ООО ЛогиС: Георадары, сейсмостанции, георадиолокация, геофизическое оборудование, поиск коммуникаций, обнаружители взрывчатых веществ, георадар ООО ЛогиС: Георадары, сейсмостанции, георадиолокация, геофизическое оборудование, поиск коммуникаций, обнаружители взрывчатых веществ, георадар ООО ЛогиС: Георадары, сейсмостанции, георадиолокация, геофизическое оборудование, поиск коммуникаций, обнаружители взрывчатых веществ, георадар
ООО Логические системы, георадар

 
 

В.В. Капустин

 

Применение сейсмических и акустических технологий при исследовании состояния подземных строительных конструкций 

 

Высокие темпы гражданского и промышленного строительства и возрастающие тенденции освоения подземного пространства, наблюдающиеся в последнее время, способствуют развитию и применению новейших строительных технологий, позволяющих создавать различные подземные сооружения. Задачи по исследованию подземных сооружений и конструкций возникают при следующих обстоятельствах:

  

  • при необходимости проведения контроля качества в период строительства подземных сооружений (контроль «скрытых» работ);
  • при эксплуатации сооружений с целью предотвращения аварийных состояний;
  • при ремонте и реконструкции сооружений.

   

Обследование наземных и подземных сооружений состоит, как правило, из следующих этапов:

 

  • обследование строительных конструкций;
  • определение инженерно-геологических условий;
  • определение условий взаимодействия сооружения с окружающей средой.

 

Для решения данных задач применяются способы непосредственного испытания материалов и конструкций и инструментальные методы, в т.ч. без разрушения объекта. Способы непосредственного испытания материалов и конструкций, как правило, трудоемки и дорогостоящи, что не позволяет выполнять большой объем испытаний. Инструментальные методы, которые являются в основном косвенными и поэтому не обеспечивают получения высокоточных результатов, напротив, недороги и производительны. Относимые к числу инструментальных волновые методы основываются на контроле за распространением упругих волн и позволяют достаточно оперативно получить необходимый объем информации при решении вышеперечисленных задач.

 

Волновые (сейсмические и акустические) методы по способу применения делятся на три группы: поверхностные (источник и приемник находятся на поверхности среды), погруженные (наблюдения во внутренних точках среды) и смешанные. Спектр объектов, для изучения которых могут применяться акустические методы, довольно широк, поэтому рассмотрим только основные из них, где применяемые способы наиболее отработаны.

К настоящему времени имеется опыт применения сейсмоакустических методов при исследовании существующих и строящихся фундаментов, в частности, сплошных (фундаментные плиты), свайных и ленточных фундаментов.

  

ФУНДАМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ

 

При обследовании фундаментных плит акустическими методами могут решаться следующие задачи: определение прочностных и деформационных характеристик бетона, обнаружение трещин и дефектов, контроль толщины бетона, определение состояния контакта фундаментной плиты с грунтовым основанием. Для их решения используют колебания частотой от единиц до десятков килогерц. Определение прочностных и деформационных характеристик бетона осуществляется путем измерения скоростей  продольных, поперечных или поверхностных волн на постоянной базе либо при известной толщине фундаментной плиты и использования их для расчетов на основании корреляционных зависимостей, полученных для бетона.

 

Для надежной работы фундаментной плиты в составе сооружения необходимо, чтобы по всей площади плиты существовал хороший контакт плиты с желательно однородным грунтовым основанием. При наличии пустот или разуплотнений под подошвой плиты могут возникнуть дополнительные напряжения и деформации. Для оценки состояния контакта плиты и основания проводятся возбуждение и регистрация акустических колебаний на частоте, близкой к частоте толщинного резонанса:

 

F = V/2d,

 

где V – скорость продольных волн в плите; d – толщина плиты.

 

Для определения зон нарушенного контакта плиты с грунтовым основанием может использоваться акустическое профилирование на постоянной базе.

Для обработки данных профилирования удобно использовать методы атрибутного анализа. Традиционно в качестве атрибута используется добротность колебаний, определенная в спектральной полосе, близкой к значению толщинного резонанса. Вместо добротности в качестве атрибута могут быть использованы и более простые для определения параметры, в частности, максимум спектральной амплитуды в полосе толщинного резонанса.

