Отправить сообщение, заявку, вопрос

Зарегистрироваться для участия в конференции

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению

Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 74 , авторов - 234 ,
всего информационных продуктов - 2157 , из них
статей журнала - 475 , статей базы знаний - 58 , новостей - 1563 , конференций - 3 ,
блогов - 8 , постов и видео - 40 , технических решений - 9

Copyright © 2016-2018 ГеоИнфо
Все права защищены

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
22 июня 2017 года

Решение инженерных и инженерно-геологических задач в период строительства и эксплуатации сооружений

В последние годы геофизические методы, применявшиеся исключительно для целей инженерно-геологических изысканий, используются гораздо более широко. С помощью геофизики обследуются качество строительных конструкций, состояние свай, взаимодействие сооружения и грунта, техногенные динамические нагрузки, глубина фундаментов и пр.

Вместе с тем, как заключает автор, в настоящее время развитие тех или иных методов определяется не только целесообразностью и эффективностью их применения, но и коммерческой составляющей.

Особенностью отечественного пути является то обстоятельство, что развитие нового часто происходит не на основе усовершенствования существующего, а на его развалинах.

Капустин Владимир ВикторовичТехнический директор ООО «НИИ ГЕОТЕХ»

Методы инженерно-геологических и геофизических исследований, применяемые при изысканиях под будущее строительство, в последнее время стали использоваться и в период строительства и эксплуатации сооружений для решения различного рода инженерных проблем. Данный факт уже узаконен в СП 11-105-97. Разнообразие встречающихся в данные периоды задач таково, что даже перечислить их в рамках данной публикации не представляется возможным, поэтому рассмотрим их в рамках общих категорий.

В период строительства основное внимание уделяется контролю качества конструкций, предотвращению аварийных ситуаций и их последствий, уточнению геологических условий, а также дополнительным исследованиям, связанным с изменением проекта и оценкой влияния строительства на окружающую застройку и среду. В период эксплуатации основными задачами являются: аварийные ситуации и обследование, необходимое для ремонта, реконструкции и ликвидации сооружений. В теории это так, но на деле все может оказаться совсем иначе.

 

Контроль качества строительных конструкций

Рассмотрим данную ситуацию на примере контроля качества строительных конструкций. Типовое домостроение, развитое во времена существования СССР, при всех своих недостатках имело серьезное преимущество в том, что большинство конструктивных элементов зданий производились в заводских условиях, где осуществлялся контроль их качества. В настоящее время многие крупные конструктивные элементы зданий (фундаментные плиты, стены, перекрытия и т.п.) сооружаются из монолитного железобетона непосредственно на строительной площадке. Организовать проверку качества произведенных конструкций в условиях стройки значительно сложнее, чем в стационарных условиях завода. Кроме того, дело осложняется еще тем, что с развитием современных технологий проектирования и строительства появились новые обстоятельства, требующие развития новых методов обследования конструкций. Во многих случаях возникает требование применения неразрушающих методов контроля. Следующее требование обусловлено большими размерами современных конструкций, когда начинает действовать объемный фактор, то есть для оценки работы и состояния конструкций требуются интегральные характеристики материала, а не дифференциальные (относящиеся к небольшому объему материала), которые предоставляют большинство используемых методов исследования. В качестве примера можно упомянуть хорошо развитые и широко применяемые ультразвуковые методы исследования материала конструкций. Объем материала, в пределах которого определятся его свойства ультразвуковыми методами, сопоставим с объемом используемого для испытаний керна или бетонных кубиков. Поэтому при обследовании крупных железобетонных конструкций возникает необходимость перехода к акустическому диапазону. Впервые с этим столкнулись в период развития строительства гидротехнических сооружений, когда потребовались исследования свойств скальных и полускальных пород. Основной проблемой в тот момент была невозможность определения классическими методами деформационных и прочностных характеристик для больших объемов породы, которые непосредственно воспринимают нагрузки от сооружения. Именно тогда происходило интенсивное развитие акустических методов (Савич, 1979). Акустические методы исследования бетонных конструкций используются в отечественной строительной практике в значительно меньших объемах, нежели ультразвуковые. В зарубежной практике, напротив, акустические методы применяются достаточно широко. Это во многом объясняется отсутствием в нашей стране соответствующей аппаратуры и несовершенством нормативных документов. Для организации эффективной системы контроля качества необходимо, чтобы соответствующие мероприятия закладывались непосредственно в проект.

