Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор инженерных задач, решаемых с применением геофизических методов :
1 Изучение инженерно-геологических условий;
2 Геотехнические задачи;
3 Изучение динамических воздействий на грунты и конструкции ;
4 Инструментальное обследование состояния строительных конструкций;
5 Мониторинг грунтов и сооружений в зоне влияния крупного строительства.
Глава 2. Наземные методы исследований: обзор существующих методов и предложения по их дальнейшему совершенствованию .
1 Многоволновая сейсморазведка.
2 Пассивные сейсмические измерения.
3 Акустическая спектроскопия.
4 Георадиолокационные измерения на грунтах и строительных конструкциях .
Глава 3. Скважинные методы исследований: обзор и разработка дополнительных возможностей .
1 Многоволновые акустические наблюдения в скважинах.
2 Межскважинные просвечивания и томография .
3 Скважинная георадиолокация.
Глава 4. Расширение класса моделей сред на основе решения прямых задач и описания полей различной физической природы с целью построения методик исследования строительных конструкций .
1 Физические модели сред, используемые при описании акустических полей в геотехнических и строительных конструкциях.
2 Прямые акустические задачи для используемых моделей сред. Решение и анализ .
3. Описание геоэлектрической модели в околоскважинном пространстве при использовании изолированных электромагнитных антенн.
4. Описание геоэлектрической модели при использовании подповерхностной радиолокации для изучения фундаментных и геотехнических конструкций
Глава 5. Разработка дополнительных приемов обработки полевых данных .
1 Использование вейвлет-разложений для пространственно-временного анализа волновых полей.
2 Использование методов спектрального оценивания при сейсмических и акустических измерениях.
3 Техника обработки изображений применительно к 2D и 3D задачам георадиолокации. Заключение.
Список литературы
- Изучение динамических воздействий на грунты и конструкции
- Георадиолокационные измерения на грунтах и строительных конструкциях
- Межскважинные просвечивания и томография
- Прямые акустические задачи для используемых моделей сред. Решение и анализ
Введение к работе
Актуальность темы
Городское и промышленное строительство превратилось в настоящее время в глобальный процесс, темпы и масштабы которого катастрофически растут. Огромная концентрация людей, промышленности, транспорта и коммунального хозяйства в современных мегаполисах обусловливает колоссальное воздействие на геологическую и природную среду обитания. Появившаяся в последнее время тенденция к повсеместному освоению подземного пространства городов в еще большей мере увеличивает степень воздействия на природную среду.
Естественно, что изучение закономерностей развития и возможности управления подобной природно-технической системой, которая в скором времени может стать средой обитания большей части человечества имеет огромное научное и практическое значение. Изучение динамики природно-технических систем, по-видимому, в дальнейшем будет предметом проведения фундаментальных исследований, необходимость которых уже в настоящее время определяется увеличивающимся масштабом происходящих техногенных и экологических катастроф. Для того чтобы понять, как функционирует вся система в целом, необходимо изучить состав и свойства ее отдельных составляющих, чему, собственно говоря, и способствуют активно развивающиеся в настоящее время инструментальные геофизические методы.
Увеличение темпов строительства напрямую связано с внедрением в практику новых методов и технологий, которые в свою очередь обеспечивают решение все более сложных строительных задач. Для выбора применения той или иной технологии требуется получение предварительной информации об инженерно-геологических условиях участка строительства, а довольно часто и проведение экспериментальных исследований. Для получения предварительной информации и наблюдения за проведением экспериментальных и строительных работ используется комплекс инженерно-геологических, гидрогеологичесюгх, лабораторных, геофизических исследований и методов полевых испытаний грунтов.
