HORNICKO-GEOLOGICKÁ FAKULTA Katedra geologického inženýrství
APLIKACE STATICKÉ A DYNAMICKÉ PENETRACE NA VYBRANÝCH
LOKALITÁCH SLOVENSKÉ REPUBLIKY
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Autor: Bc. Lenka Mertová
Vedoucí diplomové práce: Ing. Dominik Niemiec, Ph.D.
Ostrava 2019
Poděkování
Chtěla bych poděkovat vedoucímu diplomové práce Ing. Dominikovi Niemiecovi Ph.D. za odborný dohled a rady při vypracování diplomové práce a dále bych chtěla poděkovat prof. Ing. Mariánovi Drusovi PhD., Ing. Romanovi Bulkovi PhD. a Ing. Filipovi Gagovi ze stavební fakulty Žilinské Univerzity v Žilině za spolupráci při měření
Slovenské republiky. Jednalo se o vybrané lokality v Žilině a Prešově. V práci bylo hodnoceno celkem 37 záznamů statické penetrace a 44 záznamů dynamické penetrace.
Dílčím cílem práce byl popis metodik statické a dynamické penetrace, tak aby byla možná jejich realizace dle těchto kapitol diplomové práce. U statické penetrace byly vyhodnocovány následující in situ parametry – penetrační odpor (qc) a lokální plášťové tření (fs). U dynamické penetrace byl vyhodnocován in situ parametr – dynamický penetrační odpor (qdyn). Pomocí korelace byly určeny deformační modul (Edef), úhel vnitřního tření (φ) a index konzistence (Ic).
Klíčová slova:
dynamická penetrační zkouška, statická penetrační zkouška, inženýrskogeologický průzkum, vybrané lokality Slovenské republiky
Abstrakt:
The aim of the thesis was application static and dynamic penetration in selected localities in the Slovak Republic. Selected localities were in Žilina and Prešov. In thesis were evaluated 37 records of static penetration and 44 records of dynamic penetration. The partial aim of the thesis was to describe the methodology of static and dynamic penetration so that they could be implemented according to these chapters of the thesis. In static penetration, the following in situ parameters were evaluated - penetration resistance (qc) and local sheath friction (fs). In dynamic penetration, the in situ parameter - dynamic penetration resistance (qdyn) was evaluated. Using the correlation, deformation modulus (Edef), internal friction angle (φ) and index of consistency (Ic) were determined.
Key words:
dynamic penetration test, static penetration test, engineering geological survey, selected localities in the Slovak Republic
1 ÚVOD ... 1
2 METODIKA ... 2
2.1 Inženýrskogeologický průzkum ... 2
2.2 Etapy inženýrskogeologického průzkumu ... 2
2.2.1 Orientační průzkum ... 2
2.2.2 Předběžný průzkum ... 3
2.2.3 Podrobný průzkum ... 3
2.2.4 Doplňkový průzkum ... 3
2.3 Metody inženýrskogeologického průzkumu ... 3
2.3.1 Studium archivních materiálů ... 3
2.3.2 Mapovací práce ... 3
2.3.3 Technické práce ... 4
2.3.4 Geofyzikální měření ... 4
2.3.5 Polní geotechnické zkoušky ... 4
2.4 Dynamická penetrační zkouška ... 6
2.4.1 Postup při dynamické penetrační zkoušce ... 7
2.4.2 Metodika vyhodnocování dynamické penetrační zkoušky ... 10
2.4.3 Metodika určení vlastností zemin ... 12
2.4.4 Parametry ovlivňující dynamickou penetrační zkoušku ... 15
2.5 Statická penetrační zkouška ... 17
2.5.1 Postup při statické penetrační zkoušce ... 19
2.5.2 Metodika vyhodnocování statické penetrační zkoušky ... 27
2.5.3 Metodika určení vlastností zemin ... 34
2.6.1 Předalpínská etapa ... 39
2.6.2 Paleoalpínská etapa ... 39
2.6.3 Neoalpínská etapa ... 40
2.7 Inženýrskogeologické celky Západních Karpat ... 42
3 ZHODNOCENÍ VÝSLEDKU ZKOUŠEK ... 45
3.1 Pokusné pole Žilina ... 45
3.1.1 Charakteristika lokality ... 46
3.1.2 Vyhodnocení statické penetrační zkoušky ... 47
3.2 Rychlostní cesta R4 Prešov – severní obchvat ... 48
3.2.1 Charakteristika lokality ... 49
3.2.2 Vyhodnocení statické penetrace ... 50
3.2.3 Vyhodnocení dynamické penetrace ... 55
4 ZÁVĚR ... 65
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ... 69
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK ... 71
SEZNAM OBRÁZKŮ ... 72
SEZNAM TABULEK ... 74
SEZNAM PŘÍLOH ... 75
1 ÚVOD
Cílem práce je aplikace statické a dynamické penetrace na vybraných lokalitách Slovenské republiky. Jedná se o vybrané lokality v Žilině a Prešově. V práci je hodnoceno celkem 37 záznamů statické penetrace a 44 záznamů dynamické penetrace.
Dílčím cílem práce je popis metodik statické a dynamické penetrace, tak aby byla možná jejich realizace dle těchto kapitol diplomové práce.
U statické penetrace jsou vyhodnocovány následující in situ parametry – penetrační odpor (qc) a lokální plášťové tření (fs). Pomocí korelace byly určeny deformační modul (Edef), úhel vnitřního tření (φ) a index konzistence (Ic).
U dynamické penetrace je vyhodnocován in situ parametr – dynamický penetrační odpor (qdyn). Pomocí korelace byly určeny deformační modul (Edef), úhel vnitřního tření (φ) a index konzistence (Ic).
Motivací práce je skutečnost, že statická a dynamická penetrace jsou in situ metodami inženýrskogeologického průzkumu, což znamená, že jejich výsledky jsou pro průzkum více důležité, než je tomu u metod, které jsou prováděny ex situ. Zároveň tyto dvě metody prochází celou hloubkou průzkumu a tím, že máme kontinuální záznam na hrotu, tak máme i kontinuální záznam fyzikálně – mechanických parametru. Je potřeba si však uvědomit, že tyto parametry jsou odvozovány na základě korelačních vztahů.
2 METODIKA
2.1 Inženýrskogeologický průzkum
Hlavním důvodem, proč se inženýrskogeologický průzkum provádí, je potřeba získat reprezentativní informace o vybraném zájmovém území před realizací určeného inženýrského záměru. Jedná se o postup prací určený k získání informací o kompletním stavu horninového prostředí, zhodnocení morfologických a hydrogeologických poměrů a varování před možnými riziky jako je např. sesuv a ochranné a sanační metody těchto přírodních jevů. Základním předpokladem pro inženýrskogeologický průzkum je vytvoření projektu, kde se uvádí rozsah průzkumu, způsoby provedení a časový horizont průzkumných prací. Tento projekt se řídí platnými zákony a vyhláškami a vychází také z archivních materiálů o průzkumu daného území. Jedním z nejdůležitějších faktorů průzkumu jsou komplexnost prací, efektivnost zjištěných informací a přijatelný cenový rozpočet průzkumu.
Mezi rozhodující faktory projektu patří účel díla, geologická stavba zájmového území a také náročnost díla. (Inženýrskogeologický průzkum, Marschalko et al., 2019)
2.2 Etapy inženýrskogeologického průzkumu
Etapy inženýrskogeologického průzkumu vycházejí z potřeby návaznosti při postupu přípravy stavby. Spolupráce inženýrského geologa s technologem zpravidla nekončí poslední etapou přípravy projektu, ale pokračuje během stavby inženýrského díla a někdy i po dokončení díla. Po dokončení stavby je potřeba sledovat vliv na okolní prostředí.
Rozsah prací v jednotlivých etapách vychází ze složitosti stavby a geologického prostředí.
