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

 

Методика изучения особенностей распространения акустических волн в бетонных сваях с использованием численного моделирования

 

Введение. В настоящее время в промышленном и гражданском строительстве широко применяются свайные технологии, используемые для создания постоянных и временных фундаментных и ограждающих конструкций для различного рода сооружений. В строительной практике применяются в основном три типа свай: буронабивные, забивные и буроинъекционные. Сваи могут иметь длину до 30 м и диаметр от нескольких десятков сантиметров до 1,2 м. Изготовление буронабивных и буроинъекционных свай происходит непосредственно в грунтовой толще в связи с чем необходимы методы контроля за качеством производимых конструкций, так как даже визуальный контроль за ними практически невозможен. Сложность грунтовых и гидрогеологических условий (наличие в разрезе слабых и специфических грунтов, агрессивность и динамическое воздействие грунтовых вод и т.п.) может привести к образованию дефектов в сваях, что ведет к снижению их прочностных свойств и несущей способности.

Прямые методы контроля, включающие испытания свай статистическими и динамическими нагрузками, отбор образцов с последующим испытанием их в лабораторных условиях и некоторые другие, являются трудоемкими и требуют значительных затрат. В связи с этим возникает необходимость в недорогих и производительных методах контроля, позволяющих оперативно производить наблюдения. К подобным методам относятся наблюдения за распространением акустических волн, возбуждаемых ударным способом в оголовке сваи. Типичные дефекты свай – разрыв сплошности сваи, сужение или расширение диаметра сваи. Пережимы свай (сужение диаметра) могут возникать в результате деформаций грунтового массива при проведении земляных работ, рытье котлованов, сносе и обрушении подземных сооружений и т.п.

Стержневая модель. В основе существующих методов изучения распространения акустических волн в сваях лежит теория распространения упругих волн в стержнях. В соответствии с элементарной теорией рассматривается модель линейно-упругого тонкого стержня (l/d>>1), к одному из торцов которого приложено усилие сжатия (случай продольных волн), при отсутствии механических напряжений на границах и одинаковых напряжениях в поперечном сечении. Эта задача приводит к одномерному волновому уравнению, решением которого являются две плоские волны, распространяющиеся в противоположных направлениях со скоростью c0 = Ö(E/r), которая носит название стержневой скорости.

Более строгое математическое решение задачи распространения упругих волн в стержнях приведено в работах [Кольский, 1953; Тимошенко, 1985]. Строгий анализ распространения таких волн связан с громоздкими и трудными математическими расчетами. Теоретический анализ и практические эксперименты показывают, что в стержнях могут распространяться три семейства нормальных волн, которые обладают заметной геометрической дисперсией: нормальные продольные волны, нормальные изгибные волны и нормальные крутильные волны.

На практике для определения упругих свойств цилиндрических свай можно использовать продольные и крутильные колебания, возбуждаемые в оголовке сваи и позволяющие оценить модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона материала сваи. Эти параметры являются важнейшими характеристиками бетона.

В соответствии с приближенной теорией, изложенной в работе [Коробов, 2003], в стержне с малым затуханием будут распространяться затухающие по амплитуде волны, и резонанс в стержне будет наступать практически на тех же частотах, что и в стержне без затухания, однако амплитуда колебаний реального стержня будет иметь конечное значение (рис.1).

Результаты численного моделирования показывают, что при импульсном возбуждении стержня спектр регистрируемой трассы имеет гребенчатую структуру с интервалом следования пиков, примерно равным резонансной частоте, в данном случае 200 Гц.

