Материалы Третьей Общероссийской конференции изыскательских организаций. Инженерные изыскания в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

тура других фирм УДС-1, АПЗ-1 и пр. Используе-

мые методы имеют в основе ударный или элект-

роискровой источник возбуждения колебаний в

оголовке сваи.

На основании описанного выше метода возбу-

ждения и регистрации продольных волн в свае

могут быть построены следующие методики:

1. сравнительная акустическая спектроскопия

свай;

2. регистрация отраженных сигналов при возбуж-

дении продольной волны в оголовке сваи;

3. регистрация волн, проходящих между сваями,

находящимися на едином основании.

Сравнительная акустическая спектроскопия

свай может применяться на участках с однотип-

ными грунтовыми условиями в пределах располо-

жения свай и при наличии нескольких «эталон-

ных» свай, испытанных прямыми методами (ста-

тическими или динамическими нагрузками и

т.п.). Использование методов анализа спектров

Фурье, или вейвлет-спектрограмм позволяет раз-

делять обследованные сваи на нормальные и де-

фектные. Из теории распространения продоль-

ных волн в тонких стержнях известно, что интер-

вал следования резонансных максимумов при-

мерно определяется следующим выражением:

где n =1, 2, 3…..; f– длина сваи.

Максимумы, располагающиеся вне данной по-

следовательности, могут быть обусловлены отра-

жениями от неоднородностей в теле сваи или

вблизи нее (рис. 3).

Решение задачи исследования сваи может быть

успешным, если на записи акустического сигнала

удается установить наличие сигнала отраженного

от конца сваи или участка излома сваи (рис. 4, 5,

6). В случае надежного определения сигнала, от-

раженного от конца сваи, все сигналы, наблюдае-

мые 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 сиг-

налов, отраженных от дефектов могут быть ис-

пользованы следующие приемы обработки:

•

анализ спектров Фурье, вейвлет-спектрограмм

и функций автокорреляции;

•

частотная фильтрация на основе Фурье или

вейвлет-преобразований;

•

временное сжатие сигнала на основе предска-

зывающей деконволюции или вейвлет-преоб-

разования.

В частности, выполняя дискретное вейвлет-

разложение по интервалам, эквивалентным набо-

ру резонансных частот в свае и производя рекон-

струкцию сигнала по отдельным коэффициентам

можно получить удобное для интерпретации сжа-

тие сигнала (рис. 7).

270

МАТЕРИАЛЫ III ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

Рис. 3. Трасса и ее спектр на свае с дефектами.

1 – отражение от конца сваи, 2 – отражение от дефекта

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 270

Использование акустических методов позволя-

ет приближенно определять стержневую скорость

распространения волны в свае (при известной

длине сваи), которая может быть пересчитана в

скорость продольной волны в бетоне при извест-

ной плотности:

где: v -коэффициент Пуассона, что позволяет

провести оценку предела прочности бетона на од-

ноосное сжатие с помощью существующих корре-

ляционных зависимостей [1]. В случае, когда из-

вестна 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 могут приве-

сти к ошибкам в определении скорости распро-

странения продольных волн в свае. Избежать

ошибок можно с помощью математического

моделирования волнового поля в свае при учете

271

Перспективы развития инженерных изысканий в Российской Федерации

Рис. 4. Вид сейсмоакустического сигнала на свае без дефектов

Рис. 5. Вид акустического сигнала на свае с дефектом

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 271

272

МАТЕРИАЛЫ III ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

Рис. 6. Акустическая трасса, рассчитанная методом конечных элементов (h = 5,4 м, V = 4000 м/сек)

Рис. 7. Регистрируемый сигнал и его реконструкция по части дискретных коэффициентов вейвлет-

разложения

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 272

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 скаль-

ное основание, имеется возможность качественно

оценить несущую способность свай, для чего ав-

тором предложена и опробована методика акусти-

ческого прозвучивания между сваями. Прочност-

ные характеристики материала сваи могут быть

оценены по изложенной ранее методике, прочно-

стные характеристики основания (скального

грунта) могут быть получены по результатам про-

звучивания между сваями (рис. 8).

В случае, когда прочность материалов сваи и

скального основания соответствует расчетным,

несущая способность сваи считается удовлетво-

рительной, в противном случае, несущая способ-

ность является неудовлетворительной по одному

из двух показателей.