Etapy inženýrskogeologické průzkumu mohou být různě spojovány, nebo naopak členěny do podetap. (Pašek et al, 1995)
2.2.1 Orientační průzkum
Cílem této etapy je určit, zda je inženýrský záměr v dané zájmové oblasti realizovatelný, a to na základě archivních map a průzkumů, pochůzky v lokalitě, určení geologických, hydrogeologických a geomorfologických podmínek. Převažují nepřímé metody průzkumu a výsledkem orientačního průzkumu je získání základních informací o zájmové oblasti. (Pašek et al, 1995)
2.2.2 Předběžný průzkum
Cílem této etapy je na základě orientačního průzkumu a pomocí polních, geofyzikálních a laboratorních zkoušek rozhodnout, za jakých podmínek bude daný inženýrský zájem realizovatelný. Výsledkem je určení nejvhodnější pozice inženýrského díla, potřebné hloubky základů apod. (Pašek et al, 1995)
2.2.3 Podrobný průzkum
Cílem této etapy je vytvořit geotechnický model zájmové oblasti a navrhnout vhodné konstrukční a stavební technologie a postupy. Součástí podrobného průzkumu jsou poznatky z předchozích etap a odebrání vzorků hornin a podzemní vody. Výsledkem je vytvoření geologické mapy zájmové oblasti v měřítku 1 : 10 000, 1 : 5 000. (Pašek et al, 1995)
2.2.4 Doplňkový průzkum
Jedná se o etapu, která není vždy součástí inženýrskogeologického průzkumu. Pomocí doplňkového průzkumu se řeší nové skutečnosti, které nejsou zaznamenány při průzkumu, ale zjistily se až při odkryvných pracích nebo jsou důsledkem geodynamických procesů při stavbě inženýrského díla. Při těchto skutečnostech dochází ke změnám stavebních postupů, čímž dojde ke změnám projektu. U inženýrských děl, která mají vliv na životní prostředí (např. výstavba přehrady, tunelu), a také při ohrožujících haváriích, se provádí geotechnický monitoring staveb. (Inženýrskogeologický průzkum, Marschalko et al, 2019)
2.3 Metody inženýrskogeologického průzkumu
2.3.1 Studium archivních materiálůVyužívá se při počátečních fázích průzkumu. Z již vytvořených závěrečných zpráv a geologických průzkumů, včetně profilů vrtného jádra, se čerpají dříve získané poznatky,
které jsou uloženy v Geofondu České geologické služby. Cílem studia těchto archivních materiálů je časové zrychlení počátků průzkumu. (Pašek et al, 1995)
2.3.2 Mapovací práce
Patří mezi nejstarší způsoby zpracování a získávání informací. Musí obsahovat informace o geologické stavbě, geomorfologické informace, tektonickou stavbu zájmové
oblasti, svahové pohyby, prosedavost spraší, krasové pohyby. Tyto informace není možné znázornit v jedné mapě, protože by byla nepřehledná. (Pašek et al, 1995)
2.3.3 Technické práce
Na průzkumném území se kromě vyhledávání přirozených odkryvů, kterými mohou být skalní výchozy nebo erozní rýhy, vyhledávají také uměle vytvořené výkopy a další díla.
Pro detailní průzkum to většinou není dostačující, proto je potřebné vytvořit odkryvy speciálně pro účely daného průzkumu. Množství odkryvných prací závisí na geomorfologii lokality a geologické stavbě. Odkryvná díla se rozlišují podle způsobu hloubení – práce vrtné a práce kopné a hornické. V současnosti se preferují vrtné práce, které se zaměřují převážně na výnos jádra, jež lze dále použít pro laboratorní zkoušky. Mezi nejčastěji používané práce patří vrty, kopané sondy, šachtice, rýhy a průzkumné štoly. Vyhodnocení technických prací je zajišťováno systematickou dokumentací. (Pašek et al, 1995)
2.3.4 Geofyzikální měření
Geofyzikální měření je metodou nepřímého studia horninového prostředí, která je založena na specifických fyzikálních vlastnostech (teplota, rychlost šíření vln apod.) nebo také na nehomogenitách v horninovém prostředí (tektonické poruchy, diskontinuity apod.).
Pomocí přístrojů se zjišťují anomálie ve fyzikálních polích. Výsledkem je interpretace zjištěných anomálií a vysvětlení geologického významu v horninovém prostředí.
V geofyzikálním měření se využívají geoelektrické, termické, radionuklidové, gravimetrické, magnetometrické a seizmické metody. (Pašek et al, 1995)
2.3.5 Polní geotechnické zkoušky
Geotechnický a inženýrskogeologický průzkum se snaží určovat pevnostní a přetvárné charakteristiky hornin v přírodním prostředí, aby nedocházelo ke zkresleným
výsledkům. V laboratorních podmínkách se určují fyzikální a mechanické vlastnosti na malých vzorcích, přičemž se už při odběru vzorku může porušit jeho přírodní stav. Při laboratorním průzkumu se mnohdy nedají nasimulovat přírodní vlivy prostředí, jako jsou např. heterogenita, podzemní voda nebo anizotropie, převládají tedy tendence pevnostní a přetvárné charakteristiky zjišťovat pomocí polních geotechnických zkoušek. (Matys et al, 1990)
Mezi polní geotechnické zkoušky řadíme (Matys et al, 1990):
- Vibrační sondování – principem je měření šíření pružného vlnění, které se vyvolává mechanicky nebo elektrodynamicky.
- Zatěžovací zkouška deskou – principem je určení deformačních vlastností hornin pomocí zatěžování zatěžovací deskou, v současnosti se pomocí této metody dá také zkoumat zatížení piloty a hloubkových základů.
- Presiometrické zkoušky – principem je postupné zatěžování stěn vrtu radiálním tlakem, který se zvyšuje až na mezní únosnost horniny.
- Penetrační zkoušky – principem je zjišťování schopnosti zemin klást odpor, pomocí korelace mezi statickou penetrací a dynamickou penetrací určuje některé fyzikální a mechanické vlastnosti základové půdy.
- Švédská tíhová zkouška – principem je schopnost zeminy klást odpor při pronikání spirálového hrotu.
- Vrtulková zkouška – zkouška se používá v začištěném vrtu, kde se mění hloubkový interval, zkušební vrtulka je spojená se sondovací tyčí a otáčí se soutyčím, zaznamenaná velikost kroutivého momentu je důležitým údajem pro výpočet totální soudržnosti zemin.
- Karotážní zkoušky – používají se v případech, kdy je přítomen zdroj gama záření nebo zdroj elektronů (při rozpadu radioaktivních látek).
- Indikátorové zkoušky – cílem těchto zkoušek je pomocí radioaktivních roztoků (jod 131, brom 82, chrom 51 apod.) sledovat proudění podzemní a průsakové vody ve vrtu.
- Speciální terénní zkoušky – pomocí této metody se zjišťuje sedání podloží, v praxi se nejčastěji setkáváme s měřením sedání podloží násypů, kdy k deformaci dochází ve velmi stlačitelném podloží v řádech cm, dm.
Při penetračních zkouškách je měřen odpor, který vytváří zemina proti zarážení nebo zatlačování zařízením. Při statické penetrační zkoušce se zatlačuje statickou silou, u které je důležitá konstantní rychlost pronikání do zeminy. Při dynamické penetrační zkoušce se zaráží zařízení do zeminy pomocí úderů berana, u kterého je důležité, aby dopadal z konstantní výšky. Pomocí penetračního sondování je možno určit průběh vrstev zemin různého litologického typu na základě změn v odporu při zatěžování zemin, čímž se tato metoda stává doplňkem při vrtném průzkumu. Dále je možno určit hloubku a průběh
pevného podloží a jeho stupeň zvětrání a na základě korelace také mechanické a přetvárné vlastnosti zemin – především pevnost, úhel vnitřního tření, ulehlost zemin, moduly přetvárnosti. Korelační vztahy mezi mechanickými vlastnostmi zemin a výsledky z penetračního sondování je možné určit na základě laboratorních zkoušek, v ostatních případech bývají výsledky orientační. Korelace je ovlivňována zrnitostí a vlhkostí zemin.