Как показывают данные проведенного математического моделирования, при ухудшении контактных условий происходит подъем амплитуды частотного спектра сигнала в полосе толщинного резонанса (рис. 1).

 

Пользуясь этим обстоятельством, можно проводить наблюдения на фундаментных плитах, определяя возрастание спектральной амплитуды в полосе, близкой к значению толщинного резонанса (рис. 2), которое будет соответствовать участкам нарушения контактных условий.

 

Акустические наблюдения, проводимые на фундаментных плитах, очень хорошо сочетаются с георадарными исследованиями, позволяющими прослеживать изменения толщины плиты, характер армирования, трещины и дефекты.

 

СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

 

Для исследования свайных фундаментов используются в основном поверхностные акустические технологии, так как оборудование наблюдательных скважин в железобетонных сваях является весьма трудоемкой технической процедурой. Применение поверхностных акустических методов возможно при выполнении двух условий: постоянстве скорости распространения продольных волн и размеров сечения вдоль оси сваи. Подобным требованиям могут удовлетворять промышленные сваи, погружаемые в грунт забивным и вибрационным способом, а также некоторые буровые железобетонные сваи. В производственной практике зарубежных компаний много лет используется метод Sonic Integrity Testing (называется в других источниках как Low Strain Dynamic Test, Sonic Echo Test, или Low Strain Integrity Test). В основу метода положено изучение распространения продольных волн в теле сваи, возбуждаемых ударным способом на ее поверхности [3]. Наблюдая отражения от конца сваи и дефектов в теле сваи, можно сделать заключение о ее сплошности  и однородности. Применение данной методики позволяет определять отражения от:

 

  • конца сваи;
  • значительных включений (размером 10 – 20% от радиуса сваи);
  • систем горизонтальных трещин;
  • каркасных соединений;
  • участков резкого сужения или расширения сваи;
  • контрастных слоев вмещающего грунта;
  • различных по прочности слоев бетона.

 

Как отмечалось выше, корректное применение данной методики требует соблюдений ряда условий:

 

  • скорость распространения продольных волн в свае считается постоянной и равной стержневой скорости Vстерж = Ö(E/r), где E – модуль Юнга; r - плотность материала сваи;
  • свая изначально считается имеющей постоянное сечение;
  • требуется представление о свойствах грунтов, в которые погружена свая;
  • в свае изучаются распространение низкочастотных мод продольных колебаний, имеющих низкую геометрическую дисперсию фазовой скорости.

 

В отечественной практике подобные методы также используются (метод ИНАД ЦНИИС, акустические методы контроля сплошности свай – ЭЛГАД-топ) и имеется отечественная аппаратура ИДС-1 производства фирмы «ЛОГИС», аппаратура других фирм УДС-1, АПЗ-1 и пр. В этой аппаратуре применяют ударный или электроискровой источник возбуждения колебаний, размещаемый в оголовке сваи.

 

На основании описанного выше метода возбуждения и регистрации продольных волн в свае могут быть построены следующие методики:

 

1)      сравнительная акустическая спектроскопия свай;

2)      регистрация отраженных сигналов при возбуждении продольной волны в оголовке сваи;

3)      регистрация волн, проходящих между сваями, находящимися на едином основании.

 

Сравнительная акустическая спектроскопия свай может применяться на участках с однотипными грунтовыми условиями в пределах расположения свай и при наличии нескольких «эталонных» свай, испытанных прямыми методами (статическими или динамическими нагрузками и т.п.). Использование методов анализа спекторов Фурье или вейвлет-спектрограмм позволяет разделять обследованные сваи на нормальные и дефектные. Из теории распространения продольных волн в тонких стержнях известно, что интервал следования резонансных максимумов примерно определяется следующим выражением:

 

f(n) = (Vстерж × n)/2l,

 

где n = 1, 2, 3 ...; l – длина сваи.

 

Максимумы, располагающиеся вне данной последовательности, могут быть обусловлены отражениями от неоднородностей в теле сваи или вблизи ее (рис. 3).

