ООО "ГЕОДИАГНОСТИКА"
Главная ] Вверх ] О себе ] Приборы ] Геофизика ] Бурение ] Предложения ]  

 

 

        English

 

 

          ООО

"Геодиагностика"

 

    

ТЕХНОЛОГИИ

контроля

сплошности:

 

ледогрунтовых

ограждений

 

грунтоцементных

массивов и свай

 

бетонных

стен в грунте

 

шпунтовых

ограждений и

свай оболочек

 

буронабивных

свай

 

обделок

тоннелей

 

бетонных

конструкций

 

 

 

ОБЪЕКТЫ:

 

Размыв

пл. Мужества

 

Вторая сцена

Мариинского

театра

 

Западный скоростной диаметр

 

 

Кольцевая

 

 

автодорога

 

 

Рудник Мир

 

 

Резервный

коллектор

пл. Мужества

 

Автодорога М11

 

 

НОВОЕ:

 

Гироскопический

инклинометр

 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

           

 

 

 

 

 

     

 

       

 

КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ И ПРОЧНОСТИ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ МАССИВОВ В ПОДЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ НЕРАЗРУШАЮЩИМИ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

 

Доктор технических наук  Архипов Алексей Германович

ООО “Геодиагностика”, Санкт-Петербург

 

 

Закрепление слабых текучих и водонасыщенных грунтов оснований дорог, зданий и сооружений является необходимым решением при невозможности передать нагрузки на нижезалегающие твердые слои или требований снижения фильтрационных свойств. Известные многочисленные способы укрепления и стабилизации естественных грунтов: цементация, силикатизация, битумизация и др. Одним из способов закрепления грунтов является цементация. Под цементацией понимается метод укрепления грунта путем перемешивания его с цементным раствором с последующим твердением.  Существует несколько технологий цементации грунтов: инъекционное укрепление, струйная цементация и др.

Технология струйной цементации грунтов "jet grouting", направленная на получение в массиве естественных грунтов локальных массивов искусственных грунтов с высокой прочностью, повышенной несущей способностью и низкой водопроницаемостью, за последние десять лет уверенно вошла в практику подземного и дорожного строительства в России. Санкт-Петербург является одним из регионов России с наибольшими объемами струйной цементации из-за необходимости укрепления слабых текучих грунтов в основаниях зданий, сооружений и дорог. C применением струйной цементации грунтов реализовано ряд крупных и значимых для Санкт-Петербурга проектов: Кольцевой автодороги и 2-й, 3-й, 4-й и 5-й очередей Западного скоростного диаметра (ЗСД), здания второй сцены Государственного академического Мариинского театра, Торгово-офисного комплекса “Стокман Невский Центр”, наклонных ходов станций метро Звенигородская, Обводный канал и Адмиралтейская (рис.1).

         Вместе с тем, внедрение струйной цементации в Санкт-Петербурге, как впрочем и внедрение любой новой технологии, сопровождалось и сопровождается авариями и спорами по вопросам качества работ,.  Нередки судебные разбирательства, с попытками заказчиков уменьшить стоимость или вовсе отказаться от оплаты выполненных подрядчиками работ. Наиболее масштабная схватка за деньги, предназначенные для оплаты работ по струйной цементации грунтов,  произошла при строительстве здании второй сцены Мариинского театра.  

         В результате частого банкротства строительных организаций  замедлен процесс накопления и передачи производственного опыта.  В силу специфических особенностей организации экономики и бизнеса в России за последние 10 лет в Санкт-Петербурге прекратили деятельность несколько крупных отечественных строительных организаций:  ОАО “Мостостроительный отряд №19”, ЗАО “Пилон”, ЗАО “Геострой”,   ЗАО “СМУ11 Метрострой”, ООО “Космос СПб”  и др.  Вновь образованные или иностранные (турецкие, итальянские) строительные организации начинают "с чистого листа", что, по наблюдениям автора, часто приводит к ошибочным решениям при реализации технологии струйной цементации в водонасыщенных грунтах.

         В период 2003 - 2020 гг. ООО “Геодиагностика” (www.geodiagnostics.ru) осуществляла сейсмоакустический контроль сплошности грунтоцементных массивов практически на всех крупных объектах струйной цементации в Санкт-Петербурге (Кольцевой автодороги, Западном скоростном диаметре, здании второй сцены Мариинского театра и др.). Собранная статистика по параметрам технологии струйной цементации, свойствам грунтов до и после упрочнения и наблюдения за участниками и организацией работ позволяет автору сформулировать причины возникновения конфликтных ситуаций по качеству выполненных работ:

        а) Неполное понимание проектными организациями и строителями физики процессов и возможностей технологии струйной цементации грунтов, выражающееся в проектных решениях и технологиях, несоответсвующих состоянию естественных грунтов

        б)  Проектные  решения по параметрам, контрольным показателям и методам контроля цементации грунтов (расстояние между инъекционными скважинами; диаметрам грунтоцементных элементов, диапазонам прочности и модуля деформации укрепленных грунтов и др.).

        в)  Контроль проектных показателей прочности и модуля деформации на испытательных прессах после выбуривания проб (кернов) грунтоцемента вращательным колонковым бурением в большинстве случаев бесполезен из-за получения заниженных показателей вследствие повреждения керна в колонковой трубе при бурении.

        г) Отсутствие в проектах струйной цементации неразрушающих скважинных геофизических  сейсмоакустических методов контроля состояния грунтоцементных массивов в естественном залегании.

        д) Низкое качество укрепления грунтов.

 

        Решением проблемы контроля качества грунтоцементных массивов в естественном залегании, по мнению автора, является использование неразрушающих геофизических методов. 

       Надо отметить, что технический прогресс постепенно приходит в область контроля проектных характеристик укрепленных грунтов. В появившемся в 2017 г. своде правил СП 291.1325800.2017 "Конструкции грунтоцементные армированные. Правила проектирования" наконец упомянут неразрушающий геофизический сейсмоакустический метод. К сожалению, вместо стройной и уже отработанной за 15  лет методики контроля укрепленного массива методом межскважинного сейсмоакустического прозвучивания с указанием аппаратуры, метрологического обеспечения, методики и интерпретации разработчики свода правил ограничились кратким приложением.  Основным методом контроля в СП 291.1325800.2017 опять служит колонковое бурение и даже штамповые испытания (!? Интересно разработчики хотя раз выезжали на штамповые испытания грунтоцементной сваи).

         Проблема с непониманием возможностей методов контроля струйной цементации, скорее всего, заложена в том, что у современных разработчиков свода правил отсутствуют необходимые компетенции в области неразрушающего контроля объектов в подземном пространстве неразрушающими геофизическими методами. Хотя Производственный и научно-исследовательсикй институт по инженерным изысканиям в строительстве имеет и геофизический отдел и опыт работ с грунтоцементными массивами при строительстве Второй сцены Мариинского театра в Санкт-Петербурге. Уже почти 40 лет действует ВСН 34-83 “Цементация скальных оснований гидротехнических сооружений” (согласованы с Госстроем СССР, письмо №ДП-903-1 от 17.02.83г.) в котором регламентируются использование межскважинного прозвучивания для контроля сплошности грунтоцементных массивов. В 2008г. ООО "Геодиагностика" разработана и внесена в государственный реестр МВИ 2520 – 018 - 2008Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных,  грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания”.