Při statické penetraci je možné určit druh zeminy, který se vyskytuje v hloubce, což se určuje pomocí rozdílných odporů na špičce a plášti zařízení pro penetrační sondování. Ve stavitelství se penetrační sondování používá především k posouzení únosnosti pilot a určení nejvhodnější hloubky plovoucích pilot. V silničním a železničním stavitelství dochází ke kontrole provedených zhutňovacích prací a posuzování ulehlosti zemin v konstrukčních vrstvách. (Pašek et al, 1995)
V roce 1977 byly standardizovány tyto penetrační zkoušky (Pašek et al, 1995):
- Statická penetrační zkouška (CPT – Cone Penetration Test)
- Dynamická penetrační zkouška (DPA, DPB – Dynamic Probing – typ A nebo B) - Dynamická penetrační zkouška lehká (Dynamic Probing Light)
- Švédská penetrační zkouška (WSM – Weight Sounding Method) - Standardní penetrační zkouška (SPT – Standard Penetration Test).
Pro jednotlivé typy zkoušek jsou stanovené rozměry přístrojů a možné tolerance v rozměrech a hmotnostech přístroje, postup sondování, podmínky kalibrace a postup vyhodnocení. (Pašek et al, 1995)
2.4 Dynamická penetrační zkouška
Dynamická penetrační zkouška se řadí mezi nejstarší průzkumnou metodu. Jejím
cílem je zjistit únosnost podloží. Poprvé byla popsána již v roce 1699, kdy se jednalo o zatloukání tyče s hrotem pomocí kladiva a v roce 1946 napomáhala při výstavbě měst a osad v Itálii a ve Francii. V roce 1934 došlo k definici hmotnosti berana na 5 až 8 kg a výška dopadu byla definována na 50 cm. Hrot zkušební tyče, jež měla průměr 15 mm, byl
ve tvaru jehlanu. V počátcích 20. století byla metoda dynamické penetrační zkoušky rozšířena převážně v Severní a Jižní Americe a také v Japonsku. Během vývoje této metody existovaly různé průměry tyčí a druhy hrotů. Na našem území se tento druh zkoušky používá od 50. let 20. století, kdy také byla vydána norma ČSN 73 1821 Stanovení ulehlosti písku dynamickou penetrační zkouškou. Do běžného inženýrskogeologického průzkumu se
metoda začala dostávat až v 70. letech 20. století, kdy se začaly používat přístroje pro dynamickou penetraci ze Švédska. Přístroje pro dynamickou penetrační zkoušku se začaly vyrábět v Rýmařově a jejich prvotní nevýhodou byl elektrický hnací agregát, který byl postupně nahrazen zápalným motorem. V roce 1977 došlo ke sjednocení postupů při dynamické penetrační zkoušce a používaných přístrojů. Začaly se rozlišovat dva typy zkoušky DPA, u které nevznikne tření na soutyčí a zkoušky DPB, u které vzniká plášťové tření a je spíše orientační (Matys et al, 1990). U typu DPA má kuželová špička úhel 90 º.
Tření na soutyčí se eliminuje výplachem ve vrtu, nebo může být soutyčí ochráněno systémem pažnic. U typu DPB má kuželová špička úhel 90 º. Tření soutyčí se eliminuje postupným otáčením soutyčí o 360 º na každý jeden zarážený metr. U obou typů dynamické penetrační zkoušky se používá přístroj s hmotností berana 63,5 kg a výška pádu je 0,75 m (Pašek et al, 1995). V současné době se pro dynamické penetrační zkoušky používají přístroje s hmotností berana 50 kg, výška pádu berana je 50 cm a průměr soutyčí je 32 mm (Matys et al, 1990).
2.4.1 Postup při dynamické penetrační zkoušce
Dynamická penetrační zkouška se používá pro zjištění schopnosti zemin klást různý odpor proti vnikání soutyčí, které je na konci opatřeno kuželem. Před samotným zahájením měření je důležité ustavit zařízení dynamické penetrace a zašroubovat soutyčí do sebe
(viz Obrázek 1). Na konci soutyčí se nachází kužel, který následně rozrušuje zeminu a používá se k měření odporu při penetrační zkoušce. Přístroj obsluhují dva až tři lidé.
Obrázek 1 Ustavení zařízení dynamické penetrace
Zařízení se skládá z již zmíněného soutyčí, berana o hmotnosti 50 kg, kovadliny dopadající na berana, tlumiče pro minimalizaci poškození přístroje umístěného pod kovadlinou a kužele umístěného na konci soutyčí. Beran je zvedán a uvolňován na soutyčí a výška pádu berana je 50 cm. Ke spuštění přístroje dojde pomocí spalovacího motoru (viz Obrázek 2), který pohání řetěz a ten zvedá berana nahoru a dolů ve stejných časových intervalech. Pohyb zařízení během dynamické penetrační zkoušky (viz Obrázek 3).
Obrázek 2 Spuštění zařízení dynamické penetrace
Obrázek 3 Znázornění pohybu zařízení dynamické penetrace během měření
Během měření se počítají údery potřebné pro vnik hrotu do zeminy o 10 cm. Počet
těchto úderů se zapisuje do záznamového archu pro dynamickou penetrační zkoušku.
U novějších typů přístrojů je možné se setkat s automatickým počítačem úderů berana. Podle hloubky měření se přidává dostatečný počet tyčí. Při přidávání tyče je nutné změřit krouticí moment pomocí momentového klíče (viz Obrázek 4). Tento parametr je nutný do pozdějších výpočtů při vyhodnocování dynamické penetrační zkoušky.
K ukončení zkoušky dojde při dosažení předepsaných metru při zkušebním měření, nebo pokud se zařízení dostane na nepropustné podloží. Po skončení měření je nutné soutyčí dostat manuálně z podloží ven pomocí nástavce a dvou pomocných tyčí (viz Obrázek 5).
Celý postup dynamické penetrace je znázorněn v příloze 1.
Obrázek 5 Znázornění vytahování soutyčí
2.4.2 Metodika vyhodnocování dynamické penetrační zkoušky
V první fázi se pracuje se záznamem naměřených hodnot dynamické penetrace. Do záznamového archu se během zkoušky zapisuje potřebný počet úderů berana pro vnik soutyčí do zeminy o 10 nebo 20 cm. Počet úderů je pouze orientační údaj a ze zkoušky se určuje měrného dynamický penetrační odpor qdyn, který v sobě zohledňuje tíhu soutyčí a tření mezi soutyčím a zeminou. (Matys et al., 1990)
Výpočet měrného dynamického penetračního odporu qdyn se může lišit u různých autorů a jeho výsledek se může lišit několikanásobně. Bondarik a Vojcechovský používali vzorec vycházející ze zákona zachování energie (Matys et al., 1990):
𝑞𝑑𝑦𝑛 = 𝑄ℎ
(1+𝑄𝑞)𝐴𝑠+𝑄+𝑞
𝐴 −𝐹
𝐴.
Kde je h – výška pádu berana (m), Q – tíha berana (kN), q – tíha soutyčí, kovadliny a hrotu (kN), A – plocha příčného řezu hrotu (m2), s – zaražení hrotu jedním úderem (m), F – tření mezi soutyčím a zeminou (kN). (Matys et al., 1990)
Hodnota qdyn se dá považovat jako reprezentativní pro písky, spraše, štěrky a zeminy nad hladinou podzemní vody. V poslední fázi se vypočtené hodnoty qdyn vynesou do závislosti s hloubkou do grafického záznamu. Viditelné změny v záznamu (zlomy) značí
rozhraní geologických vrstev. Ve Švédsku se doporučilo redukovat počty úderů o vliv tření podle vzorce (Matys et al., 1990):
N10 (20) = x Mv.