 

Решение задачи исследования сваи может быть успешным, если на записи акустического сигнала, отраженного от конца сваи или участка излома сваи (рис. 4, 5, 6). В случае надежного определения сигнала, отраженного от конца сваи, все сигналы, наблюдаемые во временном интервале между сигналом прямого прохождения и отраженным от конца сваи (донный импульс), могут рассматриваться как сигналы, отраженные от различных дефектов в свае. Для определения донного импульса и сигналов, отраженных от дефектов, могут быть использованы следующие приемы обработки:

 

  • анализ спектров Фурье, вейвлет-спектрограмм и функций автокорреляции;
  • частотная фильтрация на основе Фурье или вейвлет-преобразований;
  • временное сжатие сигнала на основе предсказывающей деконволюции или вейвлет-преобразования.

 

В частности, выполняя дискретное вейвлет-разложение по интервалам, эквивалентным набору резонансных частот в свае, и производя реконструкцию сигнала по отдельным коэффициентам, можно получить удобное для интерпретации сжатие сигнала (рис. 7).

 

Использование акустических методов позволяет приближенно при известной длине сваи определять стержневую скорость распространения в свае продольной волны, которая может быть пересчитана в скорость продольной волны в бетоне при известной плотности.

 

где u - коэффициент Пуассона, что позволяет провести оценку предела прочности бетона на одноосное сжатие с помощью существующих корреляционных зависимостей [1]. В случае, когда известна скорость в бетоне, полученная, например, в результате ультразвуковых измерений, можно оценить глубину сваи.

 

Наличие явлений геометрической дисперсии и отражений на участках пересечения сваей контрастных слоев в ряде случаев может привести к ошибкам в определении скорости распространения продольных волн в свае. Избежать ошибок может помочь математическое моделирование волнового поля в свае при учете свойств вмещающего грунта с помощью метода конечных элементов [2]. Численное решение задачи распространения упругой волны в свае, находящейся в слоистом грунте, реализовано с помощью стандартных процедур системы MATHLAB.

В тех случаях, когда сваи опираются на скальное основание, имеется возможность качественно оценить несущую способность свай, для чего автором предложена и опробована методика акустического прозвучивания между сваями. Прочностные характеристики материала сваи могут быть оценены по методике для одиночной сваи, прочностные характеристики материала сваи могут быть оценены по методике для одиночной сваи, прочностные характеристики основания (скального грунта) могут быть получены по результатам прозвучивания между сваями (рис. 8).

 

В случае, когда прочность материала сваи и скального основания соответствует расчетным, несущая способность является неудовлетворительной по одному из двух показателей.

 

Таким образом, рассмотренные выше методики сейсмоакустических исследований буронабивных и других видов бетонных свай, заключающиеся в механическом возбуждении оголовка сваи, и оценка состояния сваи по результатам регистрации параметров эхо-сигнала могут применяться для:

 

  • оценки прочностных характеристик и сплошности свай при известной длине свай;
  • проведения сравнительного анализа свай между собой для выявления дефектных свай и оценки контакта свай с вмещающим грунтом;
  • определения длины свай при известной скорости распространения продольной волны в свае;
  • оценки несущей способности свай, опирающихся на скальное основание, при акустическом прозвучивании между сваями.

 

Применение поверхностных акустических методов затруднительно для свай, изготавливаемых методом струйной цементации (непостоянство скорости распространения вдоль оси сваи), и свай, созданных с помощью разрядно-импульсной технологии (непостоянство сечения свай).

 

Для решения подобных задач могут использоваться методы, основанные на наблюдении волн давления, возбуждаемых в водонаполненной скважине электроисковым источником типа Sparker в низкочастотном акустическом диапазоне колебаний. Основными преимуществами данного метода являются отсутствие необходимого прижима источника и приемника к стенке скважины, что позволяет  проводить измерения при непрерывном перемещении измерительной установки вдоль скважины, и возможность регулировки спектра излучаемого сигнала. Для акустических наблюдений в искусственно закрепленных массивах могут быть использованы технологические скважины, пробуренные в ходе струйной цементации, которые обсаживаются пластиковыми трубами сразу же после окончания изготовления сваи для проведения геофизических наблюдений. Установка пластиковой трубы в еще не застывшую сваю позволяет сократить объемы буровых работ и вести наблюдения с первых дней формирования сваи.

