Опыт применения многоканального Измерителя Длины Свай ИДС-2 при решении геотехнических задач

Введение

Вопросы, возникающие в практике инженерно-геологических и геотехнических изысканий, решаются с применением комплекса мероприятий, включающего геофизику. Ряд специфических задач требует использования методов т.н. технической геофизики, дисциплины на стыке инженерной геофизики и дефектоскопии [1, 2].

При неразрушающем контроле качества геотехнических конструкций и оценке их взаимодействия с грунтами основания традиционно применяются волновые методы [3]. В научной литературе подробно описаны особенности исследования свайных фундаментов с применением сейсмоакустического метода и его модификаций [4-8], использования геофизики при контроле качества и оценке контактных условий фундаментных плит и обделки тоннелей [9-11]. Ведется разработка нормативно-технической регламентации для подробно описанных методик [2], учитывающая наработки стандартов ASTM [12-15]. Помимо внесения информации о применении геофизических методов в тексты Сводов Правил разрабатываются подробные руководства [16].

В сравнении с инженерной геофизикой методики технической геофизики отличает сравнительная простота проведения полевых работ (один оператор за рабочую смену способен выполнить сотни точек акустических наблюдений или записать несколько километров радарных данных), несложный граф обработки (не требующий полноценного функционала геофизического программного обеспечения и применяемый для упрощения визуальной интерпретации), прямая зависимость достоверности результатов исследований от объема априорной информации [2].

Указанные особенности формируют запрос на специализированную аппаратуру, обладающую ограниченным функционалом и применимую для решения частных задач.

Измеритель длины свай ИДС-1 (ООО «Логические системы», Россия) в начале 2000-х стал одним из первых серийных геофизических приборов, спроектированных в качестве малоканальной сейсмостанции, предназначенной для обследования геотехнических конструкций. ИДС-2, второе поколение измерителя – современный геофизический прибор, предназначенный в первую очередь для сейсмоакустического обследования свайных фундаментов [17].

На примере решения нескольких распространенных задач с применением ИДС-2 возможно обозначить ряд общих вопросов, связанных с оборудованием для методов технической геофизики.

Методы и оборудование

Контроль качества свайных фундаментов сейсмоакустическим методом (эхо-методом, методом sonic) – распространенная задача, различные аспекты которой подробно исследованы специалистами. Метод основан на возбуждении в теле конструкции продольных стержневых волн и использует теоретическое приближение «тонкого стержня в однородном полупространстве» при анализе сигналов (рис. 1, a) [4]. Выделение аномальных свай (длина или сплошность материала которых не соответствуют требованиям проекта), локализация участков возможного сужения и уширения сечения – достаточно успешно решаемые сейсмоакустическим исследованием задачи [4-5, 7]. Распространенные модификации, использующие нестандартное расположение датчиков: параллельный сейсмический метод [6], профилирование с общим пунктом возбуждения / ультрасейсмический метод [16], обследование свай в составе существующих сооружений и ростверков [7].

Метод анализа отклика (impulse response testing) является одним из наиболее распространенных способов акустического контроля качества фундаментных плит и плитоподобных конструкций (мостовых покрытий, подпорных стен, тоннельной обделки и др.) [11]. Он заключается в возбуждении низкочастотных колебаний в обследуемой плите по регулярной сети наблюдений (рис. 1, b) и предназначен для обнаружения крупных нарушений контакта с грунтом и локализации значительных неоднородностей материала (размерами в плане в первые метры и более). Метод позволяет оперативно обследовать значительные по площади конструкции [10], имеет несколько распространенных методик анализа данных [14, 16].

Рис. 1. Акустическое обследование монолитных конструкций (из [16] с изменениями): a – сейсмоакустический контроль свай; b – оценка контакта «плита-грунт» методом анализа нормированного отклика. Условные обозначения: 1 – конструкция; 2 – грунт; 3 – вовлеченный в колебание объем среды; 4 – отклик во временной и частотной области

Метод многоканального анализа поверхностных волн (MASW) заключается в использовании информации об амплитудно-частотном составе поверхностных волн. Цуг волн Рэлея распространяется вдоль границы «земля-воздух» и содержит информацию не только о продольных, но и сдвиговых смещениях грунта [16]. Это позволяет выполнять экспресс-оценку геотехнических параметров грунтового массива (модулей упругости, коррелируемых с изменением скоростей поперечных волн с глубиной) и средневзвешенной скорости поперечных волн V_S30, требуемой при выполнении сейсмического микрорайонирования [18-20].