Kde x – parametr, který souvisí s hmotností berana a výškou pádu, DIN x = 0,04 Mv – krouticí moment.
Při vyhodnocování dynamické penetrační zkoušky se v současnosti nejčastěji používá tzv. holandského vzorce, který je součástí normy ČSN EN ISO 22476-2 (721004) Geotechnický průzkum a zkoušení – Terénní zkoušky – Část 2: Dynamická penetrační zkouška:
qdyn = 𝑄2∗ℎ
𝐴∗𝑠∗(𝑄+𝑞).
Kde Q – tíha berana (kN), h – výška pádu (m), q – tíha penetrační sondy – hrot, kovadlina, soutyčí (kN), A – plocha hrotu (m2), s – vnik hrotu o 10 cm.
Následně se provede redukce počtu úderů o vliv tření podle vzorce:
N10 (20) = x * Mv.
Kde x – parametr, který souvisí s hmotností berana a výškou pádu, DIN x = 0,04 Mv – kroutící moment.
Dynamickou penetrační zkoušku je vhodné použít v nesoudržných zeminách (písky a štěrky). U soudržných zemin se dá zkouška použít nad hladinou podzemní vody. Pro
průzkum pod hladinou podzemní vody je třeba použít vhodnější polní zkoušku.
U soudržných zemin měkké konzistence se dá zkouška použít do hloubky zhruba 35 m.
U nesoudržných zemin se střední hutností se hloubkový dosah zmenšuje. Hloubkový dosah
zkoušky záleží na typu použitého přístroje a pro běžné inženýrské, hydrotechnické a pozemní stavby je dostatečný. S použitím dynamické penetrační zkoušky je možné rychleji
sestavit inženýrskogeologický profil lokality, zjistit rozhraní vrstev a jejich mocnost, určit hloubku zvětrávání, hloubku únosného podloží, určit hutnost násypů, polohu a tvar smykové.
(Matys et al., 1990)
Celý postup vyhodnocení dynamické penetrace je znázorněn v příloze 2.
2.4.3 Metodika určení vlastností zemin
Na základě výsledků dynamické penetrační zkoušky jsou odvozovány některé vlastnosti zemin – fyzikální, mechanické a indexové. Tyto korelační závislosti se zpravidla určují na základě laboratorních testů. Výsledky dynamické penetrace a výsledky z laboratorních podmínek se korelují pro různé petrografické typy zemin s ohledem na genezi zemin. (Matys et al., 1990)
Matys et al., 1990 uvádí, že se určení hutnosti (Id) nesoudržných zemin liší podle různých autorů. Před zavedením DPT zkoušky se používal SPT (Standard penetration test), který měl hmotnost berana 63 kg, výška pádu byla 50 cm a průměr hrotu 51 mm. Pro toto testování vyšla norma ČSN 73 1821 a zahrnovala tabulku hutnosti písků (viz Tabulka 1):
Tabulka 1 Hutnost písků podle ČSN 73 1821
Název zeminy Počet úderů (N30) Hutnost
Hrubozrnné, střednězrnné a jemnozrnné písky
>30 9 až 30
< 9
Hutné Středně hutné
Kypré
Jako další klasifikace se dá uvést klasifikace podle Bondarika, který ji vytvořil podle velikosti měrného penetračního odporu qdyn (viz Tabulka 2) (Matys et al., 1990):
Tabulka 2 Hutnost písků podle qdyn
Hutnost písků qdyn (MPa)
Velmi kyprý <2,5
Kyprý 2,5 – 5
Kyprý až středně hutný 5–10
Hutný 10–20
Velmi hutný 20 – 40
Sanglerat odvozoval relativní hutnost písků a štěrků na základě přepočtu úderů N30
při STN na N10 při DPT (viz Tabulka 3) (Matys et al., 1990):
Tabulka 3 Hutnost písků a štěrků podle Sanglerta
SPT DPT
ID N30 N10 (písek) N10 (písek a štěrk)
<0,2 <4 <2 <1,6
0,2 – 0,4 4–10 2–6 1,6 – 5,4
0,4 – 0,6 10–30 6–21 5,4 – 19,4
0,6 – 0,8 30–50 21–39 19,4 - 34
0,8 - 1 >50 >39 >34
Určení konzistence není úplně spolehlivé. Podle výsledků SPT zkoušky se ovšem dá orientačně určit u hlín (viz Tabulka 4) (Matys et al., 1990):
Tabulka 4 Konzistence hlín
Konzistence Počet úderů N30
Velmi měkká <2
Měkká 2–4
Tuhá 4–8
Pevná 8–15
Velmi pevná 15–30
Tvrdá >30
Z pevnostních charakteristik se dá určit úhel vnitřního tření φef pro písky podle DPT zkoušky (viz Tabulka 5) (Matys et al., 1990):
Tabulka 5 Úhel vnitřního tření písků
DPT Úhel vnitřního tření písků φef (º)
N10 qdyn (MPa) hlinitých jemnozrnných střednězrnných až hrubozrnných
3 2 26 28 30
5 3,5 28 30 33
10 7 30 33 36
15 11 32 35 38
20 14 34 37 40
25 17,5 35 38 41
Matys et al., 1990 uvádí, že první vzorce pro určení deformačního modulu (Edef) byly odvozeny v Moskvě. Výpočet jsou pro střednězrnné písky se střední hutností podle rovnice:
Edef= 35 log N10
Kde N10 je počet úderů potřebný pro vnik hrotu o 10 cm.
Výpočet jsou pro hutné střednězrnné písky podle rovnice:
Edef= 50 log N10
Kde N10 je počet úderů potřebný pro vnik hrotu o 10 cm.
Deformační modul Edef při využití DPT do hloubky 6 m se dá určit pro písčité zeminy (viz Tabulka 6) a pro hlinité zeminy (viz Tabulka 7).
Tabulka 6 Deformační modul písků
DPT Deformační modul Edef (MPa)
N10 qdyn (MPa) Hlinitých
suchých
jemnozrnných střednězrnných až hrubozrnných
3 2 8 13 16–20
5 3,5 13 19 21–26
10 7 22 29 34–39
15 11 28 35 44–49
20 14 32 40 50–55
25 17,5 35 45 55–60
Tabulka 7 Deformační modul hlín
Konzistence hlín Deformační modul Edef (MPa)
Pomocí N10 Pomocí qdyn (MPa)
Tvrdá a tuhá 4–5 N10 6–7 qdyn
Měkká 3–4 N10 4–6 qdyn
Dudler rozšířil určování deformačního modulu Edef pro další typy zemin. Odvodil závislost mezi Edef a N10 pro střednězrnné aluviální písky (Matys et al., 1990):
Edef = (5,5 - 5σ) N10
Kde σ – kontaktní napětí (MPa), Edef – deformační modul pro napětí σ = 0,1 – 0,5 MPa.
Další autoři určili vztah deformačního modulu Edef pro písky a hlíny (Matys et al., 1990):
pro písky – Edef = 0,125 N10
pro hlíny – Edef = 1,55 N10.
Bondarik určil závislost Edef a qdyn pro sprašové hlíny (Matys et al., 1990):
Edef = 3,08 qdyn + 4,6 wn – 10,3
Kde wn je vlhkost zeminy (sprašové hlíny).
