Введение к работе
В последние годы круг задач, решаемых методами инженерной геофизики и, в частности, сейсмоакустики, значительно расширился. К вопросам, связанным с изучением строения, состояния и свойств грунтов оснований и скальных массивов, вмещающих подземные сооружения, добавились вопросы обнаружения дефектов и определения состояния конструктивных элементов сооружений. В результате появилась необходимость разработки новых методов сейсмоакустических исследований для моделей ч^еды, отличных от кинематического приближения в условиях горизонтально неоднородного полупространства. Среди таких моделей могут быть неоднородные стержни, мембраны и пластины неправильной, формы и другие конструктивные элементы. Широко распространенное кинематическое приближение оказывается недостаточным для решения задач локализации дефектов и определения характеристик заоблицовочного пространства подземных сооружений.
В гидротехнических тоннелях, водоводах, спиральных камерах ГЭС и других
подземных объектах в ходе их строительства и эксплуатации за металлическими и
бетонными облицовками и обделками часто образуются и развиваются пустоты,
ослабляющие конструкцию сооружения. Наличие пустот является одной из причин
возможных аварий, требующих значительных затрат на их ликвидацию. Пустоты
представляют собой либо дефекты строительства (например некачественная
заполнительная цементация), либо являются результатом развития
неблагоприятных геологических и техногенных процессов (карст, суффозия и т.п.) в период эксплуатации-тоннеля. Похожие дефекты имеют место и при возведении таких подземных сооружении, как машинные и трансформаторные залы ГЭС, тоннели различного назначения.
Актуальность настоящей диссертационной работы заключается в том, что при проведении мероприятий по заделке заоблицовочных пустот необходимо знать местоположение пустот, которые обычно никак не проявляются на поверхности облицовки, определять их геометрические параметры и характер заполнителя (ил, разуплотненный грунт, строительный мусор и т.п. ). В общем случае необходимо оценивать качество контакта облицовки с породой по всей поверхности облицовки без ее нарушения. Существующие сейсмоакустические методы не обеспечиваю; необходимую надежность и оперативность решения поставленной задачи.
В основе разработанного в диссертации метода динамического отклика (МДО) для определения пустот за облицовками гидротехнических тоннелей лежит
2 различие реакции среды на импульсное динамическое воздействие при наличии или отсутствии неодкородностей в заоблицовочной области (пустот, нарушений контакта бетон-скала и т.п.). При этом под реакцией среды понимается характер изменения во времени смещения поверхности облицовки на участке, измерений при приложении импульсного воздействия. Это воздействие представляет собой кратковременное (по сравнению с периодом собственных колебаний участка конструкции) усилие, передаваемое посредством механического удара, взрыва, электромагнитного импульса или иным динамическим способом. Колебания облицовки регистрируются с помощью размещенных на ее поверхности датчиков скорости смещения (сейсиоприемников).
МДО представляет собой один из методов инженерной сейсмоакустики и включает следующие этапы: проведение измерений {подготовительные работы, возбуждение колебаний, регистрация сигнала), обработку результатов намерений (преобразование зарегистрированного сигнала и соответствующей базы данных в удобную для интерпретации форму) и их интерпретацию (решение обратной задачи и истолкование результатов решения), оформление полученных результатов в виде карт. В основе метода динамического отклика для оценки состояния контакта бетон —скала лежит гипотеза о существенном различии механизмов колебаний дефектных и нормальных участков конструкции, что сказывается на форме и ряде параметров зарегистрированного сигнала. Во время отображения точек наблюдений на п —мерное пространство параметров сигнала участки с различными механизмами колебаний образуют компактные, практически непересекающиеся области. Из —за сложности и разнообразия подлежащих обі'.і руженгао подповерхностных объектов (как полостей, дефектов контакта, так и элементов конструкции) на первый алан при решении обратной задачи выходит идентификация, то есть выделение однотипных классов объектов и их пространственная локализация. Б такой постановке обратная задача наиболее эффективно решается не в рамках классических подходов, а с помощью методов "распознавания образов". Определение параметров полостей (их геометрические характеристики, физико-механические свойства заполнителей) производится для каждого из выделенных классов объектов в отдельности. Особенностью предлагаемого метода (МДО) является то, что для идентификации и оконтуривания неоднородностей заоблицовочкого пространства используется не отдельно взятый параметр колебаний поверхности (скорость смещения, частота, длительность, время распространения или другой), а комплекс, совокупность параметров.