Применение геофизических методов для решения задач, возникающих в ходе проведения строительных работ, имеет давнюю историю. Отдельные упоминания о применении электроразведочных и сейсмических методов для решения строительных задач встречаются с начала прошлого века. В 50-60 гг. 20 века складывается новое направление в геофизике - инженерная геофизика, областью исследования которой является верхняя часть геологического разреза (в среднем 20-30 м), сложенная преимущественно четвертичными отложениями и являющаяся грунтовым основанием наземных строений и вмещающая подземные сооружения. Наиболее бурное развитие методов инженерной геофизики, как известно, пришлось на конец 80 начало 90 гг., что объясняется развитием вычислительной техники и созданием портативной геофизической аппаратуры, развитием методов многоволновой наземной малоглубинной сейсморазведки, георадиолокации, детальных электрометрических методов на постоянном и переменном токе, детальной магниторазведки. До недавнего времени основными задачами, решаемыми методами инженерной геофизики были: изучение тектонического и литологического строения и оценка физических характеристик грунтовой толщи на участке строительства. К настоящему времени в связи с развитием производительных методов, позволяющих получать и регистрировать большой объем информации (георадиолокация, многоканальная электрометрия, ЗБ-сейсмометрия) круг решаемых задач значительно расширился [5,7,30]. К настоящему времени можно констатировать, что предметом изучения инженерной геофизики являются природные, техногенные и искусственно преобразованные грунты и располагающиеся в них и на их поверхности материалы строительных конструкций. Либо используя применяемую в настоящее время в инженерно-геологических дисциплинах терминологию[2,13,20], можно предложить более расширенное определение: предметом изучения инженерной геофизики являются природно-технические и литотехнические системы. Включение исследования свойств материалов строительных конструкций в круг задач, решаемых методами инженерной геофизики, вполне логично произошло в ходе развитию самих методов инженерной геофизики и строительных технологий. Большинство строительных материалов в сущности созданы на основе природных грунтов (кирпич, бетон, стекло и т.п.), существует промежуточный класс техногенных (искусственных) грунтов [38], созданных преобразованием природных грунтов в условиях их естественного залегания, которые в ряде случаев, могут быть отнесены уже к строительным материалам, как, например, сооружения, созданные с применением технологии струйной цементации ( Jet grouting method ) [4,25,26,27]. К настоящему времени уже накоплен значительный опыт изучения искусственно закрепленных грунтов, изучение которых геофизическими методами началось с 60-х годов прошлого века [29]. Данное обстоятельство наглядно иллюстрирует расширение области применения методов инженерной геофизики по мере развития строительных технологий.
Применение геофизических методов для решения инженерных задач в условиях современных площадок строительства довольно часто сталкивается со значительными трудностями, обусловленными недостатком места для проведения наземных геофизических исследований, высоким уровнем помех и высокой интенсивностью строительных работ, В СВЯЗИ С • этим в ряде случаев предпочтение отдается методам наблюдения во внутренних точках среды. Как правило, это методы исследования околоскважинного и межскважинного пространства, проводимые с использованием малоглубинных (до 20 м) скважин. Использование скважинных методов, как правило, не препятствует ходу строительных работ и не требует освобождения значительного пространства поверхности от техники и строительных материалов.
Развивающиеся в последние несколько десятилетий высокочастотные волновые методы (электромагнитные, акустические и ультразвуковые), способствуют решению целой группы специфических задач исследования грунтов и строительных материалов, отличающихся небольшой глубинностью (1-5 м), но высокой разрешающей способностью. На основании высокоразрешающих методов исследований в настоящее время развивается отдельное направление, получившее название диагностики строительных конструкций. Значительный интерес вызывают также методы измерения физических полей природного и техногенного происхождения (вибродинамических, электромагнитных, температурных и др.), высокая интенсивность которых (в особенности техногенных) может приводить к изменению свойств грунтов и материалов и ускорять течение ряда неблагоприятных процессов и явлений, например, таких как суффозия, склоновые процессы, просадки и др.
Даже при кратком рассмотрении задач и методов инженерной геофизики становится очевидным их большое многообразие и за редким исключением почти полное отсутствие методов доведенных до уровня производственных технологий, что требует соблюдения следующих условий:
- наличия специализированной аппаратуры;
- наличия специализированных методов обработки;
- построенной и изученной интерпретационной модели;
- наличия нормативной и методической документации. Данным условиям в полной мере не удовлетворяет практически ни один из используемых в инженерной геофизике методов, за исключением разве что ультразвукового метода исследования бетона, электрометрического метода определения коррозионной активности грунтов, сейсмического микрорайонирования территории строительства. Наиболее сложным вопросом в разработке технологий является утверждение нормативной и методической документации. Цель работы
Целью настоящей работы является развитие способов решения ряда инженерно-геофизических задач с использованием наземных и скважинных сейсмометрических и георадарных методов для создания основ технологий инструментальных исследований, используемых при инженерно-геологических изысканиях, в процессе сопровождении строительства и эксплуатации сооружений. Основные задачи исследований:
1. Изучение современного состояния методов инженерной геофизики и обзор инженерных задач, наиболее часто встречающихся в практике строительства.
2. Изучение возможностей решения инженерных задач наземными и скважинными геофизическими методами и их дальнейшее развитие.