Таким образом, рассмотренные выше методи-

ки сейсмоакустических исследований бурона-

бивных и других видов бетонных свай, заключа-

ющиеся в механическом возбуждении оголовка

сваи и оценке состояния сваи по результатам ре-

гистрации параметров эхо-сигнала, могут приме-

няться для:

•

оценки прочностных характеристик и сплош-

ности свай при известной длине свай;

•

проведения сравнительного анализа свай меж-

ду собой для выявления дефектных свай и

оценки контакта свай с вмещающим грунтом,

•

определения длины свай при известной скоро-

сти распространения продольной волны в свае,

•

оценки несущей способности свай, опираю-

щихся на скальное основание, при акустиче-

ском прозвучивании между сваями.

Применение поверхностных акустических ме-

тодов затруднительно для свай, изготавливаемых

методом струйной цементации (непостоянство

скорости распространения вдоль оси сваи), и

свай, созданных с помощью разрядно-импульс-

ной технологии (непостоянство сечения свай).

Для решения подобных задач могут использовать-

ся методы, основанные на наблюдении волн давле-

ния, возбуждаемых в водонаполненной скважине

электроискровым источником типа Sparker в низко-

частотном акустическом диапазоне колебаний. Ос-

новными преимуществами данного метода являют-

ся отсутствие необходимости прижима источника и

приемника к стенке скважины, что позволяет про-

водить измерения при непрерывном перемещении

измерительной установки вдоль скважины, и воз-

можность регулировки спектра излучаемого сигна-

ла. Для проведения акустических наблюдений в ис-

кусственно закрепленных массивах могут быть ис-

пользованы технологические скважины, пробурен-

ные в ходе проведения струйной цементации,

которые обсаживаются пластиковыми трубами сразу

же после окончания изготовления сваи для проведе-

ния геофизических наблюдений. Установка пласти-

ковой трубы в еще не застывшую сваю позволяет со-

кратить объемы буровых работ и вести наблюдения с

первых дней формирования сваи.

Акустические наблюдения проводятся по сле-

дующим методикам:

•

измерения при непрерывном движении источ-

ника (приемника) при стационарном положе-

нии приемника (источника) на забое или устье

скважины – потенциальный каротаж;

•

измерения при фиксированном положении ис-

точник-приемник и непрерывном перемеще-

273

Перспективы развития инженерных изысканий в Российской Федерации

Рис. 8. Результаты математического

моделирования сквозного прозвучивания

между сваями.

1 – продольная волна, идущая по сваям и

скальному основанию;

2 – продольная волна, идущая между сваями по

грунту;

3 – волна Рэлея

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 273

нии всей установки – дифференциальный ка-

ротаж (рис. 9);

•

межскважинное акустическое просвечивание

(томография).

Применение скважинных сейсмоакустиче-

ских наблюдений позволяет следить за качест-

вом проводимого искусственного закрепления

грунтов на основании изучения кинематики и

динамики распространения объемных волн и

гидроволн вдоль оси скважины. При исследова-

нии отдельных грунтоцементных свай, имеющих

эффективный диаметр порядка 0,8-1,5 м, необ-

ходимо использовать излучатели, создающие

гидроволны, длина волны которых сопоставима

с диаметром исследуемой сваи. При соблюдении

этого условия кинематические и динамические

характеристики наблюдаемых гидроволн, в ос-

новном, определяются деформационными и

прочностными характеристиками материала

сваи. Качество проводимого искусственного за-

крепления грунтов, в ряде случаев, может ока-

заться неудовлетворительным, особенно в слож-

ных гидрогеологических и инженерно-геологи-

ческих условиях. В связи с чем, возникает необ-

ходимость проведения постоянного контроля за

формированием свай и искусственно закреплен-

ных массивов. Изменение прочностных характе-

ристик грунтового массива корреляционно свя-

зано с изменением скорости (интервального вре-

мени) пробега объемных волн и гидроволн (рис.

10). Изучение изменения эффективного диамет-

ра грунтоцементных свай с глубиной проводится

на основании наблюдения интерференции пря-

мой и отраженной объемных волн.

Для определения геометрических характеристик

и сплошности свай, созданных по разрядно-им-

пульсной технологии, могут также быть использо-

ваны наблюдения во внутренних точках среды.