           Ниже автор рассматривает технологию  контроля состояния грунтоцементных массивов различного назначения (противофильтрационных завес, свай, ограждений и др.) в естественном залегании сейсмоакустическим методом. Контроль грунтоцементного массива в естественном залегания необходимым прежде всего тем, кто не хочет ликвидировать аварии или покупать слабо укрепленный грунтовый массив.

 

             

      1. ТЕХНОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТОВ

 

      Схема струйной цементации грунтов

    Метод струйной цементации грунтов заключается в разрушении и перемешивании грунтов в месте залегания струями цементного раствора с замещением естественного грунта вначале грунтоцементным раствором,  а после затвердевания грунтоцементного раствора, новым материалом –  грунтоцементом (грунтобетоном). В результате струйной цементации в подземном пространстве могут быть устроены грунтоцементные массивы различного назначения. Грунтоцементный массив можно определить как некоторый объем искусственного грунта, изготовленного способом струйной цементации, в подземном пространстве.

 

 

Рис.1. Комплекс технических средств струйной цементации ОАО “Мостостроительный отряд №19” при укреплении основания дороги на участке от Кольцевой автодороги до развязки с трассой "Скандинавия" 3-й очереди строительства Западного скоростного диаметра в Санкт-Петербурга

 

 

        В состав комплекса технических средств струйной цементации (рис.2) грунтов входят: буровая установка с комплектом инструмента, насосная установка высокого давления и смесительная установка . В настоящее время наиболее распространены комплексы оборудования и буровые установки фирм Soilmec, Casagrande CMV, Klemm и ряда других зарубежных производителей.

 

 

       

 

        Рис.2  Схема комплекса технических средств струйной цементации

1 –  бункер с цементом; 2 – смесительная установка; 3 – насосная установка высокого давления; 4 – компрессор; 5 – буровая установка; 6 – струя цементного раствора; 7 – полость с грунтоцементным раствором

 

      

       При струйной  цементации грунтов в подземном пространстве последовательно выполняются две технологические операции: бурение скважины и инъектирование цементного раствора (рис.3). Затем, уже без вмешательства человека, происходит твердение грунтоцементного раствора с образованием с нового искусственного материала   - грунтоцемента. Бурение скважины производится вращательным способом с промывкой технической водой. Инъектирование цементного раствора производится при подъеме  монитора с вращением. Начальный диаметр струи определяется диаметром насадки монитора и, как правило, находится в пределах 2-4 мм. Давление инъектирования для осадочных грунтов Санкт-Петербурга изменяется в пределах 20 – 50  МПа и определяется прочностью грунтов и требуемым диаметром грунтоцементной сваи. По числу компонентов в струе в Санкт-Петерубрге применяются два вида технологии струйной цементации грунтов: однокомпонентная и двухкомпонентная

       а) Однокомпонентная (Jet1)  - струей цементного раствора. Состав раствора: вода цемент, добавки. Цементный раствор к соплу монитора поступает по центральному каналу колонны бурильных труб.

      б) Двухкомпонентная (Jet2) -  струей, состоящей из воздуха и цементного раствора. Цементный раствор к соплу монитора поступает по центральному каналу, воздух – по кольцевому зазору колонны бурильных труб.

        Схема скважинных процессов при инъектировании цементного раствора, предложенная автором, приведена на рис.5. В результате инъектирования цементного раствора в массиве грунтов создается зона (полость), заполненная грунтоцементным раствором (суспензией). Основными физическими процессами при инъектировании цементного раствора являются:

        а) гидравлическое разрушение (резание) забоя и перемешивание грунтов в месте залегания напорными струями цементного раствора;

        б) вынос пульпо-шлама по скважине вдоль колонны бурильных труб на поверхность земли

 

          

       

        Рис.3. Технологическая схема струйной цементации

а – бурение скважины; б – инъектирование цементного раствора; в – твердение грунтоцементного раствора

1 – грунт; 2 – буровая установка; 3 – буровой снаряд; 4 – скважина; 5 – забойная компоновка (породоразрушающий инструмент и монитор); 6 – струя; 7 – грунтоцементный раствор; 8 – грунтоцементный массив

 

       

    Схема скважинных и призабойных процессов при инъектировании

    Ниже автор делает попытку теоретического описания процессов струйной цементации на основе известных теорий разрушения горных пород напорными струями, гидравлической теории затопленной струи и собственных экспериментальных данных.

     Разрушение и пермешивание грунта высоконапорной струей.  Под струей понимается конечный поток жидкости, не ограниченный твердыми стенками и движущийся в массе жидкости. При струйной цементации струя выбрасывается в массив жидкого грунтоцементного раствора, что позволяет применить к ней теоретические положения гидравлики затопленной струи [1].  Струя цементного раствора состоит из ядра с постоянной скоростью движения и пограничного турбулентного слоя (рис.4). Отличия в характере движения и затухания струи цементного раствора от классической теории затопленной струи заключаются  в выполнении работы по разрушению грунта. По мере удаления от форсунки пограничный турбулентный слой расширяется, а ядро постоянных скоростей сужается. На некотором расстоянии от форсунки находится переходное сечение, где ядро полностью исчезает и вся струя начинает состоять из турбулентного слоя. Участок от насадка до переходного сечения называют начальным, затем начинается основной участок. На основном участке осевая скорость уменьшается по длине струи.  Затухание струи определяется расходом энергии на разрушение забоя и рассеиванием за счет турбулентного обмена с окружающей средой. По мере отхода от насадки струя постепенно расширяется и на некотором расстоянии рассеивается. 

 

                                                                                        а                                                                                                                б      

 

                                     

 

        Рис.4. Схемы скважинных процессов при инъектировании цементного раствора  (а) и изменений в грунтовом массиве при струйной цементации (б)

 

        Скорость разрушения грунта высоконапорной струей и, одновременно, инъектирования цементного раствора определяется  свойствами грунта (прочность, вязкость и др.) конструкцией монитора (число форсунок, диаметр выходного отверстия форсунки, разнос форсунок по высоте, направление оси форсунки) и технологическими параметрами (физическими свойствами цементного раствора, давлением инъектирования, частотой вращения и скоростью подъема монитора). Чем выше давление инъектирования и меньше выходное отверстие насадки – тем больше скорость вылета струи. Скорость вылета струи из насадки достигает несколько сот метров в секунду и определяет давление на пятне контакта с грунтом. Давление на пятне контакта струи с грунтом достигает нескольких десятков мегапаскаль и превышает прочность грунта, тем самым обеспечивается отделение частиц грунта и разрушение забоя.  Наиболее эффективными для разрушения грунтов является начальный и основной участки струи, так на них обеспечивается сплошность и сохраняется достаточная энергия струи.  После основного участка сплошность струи нарушается и возможность разрушать грунт резко уменьшается.

