Контроль свай

В 2006–2022 гг. сотрудниками ООО "Геодиагностика" методами ультразвукового прозвучивания из закладных трубок и сейсмоакустического зондирования с головы сваи произведен контроль сплошности тысяч буронабивных свай на участках Дублера Курортного проспекта (г.Сочи), Кольцевой автодороги (КАД) и Западном скоростном диаметре (ЗСД) в Санкт-Петербурге, Автомобильной дороги М11 Москва - Санкт-Петербург, опорах мостов через реки Нева (мосты Новолазаревский и Большой Петровский), реку Волковка (Ново-Кирпичный мост), Обводный канал (Американские мосты), Волхов, Свирь, Мста, Шуя, Луга, Крол и др), и др.

Контроль прочности материала свай (бетона) производится на основе градуировочных зависимостей “скорость упругой волны – прочность бетона на сжатие”. Большой опыт исследований и научный подход позволяет работать в "темную" (без информации о проектной длине сваи) на объектах от которых отказываются конкуренты.

ВВЕДЕНИЕ

Устройство железобетонных буронабивных свай является отработанным и надежным решением при проектировании оснований опор мостовых переходов, зданий, сооружений, кольцевых и линейных ограждений, стен в грунте, подпорных стенок и др.. Наиболее распространенным способом устройства является бурение инвентарной обсадной трубой с выборкой грунта шнеком или ковшебуром с последующим спуском в скважину армокаркаса и бетонированием выработки методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ) при постепенным извлечением обсадной трубы. Буронабивные сваи, устраиваемые в основании опор мостов, как правило, имеют диаметр 800, 1000, 1200 или 1500 мм и длину 10 – 40 м. Сваи с максимальными глубинами забоя (70 - 80 м) в России в последние годы устроены в основании уникальных зданий и сооружений: здания "Лахта Центр" ПАО "Газпром" в Санкт-Петербурге и опор моста через Керченский пролив.

В силу многостадийности и сложности технологического процесса изготовления буронабивных свай, а также человеческого фактора в сваях могут появляться различные дефекты: зоны полного отсутствия бетона, включения естественного грунта, пористости, понижения прочности бетона и др. Дополнительными факторами, способствующими образованию дефектов, являются ошибки проектирования вследствии копирования проектных решений по технологии устройства свайных оснований без учета геологических особенностей или неоправданная экономия материалов.

Актуальность проблемы и необходимость контроля качества изготовления буронабивных свай определяется влиянием свайных оснований на устойчивость и долговечность зданий и сооружений. Отступление при изготовлении от проектных характеристик сваи по длине, сплошности, форме, диаметру, прочности бетона, размерам армокаркаса и др. приводит к потере несущей способности сваи и осадкам опор мостов и фундаментов, вплоть до разрушения зданий и сооружений. Для массива бетона тела сваи, по мнению автора, наиболее важными показателями качества являются сплошность и прочность.

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)”. Сплошность характеризует непрерывность и неразрывность проектных характеристик по длине ствола (в т.ч. отсутствие дефектов структуры, зон разуплотнения, сужений) и является важнейшей характеристикой, определяющей сохранение несущей способности сваи в течении заявленного срока службы. При нарушении сплошности со временем под воздействием эксплуатационных факторов (статических и динамических нагрузок, воздействия агрессивных вод и др.) свая постепенно потеряет несущую способность.

Под термином “прочность бетона” - в общем случае, понимается способность бетона сопротивляться разрушению механическими нагрузками. Нормативными документами предписывается определять прочность бетона на сжатие разрушающими методами по методикам ГОСТ 28570-90 "Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранных из конструкций" и ГОСТ 24452-80 "Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона". В последние годы в строительстве получил развитие метод отрыва со скалыванием, основанный на зависимости прочности на сжатие и усилия отрыва, установленного в бетон анкера. Метод отрыва со скалыванием, автор также относит к разрушающим методам, поскольку при испытании в бетоне разрушается зона установки анкера. К "чистым" неразрушающиим методам можно отнести только ультразвуковой метод определения прочности бетона по ГОСТ 17624-2012.

Сложность контроля проектных характеристих буронабивных свай обусловлена их нахождением в подземном пространстве. Неразрушающий контроль объектов в подземном пространстве геофизическими является современным направлением интегральной оценки качества изготовления буронабивной сваи. Ниже изложены подходы к проблеме диагностики состояния свай и результаты работ ООО "Геодиагностика" по контролю сплошности, длины и прочности бетона свай сейсмоакустическими и ультразвуковыми методами.

Нормативная документация по контролю качества свай

Действующие на настоящий момент в строительстве нормативные документы, например СП 45.13330.2012 "Земляные сооружения, основания и фундаменты" и МДС 12-23.2006 “Временные рекомендации по технологии и организации строительства многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в Москве” содержат прямые указания на необходимость проверять сплошность свай геофизическими методами. СП 45.13330.2012 "Земляные сооружения, основания и фундаменты" включает следующие требования к проектам (пункт 12.7 "Прием и контроль качества изготовления свайных фундаментов"):

а) 12.7.1 В зависимости от поставленных задач, наличия и полноты проектно-технической документации, характера и степени дефектов и повреждений в сваях может выполняться сплошной (полный) или выборочный контроль качества изготовленных свай.