 

Исследование состояния свай

Особое место в системе контроля качества занимают так называемые «скрытые» работы. В соответствии с СП 45.13330.2012 «должен быть обеспечен соответствующий контроль качества при производстве строительных изделий и выполнении работ на строительной площадке». Перечь основных видов скрытых работ приведен в Приложении Б данного свода правил. Проще говоря, сюда относятся все объекты, которые создаются в подземном пространстве и доступ к ним и визуальный осмотр практически невозможен. Это сваи, стены в грунте, ограждающие конструкции котлованов, противофильтрационные завесы и экраны и любые другие объекты, созданные в грунте на основе железобетона, грунтоцемента и других закрепляющих составов и способов. При производстве подобных объектов, как уже отмечалось выше, требуются мероприятия по организации контроля качества, состоящего, как минимум, из двух этапов:

  • Контроль за соблюдением требований нормативных документов и технических регламентов при производстве работ;
  • Инструментальный контроль готовой продукции.

Первое, как правило, соблюдается. Со вторым пунктом дела обстоят намного хуже. Не секрет, что существующие в отечественной практике методы инструментального контроля еще далеки от совершенства. Это объясняется в первую очередь отсутствием необходимой методической и аппаратурной базы, что обуславливает их невысокую востребованность. Однако существует и другой фактор: поскольку проведение инструментальных исследований часто бывает технически сложно и требует материальных затрат, производится их подмена малозатратными, но не пригодными для решения поставленных задач методами. Следующим существенным фактором, сдерживающим развитие инструментальных методов, является удобная позиция, что неукоснительное соблюдение требований нормативных документов при проведении «скрытых работ» является полной гарантией качества производимой продукции. Опыт показывает, что это требование необходимое, но далеко не достаточное.

Возможно, что подобная ситуация создалась в связи с тем, в нормативных документах нет прямых рекомендаций по применению инструментальных методов при контроле качества железобетонных, грунтоцементных и других видов свай. В частности, при проведении исследовании свай приходится указывать, что работы выполняются в соответствии с «Технологическим регламентом по применению неразрушающего экспресс-контроля сплошности свай методом «СОНИК»» (ОАО ЦНИИС, 2002) или ASTM D5882-16 «Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations. Несомненно, что для применяемых инструментальных методов требуются регламентирующие нормативные документы. Таковые имеются в полном объеме для ультразвуковых методов. Для акустических и георадарных методов необходимы соответствующие документы, учитывающие современный опыт и имеющиеся отечественные разработки. К примеру, использование при исследовании ж\б свай акустического метода с многочастотным возбуждением сигнала (Капустин, 2011) и численных методов моделирования волнового поля в свае, позволяет решать более широкий круг задач, чем используемый в отечественной и зарубежной практике метод «СОНИК» (рис.1).

 

Рис.1. Акустическое поле в буронабивной свае (длина 28,0 м, диаметр 1,0 м) при многочастотном возбуждении колебаний: Рис.1. Акустическое поле в буронабивной свае (длина 28,0 м, диаметр 1,0 м) при многочастотном возбуждении колебаний:1 – резиновым молотком; 2 – металлическим молотком весом 600 гр; 3 – металлическим молотком весом 200 гр; 4 – металлическим молотком весом 100 гр.

 

 

Методика многочастотного возбуждения позволяет оценить влияние вмещающего сваю грунта и увидеть особенности внутреннего строения сваи. Возможность моделирования акустических полей и решение динамической задачи распространения акустического поля в сваях значительно повышает надежность результата и расширяет круг решаемых задач (рис.2).