 

Акустические наблюдения проводятся по следующим методикам:

 

  • измерения при непрерывном движении источника (приемника) при стационарном положении приемника (источника) на забое или устье скважины – потенциальный каротаж;
  • измерения при фиксированном положении источник-приемник и непрерывном перемещении всей установки – дифференциальный каротаж (рис. 9);
  • межскважинное акустическое просвечивание (томография).

 

Применение скважинных сейсмоакустических наблюдений позволяет следить за качеством проводимого искусственного закрепления грунтов на основании изучения кинематики и динамики распространения объемных волн и гидроволн вдоль оси скважины. При исследовании отдельных грунтоцементных свай, имеющих эффективный диаметр 0,8 – 1,5 м, необходимо, использовать излучатели, создающие гидроволны, длины которых сопоставимы с диаметром исследуемой сваи. При соблюдении этого условия кинематические и динамические характеристики наблюдаемых гидроволн в основном определяются деформационными и прочностными характеристиками материалами сваи. Качество искусственного закрепления грунтов в ряде случаев может оказаться неудовлетворительным, особенно в сложных гидрогеологических и инженерно-геологических условиях, в связи с чем возникает необходимость проведения постоянного контроля за формированием свай и искусственно закрепленных массивов. Изменение прочностных характеристик грунтового массива корреляционно связано с изменением скорости (интервального времени) пробега объемных волн и гидроволн (рис. 10). Изучение изменения эффективного диаметра грунтоцементных свай с глубиной проводится на основании наблюдения интерференции прямой и отраженной объемных волн.

 

Для определения геометрических характеристик и сплошности свай, созданных по разрядно-импульсной технологии, могут также быть использованы наблюдения во внутренних точках среды. После окончания изготовления свай вблизи свай бурятся скважины, в которые погружаются пластиковые трубы для проведения геофизических исследований. По результатам измерений определяются кинематические и динамические характеристики волнового поля, возникающего в околоскважинном и межскважинном пространстве (рис. 11). По результатам анализа динамических и кинематических характеристик волнового поля оценивается сплошность и эффективный диаметр свай (рис. 12.).

 

 

ЛЕНТОЧНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

 

Обследование ленточных фундаментов проводится в основном в период эксплуатации зданий и сооружений, так как во время строительства контроль качества строительства достаточно хорошо отработан. При обследовании существующих зданий с применением сейсмических и акустических методов могут решаться следующие задачи:

 

  • оценка состояния и однородности материала фундамента;
  • оценка глубины заложения фундамента;
  • оценка условий контакта фундамента с грунтовым основанием;
  • оценка прочностных и деформационных характеристик грунтового основания.

 

Исследования ленточных фундаментов зданий акустическими методами осложняется наличием конструкций здания, в которых распространяются акустические колебания, осложняющие наблюдения целевых акустических волн. Для выявления состояния и однородности материала фундамента может быть использовано акустическое профилирование вдоль фундамента на постоянной базе с определением интервальной скорости распространения прямой волны и оценкой ее динамических характеристик, реализуемой с помощью различных видов атрибутного анализа.

 

Для определения глубины заложения фундамента в ряде случаев могут быть использованы поверхностные акустические методы, заключающиеся в проведении наблюдений с микроустановкой ОГТ с ударным возбуждением колебаний (рис. 13). Подобные наблюдения возможны в наиболее простых ситуациях: при достаточно однородном фундаменте, при отсутствии в стене, вдоль которой ведутся наблюдения, дверных и оконных проемов и сложных конструктивных элементов, создающих помехи в виде габаритных и структурных отражений. В случае сложного конструктивного строения здания могут использоваться скважные акустические методы с электроискровым источником, возбуждающим волны давления в водонаполненной скважине. Вблизи фундамента оборудуется водонаполненная скважина (обсаженная пластиковой трубой) глубиной, заведомо превышающей глубину заложения фундамента, где выполняется наблюдения за распротрнением объемных волн и гидроволн вдоль оси скважины. Глубина заложения фундамента может быть определена по точке образования отраженной гидроволны от поверхности фундамента (рис. 14).