б) 12.7.3 В состав работ по выборочному контролю качества бетона свай включается: выбуривание кернов на полную длину из 2% общего числа выполненных из монолитного бетона свай на объекте, но не менее 2 свай и испытания образцов бетона, изготовленных из керна, на одноосное сжатие; контроль длины свай и оценка сплошности их стволов с использованием сейсмоакустических испытаний - 20% общего числа свай на объекте; оценка качества (однородности) бетона свай на полную их длину методами радиоизотопных или ультразвуковых измерений - 10% общего числа свай на объекте. Примечание - При согласовании с проектной организацией допускается ограничиться одним из указанных способов контроля.

Методы контроля свай в месте изготовления

Разрушающие методы контроля сплошности и прочности бетона (отбор керна с последующим лабораторным определением прочности на сжатие, отрыв со скалыванием на поверхности головы сваи).

Выбуривание кернов позволяет получить информацию о сплошности материала сваи. Но требование отбора керна, по опыту автора, трудно осуществимо по всей длине сваи из-за постепенного отклонения траектории скважины от оси сваи в процессе бурения. Из-за невозможности обеспечить жесткое крепление буровой установки, высокой твердости бетона и относительно небольшого диаметра сваи выход буровой коронки за пределы сваи, как правило, происходит на глубинах до 15 м. Несомненным техническим достижением можно считать результат ООО "Специнжиниринг" (Санкт-Петербург) по контрольному колонковому твердосплавному бурению в 2020 г. (диаметр бурения 112 мм, буровая установка УРБ-2А2) буронабивной сваи диаметром 1200 мм с достижением глубины отбора керна 25 м.

Выбуривание керна является длительной, дорогостоящей и негарантирующей результат (на глубинах свыше 10 м) операцией, поэтому для контроля сплошности и прочности бетона необходимо применять неразрушающие геофизические методы.

Лабораторные методы определения прочности бетона на сжатие или метод отрыва со скалыванием, реализуемый на поверхности головы сваи, имеют значительную погрешность в силу механического повреждения керна или наличие дефектов на поверхности.

Неразрушающие (геофизические) методы исследований сплошности бетона

Так как сваи находятся в подземном пространстве, что исключает прямой доступ, для неразрушающего контроля состояния свай могут использоваться только геофизические методы, базирующиеся на результатах исследований зависимостей между характеристиками сваи и параметрами искусственных физических полей.

Из многочисленных геофизических методов наибольшее развитие для контроля сплошности буронабивных свай получили акустические методы (прозвучивание, сейсмоакустическое зондирование). Под акустическими методами автор объеденил методы всего частотного диапазона от инфразвука (менее 20 Гц) до ультразвука (20 -100 кГц и выше). Физической основой использования акустических методов для контроля сплошности и прочности бетона свай является установленная многочисленными исследованиями зависимость изменения параметров упругой волны от упругих, деформационных, прочностных свойств и пористости (трещиноватости) среды распространения [1, 2, 3].

Надо отметить некоторую путаницу в терминологии, обусловленную переходным периодом и отсутствием отечественных стандартов по контролю состояния свай геофизическими методами. Согласно СП-11-105-97 "Инженерно-геологические изыскания для строительства" Часть 6. Правила производства геофизических исследований: сейсмоакустические методы основаны на изучении динамических и кинематических характеристик упругих колебаний в среде, создаваемых искусственными источниками возбуждения. Сейсмоакустические методы по диапазонам используемых частот колебаний подразделяются на: сейсмические (диапазон частот менее 1 кГц), акустические (диапазон частот 1 - 17 кГц) и ультразвуковые (диапазон частот более 17 кГц). То есть к сейсмоакустическим отнесены и ультразвуковые методы. Этот терминологический казус скорее всего вызван тем, что основным объектом инженерных изысканий являются грунты, а не бетон.

Возможные схемы исследования свай сейсмоакустическими и ультразвуковыми методами (прозвучивание между закладными наблюдательными трубками, сейсмоакустическое зондирование, каротаж, прозвучивание между закладной трубкой и головой сваи) приведены на рис.2.

Рис.2. Схемы акустического контроля сплошности буронабивных свай

а - ультразвуковое прозвучивание между закладными трубками, б – ультразвуковой каротаж (прозвучивание между точками, расположенными в одной трубке (скважине); в – акустическое прозвучивание между закладной трубкой и головой сваи. г – сейсмоакустическое зондирование (эхо-метод)

Другие геофизические методы, например, электромагнитные с помощью георадара, по мнению автора, в настоящее время практически не применимы для исследования состояния свай из-за физических особенностей и большого числа мешающих факторов. Основными мешающими факторами для георадара являются:

а) низкая радиопрозрачность железобетона вследствие затухания электромагнитных колебаний на стальном армокаркасе;

б) неконтролируемая погрешность измерений расстояний методом радиолокации на малых (10 - 100 м) базах за счет очень высокой скорости распространения электромагнитной волны (300 000 000 м/с).

Хотя попытки использовать электромагнитные методы для контроля состояния свай и обделок тоннелей продолжаются, рождая удивительные продукты сочетания бизнеса и лженауки.

1. КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ БЕТОНА В СВАЯХ МЕТОДОМ прозвучивания ИЗ ЗАКЛАДНЫХ ТРУБОК

1.1.Физические основы метода прозвучивания свай из закладных трубок

Метод межскважинного прозвучивания (crosshole sounding) реализуется из закладных трубок, установленных в скважину вместе с армокаркасом до бетонирования сваи (рис.3). Суть метода прозвучивания заключается в возбуждении импульса упругой волны (УВ) в одной закладной трубке, приеме импульса УВ в другой закладной трубке и оценке состояния среды межтрубочного пространства (бетона) по параметрам импульса УВ.