3. Создание методик исследования строительных и геотехнических конструкций на основе математического моделирования акустических полей.
4. Разработка усовершенствованных приемов обработки полевых данных, способствующих решению поставленных задач.
5. Опробование и применение разработанных методик на объектах крупного городского строительства.
Основные защищаемые положения:
1. Разработаны и опробованы наземные методики исследования грунтов, строительных и геотехнических конструкций, позволяющие оценивать их состояние в период строительства и эксплуатации.
2. Разработаны и опробованы скважинные методики исследования грунтоцементных и бетонных массивов, позволяющие оценивать их основные прочностные и деформационные характеристики.
3. Разработаны и опробованы новые эффективные методики оценки вибродинамических воздействий на грунты и конструкции.
4. Получены численные решения прямых задач расчета акустических волновых полей в строительных и геотехнических конструкциях, с учетом влияния вмещающей среды.
5. Разработаны усовершенствованные методы обработки сейсмоакустических и георадарных данных, позволяющие рассматривать более широкий класс интерпретационных моделей.
Научная новизна.
1. Предложен ряд оригинальных методик с использованием волн "направляемого типа" (волны Рэлея, Стоунли, гидроволны и т.п.) для исследования грунтов, строительных и геотехнических конструкций, позволяющих проводить исследования в рамках внедряемых современных строительных технологий.
2. Построены математические модели для описания волновых полей в строительных и геотехнических конструкциях с учетом влияния вмещающей среды.
3. Получены и проанализированы численные решения уравнений движения для предложенных математических моделей с целью изучения кинематических и динамических особенностей волновых полей. 4. Для определения динамических и кинематических параметров волновых полей при решении инженерных задач предложено использование оригинальных методов обработки с применением атрибутного анализа, вейвлет-анализа и методов обработки и сегментации изображений. Практическая значимость.
В рамках данной работы разработан ряд методик используемых для решения целого ряда инженерных задач, которые опробованы и применяются в настоящее время на объектах городского строительства. По результатам данной работы в настоящее время в ряде организаций, ведущих работу на объектах городского строительства, проводится разработка технологических регламентов, мероприятий по организации контроля качества производимой продукции и корректировка нормативной базы. Необходимость разработки рассматриваемых методик обусловлена усложнением строительных задач и внедрением новых строительных технологий. Внедрение результатов работы.
Разработанные в ходе исследования методики и программные средства используются при разработке технологических регламентов и проведении контроля качества ж/бетонных и грунтоцементных ограждений котлованов, противофильтрационных завес, фундаментных конструкций и т.п. в НПО «КОСМОС», ООО «Космос-Урал», ООО «Космос-Мост», 000 «ИнжСтройИзыскания», ЗАО «Триада-Холдинг» и др. Публикации.
Основные результаты исследований опубликованы в 7 научных статьях и 4 сборниках материалов к научно-практическим конференциям.
1. Капустин В.В., «Дополнительные возможности компьютерной обработки георадарных и сейсмических данных», Разведка и охрана недр, 2005/12,С26-31.
2. Капустин В.В. «Применение сейсмических и акустических технологий при исследовании состояния подземных строительных конструкций», Технологии сейсморазведки, 2008/1, С-91-99.
3. Капустин В.В., Строчков Ю.А., «Некоторые особенности обработки георадарных данных при исследовании строительных конструкций», Разведка и охрана недр, 2008/1, С-22-25.
4. Капустин В.В., Ушаков А.Л., Бакайкин Д.В., «Применение акустических методов для обследования строительных конструкций», Разведка и охрана недр, 2008/1, С-25-28.
5. Капустин В.В. «Методика изучения особенностей распространения акустических волн в бетонных сваях с использованием методов численного моделирования », Вестник Московского университета, Сер. 4, Геология, 2008/3, С-65-70.
6. Черняков А.В., Богомолова О.В., Капустин В.В., Владов М. Л., Калинин В.В. «Контроль качества геотехнических конструкций, созданных методом струйной цементации», Технологии сейсморазведки, 2008/3, С 97-103.
7. Капустин В.В. «Акустические методы контроля качества свайных фундаментных конструкций.», Разведка и охрана недр, 2008/12 (в печати). Апробация работы.