Область технической геофизики не ограничена перечисленными выше методами и задачами [1]. Близко к обследованию свай и плит расположен импакт-эхо метод (impact-echo testing), использующий явление геометрического (толщинного) резонанса при обследовании строительных конструкций [11, 15], анализ поверхностных волн по методикам MASW и SASW применяется для обследования геотехнических покрытий (дорожной одежды, грунтовых насыпей и т.п.).

Специфика задач и методов их решения требует от аппаратуры соответствия ряду требований:

- компактность: работа ведется в стесненных условиях функционирующих строительных площадок и действующих объектов инфраструктуры;

- многоканальность: стандартные методики акустического контроля свай и плит требуют одного регистрирующего канала, однако вспомогательные методики и адаптация приемов из инженерной геофизики или дефектоскопии требуют наличия как минимум двух каналов записи;

- совместимость с различными видами регистрирующих датчиков: элементная база современных регистраторов позволяет, в зависимости от выбранного метода, работать с акустическими колебаниями в диапазонах от сотен Гц до десятков кГц;

- возможность для обработки данных как в специализированном приборном, так и в распространенном программном обеспечении.

Основная особенность ИДС-2, представляющая интерес для специалиста с учетом вышесказанного – в возможности его использования в качестве телеметрической сейсмостанции [17]. Наличие формальной специализации на измерении длины свай не лишает прибор функционала. Записанные сигналы экспортируются на персональный компьютер в формате SEG-Y, что позволяет использовать для их обработки геофизическое программное обеспечение.

Использование нескольких регистраторов (до 4-х) позволяет выполнять обследование ленточных фундаментов, плит, массивных монолитных конструкций и других конструкций сложной геометрии. Возможно проведение работ по методикам наземной сейсморазведки.

Использование ИДС-2 в качестве регистратора с заменой встроенного датчика GS-20DX (опция, предусмотренная конструкцией прибора) на датчик с иной частотной характеристикой или чувствительностью (например, GTSensor [21]) дает возможность обследования обделки тоннелей, шахтной крепи, гидротехнических сооружений и др. плитоподобных конструкций, в том числе с применением импакт-эхо метода.

Результаты

Рассмотрим несколько примеров использования ИДС-2 при решении описанных выше задач. Данные сейсмоакустического обследования свайного и плитного фундаментов были обработаны с помощью программного комплекса GeoTechControl (ООО «ГЕОДЕВАЙС», Россия), данные метода MASW обрабатывались с помощью программы SeisPro (ООО «Деко–геофизика СК», Россия).

На рисунке 2 представлены результаты определения длины и оценки сплошности буронабивной сваи (класс бетона B40, диаметр 1000 мм, проектная длина 21,1 м) с применением сейсмоакустического метода. При обследовании использовалась методика разночастотного возбуждения сигнала с помощью нескольких ударных источников с различным весом и материалом бойка (металлический молоток весом 200 г, молоток из твердого пластика весом 350 г, резиновая киянка весом 450 г) [4, 7].

Датчик прибора устанавливался в трех точках на поверхности оголовка сваи на предварительно подготовленные с применением угловой шлифовальной машинки площадки. При обработке к собранному для каждого молотка массиву сигналов применялась двумерная сглаживающая фильтрация, что позволило получить усредненный вид волной картины. Для всех источников хорошо прослеживается отражение от нижнего торца сваи, что позволяет говорить о сплошности ствола сваи. При скорости распространения стержневой волны, принятой равной 4500 м/с (выбрана с учетом класса прочности бетона сваи и возраста бетона конструкции), средняя определенная длина сваи составляет 21,07 м, т.е. с высокой точностью соответствует проектному значению параметра.

На примере наборов данных для различных молотков можно показать приближение к случаю «тонкого стержня» при увеличении веса и снижении жесткости бойка источника (соответствует снижению центральной частоты зондирующего импульса). Сигналы, полученные для резиновой киянки, избавлены от высокочастотных акустических помех (связанных с незначительными изменениями поперечного сечения сваи или акустической жесткости насыпных грунтов в верхней части конструкции).

На рисунке 3 представлены результаты акустического обследования монолитной плиты толщиной 600 мм в основании строящегося высотного здания. Целью геофизических работ являлась локализация участков возможного нарушения/ослабления контакта фундаментной плиты с грунтом основания. Поводом для обследования послужили неравномерные осадки участка плиты, выявленные при геодезическом мониторинге. Причиной их возникновения мог стать частичный размыв грунтовой подушки из-за недобросовестной организации работ по подготовке основания конструкции.