Рис.3. Бетонирование сваи с закладными трубками в армокаркасе

При наличии в исследуемом изделии зоны несплошности (трещиноватости, включений естественных грунтов) 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 бетона и огибании (дифракции) упругой волны препятствия с увеличением пути распространения. Скорость распространения упругой волны уменьшается с ростом пористости и увеличивается при возрастании прочности бетона.

Основной диагностический параметр состояния бетона при прозвучивании – скорость продольной упругой волны v_р. Определение скорости УВ v_р (м/с) производится по измеренным значениям расстояния L между точками возбуждения и приема и времени распространения упругой волны t по формуле:

v_р = L/ t.

Зависимость скорости распространения упругой волны от прочности и пористости бетона и возникновение явления “акустической тени” при появлении дефектов и является физической основой для контроля качества изготовления изделий из бетона методом прозвучивания. Увеличение скорости упругой волны указывает на рост прочности и однородности бетона. Уменьшение скорости, амплитуды и частоты упругой волн связано с затуханием и вызывается неоднородностью, разуплотненностью, пористостью бетона. Наличие зоны несплошности диагностируется по резкому уменьшению скорости, амплитуды и частоты упругой волны (вплоть до пропадания сигнала) по лучам прозвучивания, пересекающим тело бетонной конструкции (рис.4).

а б

Рис.4. Схема прозвучивания буронабивных свай (а) и зависимость скорости упругой волны от глубины (б)

1 – буронабивная свая; 2 – массив грунтов; 3, 4 наблюдательные трубки излучателя (И) и приемника (П) упругой волны; 5 – кабеля; 6 - автомашина с аппаратурой

1.2. Приборы для прозвучивания свай и панелей траншейных стен в грунте

Прозвучивание может осуществляться на различных частотах упругих волн. Основные характеристики методов прозвучивания: частота следования импульсов, частота заполнения импульсов, звуковое давление на фронте импульса упругой волны определяют разрешающую способность и максимальную базу измерений.

Приборы для ультразвукового прозвучивания

В современных приборах ультразвукового прозвучивания бетонов, как правило, частота следования импульсов находится в пределах 1-50 Гц, частота заполнения импульсов 20000-100000 Гц, минимальный размер выделяемых дефектов минимальный 0,1-0,2 м, звуковое давление на фронте импульса упругой волны невелико (единицы паскаль).

Для ультразвукового прозвучивания свай (рис.5) ООО "Геодиагностика" использует как отечественный ультразвуковой прибор Пульсар 2.2 ДБС (ОАО "Интерприбор"), Россия) (рис.5), так и собственную разработку - компьютеризированный ультразвуковой аппаратурый комплекс УП-1 на базе прибора УК-10 ПМС с комплектом скважинных ультразвуковых преобразователей.

Рис.5. Приборы для ультразвукового прозвучивания свай

а - Ультразвуковой прибор Пульсар 2.2 ДБС (ОАО "Интерприбор")

На рынке присутствуют и зарубежные ультразвуковые приборы, производящие измерения при непрерывном движении датчиков. Производительность измерений в движении датчиков повышается. Приборы, несомненно, позволяют получить больший объем информации, но и стоят, приблизительно, в 3-4 раза дороже отечественных приборов. В современных условиях экономическая целесообразность использованиия зарубежных приборов под вопросом из-за сложившегося уровня цен на исследования свай и сложности текущего ремонта. При отрицательных температурах с обмерзанием направляющих роликов эксплуатация прибора с непрерывным спуском может стать невозможной. Следует отметить, что при измерении в движении возникает дополнительные методические погрешности, вызывающие сложность интерпретации записанных графиков скорость упругой вонлы-глубина. Не так давно с автором консультировались зарубежные подрядчики по результатам ультразвуковых исследований свай в основании уникального здания в Санкт-Петербурге, где при использовании ультразвукового прибора с измерениями в движении, получились трудно интерпретируемые результаты, что весьма напрягло заказчиков строительства. Сигнал в свае при обычной базе измерения до 2 м на отдельных интервалах пропал и Заказчик остался в неведении: связано ли это с погрешностью быстрых непрерывных измерений, установками прибора или состоянием сваи. При измерениях с остановкой датчиков этой проблемы нет, так как существует возможность немного изменить направление прозвучивания, добиваясь оптимальных условий прохождения ультразвуковых колебаний.

Приборы для акустического прозвучивания

В настоящее время ООО "Геодиагностика" разработало и для условий высоко поглощающих сред и больших расстояний, где не может применяться ультразвуковое прозвучивание, реализует метода акустического прозвучивания ударным импульсом, возбуждаемым электроискровым излучателем аппаратурного комплекса АПЗ-1 (рис.6). Метод прозвучивания ударным импульсом, по сути, представляет модификацию давно известного метода межскважинного акустического просвечивания (МАП).

При межскважинном акустическом прозвучивании бетонов, как правило, частота следования импульсов находится в пределах 0,1-0,3 Гц, частота заполнения импульсов 1-20000 Гц и выше, звуковое давление на фронте импульса упругой волны велико (до нескольких мегапаскаль).