Основные результаты докладывались автором на следующих мероприятиях: ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА-2005
Дополнительные возможности компьютерной обработки георадарных и сейсмических данных, Капустин В.В. (ИнжСтройИзыскания). ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА-2006
Применение скважинных акустических и радарных методов для решения инженерных задач. Капустин В.В. (ИнжСтройИзыскания), Помозов В.В., Семейкин Н.П. (ООО "Логические Системы")
Опыт применения площадной георадарной съемки для обнаружения и изучения локальных и линейно-протяженных объектов. Капустин В.В. (ООО «ИнжСтройИзыскания»), Владов М.Л. (МГУ им. М.В. Ломоносова) ИНЖЕНЕРНАЯ И РУДНАЯ ГЕОФИЗИКА - 2007
Возможности акустических методов при обследовании строения и состояния строительных конструкций. Капустин. В. В., Ушаков А. Л. , Бакайкин Д. В., (ООО «ИнжСтройИзыскания») Некоторые особенности обработки данных, используемые при георадарных исследованиях строительных конструкций. Капустин В.В., Строчков Ю.А. (ООО «ИнжСтройИзыскания») ИНЖЕНЕРНАЯ И РУДНАЯ ГЕОФИЗИКА - 2008
Применение георадарных и акустических методов при обследовании железобетонных свайных конструкций. Семейкин Н.П. (ООО «ЛогиС»), Капустин В.В. (ООО «ИнжСтройИзыскания») Объем и структура работы:
Работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Содержит 195 страниц машинописного текста, 128 рисунков и библиографический список использованных литературных источников из 48 наименований, из которых 5 иностранных.
Благодарности:
Автор выражает благодарность своему научному руководителю Владову М.Л. за помощь и поддержку при написании данной работы. Автор высоко ценит помощь, оказанную Калининым В.В. при обсуждении основных результатов данной работы. Автор выражает признательность профессору кафедры инженерной и экологической геологии МГУ Вознесенскому Е.А., доцентам Шалаевой Н.В., Старовойтову А.В., Гайнанову В.Г. и другим сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики МГУ за ценные замечания и конструктивную критику, руководителям ООО «НПО КОСМОС» Чернякову А.В. и Богомоловой О.В., руководителям ООО «ИнжСтройИзыскания» Калиничеву А.В., Батагову Б.А., Гавриленко В.В. за оказанную помощь при разработке и внедрении ряда методов, руководителям ООО «Логические системы» Семейкину Н.П. и Помозову В.В. и руководителю НПЦ «Геотех» Монахову В.В. за помощь в аппаратурном оснащении, руководителям ЗАО «Триада-Холдинг» Шилину А.А. и Кириленко A.M., руководителю лаборатории свайных фундаментов (НИИОСП) Ястребову П.И. за предоставленную возможность решения интересных задач и получения ценного материала. Огромное спасибо всем коллегам, которые участвовали совместно со мной в написании публикаций, докладов и получении материалов. Светлая память Аркадию Васильевичу Калинину, под руководством которого начались данные исследования.
Изучение динамических воздействий на грунты и конструкции
Динамические нагрузки создаются как природными (землетрясения, волны, ветер), так и техногенными источниками (транспорт, строительная техника, промышленные установки). Формы проявления и механизмы динамической неустойчивости разных грунтов в соответствии с [38] могут быть представлены в виде следующей схемы .
Характерным механизмом динамической неустойчивости грунтов с жесткими связями является усталость, для дисперсных грунтов - тиксотропия, дилатантно-тиксотропные эффекты, динамическая дилатансия. В основе динамической неустойчивости любых грунтов лежит механизм гистерезисного накопления энергии при циклическом воздействии. В связи с чем, применение геофизических методов может производиться в следующих направлениях: - измерение параметров динамических полей; - определения характера поглощения энергии динамического воздействия, для прогноза вида и величины возможной реакции грунтов; - непосредственное обнаружение в разрезе грунтов с измененными свойствами по причине динамического воздействия.
Наиболее типичными для городских условий задачами являются определения величины динамического воздействия на грунты и сооружения при забивке (вибропогружении) свай, движении наземного и подземного транспорта, работы строительных механизмов и промышленных установок. Изменение свойств грунта под действием динамических нагрузок приводит к активизации целого ряда процессов: суффозионного массопереноса, экзогенных геологических процессов, приводящих к морфологическим изменениям поверхности (оползни, оплывины, обрушения), изменения содержания поровой влаги и др.