        Твердение грунтоцементного раствора. Грунтоцементный раствор (суспензия) состоит из вяжущего материала (цемента), воды, специальных добавок и частиц грунта. Частицы грунта в растворе можно рассматривать как природные заполнители. Процент от общего объема грунтоцементного раствора, занимаемый заполнителем зависит от свойств грунта и технологии инъектирования и может изменяться в широких пределах (по наблюдениям автора от 5 до 80%). Размеры заполнителя изменяются от десятков микрон (частицы глины) до десятков сантиметров (гравий, галька, валуны). Несомненно, что условия подземного пространства (массива грунтов), в которых происходит твердение грунтоцементного раствора (давление, температура, влажность, воздействие грунтовых вод и др.) оказывают влияние на сроки созревания и прочность грунтоцемента. Однако, очевидно и то, что химические реакции, протекающие в цементном растворе в атмосферных условиях и грунтоцементном растворе в массиве грунтов, определяются одними основными составляющими (цементом и водой) и, в целом, идентичны. Вначале происходит схватывание цемента. В результате вокруг частицы цемента образуются гелеобразные  коллоидные оболочки, а цементный раствор густеет и теряет пластичность. Химические реакции схватывания цемента сопровождаются повышением температуры (рис.5). После схватывания происходит твердение цементного раствора. Вещества в гелеобразных оболочках из коллоидного состояния постепенно переходят в кристаллическое состояние (кальцит). Разрастаясь, кристаллы пронизывают гель и срастаются между собой. Оставшаяся вода проникает вглубь частицы цемента, где также начинаются процессы гелеобразования и кристаллизации, а цементный раствор постепенно затвердевает и приобретает прочность. Аналогично бетонам, процесс твердения и набора прочности грунтоцемента протекает во времени с различной скоростью: сначала (первые 3-7 дней) быстро, затем все медленнее.

 

 

                               а                                                                                     б                                                                      

                 

       

 

Рис.5. Гидроразрыв пласта при струйной цементации грунтов (а) и автор на забое скважины глубиной 10 м на кровле грунтоцементной плиты в испарениях от нагретого массива  на площадке Второй сцены Мариинского театра в Санкт Петербурге, 2008г. (б).

 

            Проблемы контроля проектных характеристик укрепленных массивов

        Устройство грунтоцементного массива с заданными характеристиками является сложной задачей в силу недостаточности информации для проектирования, многостадийности технологического процесса, изменчивости свойств грунтов по площади работ и влияния человеческого фактора.  Существует высокая вероятность формирования в грунтоцементных массивах различные дефектов: зон несплошности, пористости, пониженной прочности, включений естественного грунта  и др. Отступление от проектных характеристик грунтоцементных массивов и свай по размерам (для свай: длина, диаметр), сплошности, прочности и модулю деформации грунтоцемента приводит к неспособности укрепленного массива выполнять проектные задания по несущей способности, деформации, фильтрации грунтовых вод и др.. Поэтому контрольные работы являются одним из важнейшим этапов строительства.

        Сплошность характеризует непрерывность и неразрывность проектных характеристик грунтоцемента в пределах границ укрепленного массива. Для бетонов под термином “cплошность бетона” в нормативной документации (СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Приложение 2) понимается "показатель качества укладки, характеризующий непрерывность материала и отсутствие аномальных зон (шлам, пустоты)”.  Очевидно, что при нарушении сплошности  грунтоцементный массив не будет выполнять проектное назначения по несущей способности или фильтрации грунтовых вод. Термин “качество устройства грунтоцементных массивов” можно определить как обеспечение совокупности проектных характеристик укрепленного массива.

          Вращательное колонковое бурение скважин диаметром 112-132 мм c последующим лабораторным испытанием кернов грунтоцемента на одноосное сжатие до сих пор в указывается в проектной документации основным способом контроля проектных характеристик грунтоцементных массивов. Однако не учитывается, что грунтоцемент значительно менее прочен и однороден чем бетон и что в одинарных колонковых снарядах керн не защищен от контакта с вращающейся и вибрирующей керноприемной трубой и подвергается истиранию и дроблению. Отобрать то керн можно, но он в большинстве случаев будет мало пригоден для определения прочностных и деформационных свойств грунтоцемента. На каждом объекте автор занимался описанием полученного керна грунтоцемента и сделал вывод, что керн повреждается в колонковой трубе как при бурении  всухую,  так и с промывкой. Образцы  керна, за исключением наиболее прочных разновидностей грунтоцемента  с прочностью на одноосное сжатие более 4- 6 МПа, после  извлечения  из колонковой трубы имели  нарушенную структуру и многочисленные продольные и поперечные трещины не естественного происхождения.  Последующие  испытания  грунтоцемента на одноосное сжатие по методикам ГОСТ 28570-90 и ГОСТ 10180-90 (с  торцеванием образцов или выпиливанием призм, что также повреждало образец) давали явно заниженные значения прочности и модуля деформации, после этого  начинались конфликты между заказчиком и подрядчиком работ. 

        Более объективная оценка прочностных и деформационных свойств  грунтоцемента получалась при  отборе  монолитов ненарушенной структуры размером не менее 200х200 см при бурении большим диаметром 0,8 – 1 м или из обнажений стен и забоя выработки. Но бурение скважин большого диаметра является крайне дорогостоящим методом, а отбор проб из обнажений после проходки, как правило, лишен смысла.

 

 

          2.   КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ МАССИВОВ В ЕСТЕСТВЕННОМ ЗАЛЕГАНИИ СЕЙСМОАКУСИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

 

        Геофизические методы предназначены для получения информации о состоянии объекта в естественном залегании. Каждый из геофизических методов, в зависимости от типа и параметров используемого физического поля и мешающих факторов, имеет свою и достаточно узкую область применения.

        Из многочисленных геофизических методов исследований для контроля сплошности грунтоцементных массивов (плит, противофильтрационных завес, свай и др.) наибольшее развитие получили акустические (сейсмоакустические) методы. Физической основой использования акустических методов является зависимость изменения параметров упругой волны от упругих, деформационных, прочностных свойств и трещиноватости среды распространения [2, 3].

        Другие геофизические методы, например электромагнитные с помощью георадара, по мнению автора, практически не применимы из-за физических особенностей песчано-глинистых грунтов и грунтоцемента и большого числа мешающих факторов. Использование электромагнитных методов (георадара) с поверхности грунтва оказалось неэффективным из-за ограничения по глубине исследований (до 3 м) вследствие большого затухания электромагнитных волн в глинистых грунтах, содержащих “связанную” воду, и искажения сигнала в поверхностном слое земли. Следует также отметить неконтролируемую погрешность георадара при измерении расстояний на малых базах (10-30 м) за счет очень высокой скорости распространения электромагнитной волны (300 000 000 м/с).

        Автор в 2003-2005 гг. был участником ряда сравнительных экспериментов по использования различных геофизических методов (акустических, электрических, георадарных) для контроля состояния грунтоцементных массивов, которые однозначно показали преимущество акустических скважинных методов (межскважинное прозвучивание, акустический каротаж) за счет изменений в параметрах  упругих волн, распространяющихся в грунтовом массиве после струйной цементации. Преимущество скважинных методов заключается в возможности максимально приблизиться к объекту исследований и исключить потерю информации в поверхностном слое земли [4].