Рис. 6. Аппаратурный комплекс АПЗ-1 ООО "Геодиагностика" в комплектации для прозвучивания в акустическом диапазоне

1 - генератор импульсов тока; 2 - комплекс програмно-аппаратных средств; 3 - кабель с электроискровым излучателем; 4 - скважинный приемник упругих волн с кабелем

1.3. Методы прозвучивания, реализуемые ООО "Геодиагностика"

ООО "Геодиагностика" реализует два метода прозвучивания бетона из закладных трубок: ультразвуковой (рис.7) и акустический (рис.8). Комплексное применение методов ультразвукового и акустического прозвучивания позволяет перекрывать широкий диапазон расстояний, поглощающих свойств материалов и особенностей сред распространения и решать широкий круг задач диагностирования бетонных конструкций, в т.ч. прозвучивание стыков между панелями траншейных стен в грунте и противофильтрационных завес.

Ультразвуковое прозвучивание.

Наиболее “старый” метод ультразвукового прозвучивания (crosshole ultrasonic sounding) начал применяться для свай большого диаметра со второй половины 20-го века после появления ультразвуковых приборов. Ультразвуковой метод за счет высокой частоты колебаний свыше 20000 Гц (длина волны в бетоне меньше 20 см) имеет высокую разрешающую способность, но из-за повышенного затухания колебаний характеризуется относительно небольшой дальностью - до 2-3 м и имеет ограничение по применению в высоко поглощающих средах.

Методика контроля сплошности (состояния) буронабивных свай методом ультразвукового прозвучивания из закладных трубок, в том числе действия при выявлении зоны несплошности, регламентирована в СТО ООО "Геодиагностика" "Буронабивные сваи и траншейные стены в грунте. Контроль сплошности (состояния) методом межскважинного прозвучивания для объектов транспортного строительства" СТО-УП-БНС-01-2015.

Система ультразвуковых наблюдений в свае, как правило, синхронная с перемещением датчиков по наблюдательным трубкам параллельно поверхности земли. Измерения производятся при остановке датчиков. Шаг прозвучивания по глубине – 0,2 - 1м. Для локализации выявленной зоны несплошности привеняются косые и веерные схемы.

Преимуществом ультразвукового метода является высокая разрешающая способность при выделении дефектов. Но метод ультразвукового прозвучивания обладает и существенными недостатками в виде высокой методической погрешности измерения скорости упругой волны за счет отсутствия данных инклинометрии по закладным трубкам, малой амплитуды и высокой частоты колебаний, алгоритма схемного (аппаратурного) решения выделения первого вступления и высокого затухания ультразвукового импульса на границах раздела трубка-бетон и трубка-жидкость.

а б в

Рис.7. Контроль сплошности бетона буронабивных свай методом ультразвукового прозвучивания из закладных трубок (Западный скоростной диаметр, Санкт-Петербург).

а - Оператор с ультразвуковым прибором Пульсар 2.2 ДБС; в - спуск ультразвуковых датчиков в закладные трубки, г- ультразвуковой импульс

Акустическое прозвучивание

Преимуществом метода прозвучивания аппаратурным комплексом АПЗ-1 (рис.8) является возможность прозвучивания на больших базах до 100 м (на всю длину сваи, бареты, панели стены в грунте, граница раздела сред, стыка между панелями) и в неодородных средах с высоким поглощением упругой волны (между закладной трубкой и головой сваи, между верхом и низом сваи при расположении скважинных приборов в закладных трубках на забое и в верхней части сваи), меньшая погрешность выделения первого вступления упругой волны за счет большей энергии возбуждаемой упругой волны. Рациональные базы измерений 0,7-10 м, минимальный размер выделяемых дефектов 0,2-0,5 м.

Дополнительные преимущества метода МАП заключаются возможность реализация технологии межскважинной томографии, за счет увеличения числа разнонаправленных лучей, проходящих межскважинное пространство.

а б в

Рис.8. Контроль сплошности буронабивных свай методом акустического прозвучивания из закладных трубок

а - аппаратурный комплекс АПЗ-1; б - спуск скважинного приемника в закладную трубку, в - осциллограмма импульса упругой волны (база прозвучивания 0,87 м)

Акустический каротаж

Метод акустического каротажа (рис.2б) с перемещением излучателя и приемника упругих волн в одной закладной трубке можно также отнести к методам прозвучивания. Акустический каротаж при контроле сплошности буронабивных свай в настоящее время практически не используется из-за ограниченности зоны исследования (околоскважинное пространство) и сложности измерений скорости упругой волны в бетоне при наличии промежуточного высокоскоростного прослоя в виде стенок стальной закладной трубы. Относительно более просто метод каротажа реализуем при использовании пластиковой наблюдательной трубки.

Прозвучивание между закладной трубкой и головой сваи

Прозвучивание между закладной трубкой и головой сваи (рис.2в) перспективный метод контроля сплошности ствола сваи. Может применяться при повреждении одной из трубок, заложенных для ультразвукового прозвучивания. Требует применения аппаратуры с мощным источником возбуждения упругих волн и чувствительным приемником. Экспериментальные исследования автора с аппаратурным комплексом АПЗ-1 с возбуждением упругой волны электроискровым источником на забое закладной трубки и приеме упругой волны вибропреобразователем на голове сваи показали работоспособность метода.

1.4. Проблемы применения метода ультразвукового прозвучивания из закладных трубок

В настоящее время в России утвержденной и общепринятой методики контроля сплошности свай методом прозвучивания из закладных трубок не существует, так как затрагивается многофакторная область диагностирования состояния объекта (сваи).

