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

 
 

Капустин В.В.

 

Применение акустических методов для обследования строительных конструкций

 

Рассмотрены методики сейсмоакустических исследований буронабивных и других видов бетонных свай, заключающиеся в механическом возбуждении оголовка сваи и оценке состояния сваи по результатам регистрации параметров эхосигнала. Описано решение задачи определения состояния контакта ж/б фундаментной плиты с грунтовым основанием с использованием свойства изменения динамики отражений от подошвы фундаментной плиты в зависимости от акустической жесткости подстилающего основания. Обосновано при обследовании ленточных фундаментов зданий и сооружений типа «стена в грунте», помимо профилирования на постоянной базе, использование расстановки метода отраженных волн, в частности метода общей глубинной точки.

Необходимость в проведении обследования состояния строительных конструкций возникает при следующих обстоятельства

  • ремонт и реконструкция зданий и сооружений;
  • предотвращение аварийных состояний;
  • оценка влияния на здания и сооружения ведущегося вблизи крупного строительства;
  • оценка влияния на здания и сооружения геостатических и геодинамических нагрузок.

В комплексе методов, применяющихся при обследовании зданий и сооружений, наряду с методами, требующими прямого доступа к материалу конструкций и непосредственному испытанию конструкций, используются также методы неразрушающего контроля. Среди них, в частности, применяются ультразвуковые, акустические и активно развивающиеся в настоящее время георадарные методы диагностики строительных конструкций. Каждая группа методов имеет свои особенности применения.

Ультразвуковые методы широко применяются при исследовании бетонных и ж/б конструкций. Они обладают высокой разрешающей способностью, позволяют оценивать деформационные и прочностные характеристики материалов. Однако имеют ограничения по глубине исследований (до 1 – 1,5 м) и ограниченные возможности по производительности работ при исследовании протяженных строительных конструкций. Георадарные методы имеют несколько большую глубинность, возможность оперативно проводить исследование протяженных строительных конструкций, но обладают меньшей разрешающей способностью и отсутствием установленных связей между электрофизическими и упругими свойствами среды. Акустические методы частично дополняют вышеупомянутые методы, но особый интерес вызывает возможность их применения к исследованию протяженных конструкций, доступ к которым часто ограничен. Это, в частности, фундамены различных типов: ленточные, плиты и свайные.

Особенностью применения акустических методов при исследовании строительных конструкций является необходимость возбуждения импульсов, имеющих центральную частоту в достаточно высоком диапазоне (от сотен Гц до десятков КГц), для чего требуется применение различных видов источников. Серьезным осложняющим моментом при применении акустических методов является чрезвычайная сложность волновых полей, обусловленная сложностью геометрического строения среды, в пределах которой они существуют. Для получения информации о строении и свойствах исследуемых конструкций могут быть использованы проходящие и отраженные волны всех типов – продольные, поперечные и поверхностные.

Наибольшие трудности при использовании акустических методов возникают при выделении целевых волновых полей, кинематические и динамические параметры которых несут искомую информацию. Остальные волновые поля относятся в разряд помех. Сюда относятся и собственно волны-помехи, образующиеся от работы транспорта и строительной техники, и волны, которые условно могут быть разделены на две группы: габаритные – обусловленные отражением от границ габаритных размеров строительных конструкций, и структурные – обусловленные отражением от внутренних включений (арматура, трещины, включения материала, отличающегося по акустическим свойствам, и другие неоднородности). Для подавления нецелевых отражений при регистрации волнового поля используются геометрические расстановки и способы возбуждения, обеспечивающие возможность проведения когерентного усреднения, пространственной и пространственно-частотной фильтрации регистрируемых сигналов. Дополнительно для обнаружения целевых отражений и изучения особенностей их динамики могут использоваться результаты численного решения уравнения движения среды, заданные по параметрам модели строительной конструкции. С этой целью были построены решения задач методом конечных элементов для следующих моделей (рис.1):

  • расчет волнового поля в цилиндрической свае, находящейся в слоистом грунте при возбуждении продольной волны на ее поверхности;
  • расчет волнового поля для двух свай, находящихся на едином жестком основании, при возбуждении продольной волны на поверхности одной сваи и регистрации сигнала на другой;
  • расчет волнового поля при возбуждении продольной волны на поверхности стены в грунте или ленточного фундамента;
  • расчет волнового поля при возбуждении продольной волны на поверхности фундаментной плиты, лежащей на грунтовом основании.