Цель работы состоит в разработке МДО для определения качества контакта бетон - скала, локализации дефектов, измерения их формы и размеров, а также для оценки -свойств заполнителя заобделочных полостей в подземных-гидротехнических сооружениях на стадиях ик строительства, эксплуатации, реконструкции и ремонтно - восстановительных работ.
Основные задачи исследований:
-
Развитие физических основ МДО на основе изучения динамических особенностей колебаний облицовки подземного сооружения на участках с неоднородностями на контакте бетон —скала.
-
Разработка методики и техники проведения измерений МДО.
-
Разработка математического аппарата и программного обеспечения ЭВМ для обработки и интерпретации данных измерений.
Научная новизна работы состоит в создании метода оценки состояния контакта бетон —скала на основе физических особенностей распределения энергии упругих колебаний в окрестностях дефекта. Поставленная задача реализуются путем введения стадии идентификации в процесс решения обратной задачи. Для этого были разработаны элементы аппарата распознавания образов, установлены четкие критерии обнаружения по данным сейсмоакустических измерений дефектов контакта бетон —скала по данным инженерной сейсмоакустихи. Для определения формы и размеров дефектов и физико — механических свойств заполнителей предложен метод подбора, основанный на расчете колебаний пластаны неправильной формы. Получен экспериментальный материал, подтверждающий высокую эффективность предложенных подходов к решению поставленной задачи.
Практическая значимость работы. Разработанный метод предназначен для оперативного обнаружения неоднородностей на контакте бетон —скала, а та».же в толще обделок и облицовок на участках строящихся или реконструируемых гидросооружений непосредственно в процессе производства строительных работ. Метод экономически целесообразен, так как приводит к значительному сокращению затрат на обследование обделок и облицовок подземных сооружений. Результаты работы реализованы на участках подземного водовода Шамбской ГЭС (Армения) и строительного тоннеля Спандарянской ГЭС (Армения), строящихся
4 водоводов підроузла Тэри (Индия), свода машинного зала гидроузла Хоабинь (Вьетнам), дерривационных тоннелей Ирганайской ГЭС (Дагестан) и Ингурп ГЭС (Грузия), а также на участках Московского метрополитена и строящихся подземных автостоянках г. Москвы.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно выполнены теоретические и экспериментальные исследования, связанные с развитием физических основ МДО, разработана методика проведения измерений в натурных условиях и интерпретации результатов наблюдений. Автор диссертации осуществлял руководство и непосредственно участвовал совместно с сотрудниками ОГИИ ОАО "Институт Гидронроект" в выполнении экспериментальных работ на перечисленных выше гидроэнергетических и транспортных объектах.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на X и XII
Всесоюзных конференциях изыскателей института "Гидропроект", 1989 и 1992 г.,
Солнечногорск, Всесоюзных молодежных конференциях института
"Гидропроект", 1989 г., Москва, изыскательской секции научно —технического совета ОАО "Институт Гидропроект" в 1997 г.. Основные выводы работы .наложены в 5 публикациях, среди которых "Рекомендации по проведению работ МДО", (Гидропроект, М., 1997), заявка на изобретение "Метод контроля строительных конструкций" (приоритетная справка N 97104438 от 28.03.97).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы включающего 80 названий работ отечественных и зарубежных авторов, включает 120 страниц, в том числе 100 страниц машинописного текста, 7 таблиц и 25 иллюстраций.