        Возможные схемы исследования грунтоцементных массивов акустическими методами (межскважинным прозвучиванием, сейсмоакустическое зондированием, каротаж, прозвучивание между ззабоем наблюдательной скважины и поверхностью грунта) приведены на рис.6.  Наиболее информативны и достоверны методы прозвучивания (рис. 6 а, б, в).

 

 

 

   

 Рис. 6.  Схема акустического контроля сплошности грунтоцементных массивов в естественном залегании

а - межскважинное акустическое просвечивание (прозвучивание) грунтоцементных массивов различной формы, плит, противофильтрационных завес; б - акустический каротаж грунтоцементных свай; в - прозвучивание грунтоцементных свай между забоем наблюдательной скважины и поверхностью грунта;  г -сейсмоакустическое зондирование грунтоцементных свай.

И - излучатель; П - приемник упругих волн

 

        

         Суть метода прозвучивания заключается в излучение импульса упругой  волны (УВ) в одной скважине (точке), приеме импульса УВ в другой скважине (точке) и оценке состояния среды межскважинного пространства по параметрам импульса УВ (рис.6а). 

        Метод акустического каротажа (рис.6б) с перемещением излучателя и приемника упругих волн в наблюдательной скважине  можно также отнести к методам прозвучивания. Акустический каротаж в скважине пробуренной по оси грунтоцементной сваи в настоящее время является основным методом контроля сплошности грунтоцемента и качества грунтоцементной сваи в естественном залегании.

         При выходе грунтоцементной сваи на поверхность грунта акустический каротаждополняется методом прозвучивания между забоем наблюдательной скважины и поверхностью грунта (рис.6в).

         Метод сейсмоакустического зондирования (рис.6г) может реализоваться только на грунтоцементных свая с высокой прочностью и однородностью грунтоцемента. При наличии выраженной слоистости (неоднородности) грунтоцемента в свае возможность регистрации эхо-сигнала от низа сваи резко уменьшается.

 

        3. Метод межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания)

       

        3.1. Физические основы метода прозвучивания

        Физической основой применения метода межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания) для расчленения геологического разреза и контроля сплошности массивов искусственных грунтов является установленная многочисленными исследованиями зависимость параметров проходящих упругих волн от упругих, деформационных, прочностных свойств и пористости естественных и искусственных грунтов [2, 3, 4].

       При искусственном закреплении (струйной цементации, кольматации глино-цементными смесями, замораживании, замещении бетоном и др.) в результате механического воздействия, физических процессов и химических реакций происходит изменение свойств естественных грунтов. Причем физические процессы для каждой технологии закрепления грунтов уникальны.  

        Грунты являются трехкомпонентными веществами, состоящими из минерального скелета, воды и воздуха. Вода в грунтах находится в свободном и связанном состоянии. Воздух, заполняет поры в грунтах. При струйной цементации происходит разрушение и перемешивании грунтов в месте залегания струями цементного раствора с замещением естественного грунта вначале грунто-цементным раствором, а после затвердевания грунтоцементного раствора – новым материалом “грунтоцементом” (грунтобетоном). После закрепления упругие свойства грунтов и условия распространения упругих волн изменяются. По мере распространения от точки возбуждения происходит изменение кинематических (скорости)  и динамических (амплитуды, частоты) параметров упругой волны. Очевидно, что параметры упругой волны, прошедшей сквозь  массив искусственных грунтов будут отличаться от параметров упругой волны, распространяющейся в массиве неизмененных грунтов

        При наличии в исследуемом массиве зоны несплошности (пористости, трещиноватости) на пути распространения упругой волны возникает явление “акустической тени”, выражающееся в резком уменьшении скорости, амплитуды и частоты импульса упругой волны. Физика явления “акустической тени” базируется на процессах отражения упругой волны на границе раздела дефект - массив грунт и огибании (дифракции) упругой волны препятствия  с увеличением пути распространения. Скорость распространения упругой волны связана с прочностными свойствами грунтоцемента. Зависимость скорости  распространения упругой волны от прочности и пористости материала и возникновение явления “акустической тени” при появлении дефектов и является физической основой для контроля состояния массивов искусственных грунтов методом прозвучивания. 

        В целом общие зависимости изменения свойств грунтов при струйной цементации в настоящее время понятны. При застывании грунто-цементного раствора образуется более прочный грунт. Но состояние грунтоцементного массива (размеры, сплошность, прочность, гидроустойчивость) в конкретный момент времени и точке пространства из-за многочисленных факторов, влияющих на  твердение грунто-цементного раствора (водоцементное отношение, равномерность перемешивания, наличие движения грунтовых вод и др.) можно определить только путем измерений физических величин в контуре массива в естественном залегании.

 

 

           3.2. Сейсмоакустическая диагностика состояния естественных и укрепленных грунтов методом межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания)

 

а) Диагностические параметры

Диагностические параметры - это измеряемые величины: скорость распространения (время прихода), амплитуда звукового давления и спектр импульса упругих волн, прошедшего массив грунтов (рис.7). В параметрах прямой проходящей продольной волны (сигнале)  присутствует информация о свойствах и состоянии грунта. Основной диагностический параметр – скорость продольной упругой волны vр. Определение (косвенное измерение) скорости УВ vр (м/с) производится по измеренным значениям расстояния L между точками возбуждения и приема и времени распространения упругой волны t  по формуле:

 

                                                                                                        vр = L/ t     .

 

б) Диагностические признаки состояния грунтоцементного массива

Диагностические признаки -  это определенная совокупность диагностических параметров, увязанная с конкретным состоянием искусственного грунта, в данном случае грунтоцемента. Состояние  грунта характеризуется определенным сочетанием параметров импульса упругой волны (диагностическим признаком), что позволяет точно диагностировать местоположение прослоя грунта в разрезе.

В 2003 г., когда только начиналось внедрение струйной цементации в Санкт-Петербурге, о свойствах грунтоцемента было практически ничего не известно.  На первых объектах: грунтоцементном ограждении ствола №4 Резервного коллектора в районе площади Мужества и грунтоцементных сваях на Лоте 1 Кольцевой автодороге приходилось по крупицам собирать информацию о грунтоцементе для увязывания с результатами акустического просвечивания и каротажа. Отбирались и изучались характерные и редкие образцы грунтоцемента. Накапливалась статистика и исследовались зависимости между свойствами грунтоцемента, свойствами грунтов и технологией струйной цементации.

В ООО “Геодиагностика” уже накоплен достаточно большой объем производственных данных по изменению скорости упругой волны в различных грунтах при струйной цементации. До искусственного закрепления грунтов скорость упругой волны в слабых  грунтах (текучих и мягкопластичных суглинках и супесях, водонасыщенных песках)  не превышает 1750 м/с, а после струйной цементации увеличивается и может достигать 3000 м/с.