 

Рис.2. Результат решения динамической задачи для акустического поля в свае. 1 – полевая сейсмограмма; 2 – результат решения динамической задачи Рис.2. Результат решения динамической задачи для акустического поля в свае. 1 – полевая сейсмограмма; 2 – результат решения динамической задачи

 

Метод SIT (PIT), реализованный на основе зарубежного аппаратурного комплекса, является высокотехнологическим способом определения длины и сплошности свай, достаточно легко осваиваемым пользователями различных специальностей. Большая часть операций в нем автоматизирована, за счет чего метод имеет более высокую производительность, чем аналоги, реализованные на отечественной аппаратуре, где процесс обработки и интерпретации в большей мере производится с участием специалиста. В результате выигрыш в производительности и простоте применения происходит за счет сужения круга решаемых задач. Эти моменты следует учитывать при выборе метода в зависимости от поставленной задачи.

Поскольку акустический метод является недорогим и производительным (за смену оператор может обследовать более 50 свай), он может применяться в комплексе с испытаниями свай статическими или динамическими нагрузками, способствуя выбору свай, предназначенных для испытаний. Комплексирование акустических методов с ультразвуковыми (ASTM D6760 - 02: Standard Test Method for Integrity Testing of Concrete Deep Foundations by Ultrasonic Crosshole Testing) позволяет получить исчерпывающую информацию о состоянии свай.

Скважинные акустические и ультразвуковые методы имеют преимущество перед поверхностными методами при исследовании свай с неоднородными прочностными свойствами и геометрическими размерами – грунтоцементные сваи, РИТ-сваи (разрядно- импульсная технология) и т.п.

В начале двухтысячных годов в Москве и Санкт-Петербурге при строительстве кольцевых автодорог и ряда крупных транспортных развязок широко применялась технология «Jet grouting». Специально для нее была разработана методика инструментального контроля грунтоцементных свай и свайных массивов, позволявшая оценивать сплошность, прочностные, деформационные и геометрические свойства данных объектов. Сущность методики заключалась в том, что сразу после изготовления сваи, выбранной для проверки, в технологическое отверстие, образовавшееся после извлечения монитора, вставлялась пластиковая трубка, использовавшаяся в последствии в качестве наблюдательной скважины. В результате появлялась возможность наблюдений за набором прочности грунтоцемента, проведения опытно-методических работ по выбору регламента изготовления грунтоцементных массивов и подбору связующих добавок. При использовании данной методики для контроля за ограждающими конструкциями котлована имеется возможность оценивать сплошность ограждения еще до вскрытия котлована, что существенно повышает безопасность работ. В настоящее время данная методика практически не востребована. Кстати сказать, в нормативных документах данная методика не упоминается.

 

Исследования взаимодействия сооружения и грунта

В период строительства и эксплуатации сооружения грунтовое основание испытывает значительные статические и динамические нагрузки, приводящие, в ряде случаев, к неравномерным осадкам сооружения. Дополнительное воздействие могут оказывать также действующие негативные инженерно-геологические и техногенные процессы. Возможность изучить состояние грунтового основания непосредственно под сооружением позволяют методы скважинной акустической томографии и радиоволновой геоэнтероскопии, которые позволяют получить двумерное и трехмерное изображение геологической среды (рис.3).

 

Рис.3. Результаты скоростной акустической томографии под днищем шлюза Рис.3. Результаты скоростной акустической томографии под днищем шлюза

 

Наиболее сложная задача – изучение контактных условий сооружения со средой. Например, для правильной работы фундаментной плиты или обделки тоннеля необходим плотный и однородный контакт конструкций с вмещающим грунтом. Волновые методы (акустические и электромагнитные), используемые для оценки контактных условий, основаны на анализе отраженных волн от границы контакта. Перед тем как приступить к анализу контактных условий, необходимо исследовать внутреннее строение контактирующей конструкции (рис. 4). Анализ волнового поля может проводиться как во временной, так и в частотной области.