В последние годы сложилась практика, по которой на объектах до начала работ разрабатывается и согласуется программа (технологический регламент) контроля сплошности свай методом ультразвукового прозвучивания. Так для контроля сплошности буронабивных свай на объекте ПАО "Газпром" (проектная организация ООО "Газпром проектирование" была разработана "Программа работ по исследованию сплошности буронабивных свай неразрушающим ультразвуковым методом на объекте "Установка дополнительного АВО газа на КС “Портовая" ПР-УП-БНС-03-2017. В программе работ указываются виды дефектов сваи и диагностические признаки их выделения ультразвуковым методом. При отсутствии согласованной программы вероятность получить в заключении субъективное мнение о состоянии сваи, зависящее от уровня знаний исследователя, крайне велика.

2. КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ И ДЛИНЫ СВАЙ МЕТОДОМ СЕЙСМОАкустического зондирования с ГОЛОВЫ сваи

2.1. Физические основы метода сейсмоакустического зондирования

Информация о разработках различных методов сейсмоакустического зондирования (рис.2г), включающих механическое возбуждение и прием эхо-сигнала на голове сваи начали появляться с конца 20-го века. В зарубежных странах метод сейсмоакустического зондирования получил наименование Sonic Integrity Test (SIT) - звуковое тестирование сплошности (целостности).

Суть метода сейсмоакустического зондирования (рис.8) заключается механическом возбуждении верха сваи и определении ее состояния (длины, сплошности) по параметрам эхо-сигнала, отраженного от конца сваи или дефектов. По сути геофизический метод сейсмоакустического зондирования (seismoacoustic sounding) представляет разновидность импульсной эхолокации.

Железобетонные конструкции, устроенные в подземном пространстве (сваи, барреты, панели стены в грунте и др.) в форме параллелепипедов и цилиндров, по своим физико-механическим свойствам резко отличаются от вмещающих осадочных грунтов. Вследствие значительного отличия в акустическом сопротивлении бетона и вмещающих грунтов железобетонная конструкция представляет канал для распространения упругих волн с относительно невысокими потерями энергии на затухание и переизлучение в окружающую среду (грунт). Распространение упругих волн стене в грунте определяется общими законами акустики.

В большинстве случаев акустическое сопротивление грунта значительно меньше, чем бетона. Поэтому, при подходе упругой волны к концу сваи (низу панели стены в грунте) на границе раздела бетон-грунт возникает отраженная волна. Прямая волна сжатия на границе раздела сред, в общем случае, преобразуется в отраженную волну растяжения, что позволяет выделять эхо-сигнал от конца сваи по смене фазы регистрируемых колебаний. При появлении в теле конструкции дефекта, часть энергии упругой волны, распространяющейся в прямом направлении, будет отражаться от дефекта и регистрироваться на голове сваи в виде эхо-сигнала. Параметры эхо-сигналов (амплитуда, спектральный состав, фаза) определяются характеристиками дефектов, конструктивными особенностями и формой бетонной конструкции. Скорость распространения упругой волны связана с прочностными свойствами бетона.

Появление эхо-сигналов от дефектов, зависимость скорости упругой волны от прочности бетона и является физической основой для контроля состояния (качества изготовления) бетонных конструкций методом сейсмоакустического зондирования

Классификация методов сейсмоакустического зондирования

В настоящее время в России активно внедряются несколько методов сейсмоакустического зондирования, которые различаются способом и параметрами возбуждения и приема упругой волны. Параметры возбуждения упругой волны: площадь контакта ударника со сваей, длительность и сила воздействия; параметры приема: способ крепления, частотный диапазон и чувствительность приемника (вибропреобразователя).

Автор разделяет методы сейсмоакустического зондирования на основе рабочего частотного диапазона (излучение-прием) на три группы: низкочастотные (0-100 Гц), среднечастотные (100-1000 Гц) и высокочастотные (свыше 1000 Гц). Наиболее многочисленны низкочастотные методы, реализующие возбуждение сваи механическим ударом молотком и прием упругой волны низкочастотным приемником.

2.2. Сейсмоакустические приборы

В Россиипри контроле сплошности буронабивных свай методом сейсмоакустического зондирования применяются отечественные приборы (рис.9): Спектр 2.0 и 4.0 (производитель ОАО “Интерприбор”, Челябинск), аппаратурный комплекс АПЗ-1 (ООО "Геодиагностика ", Санкт-Петербург), измеритель длины свай ИДС-1 (ООО "Логические системы", Москва) и зарубежные приборы IFCO IT System (производитель фирма “Profound”, Нидерланды) и PET (производитель фирма PILETEST, Великобритания).

ООО "Геодиагностика" при контроле сплошности буронабивных свай применяет аппаратурный комплекс акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1 собственной разработки, измеритель длины свай ИДС-1 (ООО "Логические системы", Москва) и, с мая 2020 г. прибор Спектр 4.3 (ОАО “Интерприбор”, Челябинск). Мы имеем опыт эксплуатации зарубежных приборов и представляем технические особенности релизации и возможности сейсмоакустического метода. В мае 2020 г. начаты сравнительные испытания трех сейсмоакустических приборов АПЗ-1, ИДС-1 и Спектр-4.31.