До недавнего времени для исследования состояния бетонных, железобетонных, кирпичных, каменных и металлических конструкций применялись в основном ультразвуковые методы и методы строительной акустики [1,8]. В настоящее время наряду с ними достаточно широко применяются георадарные и методы высокочастотной сейсморазведки. Задачи, связанные с диагностикой строительных конструкций возникают на этапе строительства и дальнейшей эксплуатации сооружений, а также в процессе их реконструкции. Перечень задач, которые приходиться решать достаточно широк, и определяется типом конструкций сооружений и применяемых строительных материалов. Для решения задач диагностики строительных конструкций большой интерес представляют методы неразрушающего контроля, позволяющие вести наблюдения при непрерывном перемещении измерительного прибора по поверхности изучаемого объекта и дающие возможность регистрировать большой объем информации в реальном времени.
Ведущее положение при диагностике бетонных и железобетонных конструкций занимают методы ультразвуковой и акустической дефектоскопии, основанные на возбуждении и измерении скорости распространения упругих волн в частотном диапазоне от единиц до сотен килогерц. Имеющаяся в настоящее время ультразвуковая аппаратура обеспечивает проведение измерений без контактной жидкости, то есть с сухим точечным контактом, что позволяет существенно повысить производительность работ. Использование синфазных антенных решеток в сочетании с многоканальной регистрацией позволяет получать изображение изучаемого объекта в виде выбранного среза (томограммы) и получать объемное изображение. Для работы в акустическом диапазоне могут использоваться электродинамические и магнитострикционные излучатели и датчики давления. Существенным преимуществом ультразвуковых и акустических методов является связь между скоростью распространения упругих волн и основными упругими константами, модулем Юнга, коэффициентом Пуассона и модулем сдвига, что позволяет производить оценку прочностных свойств бетона, его трещиноватости и наличия дефектов. Разрешающая способность по глубине ультразвуковых методов при работе на бетонных конструкциях несколько выше (1-2 см), чем георадарных (3-5 см), что объясняется сложностью излучения антенной системой, большинства георадаров импульсов с центральной частотой свыше 2Мгц. Импульсным ультразвуковым и акустическим методам дефектоскопии соответствуют георадиолокационные методы с излучением электромагнитных импульсов сантиметрового и дециметрового диапазонов.
Необходимость обследования протяженных бетонных конструкций (тоннели, бетонные резервуары, аэродромные покрытия, перекрытия зданий и т.п.) требует проведения работ в режиме непрерывного движения. Выполнение ультразвуковых и акустических исследований на протяженных объектах, в частности при обследовании тоннелей наблюдательные профили могут достигать нескольких километров, представляет собой технически сложную проблему. В тоже время для георадарного метода возможность измерения при скорости движения от 4 до 60км\час не представляет технической сложности. То обстоятельство, что скорость электромагнитных волн в бетоне на 4 порядка выше скорости упругих волн и время формирования импульса довольно невелико, можно осуществить большую частоту посылок зондирующего сигнала, что обеспечивает довольно высокую пространственную (горизонтальную) разрешающую способность георадарного метода. При указанной скорости движения запись трасс может осуществляться с шагом в первые сантиметры. Существенным недостатком георадарного метода является отсутствие возможности прямой оценки прочностных свойств бетона, обусловленной малой изученностью связи электрофизических и прочностных свойств реальных сред. Одним из относительно надежно определяемых параметров можно считать влажность.
Наиболее распространенной задачей в исследовании строительных конструкций является определение прочностных и геометрических параметров конструктивных элементов для сопоставления их с проектными и расчетными данными. Для этого используются следующие виды интерпретационных моделей: ограниченный по мощности и бесконечный по простиранию слой и пространственно ограниченные тела. К первому виду относятся задачи определения толщин стен, перекрытий, дорожных и аэродромных покрытий, обделки тоннелей, фундаментных плит и т.п. Ко второму - определение геометрических параметров локальных тел -диаметры и глубины свай, глубины заложения ленточных и столбчатых фундаментов.
Для определения состояния и несущей способности конструкций требуется оценка прочностных и деформационных характеристик их материала или параметров, влияющих на прочностные характеристики таких как влажность и трещиноватость. Учитывая невысокую точность подобных оценок, данные методы применяются, как правило, для предварительной экспресс оценки состояния конструкций. Для протяженных конструкций тоннелей, дорожных и аэродромных покрытий и др. оперативность проведения исследований геофизическими методами имеет большое значение. Применение неразрушающих геофизических методов позволяет достаточно оперативно получать информацию о наличии в них различных конструктивных элементов (арматуры, балок, вставок разнородного материала и т.п.) и различных дефектов. Причем иногда применение неразрушающего контроля является по целому ряду причин более предпочтительным, а иногда и единственно возможным способом.