Рис. 2. Пример определения длины сваи с применением разночастотного возбуждения сигнала. Условные обозначения: 1 – момент нанесения удара по оголовку конструкции; 2 – момент регистрации отражения от нижнего торца сваи; 3 – оценка длины сваи для ударных источников

Для возбуждения сигнала использовалась резиновая киянка весом бойка 450 г. Для каждой из 80 точек, равномерно распределенных по поверхности обследуемой плиты, производилась запись не менее 10 накоплений. Удары киянкой наносились с разных сторон от точки регистрации в пределах 10-20 см для снижения влияния случайных помех на данные.

Результаты обработки данных метода анализа отклика представлены в виде карт распределения атрибутов нормированного сигнала. Значения атрибутов по сети наблюдений проинтерполированы до плановых размеров конструктива. Согласно рекомендациям [16] для выделения точек наблюдений с аномальным откликом был использован критерий однократного (ослабленный контакт/ незначительная неоднородность материала) и двукратного (нарушенный контакт / значительная неоднородность материала) превышения стандартного отклонения у для атрибута энергии относительно медианного значения по выборке, а также критерий совместного аномального поведения нескольких атрибутов отклика из [11].

Акустический отклик плиты в целом ведет себя сравнительно однородно, что позволяет локализовать области аномального отклика. Участок развития аномальных осадок плиты паркинга не выделяется в качестве аномального по картам атрибутов. Это позволило сделать вывод об отсутствии значительных по размерам пустот ниже обследуемой плиты в области развития осадок (подтвержденный позднее данными геодезического мониторинга – на момент проведения испытаний произошла стабилизация, а позднее полное затухание осадок).

Для нескольких участков конструкции были выделены зоны аномального отклика. Их наличие может быть связано с наличием локальных зон ослабления контакта «плита-грунт» или внутренними неоднородностями в бетоне конструкции (возникшими после ее неравномерных осадок). Установленные области были рекомендованы для обследования прямыми методами в случае, если в процессе мониторинга фундамента возникнет необходимость продолжения обследования. По итогам обследования было показано отсутствие значительного в плане нарушения контакта плиты с грунтом.

Рис. 3. Карты атрибутов нормированного отклика (даны в расцветке, соответствующей применению к выборке значений критерия «трех σ»). Условные обозначения: черный пунктир – область зафиксированных неравномерных осадок плиты; синяя сплошная линия – области аномального отклика согласно анализу поведения атрибутов

На рисунке 4 представлены результаты применения ИДС-2 с двумя модулями регистрации данных для обследования грунтового массива по методу MASW. Для возбуждения сигнала применялась металлическая кувалда весом бойка 2 кг с плашкой-распределителем. Первый канал регистратора использовался в качестве датчика момента нанесения удара, второй перемещался вдоль профиля наблюдений с шагом 0,25 м. Профиль с максимальным удалением «источник-приемник» в 8 м позволил получить данные хорошего качества (фундаментальная мода поверхностных волн прослеживается на дисперсионном изображении в диапазоне 6-100 Гц) и дать оценку скорости поперечных волн до глубины 6 м.

Рис. 4. Применение двухканального ИДС-2 для работ по методике MASW: a – сбор полевых данных (сверху) и пример сейсмограммы с пропикированными первыми вступлениями (снизу); b – полученное дисперсионное изображение (сверху) и оценка изменения скорости поперечных волн (снизу) по результатам инверсии данных. Условные обозначения: 1 – пропикированная дисперсионная кривая; 2 – теоретическая дисперсионная кривая; 3 – восстановленный разрез изменения скорости поперечных волн с глубиной

Заключение

На примере решения нескольких геотехнических задач с применением многоканального измерителя длины свай ИДС-2 показана специфика применяемых для работ методами «технической геофизики» приборов. По своему функционалу эти устройства располагаются между геофизической аппаратурой, позволяющей выполнять работы несколькими методами, и приспособлениями для неразрушающего контроля, предназначенными для реализации жестко стандартизированных методик.

Актуальным является вопрос о метрологическом контроле подобного оборудования, т.к. оно применяется для решения задач (например, оценка конструктивных параметров сооружений), достоверность которых в том числе зависит от точности измерений.

Важной чертой данных приборов является возможность адаптации оборудования для выполнения работ нестандартными методами за счет дополнения его комплекта модульными устройствами. Разработка и совершенствование регистрирующих датчиков, совместимых с сейсмостанцией, позволяет использовать многоканальный прибор не только для стандартных методик обследования свай и плит, но и для работ параллельным сейсмическим методом или импакт-эхо методом.