В производственной практике американских, австралийских и европейских компаний много лет используется метод Sonic Integrity Testing (называемый 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 от дефектов в теле сваи, можно сделать заключение о сплошности и однородности сваи. Применение данной методики позволяет определять отражения:

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Корректное применение данной методики требует соблюдения ряда условий: скорость распространения продольных волн в свае считается постоянной и примерно равной стержневой скорости , где Е – модуль Юнга, ρ – плотность материала сваи.

Свая изначально считается имеющей постоянный диаметр, требуется представление о свойствах грунтов, в которые погружена свая, в свае изучается распространение низкочастотных мод продольных колебаний, имеющих низкую геометрическую дисперсию фазовой скорости. 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 (статистическими и динамическими нагрузками и т.п.). Использование методов анализа спектров 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:

где n = 1, 2, 3… – длина сваи.

Максимумы, располагающиеся вне данной последовательности, могут быть обусловлены отражениями от неоднородностей в теле сваи или вблизи нее (рис. 2). Решение задачи исследования сваи может быть успешным, если на записи акустического сигнала удается установить наличие 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 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-преобразований;

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

где υ – 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 пересечении сваей контрастных слоев в ряде случаев могут привести к ошибкам в определении скорости распространения продольных волн в свае. Избежать ошибок в ряже случаев может помочь моделирование этой ситуации методом конечных элементов [2]. В тех случаях, когда сваи опираются на скальное основание, имеется возможность качественно оценить несущую способность свай. Прочностные характеристики материала сваи могут быть оценены по изложенной ранее методике, прочностные характеристики основания (скального грунта) могут быть получены по результатам прозвучивания между сваями (рис. 4).

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

  • оценки прочностных характеристик и сплошности свай при их известной длине;
  • проведения сравнительного анализа свай между собой для выявления дефектных 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.

Следующей задачей, решаемой с помощью акустических методов, является задача определения состояния контакта ж/б фундаментной плиты с грунтовым основанием. Состояние контакта сказывается на прочности фундаментной плиты и несущей способности фундамента. Для оценки состояния контакта используется свойство изменения динамики отражений от подошвы фундаментной плиты в зависимости от акустической жесткости подстилающего основания. В случае нахождения воздушной прослойки под плитой при возбуждении колебаний на ее поверхности может наблюдаться явление толщинного (полуволнового) резонанса на частоте: f = V/2d, где V – скорость продольных волн в плите; d – толщина плиты.

Для определения зон дефектного контакта плиты с грунтовым основанием может использоваться акустическое профилирование на постоянной базе. Для анализа данных профилирования удобно использовать методы атрибутного анализа. Традиционно в качестве атрибута использовалась величина добротности колебаний, определенная в спектральной полосе близкой к значению толщинного резонанса. Использование добротности в качестве атрибута не всегда удобно, поэтому могут быть использованы и другие атрибуты, в частности, спектральные характеристики сигнала (рис. 5).

При обследовании ленточных фундаментов зданий и сооружений типа «стена в грунте», помимо профилирования на постоянной базе, могут использоваться также расстановки метода отраженных волн, в частности метода общей глубинной точки (рис. 6). Применение акустических методов при исследовании ленточных фундаментов зданий значительно осложняется отражениями от конструктивных элементов здания, что требует определенного выбора точек наблюдения, желательно на участках с отсутствием оконных проемов, дверей и т.п.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

 

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

2.       Для определения кинематических параметров волновых полей в конструкциях хорошие результаты дает использование методов вейвлет-анализа. Вейвлет-спектрограммы могут быть использованы для качественной классификации наблюдений.

3.       Для изучения динамических особенностей волновых полей можно использовать математическое моделирование на основе решения уравнения движения методом конечных элементов.

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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

   
 

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