 

Рис.4. Пример дефектограммы, представленной в трёхмерном виде. Плита короля шлюза. Максимумы нормированной амплитуды резонанса соответствуют трещинам и дефектам Рис.4. Пример дефектограммы, представленной в трёхмерном виде. Плита короля шлюза. Максимумы нормированной амплитуды резонанса соответствуют трещинам и дефектам

 

После установления внутреннего строения объекта, можно приступить к изучению контактных условий. Для этого можно использовать различные атрибуты волнового поля: анализ амплитуд отраженного от контакта сигнала (рис.5), энергии, декремента затухания, добротности и т.п.

 

Рис.5. Карта амплитуд отражённого от подошвы фундаментной плиты сигнала Рис.5. Карта амплитуд отражённого от подошвы фундаментной плиты сигнала

 

Зоны с высоким значением амплитуд отраженного сигнала в данном случае могут интерпретироваться как участки нарушенного (ослабленного) контакта. Методы неразрушающего контроля успешно комплексируются с бурением, статическим и динамическим зондированием и т.п., позволяя оптимально выбрать наиболее представительные участки для испытания.

В СП 45.13330.2012 (Приложение П) изложены технические требования при закреплении грунтов. Предлагаемые методы: испытания кернов, статическое и динамическое зондирование, неразрушающий контроль. Геофизические методы рекомендованы при оценке качества закреплении грунтов. Основными задачами, решаемыми с помощью геофизики, являются оценка сплошности массива и изменения его прочностных и деформационных характеристик. В тех случаях, когда требуется оценка сплошности массива, оптимальным является комплекс инженерно-геологических (бурение, полевые методы испытания грунтов) и геофизических методов. Выше уже упоминалось, что методы исследований, применяемые при выполнении инженерно-геологических работ, в зависимости от объема исследуемой среды могут быть разделены на две категории: методы точечного опробования (дифференциальные методы) и интегральные методы, относящиеся к значительному объему среды. К первым относятся буровые методы, часть методов полевых испытаний грунтов (статическое, динамическое зондирование). Сюда же в ряде случаев могут быть отнесены и ультразвуковые методы. Геофизические методы в основном являются интегральными, то есть характеристики среды, определяемые с их помощью, относятся к определенному объему среды. Фактор объема, в пределах которого оценивается характеристика, определяется длинной волны зондирующего сигнала и расстоянием между источником и приемником. Для волновых методов объем среды, оказывающий влияние на прохождение упругих волн, может быть определен как: 0,2L2, где L-расстояние между источником и приемником,  -  длина волны или более точно он может быть определен из соотношения для первых зон Френеля.

При использовании ультразвуковых способов для бетона Vu =4000 м/сек, L=20 см f=60000Гц- объем среды оказывающий влияние на прохождение ультразвука примерно равен кубу с ребром 6 см, для акустической волны Va =4000 м/сек , L=1 м, f=1000Гц объем среды равен кубу с ребром порядка 1,5 м. Для бетонов в большинстве случаев выполняется соотношение Va  Vu. Наиболее полное представление о поведении фазовой скорости и о проявлении влияния неоднородности можно получить, построив зависимость V=f(). Особенностью акустических измерений на фундаментных плитах или конструкциях с постоянной толщиной является то обстоятельство, что при неизменной толщине плиты объем среды, влияющий на прохождение акустических волн, является величиной постоянной. Отношение скорости акустической волны к скорости ультразвуковой может служить характеристикой однородности бетона. Чем ближе это отношение к единице, тем ближе изучаемый материал к однородной изотропный среде. Данные выводы могут быть отнесены и к грунтоцементным массивам и массивам, сформированным с использованием друг способов закрепления грунтов.

При использовании только дифференциальных методов при оценке сплошности и распределения свойств массива возможны серьезные ошибки, так как данные величины могут иметь сильную изменчивость, и для определения их распределения потребуется слишком густая сеть точечных наблюдений. Простой пример: тончайшая трещина резко изменяет звучание колокола, а попытки обнаружить ее с помощью точечного опробования могут ни к чему не привести. Этот же принцип используется и для обнаружения дефектов в железобетонных и грунтоцементных массивах и конструкциях. Возбуждая различные моды колебаний и исследуя их спектральный состав, можно сделать заключение о наличии или отсутствии дефектов. При этом не потребуется слишком густая сеть наблюдений.