В общем случае, после струйной цементации слабых текучих и водонасыщенных грунтов спектр импульса упругой волны сужается в сторону низких частот, по сравнению со спектром импульса упругих волн, распространяющимся по неизмененным грунтам (рис. 7 и 8). Слабо укрепленные или незамещенные зоны выделяются по пониженным значениям скоростей упругих волн. Увеличение скорости упругой волны указывает на рост прочности и однородности закрепленного массива. Уменьшение скорости, амплитуды и частоты упругой волн в уже закрепленном массиве связано с затуханием и вызывается неоднородностью, разуплотненностью, пористостью грунтов. Наличие зоны несплошности диагностируется по резкому уменьшению скорости, амплитуды и частоты упругой волны  (вплоть до пропадания сигнала) по лучам прозвучивания, пересекающим тело закрепленного массива.

Для определения градуировочых зависимостей на сжатие были испытаны сотни образцов грунтоцемента с предварительно измеренной скоростью упругой волны. В результате были установлены градуировочные зависимости “скорость упругой волны –  прочность грунтоцемента” и “скорость упругой волны –  модуль деформации грунтоцемента”, по которым можно определять прочность и модуль деформации искусственных грунтов в естественном залегании.

На основе длительного опыта контроля сплошности грунтоцементных ограждений и свай в ООО "Геодиагностика" сформирована таблица диагностических признаков, позволяющая на основе сочетания диагностических параметров (скорости упругой волны, акустического спектра, коэффициента затухания и др.) определять состояние ограждения (сплошность, неоднородность, наличие дефектов). Контроль прочности и модуля деформации (упругости)грунтоцемента  производится на основе градуировочных зависимостей “скорость упругой волны – прочность на одноосное сжатие” и “скорость упругой волны – модуль деформации ”

 

 

 

        

 

  

 

 

 

 

 

 

Рис.7. Сигналограммы  импульса упругой волны в текучем грунте                               Рис. 8. Спектры импульса упругой волны в текучем грунте

до струйной цементации (а) и после струйной цементации                                         до струйной цементации (а) и после струйной цементации

в грунтоцементе (б)                                                                                                             в грунтоцементе (б)

 

К 2008г. специалисты ООО “Геодиагностика” уже накопили достаточно большой объем производственных данных по изменению параметров импульса упругой волны от свойств естественных и искусственных грунтов, что позволяло точно диагностировать состояние и местоположение грунта в геологическом разрезе. При диагностировании состояния грунтоцемента мы оперировали зависимостями между спектром импульса упругой волны до и после струйной цементации (рис.7,8), скоростью упругой волны и прочностью грунтоцемента на сжатие (рис. 9) , скоростью упругой волны и временем созревания грунтоцемента (рис. 11) .

 Конечным результатам исследований стала таблица, содержащая перечень состояний естественных и искусственных грунтов и соответствующих им диагностических признаков.   Для основных типов грунтоцементных ограждений и свай в ООО "Геодиагностика" составлены таблицы диагностических признаков состояний, позволяющих на основе сочетания диагностических параметров (скорости упругой волны, акустического спектра, коэффициента затухания и др.) определять состояние объекта (сплошность, неоднородность, наличие дефектов).

        Контроль прочности модуля деформации (упругости) грунтоцемента производится на основе градуировочных зависимостей “скорость упругой волны – прочность на одноосное сжатие” и “скорость упругой волны – модуль деформации (упругости)”.

        Применение технологий регламентируется действующими нормативно-техническими документами (СП, ВСН, МУ) на контрольные работы сейсмоакустическим методом и МВИ 2520 – 018 - 2008Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных,  грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания”.

 

          в) Градуировочные зависимости

 Градуировочные зависимости используются для определения одной величины на основе другой, непосредственной измеряемой, величины.  При наличии градуировочной зависимости “cкорость упругой волны - прочность грунтоцемента на сжатие” появляется возможность определять прочность грунтоцемента в естественном залегании неразрушающими скважинными сейсмоакустическими методами.

ООО “Геодиагностика” проводило исследования и пополняло статистическую базу по свойствам грунтоцемента в течении нескольких лет. В результате возникло понимание физики процесса формирования грунтоцементных массивов в конкретных геолого-технических условиях и были получены несколько градуировочных зависимостей с различными областями применения. Градуировочная зависимость, использованная для определения прочности грунтоцемента в естественном залегании на площадке строительства здания Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра, была выбрана на основе анализа геологического разреза (типов замещаемых грунтов), характеристик цементного раствора и  технологических параметров струйной цементации. Практика показала, что выбор типа градуировочной зависимости был правильным.

 

 

 

Рис.9.  Зависимость между скоростью упругой волны и  прочностью грунтоцемента на сжатие ООО "Геодиагностика" (2007г.) 

 

 

ОАО “ПНИИИС” по результатам лабораторных исследований образцов грунтоцемента также установило собственную зависимость прочности на сжатие от скорости распространения упругой волны (рис.   ). Для построения зависимости использованы данные лабораторных исследований скорости распространения упругой волны и прочности на сжатие.  Испытаниям подверглись образцы грунтоцемента, отобранные из 72 скважин, пробуренных в грунтоцементной плите. Для оценки анизотропности измерение скорости упругой волны на одном образце производились в трех перпендикулярных направлениях.  Измерения выполнялись ультразвуковым прибором УКБ-1М. Частота ультразвуковых колебаний при лабораторных исследованиях в техническом отчете не приводится, но, по-видимому, она также как и при полевых исследованиях плиты была равной 60 - 100 кГц.  Те же образцы были испытаны  на прочность на сжатие.  Экспериментальная зависимость “скорость упругой волны – прочность на сжатие” по результатам испытаний 103 образцов грунтоцемента была аппроксимирована ортогональным полиномом второй степени с коэффициентом корреляции 0.86. Правда, как следует из технического отчета, из обработки  были удалены ошибочные (? вопрос автора) измерения. Автор не удержался от следующего замечания: "Коллеги Ваша зависимость слишком линейна - так не бывает. Не слишком ли Вы переусердствовали с удалением ошибочных измерений?"

 

 

 

 

 

 

 

            Рис.10. Зависимости между скоростью распространения продольных волн и прочностью на сжатие грунтоцемента 

ОАО “ПНИИИС” (1) и ООО “Геодиагностика”  (2)  (стр.38 Отчета ОАО "ПНИИС" 2009г)

 

       

    г) Прослеживание изменения состояния грунтоцемента во времени

 

 

Рис. 11.  Зависимость между скоростью упругой волны и временем созревания грунтоцемента (2007г.)  

 

 

 

        4. Аппаратура для контроля сплошности грунтоцементных массивов методами межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания), сейсмоакустического каротажа и сейсмоакустического зондирования

 

                ООО “Геодиагностика” продолжает развивать метод межскважинного  акустического просвечивания  (МАП), разработкой которого  с 60-х годов 20 века и вплоть до своей гибели в 2003г. занимался Всероссийский НИИ методики и техники разведки (ВИТР).  