После окончания изготовления свай, вблизи свай

бурятся скважины, в которые погружаются пласти-

ковые трубы для проведения геофизических иссле-

дований. По результатам измерений определяются

274

МАТЕРИАЛЫ III ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

Рис. 9. Трассы скважинных сейсмоакустических наблюдений:

а) потенциальный каротаж, б) дифференциальный каротаж

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 274

кинематические и динамические характеристики

волнового поля, возникающего в околоскважин-

ном и межскважинном пространстве (рис. 11). По

результатам анализа динамических и кинематиче-

ских характеристик волнового поля оценивается

сплошность и эффективный диаметр свай (рис. 12).

4. Ленточные фундаменты

Обследование ленточных фундаментов произво-

дится, в основном, в период эксплуатации зданий

и сооружений, так как в большинстве случаев, в

период строительства контроль качества строи-

тельства достаточно хорошо отработан. При об-

следовании существующих зданий с применени-

ем сейсмических и акустических методов могут

решаться следующие задачи:

•

оценка состояния и однородности материала

фундамента;

•

оценка глубины заложения фундамента;

•

оценка условий контакта фундамента с грунто-

вым основанием;

•

оценка прочностных и деформационных хара-

ктеристик грунтового основания.

Исследование ленточных фундаментов зда-

ний акустическими методами осложняется на-

личием конструкций здания, в которых рас-

пространяются акустические колебания, ос-

ложняющие наблюдение целевых акустиче-

ских волн. Для определения состояния и

однородности материала фундамента может

быть использовано акустическое профилиро-

вание вдоль фундамента на постоянной базе с

определением интервальной скорости распро-

странения прямой волны и оценки ее динами-

ческих характеристик. Для оценки динамиче-

ских характеристик наблюдаемых колебаний

могут быть использованы различные виды ат-

рибутного анализа.

Для определения глубины заложения фунда-

мента могут быть в ряде случаев использованы

поверхностные акустические методы, заключаю-

щиеся в проведении наблюдений с микроустанов-

кой ОГТ с ударным возбуждением сигнала в аку-

стическом диапазоне (рис. 13). Проведение по-

добных наблюдений возможно в наиболее про-

стых ситуациях: при достаточно однородном

фундаменте, при отсутствии в

стене, вдоль кото-

рой ведутся наблюдения дверных и оконных

275

Перспективы развития инженерных изысканий в Российской Федерации

Рис. 10. Изменение интервального времени

пробега гидроволны связано с различным

качеством проведенного искусственного

закрепления грунтов

Рис. 11. Волновое поле при межскважинном

просвечивании в плоскости расположения

железобетонной сваи.

1 – объемная волна, прошедшая по грунту +

бетон;

2 – объемная волна, прошедшая по грунту;

3 – обменная гидроволна

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 275

276

МАТЕРИАЛЫ III ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

проемов и сложных конструктивных элемен-

тов, создающих помехи в виде габаритных и

структурных отражений. В случае сложного

конструктивного строения здания могут ис-

пользоваться скважинные акустические методы

с электроискровым источником, возбуждаю-

щим волны давления в водонаполненной сква-

жине. Вблизи фундамента оборудуется водона-

полненная скважина (обсаженная пластиковой

трубой) глубиной заведомо превышающей глу-

бину заложения фундамента, где выполняются

наблюдения за распространением объемных

волн и гидроволн вдоль оси скважины. Глубина

заложения фундамента может быть определена

по точке образования отраженной гидроволны

от подошвы фундамента (рис. 14).

Для оценки контактных условий фундамента

с грунтом могут применяться измерения поверх-

Рис. 12. Результат определения эффективного диаметра сваи, изготовленной по разрядно-

импульсной технологии

Рис. 13. Пример определения глубины

фундамента

Рис. 14. Диаграмма сейсмоакустического

каротажа в скважине, пробуренной вблизи

фундаментной опоры.

