu rejestrującego, który umożliwi dalszą rozbudowę w przyszłości. UWAGA. Poszczególne elementy systemów rejestrujących produkowanych przez różnych producentów nie są wzajemnie wymienne między sobą. Pamiętaj, że wybierając system CPTU wiążesz się na długo z rozwiązaniami (lub ich brakiem!) producenta tego systemu. e. Czy ograniczyć się wyłącznie do systemu pomiarowego tzw. stożka mechanicznego Begemanna? i. Stożek mechaniczny Begemanna daje znacznie mniej dokładną i kompletną informację o badanym gruncie. Wynika to z faktu, że w odróżnieniu od tzw. stożka elektrycznego: a. Zdecydowana większość konstrukcji opartych na stożku Begemanna nie zawiera elementu rejestrującego automatycznie, a odczyt polega na odczycie wartości z niewielkiego wyświetlacza lub z manometrów analogowych i notowaniu wartości na kolanie. b. Pomiar parametrów q c (opór stożka) i f s (tarcie lokalne) nie jest równoczesny ale sekwencyjny. c. Odległość pomiędzy tipem stożka a tuleją jest znacząco większa. d. Tuleja cierna stożka Begemanna wykonuje nie tylko pracę przeciwko sile tarcia o grunt ale również rozpycha cząstki gruntu jak stożek a ta praca nie jest mierzalna. e. Nie mierzymy ciśnienia porowego. f. Nie mierzymy odchylenia od pionu. g. Dodatkowym argumentem obciążającym stożek Begemanna jest mniejsza wydajność takich sondowań, wynikająca z konieczności wielu dodatkowych ruchów siłowników góra-dół, wynikających z konstrukcji stożka i głowic pomiarowych. f. Zdecydowana większość metod interpretacyjnych jest oparta na pomiarze stożkiem elektrycznym CPTU, których nie można wprost przenieść na pomiar stożkiem Begemanna, nawet uwzględniając brak parametru ciśnienia porowego. Mała jest szansa publikacji nowych metod interpretacji
pomiarów stożkiem Begemanna ponieważ wszystkie ośrodki badawcze już wiele lat temu przestały zajmować się ta metodą, a pomiary stożkiem elektrycznym są cały czas intensywnie badane. Odpowiedź na pytanie [e.] brzmi STANOWCZO NIE. Jedyną w pełni sensowną metodą badawczą jest pomiar CPTU stożkiem elektrycznym, a stożek Begemanna może być traktowany wyłącznie jako metoda uzupełniająca lub zastępcza, stosowana tylko tam, gdzie akceptowalny jest mniej dokładny pomiar a warunki terenowe znacząco zwiększają ryzyko uszkodzenia względnie drogiego stożka CPTU. Opracował: Wojciech Janecki, Geosoft Sp. z o.o.