Для оценки работы конструктивного элемента в составе сооружения часто необходимы сведения о состоянии контакта между элементом и вмещающим грунтом и или между отдельными элементами. Состояние контакта с вмещающим грунтом особенно важно знать для оценки работы фундаментов, тоннелей и других заглубленных сооружений, находящихся под действием значительных напряжений. Контактные условия отдельных элементов конструкций также определяют работу всего сооружения в целом. Особым случаем является определение целостности контактирующих слоев, металлоизоляции и гидроизоляции, которые играют важную роль в защите сооружений.
Георадиолокационные измерения на грунтах и строительных конструкциях
Довольно часто применение георадиолокационного метода в условиях городской и примышленной застройки ограничено малой глубинностью исследований, обусловленной высоким затуханием электромагнитных волн и сложностью и неоднородностью строения верхней части геоэлектрического разреза. Однако даже при невысокой глубинности исследований имеется возможность решать целый круг задач, возникающих при инженерно-геологических изысканиях под строительство и сопутствующим им археологическим исследованиям. В первую очередь-это задачи, возникающие из необходимости уточнения прохождения линейных инженерных коммуникаций на участке будущего строительства и наличия остатков фундаментов и строительных конструкций, которые в ряде случаев могут представлять интерес и для археологических исследований. В большинстве случаев глубинность исследований может ограничивается первыми метрами. Очевидно, что задача обнаружения локальных и протяженных объектов достаточно хорошо решается при условии однородности вмещающей объект среды и наличия высокого контраста электрофизических свойств объекта и среды. Тем не менее подобные условия встречаются довольно редко при проведении наземных наблюдений, в то время как они являются типичными при проведении поиска объектов, расположенных в придонных участках неглубоких пресноводных водоемов. В городских условиях верхняя часть разреза в основном представлена насыпными грунтами и рекультивированными грунтами, имеющими неоднородное геоэлектрическое строение, что значительно осложняет интерпретацию георадарных данных и заметно уменьшает глубинность исследований.
Изображения погребенных фундаментов полученные по результатам площадной георадарной съемки, (антенна-300 МГц. ГМЗ «Царицыно», материалы предоставлены Владовым М.Л.) Наиболее типичная задача для георадиолокации в условиях городской застройки - определение мощности насыпных грунтов и наличия в них включений строительного мусора и строительных конструкций. Схема изолиний глубин подошвы насыпных грунтов по результатам бурения и георадиолокации (материалы получены автором). Как видно из приведенного примера сочетание данных георадиолокации с данными бурения создает более детальную картину распространения толщи насыпных грунтов.
В песчаных грунтах с использованием георадарного метода достаточно надежно определяется положение уровня грунтовых вод и в ряде случаев метод может применяться для наблюдения за изменением уровня грунтовых вод и образованием депрессионной воронки при отрывке котлована или строительных выемок. В большинстве же случаев при наличии неоднородной верхней части георадарные данные в основном могут быть использованы для определения техногенного обводнения грунтов с целью оценки устойчивости сооружений и состояния трасс водонесущих коммуникаций.
В отдельных случаях возможно использование георадарного метода для наблюдения за изменениями напряженно-деформированного состояния грунтового массива. При снятии нагрузки с грунтового массива (отрывка котлована, снос зданий, проходка тоннелей и скважин большого диаметра и т.п.) могут образоваться области разупрочненного (разуплотненного) состояния фунтового массива, последующее уплотнение которых приводит к оседанию поверхности грунта, одновременно в подобных областях могут активизироваться процессы техногенной суффозии. Оседание грунта под твердым покрытием (дорожное покрытие, ж\б плиты и т.п.) приводит к образованию воздушной прослойки (пустоты) по твердым покрытием, что с одной стороны может являться косвенным признаком изменения напряженно-деформированнного состояния грунтового массива, а с другой стороны представляет опасность для автотранспорта и строительной техники в плане разрушения твердого покрытия. Трещины в асфальтовом покрытии и оседание поверхности грунта, образовавшиеся в зоне произошедшего выноса грунта в котлован. (Краснопресненская наб. Москва-сити, материалы получены автором). Георадарный профиль над участком оседания грунта под асфальтовым покрытием (Краснопресненская наб. Москва-сити, материалы получены автором).