Модель сваи во вмещающем грунте. Отличие рассмотренной стержневой модели от сваи, находящейся в грунте, состоит в том, что в данном случае на границах сваи имеются напряжения и стенки сваи проницаемы для акустических волн, что создает необходимость учитывать влияние вмещающих грунтов и неоднородностей вблизи сваи на распространение акустических волн. Модель сваи, погруженной в грунт, предполагает также наличие геометрической дисперсии волн. Модель сваи, погруженной в грунт, предлагает также наличие геометрической дисперсии волн. С целью изучения основных закономерностей распространения продольных волн в цилиндрических сваях, находящихся в слоистом грунте, задача решалась численными методами. Для расчета динамического деформационного поля использовался метод конечных элементов [Hughes, 1987]. Для моделирования ударного возбуждения сваи точечная динамическая нагрузка задавалась в виде полупериода синусоиды.

Как показывают опыт наблюдения распространения продольных волн в бетонных сваях и результаты математического моделирования, черты, присущие волновому полю, в стержнях в данном случае в основном сохраняются (рис. 2).

Однако появляется ряд особенностей, связанных с усложнением граничных условий задачи. Для изучения влияния грунтов, вмещающих сваю, на распространение акустических волн, а также неоднородностей, находящихся вблизи сваи, были рассчитаны  трассы колебаний на поверхности сваи для различных скоростных характеристик вмещающих грунтов (рис. 3).

Как видно на рис. 3, спектры трасс колебаний имеют достаточно выраженный резонансный характер. Интервал следования резонансных пиков и временной интервал прихода отраженной и кратных волн приблизительно соответствуют распространению низкочастотных мод со стержневой скоростью. Однако в зависимости от увеличения скорости распространения упругих волн во вмещающем грунте наблюдаются следующие закономерности:

-         уменьшается интенсивность низкочастотных составляющих в спектре сигнала;

-         уменьшается амплитуда отраженных и кратных волн;

-         наблюдается явление геометрической дисперсии (рис. 4).

 

Эти явления можно объяснить излучением из тела сваи, которое тем интенсивней, чем ниже контраст между материалом сваи и материалом вмещающей среды. Наличие явления геометрической дисперсии приводит к тому, что при нахождении сваи в низкоскоростном  разрезе скорость распространения акустических волн, определяемая по результатам наблюдений, может быть ниже (до 10%) скорости в материале сваи и приближаться к стержневой скорости.

В соответствии с результатами экспериментальных наблюдений при распространении продольной волны вдоль сваи наблюдаются эффекты отражения от значительных включений в теле сваи, от участков резкого изменения сечения сваи и неоднородностей, находящихся вблизи сваи. В частности, при экспериментальных наблюдениях фиксируются отражения от контрастного слоя, пересекаемого сваей, что подтверждается результатами численного моделирования (рис.5).

Построенная математическая модель численного решения волнового уравнения с заданными граничными условиями, соответствующими встречающимся на практике параметрам, позволяет изучать характер изменения акустического поля в свае при отражении от неоднородностей в теле сваи и в зависимости от длительности возбуждающих сваю импульсов.

Полученные в ходе проведенного математического моделирования результаты могут быть полезны при проведении работ методами акустического зондирования и акустической спектроскопии с целью оценки средних прочностных и деформационных характеристик и сплошности сваи при известной глубине сваи или сплошности и длины сваи при известной средней скорости. Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с натуральными измерениями на сваях (рис. 6) и могут быть использованы при интерпретации получаемых при измерениях данных.

Выводы.

1. При проведении диагностики свай акустическими методами необходимо учитывать свойства вмещающих сваю грунтов.

2. Использование для наблюдений низкочастотных мод возможно только при значительном акустическом контрасте сваи и вмещающей среды, при низком контрасте необходимо использовать высокочастотные моды, так как волноводные свойства сваи в данном случае нарушается.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Кольский Г. Волны напряжения в твердых телах. М.: Изд-во иностранной литературы, 1953.
  2. Коробов А.И. Резонансная акустическая спектроскопия твердых тел. М.: Изд-во МГУ, 2003.
  3. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985.
  4. Hughes TH.J.R. The finite element method // Linear static and dynamic analysis. Prentice Hall Int., 1987
   
 

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