        Технические особенности метода межскважинного акустического просвечивания ООО “Геодиагностика” ударным импульсом   

        Основные отличия метода межскважинного  акустического просвечивания  в модификации ВИТР - ООО “Геодиагностика” заключаются в возбуждении среды коротким (длительность десятки микросекунд) и очень мощным ударным импульсом давления от электроискрового излучателя  и регистрации упругих волн высокочувствительным пьезокерамическим приемником давления, что позволяет обеспечить большую дальность прозвучивания  и высокое разрешение во времени и пространстве. Параметры импульса (мощность, звуковое давление, спектр) упругой волны оптимальны для исследования грунтоцемента.

                 В ООО “Геодиагностика” разработан компьютеризированный аппаратурный комплекс импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1. (рис.13).  Аппаратурный комплекс АПЗ-1 предназначен для  измерения времени распространения, амплитуды и частоты импульса упругих волн в горных породах между излучателем и приемником с целью определения упругих характеристик среды.

        В состав аппаратурного комплекса АПЗ-1 входят:  источник возбуждения упругой волны (излучающая установка или молоток)  и измерительная система (скважинный приемник или вибропреобразователь, усилитель и комплекс программно-аппаратных средств на базе персонального компьютера). Запуск программы командного режима измерений осуществляется от прямой проходящей упругой волны или в момент электроискрового разряда. Отличительными особенностями аппаратуры  ООО “Геодиагностика” является включение в состав комплекса персонального компьютера с программами математической обработки сигналов и наличие метрологического обеспечения.

        Метрологическое обеспечение. Аппаратурный комплекс АПЗ-1 калибруется Всероссийским НИИ метрологии им. Д.И.Менделеева и имеет сертификат калибровки средства измерения. Основная относительная погрешность измерения АПЗ-1: времени   +3 %; виброускорения   +10 %;  частоты колебаний +2 %          Дальность акустического просвечивания (прозвучивания) по рыхлым грунтам (пескам, супесям) составляет не менее 20 м, по скальным грунтам (гранитам) - достигает 150 м. Глубина зондирования по скальным грунтам и бетонам - до 50 м. Разрешающая способность при акустическом просвечивании грунтов на базе 10 м  + 0,5 м. Погрешность определения длины сваи  методом сейсмоакустического зондирования 5-10%.

            В зависимости от способа возбуждения упругой волны и характера решаемых задач выбираются комплектации аппаратурного комплекса АПЗ-1.

 

      

 

      

 

 Рис.12 . Аппаратурный комплекс акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1 (2019 г.) при контроле укрепленных грунтов тоннеля в г.Сочи

 

 

            5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРИМЕРЫ КОНТРОЛЯ СПЛОШНОСТИ И ПРОЧНОСТИ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ МАССИВОВ НЕРАЗРУШАЮЩИМИ ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

           

       

  5.1 Контроль сплошности грунтоцементных свай методом сейсмоакустического каротажа 

 

Контроль сплошности и прочности материала грунтоцементных свай методом сейсмоакустического каротажа применялся на Кольцевой автодороге и Западном скоростном диаметре в Санкт-Петербурге и других объектах (Рис. 13-15)

 

 

 

                                               а                                                                                  б                                                                        в               

 

      

 

 

Рис.13. Проведение контроля сплошности грунтоцементных свай на Кольцевой автодороге вокруг Санкт-Петербурга (2003-2004 г.г.)

а - общий вид; б - устье наблюдательной скважины в свае; в - оператор за работой

 

Органы технического надзора выбирали сваи на испытания на плане свайного поля (рис.13). По оси сваи бурилась наблюдательная скважина. Оператор с аппаратурой располагались рядом со сваей или в автомашине. В скважину опускались электроискровой излучатели и приемник упругих волн и выполнялся сейсмоакустический каротаж.

Измерялась скорость упругой волны в грунтоцементе. Прочность грунтоцемента определялась по градуировочной зависимости "скорость упругой волны - прочность на сжатие грунтоцемента".

 

 Рис. 14. План участка работ на кольцевой автодороге с отметками контрольных грунтоцементных свай

 Рис.  15. Схема акустического контроля сплошности грунтоцементных свай

а - акустический каротаж грунтоцементных свай; б - прозвучивание грунтоцементных свай между забоем наблюдательной скважины и поверхностью грунта; 

 

                                            

 

5.2. Контроль сплошности грунтоцементных свай методом сейсмоакустического зондирования

 

        По наблюдениям автора, метод сейсмоакустического зондирования (рис.   ) может реализоваться только на грунтоцементных сваях с высокой прочностью и однородностью грунтоцемента. При наличии выраженной слоистости и неоднородности грунтоцемента, особенно вверхней части сваи, возможность регистрации эхо-сигнала от низа сваи резко уменьшается. В то же время при монолитном и однородном грунтоцементе уверенно фиксируется эхо-сигнал от низа сваи.

 

 

 

5.3 Контроль сплошности грунтоцементных ограждений и противофильтрационных завес методом межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания)

 

Ствол №4 Резервного коллектора в районе площади Мужества (Санкт-Петербург, Кушелевская дорога, 5, ЗАО “СМУ 11 “Метрострой”,генеральный директор А.В.Морозов, главный инженер А.В.Уханов), где метод МАП применялся в едином  технологическом цикле со струйной цементацией (jet grouting), был пройден под защитой грунтоцементного ограждения согласно проекту. Выявленные зоны несплошности  (рис. ) были оперативно устранены дополнительной струйной цементацией. Остальные стволы резервногоколлектора или были зааварены или потребовали изменения проекта.

 

          Тип ограждения: кольцевая стена в грунте с днищем (стакан) из секущихся грунтоцементных свай 

          Тип аварии: проникновение грунтовых вод внутрь выработки при проходке через несплошность огражения

          Метод контроля состояния ограждения: межскважинное акустическое просвечивание (МАП) из скважин, пробуренных в грунтоцементном ограждении

        Результат контроля: обнаружение зон несплошности, выполненных естественными грунтами (пески, супеси)

        Способ ликвидации аварии: дополнительная струйная цементация в выявленные зоны несплошности.

 

             

 

Рис.16  Схемы межскважинного прозвучивания  цилиндрического грунтоцементного ограждения (а) и грунтоцементного днища (б) в плане и шурф (в) глубиной 6 м, откопанный по указанию главного инженера ЗАО СМУ11 "Метрострой"  А.В.Уханова для визуального осмотра грунтоцементного ограждения ствола № 4.    

       

 

 

Рис.17.Томографическое изображение межскважинного пространства грунтоцементного ограждения ствола №4  Резервного коллектора в районе площади Мужества

 

 

5.4 Контроль сплошности грунтоцементной плиты (распорной диафрагмы)

 

Для контроля характеристик грунтоцементной плиты до начала откопки котлована по предложению автора в технологический регламент струйной цементации было заложено два сейсмоакустических метода исследований: межскважинное акустическое прозвучивание (просвечивание) и акустический каротаж (рис. 18 - 20). 