1 – гидроволна, отраженная от подошвы

фундаментной опоры

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 276

ностной волны на поверхности грунта и фунда-

мента при ударном возбуждении колебаний на

некотором расстоянии от фундамента. Во время

измерений определяются интервальное время

пробега до каждого сейсмодатчика, спектраль-

ный коэффициент передачи сейсмической

энергии от грунта к фундаменту и другие дина-

мические особенности сигнала (рис. 15). Опре-

деление коэффициента передачи энергии упру-

гих волн между грунтом и фундаментом соору-

жения традиционно используется при оценке

сейсмического (землетрясения) и техногенного

динамического воздействия на сооружение. Ко-

эффициент передачи равен отношению величи-

ны максимальной амплитуды сигнала, измерен-

ного на фундаменте, к величине максимальной

амплитуды сигнала, измеренного на поверхно-

сти грунта. Автором предложено использование

спектрального коэффициента передачи, кото-

рый более детально позволяет изучать условия

контакта между грунтом и сооружением. Спект-

ральный коэффициент передачи определяется

отношением спектра сигнала на фундаменте к

спектру сигнала на грунте. Подобная методика

может также использоваться для оценки кон-

тактных условий ростверков с грунтом в свай-

ных фундаментах. Свайные фундаменты, как

правило, устраиваются на слабых и насыпных

грунтах, подверженных гравитационному уп-

лотнению. Поэтому со временем под ростверка-

ми могут нарушаться контактные условия с

грунтом вплоть до образования пустот.

Для оценки прочностных характеристик

грунтового основания зданий с небольшим за-

глублением фундаментов, помимо традицион-

277

Перспективы развития инженерных изысканий в Российской Федерации

Рис. 16. Результаты томографии на поверхностных волнах под фундаментом галереи, соединяющей

Б. Дворец и Хлебный Дом (ГМЗ Царицыно). Изолинии соответствуют значению модуля деформации,

рассчитанного с помощью корреляционной зависимости

Рис. 15. Значение спектрального коэффициента

передачи для ленточного фундамента:

до – а) и после – б) инъектирования грунтового

основания

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 277

ных сейсмических методов, могут применяться

наблюдения на поверхностных волнах с ис-

пользованием томографических систем наблю-

дений (рис. 16).

Применение акустических методов для со-

оружений типа «стена в грунте» и ограждающих

конструкций котлованов, выполненных на ос-

нове буросекущих свай и комбинированных

конструкций на основе буросекущих и грунто-

цементных свай позволяет контролировать их

сплошность и прочностные характеристики.

Для ограждающих конструкций типа «стена в

грунте», выполненных из монолитного бетона

или железобетона могут использоваться поверх-

ностные акустические методы: профилирова-

ние на постоянной базе с определением интер-

вальных времен пробега и анализом различных

атрибутных характеристик сигнала и наблюде-

ния с использованием расстановок ОГТ. При

обследовании ограждающих конструкций сме-

шанного типа, состоящих из буронабивных и

грунтоцементных свай, могут использоваться

как поверхностные методы (для буронабивных

свай), так и скважинные методы для грунтоце-

ментных свай.

Подводя итог описанию акустических техно-

логий можно сформулировать следующие вы-

воды:

1. Использование акустических методов позво-

ляет проводить инструментальное обследование

монолитных фундаментов (свайных, плитных и

ленточных) и других подземных конструкций с

целью определения геометрических, деформаци-

онных и прочностных характеристик.

Для определения динамических и кинемати-

ческих параметров волновых полей в конст-

рукциях, хорошие результаты дает использова-

ние методов атрибутного анализа. Методы

вейвлет-анализа могут быть использованы при

решении задач методом акустической спектро-

скопии.

Проведению успешной интерпретации получа-

емого материала способствует использование ма-

тематического моделирования волновых полей на

основе решения уравнения движения методом

конечных элементов.

278

МАТЕРИАЛЫ III ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

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. (1960) Pile-Driving Analysis by the

Wave Equation. Journal of the Engineering

Mechanics Division, Proceedings of the American

Society of Civil Engineers. Vol. 86, No. EM 4,

August

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 278

279

пециалисты НПЦ «ГЕОТЕХ», используя сов-

ременную аппаратную базу и новейшее про-

граммное обеспечение, решают широкий спектр за-

дач геофизическими методами в различных сферах:

•

На объектах нефтегазовой отрасли: выявление

зон распространения специфических грунтов;

выделение высокольдистых пород, таликов,

криопегов; картирование кровли скального ос-

нования, уровня залегания грунтовых вод и т.д.

•

На железных дорогах: обследование земляного

полотна; участков, подверженных деформациям;

зон распространения специфических грунтов;

картирование подземных коммуникаций и т.д.

•

На автомобильных дорогах: изучение состояния

конструктивных слоев дорожной одежды; уча-

стков, подверженных деформации и др.

•

На территориях аэропортов: определение тол-

щин конструктивных слоев ВПП; определение

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО

ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ

ПРОВЕДЕНИИ ИЗЫСКАНИЙ НА

ОБЪЕКТАХ РОССИЙСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ

ДОРОГ

Монахов В.В.

НПЦ «ГЕОТЕХ», Москва

Рис. 1. Многоканальный георадарный комплекс

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 279