Opakované testy potvrdily, že korelace výsledků DPT a deformačního modulu je možné určit pro písky a štěrky ve formě lineární závislosti. Vztah pro sprašové hlíny není přesný a jeho použití je diskutabilní. Méně přesné výsledky jsou pro hlíny a jíly. (Matys et al., 1990)
2.4.4 Parametry ovlivňující dynamickou penetrační zkoušku
Na výsledek dynamické penetrační zkoušky může mít vliv hned několik faktorů a při vyhodnocování zkoušky je potřeba je vzít v úvahu. Jedná se především o parametry přístroje, složení zeminy, přítomnost podzemní vody a její hladina, tíha nadloží, vlhkost. Všechny vlivy na výsledek dynamické penetrační zkoušky zatím nejsou zjištěny a na dané lokalitě může mít vliv jeden faktor, nebo se může jednat o jejich kombinaci – toto vychází ze složitosti geologické stavby. (Matys et al, 1990)
Hmotnost berana a výška jeho pádu, tvar hrotu či hmotnost soutyčí patří mezi základní parametry, které ovlivňují výsledek penetrační zkoušky. Při používání přístroje během dynamické penetrační zkoušky je důležité automatické zvedání a spouštění berana bez časových prodlev a dodržování předepsané výšky pádu berana. Podle normy ČSN EN 22476-2 Geotechnický průzkum a zkoušení – Terénní zkoušky – Část 2: Dynamická penetrační zkouška je tolerance výšky pádu berana 1 cm a na výsledek zkoušky tato odchylka nemá vliv. Potřebná energie úderů musí být taková, aby nebylo překročeno 120 úderů pro zatlačení hrotu o 10 cm, pokud je tento počet překročen, dochází k ukončení zkoušky z důvodu možného opotřebení přístroje. Je vhodné používat přístroje s větším průměrem hrotu přístroje oproti průměru soutyčí, aby nedocházelo vlivem dynamického zarážení k nadměrnému zatěžování soutyčí a možnému zkreslení výsledku zkoušky. Dalším důležitým parametrem přístroje pro dynamickou penetrační zkoušku je hrot na konci zkušební tyče. Tvar hrotu má vliv na odpor proti dynamickému pronikání do zeminy. Tento odpor je funkcí průřezu hrotu. Je vhodné použít kuželový hrot, jehož vrcholový úhel je 90 º.
Při použití menšího vrcholového úhlu dochází k rychlejšímu opotřebení přístroje. Dalším faktorem jsou tlumící podložky berana na kovadlině a použití různých tlumících podložek může zkreslit výsledky měření. Při zvětšování hloubky během dynamické penetrační zkoušky totiž dochází k vyšší hmotnosti soutyčí z důvodu přidávání zkušebních tyčí a při vyhodnocování zkoušky může dojít ke zkreslenému výsledku odporu. (Matys et al, 1990)
Dalším důležitým faktorem, ovlivňující dynamickou penetrační zkoušku, je složení zeminy a hladina podzemní vody. Možnost použití této zkoušky záleží na procentuálním zastoupení malých a velkých zrn zeminy, její hutnosti a konzistenci výplně mezi zrny. Odpor je zvyšován při výskytu velkých zrn, nebo může dojít až k nemožnosti zkoušku použít. Na výsledek zkoušky má do jisté míry vliv i mineralogické složení zeminy např. výskyt slíd ve vyšší míře snižuje počet úderů při penetrační zkoušce. Zhutněné písky můžou vykazovat nižší odpor oproti pískům přirozeně uložených, záleží u nich ovšem na zrnitostním složení.
Nejlepších výsledků dynamické penetrace docílíme v píscích, štěrcích, prachovitých a písčitých hlínách a spraších nad hladinou podzemní vody. Oproti tomu v jílech a organických sedimentech dochází k velkému plášťovému tření a znemožnění dynamickou
penetrační zkoušku reálně vyhodnotit. Vlhkost mívá malý vliv na zkreslení výsledků penetrační zkoušky, což se ovšem mění při změně stupně nasycení. Hladina podzemní vody snižuje penetrační odpory zeminy. (Matys et al, 1990)
2.5 Statická penetrační zkouška
Statická penetrační zkouška se řadí mezi velice vhodné doplňkové metody inženýrskogeologického průzkumu. Cílem této zkoušky je určit penetrační odpor, který zemina klade staticky zatlačovanému hrotu. První známé použití penetometru v inženýrské praxi provedl německý vojenský inženýr Konrad Kyeser ve 14. století. Konrad Kyeser psal knihy o vojenské technice a mechanice a uvedl příklady pro testování materiálů a zemin.
V 18. století Německo ovládalo vývoj nástrojů pro průzkum geologických podmínek.
Metoda statické penetrační zkoušky byla poprvé podrobně popsána v roce 1846 ve Francii.
Na vývoj metody a přístrojů se zaměřili především v Norsku, Švédsku a Holandsku. Vývoj metody probíhal současně také ve Spojených státech amerických, kde byla v roce 1929 poprvé provedena kuželová penetrační zkouška v píscích. V roce 1932 byla poprvé uskutečněna kvazistatická penetrační zkouška – CPT a v roce 1946 byl vyroben první ruční mechanický penetrometr s tlační kapacitou 25 kN. V roce 1965 pak byl v Holandsku poprvé vyroben sériový penetrometr s elektrickým penetračním hrotem. (Matys et al, 1990)
První sonda pro měření statické penetrační zkoušky byla jednoduchá – skládala se z ocelového hrotu, který měl průměr 35,6 mm a vrcholový úhel byl 60º. Docházelo k zatláčení do zeminy pomocí ocelové tyče, jejíž pohyb byl v ochranné rouře. Pomocí jednoduchého ručního lisu se sonda zatláčela. Potřebná síla na zatláčení hrotu byla měřena na povrchu pomocí hydraulické olejové buňky s manometrem. K zabránění kontaktu zeminy s kuželem a sondovací rourou byl vyvinut Begemannův hrot s ochranou manžetou, který je využíván i dnes. K postupnému vylepšování zkušebních hrotů docházelo i nadále např.
konstrukcí třecího hrotu. Díky tomuto hrotu je možné odděleně měřit odpor na hrotě a lokální odpor na plášti. Mezi špičkou a sondovací rourkou je na speciálním třecím pouzdře měřen odpor na plášti. K velkému přelomu došlo v 50. letech 20. století, kdy byl zkonstruován první elektrický penetrační hrot. Byl schopen snímat odpor na hrotě. V počátcích se zkoušel najít optimální tvar a velikost penetračního hrotu a následně se přidávaly snímače. Objevily se penetrační hroty s možností měření kolmosti sondy, relativního a lokálního plášťového tření, teploty zeminy, rychlosti vniku, pórového tlaku a karotáže. Některé typy hrotů byly pouze zkušební a některé se používají dodnes. (Matys et al, 1990)
Z hlediska geometrie jsou rozlišovány tři typy hrotů:
- plášťový – používá se pro měření penetračního odporu (viz Obrázek 6)
- s třecí manžetou – používá se pro měření penetračního odporu a lokálního plášťového tření (viz Obrázek 7)
- jednoduchý hrot – používal se pro měření penetračního odporu, již se v praxi nepoužívá (viz Obrázek 8)
Obrázek 6 Plášťový hrot (převzato a upraveno, ČSN EN ISO 22476-12, 2019)
Obrázek 7 Hrot s třecí manžetou (převzato a upraveno, ČSN EN ISO 22476-12, 2019)
Obrázek 8 Jednoduchý hrot (převzato a upraveno, ČSN EN ISO 22476-12, 2019)
Penetrační hroty se dělí podle toho, jaké informace jsou schopny poskytnout (Bulko et al., 2017):
- CPTm – statická penetrační zkouška s mechanickým hrotem - CPTu – statická penetrační zkouška s elektrickým piezohrotem - SCPT – statická penetrační zkouška s hrotem pro seizmické měření
Rozdíly příslušenství při CPT měření pomocí mechanického a elektrického piezohrotu jsou znázorněny níže (vizTabulka 8) (Gago, 2016):
Tabulka 8 Rozdíly mezi CPTm a CPTu
CPTm CPTu
mechanický hrot Begemannův hrot elektrický hrot
duté roury (venkovní soutyčí) duté roury (venkovní soutyčí) plné tyče (vnitřní soutyčí) spojovací kabely
měřící jednotka (mechanicko - elektrická) elektrická záznamová jednotka
2.5.1 Postup při statické penetrační zkoušce
Pro měření statické penetrace byl použit italský přístroj firmy Pagani TG63 - 200 (viz Obrázek 9). Jedná o těžkou soupravu na lehkém podvozku – celková hmotnost zařízení je kolem 1200 kg včetně příslušenství. Jeho maximální tlačná kapacita je 200 kN, což
jíly nebo středně hutné štěrky. Souprava má pásový podvozek, s jehož pomocí se dostane do náročnějších terénních podmínek, jako jsou násypové svahy nebo močály. Před samotným zahájením měření je důležité ustavit zařízení pro měření statické penetrace (viz Obrázek 10).