 

               

  

Рис.18. Методы сейсмоакустических исследований грунтоцементной плиты: межскважинное акустическое прозвучиание (а) и акустический каротаж (б)

1 - массив естественных грунтов; 2 - грунтоцементная плита, 3 - наблюдательная скважина; 4 - излучатель упругих волн; 5 - автомашина с аппаратурой;  6 - приемник упругих волн; 7 - направление распространения упругой волны.

 

 

 Межскважинное акустическое прозвучивание (МАП) – метод исследования грунтов, залегающих между скважинами, на основе параметров импульса упругой волны, прошедшего межскважинное пространство. При реализации межскважинного прозвучивания в одной скважине возбуждается упругая волна, в другой принимается, а состояние грунтов определяется по изменению параметров регистрируемого импульса упругой волны.

Схему межскважинного прозвучивания грунтоцементной плиты в плане после раздумий определяли органы технического надзора Дирекции исходя из собственных представлений о локализации зон несплошности путем указания точек бурения наблюдательных скважин (рис.  19).  Схема прозвучивания по глубине: синхронная, с одновременным параллельным перемещением скважинных приборов, размещенных в соседних наблюдательных скважинах, от глубины 1 м вниз до конечной глубины скважины с шагом 0,5-1 м. Синхронная схема прозвучивания оптимальна для слоистых грунтов Санкт-Петербурга и сред с вертикальным градиентом изменения свойств, так как позволяет зарегистрировать неискаженное первое вступление упругой волны и уменьшить методическую погрешность определения границ раздела слоев грунта. При выявлении в грунтоцементной плите зоны с аномально низкими скоростями упругих волн (зоны несплошности) для дальнейшей ее локализации в межскважинном пространстве планировалось использовать веерные схемы наблюдения с большим числом разнонаправленных лучей и построением томографического изображения межскважинного пространства  по алгоритму и программному обеспечению, разработанному ООО “Геодиагностика”. Зоны несплошности предполагалось устранять дополнительной струйной цементацией.

Акустический каротаж (АК) – метод исследования грунтов, залегающих в околоскважинном пространстве между точками возбуждения и приема упругой волны. Возбуждение и прием упругой волны при акустическом каротаже производится в одной скважине и импульс упругой волны  распространяется вдоль ствола скважины. При акустическом каротаже: излучатель и приемник, размещенные в одной скважине и разнесенные по глубине на 2 м, синхронно перемещались от забоя вверх с шагом 0,5 м.

Методы межскважинного прозвучивания и акустического каротажа дополняли друг друга, но за счет возможности исследовать значительный объем массива грунтоцемента между скважинами метод прозвучивания являлся основным источником информации о сплошности грунтоцементной плиты.

 

 

 

 

Рис.19. Схема межскважинного акустического прозвучивания грунтоцементной плиты Второй сцены Мариинского театра в 2008г.

 

 

 

                                       а                                                                       б                                                                      в                                                                                                   

 

Рис. 20.  Сейсмоакустические исследования грунтоцементной плиты на площадке строительства Второй сцены Мариинского театра  

а - общий вид участка строительства в марте 2008 г.  б - спуск излучателя и приемника упругих волн в скважины; в - генератор импульсов тока

 

 

 

   Итервал залегания грунтоцементной плиты проконтролирован по результатам межскважинного прозвучивания и акустического каротажа по изменению скорости упругой волны по глубине (Рис.21). В интервале проектных глубин струйной цементации скорость упругой волны по данным МАП изменялась в пределах 2093-2927 м/с, соответствовала грунтоцементу и значительно превышала скорость упругой волны в естественных грунтах, что указывало на обеспечение при строительстве проектной высоты грунтоцементной плиты. 

 В интервале залегания грунтоцементной плиты зон с пониженными скоростями упругой волны, соответствующими естественным  грунтам, не выявлено, что указывало на наличие сплошности в грунтоцементной плите.  Диапазон изменения скорости упругой волны указывал на незначительную структурную неоднородность.

Прочность материала плиты (грунтоцемента) была определена по данным межскважинного прозвучивания по градуировочной зависимости “прочность -  скорость упругой волны”.  Расчетная прочность грунтоцемента изменялась в пределах 4,02-16,6 МПа.

   Модуль деформации материала плиты (грунтоцемента) был определен по данным межскважинного прозвучивания по градуировочной зависимости  “прочность грунтоцемента σ – модуль деформации Е ” вида Е= k х σ,  где k= 100, установленной по результатам сейсмоакустических, прочностных и деформационных исследований опытных грунтоцементных массивов, устроенных по технологиям “Jet-1”  и  “Jet-2” на площадке строительства ГАМТ-2.  По данным расчетов модуль деформации грунтоцемента в плите находился в пределах 402 -1659 МПа.

 

 

   

        

Рис. 21.  График зависимости скорости упругой волны от глубины до (1) и после (2) струйной цементации в зоне 2 (ОП-2) между скважинами 474 и 1179 (база измерения 6,4 м, дата исследований 22.03.2008) 

 

     

          

5.4 Контроль сплошности грунтоцементных стен ограждения котлованов

 

Стена в грунте ограждения котлована здания второй сцены Государственного академического Мариинского театра состояла из трех рядов секущихся грунтоцементных элементов диаметром 0,7 м. Расстояние между центрами грунтоцементных элементов в ряду составляло 0,5 м, между рядами - 0,43 м.

Межскважинное прозвучивание производилось с целью неразрушающего контроля сплошности, интервала залегания и прочности материала грунтоцементной стены в естественном залегании. Наличие несплошности в грунтоцементной стене могло вызвать смещение шпунта внутрь выработки и обрушение плиты перекрытия при откопке котлована способом Tope Down под действием грунтового давления с внешней стороны ограждения и вертикальных нагрузок. Выявленные зоны несплошности заказчик  ООО "Космос СПб" предполагал закрывать дополнительной струйной цементацией.

Межскважинное прозвучивание проводилось в наблюдательных скважинах, пробуренных в грунтоцементной стене буровой установкой через обвязочную балку (рис. 22). После бурения скважины были обсажены обсадными трубами диаметром 108 мм и заполнены технической водой.  После устройства скважин нас вызывали для проведения исследований стены. Развертывание аппаратуры с размоткой кабелей занимало примерно 1 час. Аппаратурный комплекс размещался в салоне автомашины ВАЗ 2107.  Излучатель и приемник упругих волн (УВ), размещенные в соседних наблюдательных скважинах, синхронно спускались вниз с шагом 0,5-1 м от начальной отметки 1 м до забоя скважины (приблизительно, -15,5 м). Начальная глубина прозвучивания была ниже подошвы ростверка. Возбуждение и прием упругой волны производилось при остановке скважинных приборов. За день мы могли прозвучить 3-7 пар скважин.

 

 

                                               а                                                                                                   б                                                                      

                 

            

 

      

 

Рис. 22. Межскважинное прозвучивание  грунтоцементной стены второй сцены Государственного академического Мариинского театра в феврале - апреле 2009г.

а - автомашина с аппаратурой на балке ОБ-2 (вдоль Минского переулка); б - схема прозвучивания балки ОБ-6 вдоль ул.Декабристов и набережной Крюкова канала  в плане.

