Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 1, стр. 124-127

ВВЕДЕНИЕ

С целью определения длины и контроля сплошности железобетонных свай используют косвенные геофизические методы – сейсмоакустические, ультразвуковые, термометрические, георадарные и др. [1, 2] Наиболее распространенными являются сейсмоакустические, применяемые как на этапе изготовления свай, так и при обследовании фундаментов существующих зданий и сооружений.

Сейсмоакустические методы различаются по способу регистрации искусственно возбужденных упругих волн: на поверхности сваи или в скважине, пробуренной в грунте параллельно оси конструкции. Способ контроля выбирают с учетом возможностей и ограничений методов, конструктивных особенностей объекта исследований, инженерно-геологических условий рабочей площадки и пр. Высокие требования к достоверности результатов измерений определяют необходимость изучения области применения методов, в том числе с использованием численного моделирования [3–7].

СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВАЙ

Поверхностный сейсмоакустический метод (low strain impact method, sonic echo) основан на регистрации искусственно возбуждаемых в стволе сваи упругих волн с целью получения сведений о длине и сплошности бетона сваи. Акустические волны возбуждаются ударом молотка по оголовку сваи, распространяются вдоль ее ствола, отражаются от неоднородностей ствола и подошвы сваи и регистрируются на поверхности оголовка. Регистрация упругих волн производится с помощью датчика, измеряющего ускорение или скорость смещения частиц (акселерометра или велосиметра).

Волновое сопротивление поперечного сечения сваи характеризуется акустическим импедансом

где ρ – плотность материала сваи, $\upsilon = \sqrt {{E \mathord{\left/ {\vphantom {E {\rho }}} \right. \kern-0em} {\rho }}} $ – стержневая скорость продольной волны в теле сваи, E – модуль Юнга, S – площадь поперечного сечения. На границах участков сваи с различными значениями импеданса образуются отраженные волны.

Для определения длины и сплошности сваи необходимо выделить (если это возможно) на сигналах, полученных в результате обработки, отражения от нижнего конца и от нарушений сплошности бетона сваи (при наличии). Длина сваи и/или расстояние до отражающей границы определяется по формуле:

где L – глубина/расстояние до отражающей границы, $\upsilon $ – стержневая скорость продольной волны в теле сваи, $\Delta t$ – интервальное время пробега отраженной волны. При этом скорость упругой волны в свае предполагается постоянной и принимается по данным градуировочных зависимостей или по измерениям на сваях с известной длиной. Точность определения длины составляет ~10% [2].

Область применения метода ограничена соответствием параметров исследуемой конструкции и вмещающих грунтов модели свободно расположенного тонкого линейно-упругого стержня [1, 8].

Скважинный параллельный сейсмический метод (parallel seismic method) представляет собой адаптацию принципов вертикального сейсмического профилирования для определения длины свай и других подземных железобетонных конструкций [9]. Вблизи конструкции бурится скважина, глубина которой превышает предполагаемую отметку ее нижнего конца. Возбуждение сигнала производится кувалдой на поверхности объекта исследований, регистрация – перемещающимся по скважине датчиком. Метод испытаний требует дополнительных затрат на устройство скважины и применяется в случаях, когда не удается определить длину конструкции поверхностным сейсмоакустическим методом.

Сигналы, зарегистрированные скважинным приемником, составляют в сейсмограммы и выделяют на них годограф первых вступлений волн. Кажущиеся скорости распространения акустической волны в свае и в грунте могут быть определены по наклонам годографа первых вступлений, а длина конструкции – по координате точки перелома годографа.

Область применения данного метода ограничена контрастом акустических жесткостей сваи и грунта, параллельностью осей скважины и сваи и пр. [2, 4].

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

В программном комплексе COMSOL Multiphy-sics 5.4 (модули Structural Mechanics и Acoustics, лицензия № 9600341) выполнено двумерное численное моделирование методом конечных элементов для набора случаев, иллюстрирующих основные возможности и ограничения поверхностного сейсмоакустического и параллельного сейсмического методов (рис. 1).

В качестве объектов моделирования выбраны бетонные сваи, изготовленные в грунте. Длина свай – 20 м, диаметр – 1 м. На расстоянии 350 мм от свай заданы скважины диаметром 100 мм, заполненные водой. Физические свойства моделируемых материалов приведены в табл. 1 [10, 11].