Ustavení zařízení se provádí pomocí desky a dvou šroubovitých kotvících vrtáků. Pro účely kotvení májí vrtáky vlastní hydromotor, který je spojený přes vysokotlaké hadice s hydraulickým čerpadlem. Kotvení v běžných podmínkách trvá do 15 minut.
Obrázek 9 Zařízení pro měření statické penetrace
Obrázek 10 Ustavení zařízení pro penetrační zkoušku
Po ustavení přístroje se přístroj horizontuje pomocí libely na jeho boku (viz Obrázek 11). Dalším krokem je našroubování piezohrotu na penetrační soutyčí (viz Obrázek 12).
Piezohrot je schopen během zkoušky měřit odpor na hrotě, pórový tlak a také plášťové tření (viz Obrázek 13). Všechny tyto hodnoty se měří každý jeden zatlačený centimetr.
Obrázek 11 Horizontování zařízení pro statickou penetrační zkoušku
Obrázek 12 Piezohrot
Obrázek 13 Penetrační tyč s piezohrotem
Před samotným zahájením měření je nutné nasadit penetrační soutyčí s piezohrotem na konci do přístroje (viz Obrázek 14). Piezohrot musí být těsně nad zemí. Následně dojde ke spuštění zaznamenávací jednotky. Aktuální hodnoty se vynulují a nastaví se název lokality, název sondy, GPS souřadnice a maximum pro měřené hodnoty (viz Obrázek 15).
Při měření se spouští soutyčí do již vytvořených vrtů pomocí hydraulického ovládání (viz Obrázek 16). Hydraulický systém umožňuje nepřerušovanou penetraci pomocí hydraulických válců, jejichž pohyb je vertikální. Ke spouštění soutyčí dochází kontinuální rychlostí 20 mm/s.
Obrázek 14 Nasazení penetrační tyče do přístroje a měření
Obrázek 15 Nastavení charakteristik pro zájmovou oblast měření
Obrázek 16 Ovládání zařízení pro statickou penetrační zkoušku
K penetrační soupravě je i měřící jednotka, která zaznamenává odpor na hrotě a tření na plášti. Při použití piezohrotu se místo měřící jednotky využívá soustava na zaznamenávání odporů a pórových tlaků. Aktuální naměřené hodnoty během sondování můžeme sledovat na zaznamenávací jednotce (viz Obrázek 17). Po každém naměřeném metru je potřeba přidat další tyč (viz Obrázek 18). Při přidávání tyčí je nutné dávat pozor na spojovací kabel, který vede mezi zaznamenávací jednotkou a hrotem.
Obrázek 17 Ukázka aktuálních naměřených hodnot při statické penetrační zkoušce
Obrázek 18 Přidávání penetračních tyčí při statické penetrační zkoušce
Po skončení měření je potřeba pomocí krátké tyče s otvorem vytáhnout penetrační tyče (viz Obrázek 19). Vytažené tyče se ukládají zpět na bok zařízení pro statickou penetrační zkoušku.
Obrázek 19 Vytažení soutyčí po skončení měření
Po vytažení všech tyčí se vypne a odpojí zaznamenávací zařízení a vytáhnou se kotvy přístroje – šroubovité tyče, které je potřeba očistit od zeminy a uložit na bok zařízení pro statickou penetrační zkoušku (viz Obrázek 20).
Obrázek 20 Vytažení kotev zařízení pro statickou penetrační zkoušku
Po očištění všech potřebných částí a jejich uložení na zařízení je možné s přístrojem přejet na další měřené místo (viz Obrázek 21). Celý postup statické penetrace je znázorněn v příloze 3 a 4.
Obrázek 21 Přejezd zařízení pro statickou penetrační zkoušku na další měřenou lokalitu
2.5.2 Metodika vyhodnocování statické penetrační zkoušky
Podle normy ČSN EN ISO 22476-12 (721004) Geotechnický průzkum a zkoušení - Terénní zkoušky - Část 12: Statická penetrační zkouška (CPTM) jsou pro zjištění výsledku statické penetrace nutné naměřené parametry – penetrační délka (I), síla působící na kuželovém hrotě (Qc), celková penetrační síla (Qt) a dále je potřeba vypočítat sílu působící na plášti hrotu (Fs), celková síla tření (Qst), měrný penetrační odpor kuželového hrotu (qc), třecí poměr (Rf) a plášťové tření (fs).
Prvním získaným údajem ze statického měření je záznam naměřených údajů, který může být grafický nebo číselný. Číselná forma byla využívána spíše v minulosti a údaje nevyjadřovaly měrný penetrační odpor, což stěžovalo orientaci v naměřených hodnotách.
Na rozdíl od grafické formy nebyla číselná forma dostatečně názorná a pro praktické využití se používal složitý přepočet a ručně vynášený diagram hodnot. Grafický záznam hodnot je získáván z automatických záznamových jednotek ve formě penetračních diagramů, které znázorňují změnu penetračního odporu v závislosti na hloubce. Jeho značnou výhodou je
názornost a je prvotní hmotnou dokumentací, kterou je ale potřeba dále zpracovat
a vyhodnotit. Při správně zvolené citlivosti penetračního hrotu je možné v daném geologickém prostředí na první pohled rozeznat předpokládané homogenní materiály a na základě odlišných fyzikálně – mechanických vlastností určit rozhraní mezi zeminami.
(Matys et al, 1990)
V penetračním diagramu nalezneme závislost změny penetračního odporu v různých geologických prostředích, která je vyznačena křivkou. Pro správnou interpretaci získaných hodnot je důležitým krokem jednotlivým druhům testovaných zemin určit reprezentativní
hodnotu měrného penetračního odporu qst. Dalším krokem je určení intervalu změny a hloubkového intervalu pro jednotlivé zeminy. V penetračním diagramu je vhodné vyznačit
si průběh křivky, který se jeví jako homogenní a stanovit jeho velikost. Vrstva je vyznačena
podle výrazného nárustu nebo poklesu měrného penetračního odporu mezi nadložím a podložím. Rozhraní mezi jednotlivými zeminami nemusí být v přírodě vždy ostré a často
se vyskytuje vrstva s pozvolným přechodem a její určení je důležité při zakládání staveb.
Citlivý penetrační hrot může vyznačit prudkou změnu měrného penetračního odporu i v hutném nebo hrubozrnném štěrku a nemusí se nutně jednat o rozhraní vrstev. (Matys et
al, 1990)
Výsledný tvar penetrační křivky v diagramu je závislý na více faktorech. Křivka s malým rozptylem naměřených hodnot je charakteristická pro zeminy, které mají nejvyšší stupeň homogenity a jsou tedy soudržné a neobsahují hrubá zrna. Pro tyto zeminy se hodnota měrného penetračního odporu určuje jako aritmetický průměr všech naměřených hodnot v daném intervale. Křivka s velkým rozptylem naměřených hodnot se bude vyskytovat např.
u písků. Výsledný obraz křivky, a tedy i penetračního diagramu, se mění podle homogenity materiálů. Vyšší hodnota měrného penetračního odporu se bude vyskytovat u výsledků zkoušek s větším rozptylem hodnot, kde se nachází vyšší procentuální obsah úlomkovitého materiálu v písčitém základě. Velikost měrného penetračního odporu závisí také na tvaru a opracování úlomkovitého materiálu v zemině. Ploché valouny zůstávají pod špičkou hrotu déle, tudíž se hodnota odporu zvyšuje více než u oblých kusů. Úlomky o průměru 10–15 cm mohou být důvodem k ukončení zkoušky, jelikož jsou málo vhodným materiálem k provádění penetračního sondování. Důležitým faktorem je, v jakých zeminách se úlomky nacházejí – u hlín je typický velký rozdíl mezi minimálními a maximálními hodnotami odporu. Pro rozhodující vlastnosti hlín se považují minima rozptylu daného intervalu.