Рис. 9. Сейсмоакустические приборы для контроля сплошности буронабивных свай

1 - измеритель длины свай ИДС-1 (ООО "Логические системы", Москва); 2 -прибор Спектр 4.0 (производитель ОАО “Интерприбор”, Россия), 3 - аппаратурный комплекс АПЗ-1 (ООО "Геодиагностика ", Санкт-Петербург),

Аппаратура ООО “Геодиагностика”

В ООО “Геодиагностика” разработан компьютеризированный аппаратурный комплекс импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1. (рис.10). В варианте акустического зондирования аппаратурный комплекс реализуется под наименованием измеритель длины буронабивных свай ИДБС-1. 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. При сейсмоакустическом зондировании (импульсной эхо-локации) производится точечное возбуждение импульса упругой волны и оценка состояния сваи (фундамента, ростверка) на основе кинематических и спектральных характеристик эхо-сигнала. Область применения: контроль состояния свай и фундаментов при строительстве, эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений.

В состав аппаратурного комплекса АПЗ-1 входят: источник возбуждения упругой волны (молоток или излучающая установка) 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. Именно наличие программ цифровой обработки сигналов позволяет выделять слабые эхо-сигналы, отраженные от низа длинных свай.

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%.

Использование двух способов возбуждения, чувствительного вибропреобразователя и комплекса программных средств на базе персонального компьютера с программами математической обработки сигналов позволяет решать практически весь перечень задач при контроле сплошности буронабивных свай и имеет преимущества по разрешению и точности по сравнению с другими методами сейсмоакустического зондирования.

а б

Рис. 10. Аппаратурный комплекс акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1

а - комплектация 1 (возбуждение упругой волны в свае механическим ударом); б - комплектация 2 (два способа вобуждения упругой волны: механическим и электрогидрваличеким ударом),

2.3. Методы сейсмоакустического зондирования, реализуемые ООО "Геодиагностика"

Направление контроля сплошности буронабивных свай методом сейсмоакустического зондирования ударным импульсом начало развиваться во Всероссийском НИИ методики и техники разведки (ВИТР) в начале 90-х годов 20 века, а после реорганизации ВИТР в 2003г. перешло в ООО “Геодиагностика”. ООО "Геодиагностика" развивает весь комплекс (низко, средне и высоко частотных) методов сейсмоакустического зондирования путем комбинирования способов возбуждения и параметров приемников упругих волн.

В настоящее время ООО “Геодиагностика” разработало и применяет два оригинальных метода сейсмоакустического зондирования ударным импульсом, отличающихся способом возбуждения упругой волны в свае. В первом способе используется возбуждение сваи механическим ударом (ударным молотком), во втором - электрогидравлическим ударом.

Возбуждение упругой волны ударным молотком с правильно подобранным бойком обеспечивает глубину зондирования до 40 м, что обеспечивает контроль сплошности свай на большинстве объектов.

Возбуждение электрогидравлическим ударом обеспечивает короткий (длительность десятки микросекунд) и очень мощный импульс давления, высокое разрешение по времени, но и более трудоемко.

Методика контроля сплошности (состояния) буронабивных свай методом сейсмоакустического зондирования регламентирована в СТО ООО "Геодиагностика" "Буронабивные сваи и траншейные стены в грунте. Контроль сплошности (состояния) методом сейсмоакустического зондирования для объектов транспортного строительства" СТО-САЗ-БНС-02-2015. Основное требование методики - получение качественного эхо-сигнала от конца сваи.

Порядок выполнения сейсмоакустического зондирования (рис.11, 12) включает механическое возбуждение головы сваи ударным молотком или электроискровым излучателем и оценку состояния сваи по результатам сравнения параметров эхо-сигнала с диагностическими признаками различных состояний свай. В эхо-сигнале присутствует информация о дефектах, форме и конструкции сваи. Таблица, содержащая перечень дефектов и соответствующих им диагностических признаков, сформирована на основе исследований ООО “Геодиагностика”.

Применение метода "многочастотного" сейсмоакустического зондирования с изменением способов возбуждения и параметров приема, позволяет получить качественный эхо-сигнал на длинных сваях (не менее 40 м) и работать по свае через ростверк.

а б в

Рис. 11 . Аппаратурный комплекс акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1 в комплектации 2 при выполнении сейсмоакустического зондирования сваи с возбуждением упругой волны электрогидравличеким излучателем

а - расположение электрогидравлического излучателя и приемника на голове сваи; б – оператор аппаратурного комплекса; в - сигналограмма (временная реализации эхо-сигнала) сейсмоакустического зондирования.

Методы сейсмоакустического зондирования буронабивных свай ООО “Геодиагностика”, по мнению автора, с научной, практической и метрологической сторон полностью отработаны. Возбуждение сваи производится ударными импульсами, что позволяет с высоким разрешением и соотношением сигнал/шум регистрировать четкое первое вступление импульса упругой волны при прозвучивании или эхо-сигнал от лба сваи при сеймоакустическом зондировании. Преимуществом аппаратурного комплекса АПЗ-1 ООО “Геодиагностика” является возможность реализации методов прозвучивания и зондирования и метрологическое обеспечение. Имеется утвержденная "Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных, грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания".

2.4. Результаты сравнительных испытаний сейсмоакустических приборов при контроле сплошности буронабивных свай

ООО "Геодиагностика" будет публиковать на сайте результаты сравнительных испытаний приборов для контроля сплошности и длины буронабивных свай методом сейсмоакустического зондирования с выводами сильных и слабых сторон приборов, выявленных при подконтрольной эксплуатации

а б в

Рис.10. Сейсмоакустические приборы при контроле сплошности одной буронабивной сваи в июне 2020г.