 

Для оценки условий контакта фундамента с грунтом могут применяться измерения поверхности волны на поверхности грунта и фундамента при ударном возбуждении колебаний на некотором расстоянии от фундамента. Во время измерений определяются интервальное время пробега до каждого сейсмодатчика, спектральный коэффициент передачи сейсмической энергии от грунта к фундаменту и другие динамические особенности сигнала (рис. 15). Определение коэффициента передачи энергии упругих волн между грунтом и фундаментом сооружения  традиционно используется при оценке сейсмического (землетрясения) и техногенного динамического воздействия на сооружение. Коэффициент передачи равен отношению максимальной амплитуды сигнала, измеренного на фундаменте, к максимальной амплитуде сигнала, измеренного на поверхности грунта.

 

Автором предложено использование спектрального коэффициента передачи, который более детально позволяет изучать условия контакта между грунтом и сооружением. Спектральный коэффициент передачи определяется отношением спектра сигнала на фундаменте к спектру сигнала на грунте. Подобная методика может также использоваться для оценки условий контакта ростверков с грунтом в свайных фундаментах. Свайные фундаменты, как правило, устраиваются на слабых и насыпных грунтах, подверженных гравитационному уплотнению, поэтому со временем под ростверками могут нарушаться условия контакта их с грунтом вплоть до образования пустот.

 

Для оценки прочностных характеристик грунтового основания зданий с небольшим заглублением фундаментов, помимо традиционных сейсмических методов, могут применяться наблюдения на поверхностных волнах с использованием томографических систем наблюдений (рис. 16).

 

Применение акустических методов для сооружений типа «стена в грунте» и ограждающих конструкций котлованов, выполненных на основе буросекущих и грунтоцементных свай, позволяет контролировать их сплошность и прочностные характеристики. Для ограждающих конструкций типа «стена в грунте», выполненных из монолитного бетона или  железобетона, могут использоваться поверхностные акустические методы: профилирование на постоянной базе с определением интервальных времен пробега и анализом различных атрибутных характеристик сигнала и наблюдения с использованием расстановок ОГТ. При обследовании ограждающих конструкций смешанного типа, состоящих из буронабивных и грунтоцементных свай, могут использоваться поверхностные акустические методы: профилирование на постоянной базе с определением интервальных времен пробега и анализом различных атрибутных характеристик сигнала и наблюдения с использованием расстановок ОГТ. При обследовании ограждающих конструкций смешанного типа, состоящих из буронабивных и грунтоцементных свай, могут использоваться как поверхностные методы (для буронабивных свай), так и скважинные методы для грунтоцементных свай.

 

Подводя итог описанию акустических технологий, можно сформулировать следующие выводы.

 

1. Использование акустических методов позволяет проводить инструментальное обследование монолитных фундаментов (свайных, плитных и ленточных) и других подземных конструкций с целью определения их геометрических, деформационных и прочностных характеристик.

2. Для определения динамических и кинематических параметров волновых полей в конструкциях хорошие результаты дает использование методов атрибутного анализа. Вейвлет-анализ может быть применен  при решении задач методом акустической спектроскопии.

3. Проведению успешной интерпретации получаемого материала способствует использование математического моделирования волновых полей на основе решения уравнения движения методом конечных элементов.

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 17624-87, 1987, Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности: М., Изд-во страндартов.

2. Hughes TH.J.R., 1987, The finite element method. Linear static and dynamic analysis: Prentice Hall Int.

3. Smith E.A.L., 1960, Pile-Driving Analysis by the Wave Equation: Journal of the Engineering Mechanics Division: Proceedings of the American Society of Civil Engineers, 86, No. EM 4, August.

 

 

   
 

Rambler's Top100 2006-2008 © ООО "Логические системы"
Geotechru.com: GPR (Ground penetrating radar)
Дизайн: www.apu.ru