(Matys et al, 1990)
Ve vyhodnocování statické penetrační zkoušky je druhým nejdůležitějším údajem tření na plášti hrotu. Tření je snímáno na malé ploše pláště paralelně a je označováno jako měrné lokální plášťové tření fs a jeho hodnota se často pohybuje v rozmezí 0,0–0,1 MPa, ale může být i vyšší. Měrné lokální plášťové tření se určuje pro vrstvu, která byla vyčleněna na základě hodnot měrného penetračního odporu qst. Podíl plášťového tření bude rozdílný jak v soudržných, tak v nesoudržných zeminách. Nejvyšší hodnoty bývají naměřeny pro spraše a sprašové hlíny. Hodnotu tření zeminy na plášti je možné získat také měřením celkového penetračního odporu Qt a následným rozdílem hodnot Qt - Qc. Hodnoty měrného lokálního plášťového tření pro kvazihomogenní vrstvu se stanovují podobným způsobem jako qs. Prvotním údajem je křivka a její tvar. U výsledných hodnot plášťového tření dochází k menšímu rozptylu oproti měrnému penetračnímu odporu a určuje se jako průměr všech naměřených hodnot pro jednotlivé vyčleněné vrstvy. (Matys et al, 1990)
Měrný odpor na hrotě qc se určuje z celkového odporu naměřeného na hrotě Qc podělením plochou hrotu A: 𝑞𝑐 =𝑄𝑐
𝐴 .
Měrné lokální plášťové tření fs se určuje z celkového naměřeného odporu Qs působícího na třecí manžetu podělením plochou A:𝑓𝑠 =𝑄𝑆
𝐴.
Výsledky penetračního sondování rozčleňují základové půdy. Bez podkladů pro geologickou situaci je poměrně obtížné rozpoznat, v jakých zeminách bylo penetrační sondování provedeno. Typ zeminy je možné posoudit při statické penetrační zkoušce se snímačem pórového tlaku. Hlavní význam výsledků penetračních zkoušek je při posuzování mechanických vlastností základových půd ve stavitelství. Názorným příkladem může být posuzování únosnosti pilot, které se zjistí součinem měrného odporu na špičce a tření na plášti plošnými rozměry piloty. (Matys et al, 1990)
Norma ČSN EN ISO 22476-12 definuje třídy použití jako návod na výběr typu CPT- m zkoušky a norma ČSN EN ISO 22476-2 definuje třídy použití jako návod na výběr typu CPT-u zkoušky. Třída použití určuje typ použité statické penetrační zkoušky a doporučené využití výsledků pro daný zemní profil. Nejdříve se využívají výsledky CPT-u na stanovení profilu a v dalším kroku se určují materiály a parametry zemin. Přístroje a postupy se vybírají podle požadavků třídy použití (viz Tabulka 9). Nepřesnost hodnocení má zahrnovat vnitřní tření, chyby v datech, chyby v rozměrech a účinky teploty na sondování.
Tabulka 9 Třídy použití CPTu Třídy
použití
Typ statické penetrační
zkoušky
Přípustná minimální přesnosta
Doporučené použití
Zeminab Interpretace/vyhodnoceníc
1 TE2
qc 35 kPa nebo 5 % Qt5 kN nebo 10 % fs 10 kPa nebo 2 %
l 0,1 m nebo 1 %
A G,H
2 TE1
TE2
qc 100 kPa nebo 5 % Qt 15 kN nebo 15 % fs 25 kPa nebo 3 %
l 0,1 m nebo 1 %
A B C D
G, H*
G, H G, H G, H
3 TE1
TE2
qc 200 kPa nebo 5 % Qt 25 kN nebo 15 % fs 50 kPa nebo 5 %
l 0,2 m nebo 2 %
A B C D
G G, H*
G, H G, H
4 TE1
qc500 kPa nebo 5 % fs 50 kPa nebo 20 % l 0,2 m nebo 2 %
A B C D
G*
G*
G*
G*
Poznámka Pro extrémně měkké zeminy mohou být vzneseny ještě vyšší nároky na přesnost
a Minimální přípustná přesnost měřených veličin je z uvedených hodnot ta větší. Relativní přesnost se vztahuje k měřené hodnotě a nikoli měřícímu rozsahu.
b V souladu s ISO 14688-2:
A homogenně uložené zeminy s velmi měkkými až tuhými jíly a silty (obvykle qc 3 MPa) B nehomogenně uložené zeminy s měkkými až tuhými jíly (obvykle qc 3 MPa) a středně ulehlými písky (obvykle 5 MPa ≤ qc 5 MPa)
C nehomogenně uložené zeminy s tuhými jíly (obvykle qc 3 MPa) a středně ulehlými písky (obvykle 5 MPa ≤ qc 5 MPa)
D pevné až tvrdé jíly (obvykle qc ≥ 3 MPa) a velmi tvrdé ulehlé hrubozrnné zeminy(qc ≥ 20 MPa)
c G profilovaní a určení materiálu s nízkou mírou nejistoty
G* orientační profilování a určení materiálu s vysokou mírou nejistoty H interpretace na základě geotechnických parametru
H* orientační interpretace pro návrh s vysokou mírou nejistoty
d Pórový tlak může být měřen pouze při TE2
V závislosti na třídě podmínkách použití se volí typ použité metody (viz Tabulka 10):
Tabulka 10 Typ CPTu zkoušky Typ zkoušky Měřené a odvozené parametry
TE1 odpor na hrotu a plášťové tření
TE2 odpor na hrotu, plášťové tření a pórový tlak
Poznámka Penetrační zkouška s měřením porového tlaku ve více než jednom místě je variantou typu TE2.
Nejdříve se využívají výsledky CPT-m na stanovení profilu a v dalším kroku se určují materiály a parametry zemin. Přístroje a postupy se vybírají podle požadavků třídy použití (viz Tabulka 11).
Tabulka 11 Třídy použití CPTm Třída
použitelnosti
penetrační Typ zkoušky
Přípustná minimální přesnosta
Doporučené použití
zeminyTyp b Interpretace/vyhodnoceníc
5 TM1
qc 500 kPa nebo 5 % Qt 1 kN nebo 5 % fs 50 kPa nebo 20 %
l 0,2 m nebo 2 %
A B C D
G, H* F G, H*
G, H*
6 TM2
qc 500 kPa nebo 5 % Qt1 kN nebo 5 % fs50 kPa nebo 20 %
l0,2 m nebo 2 %
B C D
G, H*
G, H*
G, H*
7 TM3
TM4
qc 500 kPa nebo 5 % Qt1 kN nebo 5 % fs50 kPa nebo 20 %
l 0,2 m nebo 2 %
B C D
F* F*
F*
a Povolená minimální přesnost odměřeného parametru je vyšší hodnota z uvedených dvou.
Relativní přesnost platí pro měřené hodnoty a nikoli pro celý rozsah.
b A Homogenní usazené zeminy (obvykle qc 2 MPa) B jíly, silty a písky (obvykle 2 MPa ≤ qc 4 MPa)
C jíly, silty, písky a štěrky (obvykle 4 MPa ≤ qc ≤ 10 MPa) D jíly, silty, písky a štěrky (obvykle qc 10 MPa)
c F profilování
F* profilování v případě poskytnutých dodatečných informací G profilování a zatřídění zeminy
G* orientační profilování a zatřídění zeminy
H interpretace na základě geotechnických parametru
H* orientační interpretace na základě geotechnických parametru
Podle normy ČSN EN ISO 22476-2 třídy použití 5 až 7 jsou ty, které využívají mechanickou statickou penetrační zkoušku CPTM (třídy 1 až 4 jsou pro elektrickou CPT/CPTU).