При армировании грунтового массива, например, путем инъектирования или с использованием какого-либо типа свай, не происходит образование однородной по составу и свойствам среды. Применение для оценки изменения свойств массива дифференциальных методов (бурения, статического зондирования и т.п.) не даст искомого результата, поскольку в данном случае требуется оценка интегральных характеристик. В частности, если армирование массива применяется для уменьшения сейсмического воздействия, то необходимо определить реакцию среды на воздействие динамических нагрузок в диапазоне от 1 до 10 Гц, что соответствует значениям довольно большого объема среды. В подобных случаях методы исследования распространения упругих волн и колебаний существующих сооружений могут оказаться основными.

 

Исследования техногенных динамических нагрузок

Помимо изучения сейсмических нагрузок на грунты и сооружения, в связи с растущей урбанизацией территорий растет необходимость исследований динамических нагрузок, создаваемых транспортными системами и промышленным оборудованием. Связано это с тем, что величина техногенных динамических нагрузок становится сравнимой с величиной слабых землетрясений: от 4 до 5 баллов. В настоящее время для решения этой проблемы идет развитие комплекса полевых и лабораторных исследований для оценки основных параметров полей динамических напряжений и реакции грунтовых массивов, что нашло свое отражение в СП 22.13330.2011.

 

Определение глубины фундамента

Довольно часто на практике встречается инженерная задача определения глубины залегания подошвы фундамента и его геометрических размеров. ГОСТ 31937-2011 – рекомендует «глубину заложения фундаментов определяют с применением соответствующих средств измерений». В качестве «соответствующих средств измерений» могут быть рекомендованы наземные и георадарные акустические и георадарные методы (Рис.6).

 

Рис.6. Георадарный профиль (1) и его изображение с помощью атрибута максимальной амплитуды (2) для определения глубины и геометрических размеров плит, являющихся фундаментом несущих колонн Рис.6. Георадарный профиль (1) и его изображение с помощью атрибута максимальной амплитуды (2) для определения глубины и геометрических размеров плит, являющихся фундаментом несущих колонн

 

Геофизические методы, используемые для определения глубины фундамента, оказываются очень востребованными в городских условиях, где проведение земляных работ зачастую представляют серьезную проблему.

 

Заключение

В вопросе применения геофизики для решения инженерно-геологических и инженерных задач обычно наблюдаются две крайности – полное неприятие геофизики, либо, наоборот, ее применение в тех случаях, где она фактически не работает. При определении физико-механических свойств бетонных и грунтоцементных свай и массивов в большинстве случаев предпочтение отдается лабораторным испытаниям керна. Каждый, кто хотя бы раз присутствовал при бурении бетона, видел, что выход керна не бывает 100%, да и отбор проб ненарушенной структуры является сложной технической проблемой. Достоверность результата может быть увеличена с помощью каротажных методов. Следует отметить, что каротаж и исследование околоскважинного и межскважинного пространства малоглубинных скважин на практике используется довольно редко, хотя данные методы в значительной мере увеличивают кондиционность исследований.

В настоящее время развитие тех или иных методов определяется не только целесообразностью и эффективностью их применения, но и коммерческой составляющей.

Особенностью отечественного развития является то обстоятельство, что развитие нового часто происходит не на основе усовершенствования существующего, а на его развалинах.

 

Список литературы
  1. ГОСТ 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. М.: Стандартинформ, 2014.
  2. СП 13-102-200 Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М.:Стандартинформ, 2014.
  3. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. М.: Минрегион России, 2010.
  4. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. М.: Минрегион России, 2010.
  5. СП 45. 13330.2012 Земляные сооружения, основания и фундаменты. М.: Минрегион России, 2011.
  6. Савич А.И, Ященко З.Г. Исследование упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М., Недра, 1979, 214 с.
  7. Капустин В.В. Драницин Е.А., Парфенов А.В. Применение акустических методов неразрушающего контроля для исследования свай и свайных конструкций., НИИОСП., Сборник научных трудов.