Список источников

1. Капустин В.В., Владов М.Л. Техническая геофизика. Методы и задачи // Геотехника. 2020. Т. 12. № 4. С. 72–85. https://doi.org/10.25296/2221-5514-2020-12-4-72-85
2. Чуркин А.А., Капустин В.В., Конюхов Д.С., Владов М.Л. Последние изменения в российской практике нормативного регулирования технической геофизики // Геотехника. 2021. Т. 13. № 2. С. 56–70. https://doi.org/10.25296/2221-5514-2021-13-2-56-70
3. Hertlein B., Davis A., Nondestructive Testing of Deep Foundations. John Wiley & Sons, 2006. 290 p. https://doi.org/10.1002/0470034831
4. Капустин В.В. К вопросу о физических основах акустического метода испытания свай // Инженерные изыскания. 2011. Т. 5. № 11. С. 10–15.
5. Качанов В.К., Соколов И.В., Федоренко С.А., Лебедев С.В. Использование импакт-эхо метода для анализа целостности забивных железобетонных бетонных свай // Измерительная техника. 2017. № 4. С. 56-60. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2017-4-56-60.
6. Чуркин А.А., Капустин В.В., Лозовский И.Н., Жостков Р.А. Исследование влияния параметров системы свая–грунт на динамические атрибуты акустического сигнала с использованием численного моделирования // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332, № 1. С. 129–140. https://doi.org/10.18799/24131830/2021/1/3006
7. Чуркин А.А., Лосева Е.С., Лозовский И.Н., Сясько В.А. Приемы повышения достоверности оценки длины свай в составе существующих сооружений при обследовании сейсмоакустическим методом // Контроль. Диагностика. 2022. № 10. С. 24–32. https://doi.org/10.14489/td.2022.10.pp.024-032.
8. Шмурак Д.В., Чуркин А.А., Лозовский И.Н., Жостков Р.А. Спектральный анализ данных параллельного сейсмического метода обследования подземных конструкций // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2022. Т. 86. № 1. С. 116–121. https://doi.org/ 10.31857/S0367676522010252
9. Капустин В.В., Кувалдин А.В. Применение комплекса геофизических методов при исследовании фундаментных плит // Технологии сейсморазведки. 2015. № 1. С. 99–105. https://doi.org/10.18303/1813-4254-2015-1-99-105
10. Tang H., Long S., Li T., Construction and Building Materials, 2019, vol. 228, no. 116762. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116762
11. Чуркин А. А., Хмельницкий А. Ю., Капустин В. В. Оценка условий контакта конструкций с грунтовым массивом по атрибутам нормированного акустического отклика // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2022. № 5. С. 17–21.
12. ASTM D5882-16 Standard test method for low strain impact integrity testing of deep foundations. ASTM International, 2016. 6 p. https://doi.org/10.1520/D5882-16
13. ASTM D8381-21 Standard Test Methods for Measuring the Depth of Deep Foundations by Parallel Seismic Logging. ASTM International, 2021. 8 p. https://doi.org/10.1520/D8381_D8381M-21
14. ASTM C1740-16 Standard Practice for Evaluating the Condition of Concrete Plates Using the Impulse-Response Method. ASTM International, 2016. 10 p. https://doi.org/10.1520/C1740-16
15. ASTM C1383-22 Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method. ASTM International, 2022. 11 p. https://doi.org/ 10.1520/C1383-15R22
16. Руководство по контролю качества скрытых работ геофизическими методами при строительстве подземных объектов, включая объекты метрополитена, на территории Москвы. М.: Комплекс градостроительной политики и строительства города Москвы, 2021. 114 с.
17. ИДС-2 на сайте ООО «НПЦ Геотех». URL: https://www.geotech.ru/izmeritel_dliny_svaj_ids-2/ (дата обращения: 16.12.2022)
18. Jamiolkowski M., Soils and Rocks, 2012, vol. 35, no. 2, pp. 117–137. https://doi.org/10.28927/SR.352117
19. Salas-Romero S., Malehmir A., Snowball I., Brodic B., Near Surface Geophysics, 2021, vol. 19, pp. 699–715. https://doi.org/10.1002/nsg.12173
20. Da Col F, Accaino F, Böhm G, Meneghini F., Applied Sciences, 2022, vol. 12, no. 9, no. 4535. https://doi.org/10.3390/app12094535
21. Датчик GTSensor на сайте ООО «ГЕОДЕВАЙС». URL: https://geodevice.ru/main/seismic/seis-cables/gtsensor/ (дата обращения: 16.12.2022)