Модель 1 представляет собой сваю с ненарушенной сплошностью, изготовленную в песках (рис. 1а). Для иллюстрации влияния дефекта ствола сваи на данные сейсмоакустических методов задана модель 2 с включением грунта, составляющего половину сечения сваи (рис. 1б). Влияние значительного изменения акустических свойств вмещающих грунтов исследуется с помощью модели 3, в которой ниже слоя песка задан слой плотной глины (рис. 1в). В модели 4 испытуемая свая включена в состав бетонного ростверка размером 1.5 × 10 м (рис. 1г).

Источник и приемник упругих волн для имитации данных поверхностного сейсмоакустического метода расположены на оголовке сваи, на расстоянии 250 мм по разные стороны от ее оси. В качестве сигнала источника используется модулированный окном Ханнинга гауссовый импульс. Приемник (велосиметр) регистрирует вертикальную компоненту скорости смещения частиц оголовка сваи в течение 40 мс.

Для имитации испытаний параллельным сейсмическим методом возбуждение упругих волн кувалдой имитируется импульсом той же формы, но с более низкочастотным спектром. Регистрация акустического давления в водной среде производится в течение 25 мс точечными приемниками, расположенными в скважине с шагом 100 мм.

Вмещающие сваю грунты окружены идеально согласованным поглощающим слоем со слабоотражающим условием на внешней границе, что приводит к почти полному отсутствию искажений, связанных с конечным размером моделей.

Размер конечных элементов моделей выбран с учетом характерных размеров их составных частей и длины волны в материале таким образом, чтобы обеспечить ошибку расчета не более 0.5%. Шаг по времени задан в соответствии с критерием Куранта–Фридрихса–Леви и составляет 27 нс.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Результаты численной имитации полевых испытаний поверхностным сейсмоакустическим методом представлены на рис. 2 в виде графиков зависимости вертикальной компоненты скорости смещения частиц оголовка сваи от времени.

На сигнале модели 1 вертикальными пунктирными линиями выделены импульсы, соответствующие возбуждению упругих волн и вступлению волн, отраженных от подошвы сваи (рис. 2а). Вычисленная длина сваи составляет 20.3 м (здесь и далее принята скорость распространения волн 4000 м ⋅ с^–1). На сигнале модели 2 на глубине 6 м выделен импульс, соответствующий вступлению волн, отраженных от верхней кромки дефекта (рис. 2б). На отметке времени, на которой ожидалось вступление волн от нижнего конца сваи, выделяется импульс небольшой амплитуды, который не может быть надежно интерпретирован при отсутствии априорных представлений о длине сваи. На сигнале модели 3 выделен импульс положительной полярности, соответствующий местоположению геологической границы песок–глина (рис. 2в). В связи с повышенным излучением упругих волн во вмещающую среду при прорезании сваей слоя глин, отражение от нижнего конца сваи не зарегистрировано. На сигнале модели 4 на фоне высокого уровня помех, связанного с волнами, распространяющимися внутри ростверка, не удается уверенно выделить импульс, соответствующий отражению от подошвы сваи (рис. 2г).

Результаты имитации испытаний параллельным сейсмическим методом представлены на рис. 3. Для каждого зарегистрированного приемником сигнала выполнено определение времени первого вступления волн. Для всех моделей удалось с высокой точностью определить длину свай по точке перелома годографа первых вступлений. Однако из-за низкого контраста акустических жесткостей бетона сваи и вмещающих грунтов в модели 3 точка перелома годографа выражена слабее (рис. 3в). Нарушение сплошности сваи в модели 2 проявляется на сейсмограмме в виде увеличения времени первого вступления волн (рис. 3б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты моделирования указывают на необходимость применения более дорогостоящего параллельного сейсмического метода для определения длины свай, включенных в состав ростверка или фундамента существующего здания, и длинных свай, изготовленных в грунтах с повышенной акустической жесткостью.

Синтетические сигналы близки к полевым данным, зарегистрированным при испытании свай со сходными геометрическими размерами и свойствами вмещающих грунтов [8, 9], что подтверждает корректность выбора параметров моделирования. Подготовленные модели будут использованы в качестве основы для дальнейшего уточнения методики сбора, обработки и интерпретации данных сейсмоакустических методов.

Работа выполнена при поддержке грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ № НШ-5545.2018.5.