⎯ Třída 5 je určená pro hodnocení smíšených usazených zemin A až D. Pro zeminy typu B až D je profilování, popis zeminy a interpretace možná na základě geotechnických parametru. Pro velmi měkké vrstvy (typ zeminy A) je možné jenom profilování. Popis zeminy a její interpretace na základě geotechnických parametru, zejména pro měkké materiály nebo zeminy, je možná pouze v případě dostupnosti příslušných geologických a geotechnických informací. Zkoušky jsou prováděny s penetračním hrotem typu TM1.
Profily se smíšenými usazenými zeminami obsahují obvykle ulehlé a kompaktní zeminy i možné měkké vrstvy. (ČSN EN ISO 22476-2, 2019)
⎯Třída 6 je určena na hodnocení vrstevnatého podloží, s typem zemin B až D, na stanovení zemního profilu a na určení materiálů. Hodnocení velmi měkkých vrstev je omezené jen na jejich zjištění. Zkoušky mají být realizované typem TM2. (ČSN EN ISO 22476-2, 2019)
⎯Třída 7 je určená jen na kontrolní hodnocení vrstevnatého podloží s typem zemin B
až D. Nemohou se jen na základě těchto zkoušek interpretovat složení materiálů a geotechnické parametry. Zkoušky mají být realizované typem TM3 nebo TM4. (ČSN EN
ISO 22476-2, 2019)
Přestože je elektrická CPT preferovaná před mechanickou CPT, může být mechanická CPT vhodnější v případě nebezpečí poškození v např. suti, kamenech nebo v pevném podloží. Dosažitelná přesnost záleží také na chybě způsobené třením vnitřních tyčí v zatlačovací koloně. Velikost této chyby závisí mimo jiné na penetrační délce, síle na vnitřních tyčích a úklonu penetračního hrotu. (ČSN EN ISO 22476-2, 2019)
V závislosti na třídě podmínkách použití se volí typ použité metody (viz Tabulka 12).
Tabulka 12 Typ CPTm zkoušky Typ
zkoušky Měřené a odvozené parametry Měřící systém TM1 penetrační odpor na hrotu a celkový
penetrační odpor nebo penetrační odpor na hrotu a plášťové tření
Elektrický snímač—diskontinuální zkouška
TM2 penetrační odpor na hrotu a celkový penetrační odpor nebo penetrační odpor na hrotu a plášťové tření
Manometry nebo elektrické snímače hydraulického tlaku— diskontinuální zkouška
TM3 penetrační odpor na hrotu Manometry nebo elektrické snímače hydraulického tlaku— diskontinuální zkouška
TM4 penetrační odpor na hrotu Manometry nebo elektrické snímače hydraulického tlaku— diskontinuální zkouška
Poznámka Značky označují typ penetrační zkoušky TM1 až TM4 neodpovídají typům penetračních hrotů M1, M2 a M4, ani zatřídění.
Statickou penetrační zkoušku je vhodné použít v soudržných i nesoudržných zeminách. Mezi nesoudržnými zeminami jsou nejvíce vhodným prostředím pro aplikaci písky, štěrky, u kterých ovšem záleží na zrnitostním složení – s rostoucím průměrem zrn klesá objektivnost zkoušky a může dojít k poškození penetračního hrotu. Z výsledků statické penetrační zkoušky se dále dají určit některé mechanické a fyzikální vlastnosti nesoudržných a soudržných zemin. U soudržných zemin se určují konzistence, modul deformace a totální soudržnost. U nesoudržných zemin se určují hutnost, modul deformace a úhel vnitřního tření.
Mezi základní výhody statické penetrační zkoušky patří rychlost získání výsledků, názornost a poměrně nízká finanční náročnost. Úlohou této metody je zlepšit kvalitu průzkumných prací. Rychlost získání informací je dána konstrukcí souprav. U souprav, které se na lokalitě kotví, se přípravná fáze zkoušky prodlouží o dvacet minut a samotná zkouška pak trvá
dvanáct minut při hloubce sondy 10 m, vytáhnutí soutyčí trvá deset minut. (Matys et al, 1990)
Statická penetrační zkouška může být v měkkých půdách prováděna do hloubky až kolem 100 m. Hloubka průniku se dá zvýšit snížením tření podél tlačných tyčí. Penetrace bývá omezena ve velmi tvrdých půdách, štěrkových vrstvách nebo ve skále. Zaznamenávací jednotka snímá údaje při penetraci nepřetržitě. Výsledná data pro vyhodnocení v digitální formě bývají převedena do vybraného intervalu, který nesmí být větší než 200 mm. Většina zaznamenávacích systémů shromažďuje údaje v intervalech 10–50 mm, nejčastěji se jedná o interval 20 mm. (Robertson, Cabal, 2014)
Postup vyhodnocení statické penetrace je znázorněn v příloze 5.
2.5.3 Metodika určení vlastností zemin
Zeminy jsou z inženýrského pohledu nezpevněné nebo jen slabě zpevněné, proto je pro stavební účely velmi důležité zjišťovat jejich vlastnosti (Šimek et al., 1990). Stejně jako u dynamické penetrační zkoušky se u některých vlastností zemin dají korelovat vztahy na základě výsledků testování a laboratorních výsledků. Získané fyzikální a indexové vlastnosti soudržných a nesoudržných zemin mají poměrně úzkou regionální platnost a mohou se lišit u různých autorů. (Matys et al., 1990)
Hutnost nesoudržných zemin se zaměřuje hlavně na testování u písků, které jsou vhodné pro statické penetrační sondování. Ověření fyzikálně – mechanických vlastností u písků je velmi náročné díky možným problémům s odběrem neporušených vzorků a z časové náročnosti laboratorního stanovení hutnosti písků. Ve světě existuje několik
klasifikací, příkladem může být norská klasifikace, která nezohledňuje zrnitost písků (viz Tabulka 13) (Matys et al., 1990):
Tabulka 13 Hutnost písku
Odpor na hrotě qst
(MPa)
Hutnost Stupeň hutnosti ID
<2,5 Velmi kyprý <0,15
2,5 – 5 Kyprý 0,15 – 0,35
5- 10 Středně hutný 0,35 – 0,65
10 – 20 Hutný 0,65 – 0,85
>20 Velmi hutný >0,85
Konzistence soudržných zemin vychází z předpokladu, že pevnější materiály mají vyšší hodnotu měrného penetračního odporu na hrotě. Závislost konzistence zeminy a měrného penetračního odporu qst je uvedena níže (viz Tabulka 14) (Matys et al., 1990):
Tabulka 14 Konzistence soudržných zemin
Konzistence qst (MPa)
Kašovitá 0,5
Měkká 0,5 – 1
Tuhá 1 – 2
Pevná 2 – 4
Tvrdá >4
Jsou známy pokusy určit vztah mezi indexem konzistence a hodnot qst. Melzer uvedl následující vztahy pro zeminy (Matys et al., 1990):
zeminy třídy F5 – Ic = 1,199 log qst – 2,284 zeminy třídy F6 – Ic = 0,592 log qst – 0,653 zeminy třídy F8 – Ic = 0,469 log qst – 0,543.
Z hlediska deformačních vlastností nesoudržných zemin se z pohledu zakládání objektů určily vztahy pro stlačitelnost. Na základě empirických vztahů mezi měrným penetračním odporem qst a deformačním modulem Edef se určila jednoduchá rovnice pro výpočet (Matys et al., 1990):
Edef = α qst
Kde α – koeficient, jehož hodnota se pro jednotlivé zeminy liší a podle různých autorů může mít různý rozptyl výsledků. Z tohoto faktu vyplývá, že výsledky deformačních