Таким образом, возможности применения георадарного метода при обследовании состояния автомобильных и железных дорог, аэродромов и т.п. определяются известным строением слоев покрытий и насыпей, состоящим из достаточно однородных по своим свойствам слоев. Решаемые задачи сводятся к определении геометрии границ раздела и поиску электрофизических неоднородностей внутри слоев.
Сходные условия возникают при применении высокочастотных антенн (1700-2000 МГц) при исследовании состояния строительных конструкций (ж\бетонных, бутовых, кирпичных, деревянных и т.п.). В результате георадарный метод достаточно успешно может применяться для обследования стен, фундаментов, перекрытий и т.п. Физическими основами применения георадарного метода для изучения строения перекрытий являются явления отражения и дифракционного рассеяния от объектов с различными электрофизическими свойствами. Особенностью проведения георадарных работ в закрытых помещениях является необходимость выполнения большего числа физических наблюдений по с равнению с открытым пространством. Данная необходимость определяется наличием большого количества отражающих объектов в воздушном полупространстве (стены, потолок, предметы и т.п.), создающих помехи при записи данных георадиолокационного зондирования.
Межскважинные просвечивания и томография
Оценка деформационных и прочностных характеристик и сплошности протяженных грунтоцементных массивов, формируемых из секущихся свай, например ограждающих конструкций котлованов, производится путем сейсмического прозвучивания между соседними скважинами. Прозвучивание в зависимости от сложности инженерно-геологической ситуации может проводиться по различным методикам: наблюдения на параллельных и косых лучах, вплоть до построения томографической системы наблюдений.
Параллельное просвечивание и веерная система наблюдений используются в наиболее простых случаях, когда требуется определить лишь факт наличия или отсутствия неоднородностей. В случае веерной системы можно указать примерное положение неоднородности относительно диагоналей прямоугольника, образуемого скважинами. Более точное пространственное распределение неоднородностей в пространстве между скважинами можно получить, решив задачу томографического обращения. Довольно хорошим дополнением может послужить проведение наблюдений наземной сейсморазведкой и вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) в прямом и обращенном вариантах, в частности для непосредственного измерения скоростей поперечных волн.
Особенностью проведения межскважинных наблюдений в обсаженных пластиковыми трубами является то обстоятельство, что при использовании «высокочастотных» маломощных разрядных источников, которые используются при наблюдениях в одиночных сваях, не происходит излучения интенсивной объемной волны.
Для более детального изучении внутренней структуры грунтоцементных и бетонных свай и изучения их геометрических характеристик могут быть использованы скважинные ультразвуковые и георадарные наблюдения. Аппаратура и методика ультразвуковых скважинных наблюдений в настоящее время достаточно хорошо отработаны. В частности, в зарубежной практике широко используется ультразвуковой метод исследования буронабивных свай, который носит название CHUM (Cross-Hole Ultrasonic Monitor). Сущность метода заключается в проведении ультразвукового просвечивания между датчиками, установленными в пластиковых трубках, смонтированных на армокаркасе буронабивной сваи. Георадарные измерения для исследования малоглубинных скважин применяются сравнительно недавно и представляют интерес возможностью изучения электрофизических свойств закрепленных грунтов, свай и конструкций, изготавливаемых на их основе непосредственно в грунтовом массиве. Георадарные исследования проводились с георадаром «Око» с направленной антенной с центральной частотой 700 МГц. Наблюдения выполнялись в водонаполненных скважинах при непрерывном движении и фиксированном направлении антенны (Рис. 78), а также круговое сканирование околоскважинного пространства с равномерным шагом по глубине. Главным достоинством георадарного метода является возможность получения непрерывного изображения исследуемой границы между сваей (или свайным массивом) и вмещающим грунтом.
Антенна георадара имеет определенную характеристику направленности (Рис.79), что позволяет осуществлять направленные наблюдения и круговое сканирование околоскважинного пространства.
Применение георадиолокации может оказаться полезным при исследования подземной части сооружения , например, фундамента здания или опоры моста при проведении наблюдений в скважине пробуренной вблизи фундамента.
Диагностика свай переменного диаметра, созданных по РИТ-технологии. Имеющийся опыт исследований показывает достаточную перспективность совместного применения акустических и георадарных скважинных методов при решении малоглубинных инженерных и инженерно-геологических задач, связанных с определение прочностных свойств и конструктивного строения, находящихся в грунте строительных конструкций (Рис.83,84).