а - измеритель длины свай ИДС-1 (ООО "Логические системы", Москва); б - прибор Спектр 4.0 (производитель ОАО “Интерприбор”, Россия), в - аппаратурный комплекс АПЗ-1 (ООО "Геодиагностика ", Санкт-Петербург),

2.5. Проблемы применения метода сейсмоакустического зондирования

В настоящее время в России утвержденной и общепринятой методики контроля сплошности свай методом сейсмоакустического зондирования не существует, так как затрагивается многофакторная область диагностирования состояния объекта (сваи).

Наиболее часто в заключениях ссылаются на добровольный (выделено автором) зарубежный стандарт ASTM D 5882 – 16 “Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations” (Стандартный метод испытаний сплошности фундаментов глубокого заложения низкодеформационным ударом). По мнению автора, методика, изложенная в стандарте хорошо работает на коротких сваях (длиной, ориентировочно, до 15 м) заводского изготовления (известной формы), погруженных, например, забивным способом. Для коротких свай простой формы компьютерные модели характерного сигнала и реально измеренного упругого сигнала практически совпадают. Как только увеличивается длина и изменяется форма сваи, алгоритмы обработки, заложенные в приборахPILETEST и PET дают значительную погрешность. Непонятно как выделять первое вступление отраженной упругой волны при жестком алгоритме обработки сигнала. Внятных методик работы на таких приборах и определения состояния свай автор не встречал. Зато часто видел испуганные лица операторов, которым надо было делать выводы о свае на основе таких измерений и сталкивался со случаями ложного обнаружения зон несплошности в сваях, которые не подтверждались при выбуривании керна или откопке сваи. Поставщики приборов как мантру повторяют фразу о легкости регистрации отраженной от конц сваи волны, не понимая физических ограничений и методических погрешностей метода.

Поэтому в последние годы сложилась практика, по которой на объектах до начала работ разрабатывается и согласуется программа (технологический регламент) контроля сплошности свай методом сейсмоакустического зондирования. Так для Западного скоростного диаметра ООО “Геодиагностика” разработала “Технологический регламент работ по контролю сплошности буронабивных свай сейсмоакустическим методом на IV очереди и V очереди строительства Западного Скоростного Диаметра в Санкт-Петербурга” ТР-САЗ-БНС-01-2013, который согласовывался супервайзером строительства. В программе работ указываются виды дефектов сваи и диагностические признаки их выделения сейсмоакустическим методом. При отсутствии согласованной программы вероятность получить в заключении субъективное мнение о состоянии сваи, зависящее от уровня знаний исследователя, крайне велика.

3. Комплексирование ультразвуковых и сейсмоакустических методов при диагностике состояния буронабивных свай и стен в грунте

В последние годы ООО "Геодиагностика" даже при наличии в свае закладных трубок для ультразвукового прозвучивания бетона предлагает строительным организациям выполнять и сейсмоакустическое зондирование (рис.13). Комплексирование двух методов позволяет увеличить объем диагностической информации и качество определения состояния сваи [4]. Сейсмоакустическое зондирование следует рассматривать как источник дополнительной информаии, так как по сравнению с ультразвуковым методом сейсмоакустическое зондирование имеет значительно большую погрешность измерения расстояний и неопределнность в интерпретации состояния сваи.

Рис.13. Схемы ультразвукового прозвучивания (а) и сейсмоакустического зондирования (б) буронабивных свай

1 – свая; 2 – массив грунтов; 3 – направления лучей прозвучивания; 4- барабан с кабелем и ультразвуковым преобразователем; 5, 10 - соединительные кабеля; 6 - ультразвуковой прибор,7 – закладные трубки; 8 – ударный молоток; 9 – приемник упругой волны; 11 – регистрирующий блок прибора сейсмоакустического зондирования.

Рис. 14 График зависимости скорости упругой волны от глубины при ультразвуковом прозвучивании сваи после бетонирования (1) и после проведения ремонтных работ (2)

4. Неразрушающий контроль ПРОЧНОСТИ бетона в сваях

Вместе с контролем сплошности может производится ультразвуковой контроль прочности бетона как из закладных трубок так и на пришлифованных площадках на голове сваи. Основное условие определения прочности бетона ульразвуковым методом - построение градуировочных зависимостей "скорость упругой волны - прочность бетона" для бетона, используемого для бетонирования свай. Для построения градуировочных зависимостей используются кубики бетона. Вначале в кубиках бетона измеряется скорость упругой волны, затем - прочность бетона на сжатие. По массиву данных скорости упругой волны и прочности бетона строится грудуировочная зависимость.

По наблюдениям автора ультразвуковой метод определения прочности бетона, выполняемый на срубленной голове сваи, точнее метода отрыва со скалыванием вследствие большего числа точек измерения. На голове свай метод отрыва со скалыванием имеет дополнительную погрешность из-за повреждения приповерхностного слоя бетона при срубке и ограниченного числа точек измерений.

......

ВЫВОДЫ

Более, чем двадцатилетний опыт автора по контролю сплошности свай методами ультразвукового (акустического) прозвучивания и сейсмоакустического зондирования, собственные экспериментальных исследования распространения упругих волн в различных средах, анализ опубликованных данных выражается в следующих заключениях.