1 -  грунтоцементная стена, 2 – наблюдательные скважины, 3 – проекции плоскости прозвучивания на поверхность грунта

 

 

Для  исключения возможности пропуска  зоны несплошности и правильной интерпретации результатов прозвучивания по собственной инициативе выполнялись дополнительные лучи прозвучивания, пересекающие подозрительную зону под некоторым углом.

Интервал залегания и сплошность грунтоцементной стены были проконтролированы по изменению скорости и спектру упругой волны по глубине.  В интервале струйной цементации фиксировался типичный для грунтоцемента низкочастотный спектр. Скорость упругой волны изменялась в пределах 1966 – 2586 м/с и соответствовала грунтоцементу, что указывало на проектную высоту и сплошность грунтоцементной стены. Зон несплошности с характерным падением скорости упругой волны вплоть до полного непрохождения сигнала между скважинами не было отмечено. Некоторая неоднородность наблюдалась в верхнем интервале под обвязочной балкой, на границе раздела слоев грунта и внизу на границе с естественном грунтом.  Прочность грунтоцемента, рассчитанная по градуировочной зависимости “скорость упругой волны –  прочность грунтоцемента” находилась в диапазоне 3,2 – 9,29 МПа (32 – 92,9 кг/см2) и существенно превышала проектное значение 1,5 МПа (15 кг/см2)    

Изменение скорости упругой волны по глубине грунтоцементной стены на всех участках стены было схожим и хорошо коррелировало с исходным геологическим разрезом. Вполне можно сформулировать научное положение о зависимости свойств грунтоцемента от типа (размываемости) грунта. Наименьшие скорости упругой волны и прочность грунтоцемента измерены в верхней части разреза в интервале залегания насыпного грунта под обвязочной балкой и в самом низу стены на границе с грунтом (Рис.23). Наибольшие скорости упругой волны и прочность грунтоцемента получены в интервалах залегания пылеватого песка и текучего суглинка.

 Безаварийная проходка котлована подтвердила правильность выводов межскважинного прозвучивания грунтоцементной стены.

 

 

                  

     

 

Рис. 23. График зависимости скорости упругой волны от глубины до (1) и после (2)   струйной цементации между скважинами К7 и К8 на балке ОБ-1 (база измерения  6,33 м, дата исследований 13.02.2009) 

 

 

5.5. Контроль сплошности и модуля деформации укрепленных грунтов основания тоннелей

 

 

                                   а                                                                                б                                                                             в

          

 

Рис. 24. Межскважинное акустическое просвечивание (прозвучивание) грунтов основания тоннеля в г. Сочи (2019 г.) до и после укрепительной цементации

 

 

 

 

  Заключение

 

        В 2006–2020 г.г. сотрудниками ООО “Геодиагностика” методами акустического просвечивания (прозвучивания) произведен сейсмоакустический контроль сплошности десятков грунтоцементных массивов (ограждений, стен, распорных диафрагм, плит, противофильтрационных завес и др.), устроенных в основаниях зданий и сооружений, и сотен грунтоцементных свай  на участках Кольцевой автодороги (КАД) и Западном скоростном диаметре (ЗСД). Значимыми объектами контроля были грунтоцементные массивы  стволов №1, №4 и  №5 Резервного коллектора в районе площади Мужества, котлована Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра,  стартовых котлованов наклонных ходов станций Обводный канал, Адмиралтейская и Спасская Санкт-Петерубргского метрополитена, котлована комплекса “Стокман Невский центр”,  противофильтрационной завесы лотковой части Т4-С комплекса защитных сооружений г.Санкт-Петербург от наводнений и др (рис.10).

          На всех объектах были обеспечены безаварийная проходка и строительство.

          Одними из наиболее запомнившимися автору объектами являются грунтоцементное ограждение ствола 4 Резервного коллектора в районе площади Мужества и грунтоцементная плита  Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра.

        В 2003-2004 г.г. в районе площади Мужества одновременно сооружались три ствола №1, №4 и №5. Однако согласно первоначальному проекту проходки стволов под защитой грунтоцементного ограждения удалось пройти только ствол №4 (Строительная  организация ЗАО “СМУ-11 Метрострой”, генеральный директор А.В.Морозов, главный инженер А.В. Уханов), где метод МАП применялся в едином технологическом цикле со струйной цементацией для выявления и контроля ликвидации зон несплошности в ограждении (рис.2).

         В 2008г. ООО “Геодиагностика”  до начала проходческих работ выполнило контроль сплошности грунтоцементной плиты Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра в естественном залегании (Строительная  организация ООО “Космос СПб”, генеральный директор Г.Е.Усанов, главный инженер В.Э. Шейман).  Результаты исследований полностью подтвердились при проходке и даже были отражены в решениях Арбитражного суда. Здесь автор не удержался  и приводит выдержку из решения суда: “Из заключения ООО «Геодиагностика», утвержденного д.т.н. Архиповым А.Г., (л.д. 101-121), следует, что интервал залегания грунтоцементной плиты соответствует проекту, нарушений сплошности в грунтоцементе не выявлено, прочность грунтоцемента на одноосное сжатие находится в пределах 4,93-7,62 МПА, а модуль деформации превышает проектное значение 400 МПА”. Научный консалтинг ООО “Геодиагностика” заинтересованных организаций на площадке строительства Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра во многом обеспечил победу ООО “Космос СПб” в судебных баталиях.

 

       

Выводы

 

           1. Геофизические сейсмоакустические методы позволяют определять состояние (сплошность, прочность, модуль деформации) грунтоцементных массивов и свай, сформированных любыми способами цементации грунтов (струйной цементацией, инъекционным укреплением,манжетной технологией и др.)

          2. Рациональной системой контроля соответствия грунтоцементных массивов проектному заданию является комплекс методов, включающий разведочное бурение и геофизические скважинные акустические методы при которой:

        а) Бурение скважин малого диаметра производится для определения интервала залегания грунтоцемента и устройства наблюдательных колонок для межскважинного прозвучивания или каротажа.

        б) Контроль сплошности, прочности и модуля деформации (упругости) грунтоцемента производится методом межскважинного акустического просвечивания МАП из пробуренных скважин.

      

 

        Литература

1.  Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. М., Энергия, 1964 

2. Савич А.И., Коптев В.И., Никитин В.Н., Ященко З.Г.Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. М., Недра, 1969 

3. Бергман Л.  Ультразвук и его применение в науке и технике. М., Изд-во Иностранной литеры, 1957

4. Комаров В.А., Попов А.А., Шатров Б.Б. и др. Скважинная рудная геофизика. Л., Недра, 1971.

5. Архипов А.Г. "История грунтоцементной плиты второй сцены Мариинского театра" СПб, Политехника, 2018

 

       

Вверх

 

Информация для связи:

E-mail: arhipov8@mail.ru               

Telephone: +7(911)1582796

Skype: arhipov817

Internet: www.geodiagnostics.ru

     

 

Copyright ©2012-2020 Архипов А.Г.

Все права защищены.

Полное или частичное копирование материалов разрешено только при обязательном указании автора и прямой гиперссылки на сайт www.geodiagnostics.ru