Определение геометрии сваи, созданной по РИТ-технологии, при наблюдении во внешней скважине. В результате проведенных автором исследований установлено, что с помощью скважинных георадарных наблюдений могут решаться следующие геотехнические задачи: - исследование свай сложной формы (сваи, изготавливаемые по струйной и разрядно-импульсной технологиям) и конструкций создаваемых на их основе (ограждения котлованов, противофильтрационные завесы, основания фундаментов и т.п.); - круговое сканирование околоскважинного пространства с целью обнаружения природных и техногенных объектов; - определение глубины заложения свайных фундаментов; - наблюдение за динамикой набора прочности бетонных и грунтоцементных свай .
Прямые акустические задачи для используемых моделей сред. Решение и анализ
Рассматривая материалы моделирования акустического поля в сваях с изменяющимся сечением, можно сделать следующий вывод-при усложнении формы сваи интервальное время пробега продольной волны вдоль сваи увеличивается.
На основании полученных численных решений и проведения натурных испытаний установлено, что:
1. Динамические и кинематические характеристики продольных волн в свае существенно зависят от свойств вмещающего грунта;
2. Фазовые характеристики отраженного импульса зависят от свойств основания, на которые опирается свая (вплоть до инверсии);
3. В зависимости от акустических свойств вмещающих грунтов происходит либо интенсивное излучение энергии упругих волн из сваи, либо акустическая энергия аккумулируется внутри сваи.
4. Интервальное время пробега волны увеличивается при усложнении формы боковой поверхности сваи.
Акустический метод исследования свай имеет много общего с методом импульсной рефлектометрии, используемым для определения дефектов в проводных линиях и других направляющих системах. Поэтому при обработке полевых материалов акустического метода могут использоваться приемы, разработанные в методах рефлексометрии. Для анализа полученного при исследовании свай материала используются не сами трассы, а так называемые рефлектограммы, которые могут быть получены путем некоторого операторного преобразования трасс. В качестве операторов могут использоваться: автокорреляционное преобразование, различные виды регулировки амплитуд, вейвлет-преобразования и др.
Для получения информации о наличии дефектов в свае, при интерпретации используются типовые наборы рефлектограмм (Рис. 976). Данные рефлектограммы получены как результат обобщения натурных наблюдений и математического моделирования.
Таким образом, рассмотренные выше результаты моделирования акустических полей в буронабивных и других видах бетонных свай, могут наряду с результатами физического моделирования использоваться для интерпретации полевого материала.
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). Однако для РИТ-свай в случае не очень сложной геометрии могут быть получены сравнительно неплохие результаты с использованием при интерпретации данных численного моделирования.
Для обследования свай со сложной геометрией и переменной скоростью распространения акустических волн могут использоваться методы, основанные на наблюдении волн давления возбуждаемых в водонаполненной скважине электроискровым источником типа Sparker в низкочастотном акустическом диапазоне колебаний. Развитие общей теории распространения акустических волн в водонаполненной скважине связано с именами Рэлея, Лэмба, Жуковского Н.Е., Стоунли и Био. Наиболее полное и последовательное теоретическое описание процесса возбуждения и распространения волн в скважинах с жидкостью и вмещающем массиве пород можно найти в работах Дж. Уайта. Дальнейшее развитие многоволнового подхода для исследования околоскважинного пространства с использованием электроискровых источников выполнено Владовым М.Л.
Предпринятая автором попытка получения численного решения для расчета волнового поля в околоскважинном пространстве от источника смещения натолкнулась на серьезные трудности при задания граничных условий на контакте жидкости и твердого тела. Его можно считать в достаточной степени приближенным, так как оно неплохо описывает кинематические особенности образующихся волн и несколько хуже их динамические свойства (Рис.98)
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. 3. Ленточные фундаменты.
Для ленточного фундамента была использована математическая модель возбуждения акустического поля вертикальной силой на поверхности линейно-упругой призмы, находящейся в слоистом полупространстве..
Решение данной задачи может быть получено как для точек, находящихся внутри фундамента, так и для точек, находящихся в грунтовом массиве. Последнее обстоятельство позволило рассчитать коэффициент передачи для выбранной модели фундамента. Обследование ленточных фундаментов производится, в основном, в период эксплуатации зданий и сооружений, так как, большинстве случаев, в период строительства контроль качества строительства достаточно хорошо отработан.
Построенные математические модели и полученные результаты математического моделирования волновых полей были использованы для изучения основных особенностей распространения волновых полей, построения методик наблюдений и обработки полевых материалов.