1. По методу ультразвукового прозвучивания свай

а) Прозвучивание из закладных трубок является наиболее информативным методом определения состояния бетонной конструкции в подземном пространстве (буронабивной сваи, панели или стыка стены в грунте) за счет возможность приблизиться к объекту исследований и исключить потерю информации в поверхностном слое земли и при распространении упругой волны и высокого разрешения при выделении дефектов. Максимальные расстояния ультразвукового прозвучивания бетона - не более 2-3 м, что ограничивает применение ультразвукого метода для кнтроля сплошности панелей (захваток) стены в грунте длиной 3 и более м.

б) В настоящее время в России утвержденной и общепринятой методики контроля сплошности свай методом прозвучивания из закладных трубок не существует, так как затрагивается многофакторная область диагностирования состояния объекта (сваи). Во избежании конфликтных ситуаций при интерпретации результатов ультразвукового прозвучивания до начала работ необходимо разрабатывать и согласовывать программу (технологический регламент) контроля сплошности свай методом ультразвукового прозвучивания на объекте строительства. В программе работ указываются виды дефектов сваи и диагностические признаки их выделения ультразвуковым методом. При отсутствии согласованной программы вероятность получить в заключении субъективное мнение о состоянии сваи, зависящее от уровня знаний исследователя, крайне велика.

в) Ультразвуковой метод, вместе с контролем сплошности, позволяет контролировать и прочность бетона. Основное условие - построение градуировочных зависимостей "скорость упругой волны - прочность бетона" для бетона, используемого для бетонирования свай. Построение градуировочной зависимости производится по кубикам бетона, формируемых при бетонировании.

2. По методу сейсмоакустического зондирования свай

а) Метод сейсмоакустического зондирования позволяет контролировать сплошность и длину бетонных свай и панелей стены в грунте. Погрешность определения длины сваи (высоты панели стены в грунте) методом сейсмоакустического зондирования составляет, не менее + 5-10 %. Получение эхо-сигнала от конца сваи определяется параметрами прибора, качеством подготовки головы сваи, соблюдением методики выполнения измерений и обученностью оператора.

б) Сейсмоакустическое зондирование длинных свай (более 20 м) и свай большого диаметра (более 1 м), а также исследование свай через ростверк требует уточнения методики и применения приборов типа аппаратурного комплекса АПЗ-1 (разработчик ООО "Геодиагностика"), позволяющих изменять параметры возбуждения сваи (энергию и спектр удара) и приема (тип частотный диапазон, чувствительность приемника) упругих волн.

. в) В настоящее время в России утвержденной и общепринятой методики контроля сплошности свай методом сейсмоакустического зондирования не существует, так как затрагивается многофакторная область диагностирования состояния объекта (сваи). Во избежании конфликтных ситуаций при интерпретации результатов сейсмоакустического зондирования до начала работ необходимо разрабатывать и согласовывать программу (технологический регламент) контроля сплошности свай методом сейсмоакустического зондирования на объекте строительства. При отсутствии согласованной программы вероятность получить в заключении субъективное мнение о состоянии сваи, зависящее от уровня знаний исследователя, крайне велика.

3. Комплексирование ультразвуковых и сейсмоакустических методов обеспечивает получение большего объема диагностической информации для определения состояния буронабивных свай и траншейных бетонных стен в грунте. При наличии закладных трубок в свае сейсмоакустическое зондирование следует рассматривать как дополнительный метод для определения сплошности конструкции в вертикальном направлении и уточнения границы раздела бетон - грунт.

Заключение

Автор считает, что направлению неразрушающего контроля сплошности и прочности бетонных конструкций (свай, стен в грунте, противофильтрационных завес и др.) в естественном залегании нет альтернативы. Только неразрушающий контроль в месте изготовления в подземном пространстве может обеспечить получение достоверной информации о состоянии конструкции и ее соответствия проектным характеристикам.

К сожалению, объемы работ по неразрушающему контролю в России все еще отстают от аналогичных объемов в наиболее развитых странах, что в значительной степени определяется уровнем развития науки и техники, состояние нормативной базы и менталитетом строителей.

К негативным тенденциям, проявившемся в последнее время можно отнести следующие:

а) массовую закупку строительными лабораториями ультразвуковых и сейсмоакустических приборов и выполнение низкокачественных исследований вследствие не понимания физических особенностей и погрешностей методов, что приводит к многочисленным курьезным случаям при формировании выводов о состоянии свай, трубошпунтовых свай и шпунта.

б) создание крупными строительными организациями аффилированных лабораторий, которые выполняют контроля сплошности свай на собственных объектах.

Подрядные организации в подавляющем числе случаев не заинтересованы в дополнительном контроле качества выполнения работпо устройству буронабивных свай. В число заинтересованных в объективном контроле сплошности свай и траншейных стен в грунте организаций должны входить собственники объектов, генеральные подрядчики, проектные организации и органы технического надзора, которые должны понимать, что экономия на методах контроля, поручение контроля аффилированной с субподрядчиком организации или профанация исследования состояния свай может привести к авариям и многократному росту затрат на строительство и последующую эксплуатацию зданий и сооружения.

Список источников

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

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

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

4. Архипов А.Г., Матинян А.А. Комплексирование ультразвуковых и сейсмоакустических методов при даигностике состояния буронабивных свай и стен в грунте. - В сб.: Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения. Материалы межд. науч.-практич. конф. 2017. С. 5-12.

Вверх

Информация для связи:

E-mail: arhipov8@mail.ru

Telephone: +7(911)1582796

Internet: www.geodiagnostics.ru

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