Проверка на сплошность бетона буронабивной сваи
Контроль качества устройства скважины включает проверку на:
- соответствие размеров скважины проекту;
- состояние стенок, уширения и забоя скважины;
- соответствие физико-механических показателей грунта в забое скважины проекту.
Качество скважины контролируют в сухих скважинах визуально с помощью переносной электролампы, опускаемой в скважину. Размеры уширенных полостей скважины контролируют по степени раздвижки режущих ножей при разбуривании полостей.
Для измерения диаметра скважины и уширения применяют каверномер: принцип действия его основан на изменении сопротивления реостата, ползунок которого перемешается в зависимости от степени раскрытия измерительных рычагов. Электрический сигнал с реостата передается на регистрирующий прибор. Величина сигнала прямо пропорциональна диаметру скважины. Скважинный прибор с закрытыми рычагами опускают на кабель-канате, на котором через каждый метр нанесены отметки, в забой скважины. По сигналу с панели управления измерительные рычаги открываются до упора в стенки скважины, и берется первый отсчет. Затем прибор перемещается вверх с прижатыми к стенке скважины измерительными рычагами, и при этом снимают отсчеты. По результатам измерений можно определить, фактическое очертание скважины и на основании этого определить ее объем.
Состояние забоя скважины существенно влияет на несущую способность сваи. Как правило, на дне скважины остается шлам – слой разрыхленного грунта толщиной 10–30 см; сжимаемость грунта в таком состоянии в 3–4 раза больше, чем грунта естественной плотности. Шлам необходимо или удалить, или уплотнить с помощью специальных трамбовок. При уплотнении разрыхленного грунта можно утрамбовывать слой щебня. Качество уплотнения можно контролировать по числу ударов трамбовки.
При установке арматурного каркаса в скважину проектный зазор между продольными стержнями арматуры и стенкой скважины обеспечивается специальными фиксаторами защитного слоя. Величина зазора должна быть не менее 70 мм.
После изготовления контроль качества буронабивных свай производят:
- методами, связанными с частичным разрушением бетонного ствола – отбор кернов;
- неразрушающими методами – радиометрическим, ультразвуковым, динамическим и др. Как наиболее эффективные, они получают широкое применение.
При укладке бетонной смеси в скважину необходимо контролировать:
- соответствие состава бетонной смеси проекту;
- подвижность и температуру укладываемой бетонной смеси;
- качество бетонирования.
В практике строительства существуют следующие методы контроля:
- соответствие объема уложенной бетонной смеси объему самой скважины;
- отбор и испытание бетонных образцов.
Указанные методы не позволяют оценивать плотность укладки бетонной смеси и выявить возможные дефекты в стволе сваи в процессе укладки бетонной смеси – расслоение бетона, образование линз грунта в результате локальных вывалов стенок скважины и др.
Из зарубежных методов контроля качества бетонирования известны метод контрольных скважин и метод контрольных трубок. Оба указанных метода не являются достаточно эффективными и надежными, так как источник и приемник жестко не сочленены между собой, и база измерения меняется. Кроме того, они позволяют оценивать качество лишь незначительной части ядра сечения буронабивной сваи.
На кафедре строительного производства СКГТУ разработаны методика и приборы, позволяющие оценивать качество формования бетонного ствола. Разработанный прибор – свайный кольцевой гамма-плотномер основан на радиометрическом методе «просвечивания» бетонной среды гамма-лучами, излучаемыми радиоактивным источником.
Прибор – свайный кольцевой гамма-плотномер состоит из объемного датчика и регистратора (рис. 1).
1 – объемный датчик; 2 – регистратор
Объемный датчик включает кольцевой приемник и радиоактивный источник, заключенный в свинцовый контейнер цилиндрической формы.
Кольцевой приемник представляет собой кольцеобразную составную камеру, внутри которой размещены три блока детектора и вся электрическая схема приемника. Каждый блок-детектор кольцевого приемника представляет собой пять газоразрядных счетчиков гамма-излучения, заключенных в плоскую кассету. Конструкция кассеты позволяет производить быструю замену счетчиков при выходе их из строя.
1 – радиоактивный источник;2 – кольцевой приемник
Симметричным расположением блоков-детекторов по кольцу относительно друг друга и радиоактивного источника достигается наибольшее увеличение контролируемой среды, создается единый режим работы для всех блоков-детекторов и уменьшается погрешность при выполнении контрольных измерений.
Кольцевой гамма-плотномер крепится к нижней части бетонолитной трубы при помощи быстросъемной крестообразной рамы, предусматривающей беспрепятственное поступление бетонной смеси в скважину.
К сферическому затвору снизу крепится свинцовый контейнер с радиоактивным источником излучения (рис. 3); при этом источник излучения расположен симметрично относительно всех газоразрядных счетчиков.
В целях безопасного обращения с радиоактивным источником свинцовый контейнер сконструирован составным: состоит из защитной стальной оболочки, верхней неподвижной и нижней подвижной свинцовых частей. В рабочем состоянии, когда контейнер навинчен на сферический оголовок, нижняя подвижная часть свинцового контейнера, на которой закреплен источник излучения, опускается, «открывая» радиоактивный источник.
При вывинчивании и отделении контейнера от приемника, подвижная часть поднимается в исходное положение; при этом источник излучения оказывается полностью экранированным толщиной свинцового контейнера.
Контроль качества формования бетонного ствола сваи состоит из подготовительной и основной стадий.
Подготовка устройства к проведению контроля состоит в следующем. Проверяется «работоспособность» пульта-регистратора, то есть измеряется фон. Затем датчик закрепляется на нижнем конце первого монтируемого звена бетонолитной трубы. Датчик с бетонолитной трубой монтажным краном опускается в скважину. В процессе опускания к наружной поверхности крепится четырех жильный электрический кабель специальными быстросъемными скобами, с шагом 1–1,5 м.
Кольцевой приемник с помощью кабеля, оканчивающегося разъемом, присоединяется к пульту.
Оператор с пультом-регистратором располагается в 3–5 м от устья скважины, чтобы не мешать подаче бетонной смеси в скважину.
После измерения плотности бетона в пяте сваи производится контроль плотности бетонного ствола по ее длине.
Указанным прибором можно не только определять плотность бетона, но и выявлять неоднородности следующих видов:
- грунтовая линза;
- бетон низкой плотности;
- бетон-грунт.
Таким образом, рассмотренная методика контроля позволяет управлять технологическим процессом бетонирования в области выявления вида неоднородности, принятия оперативных решении по его устранению, прекращения дальнейшей укладки бетонной смеси в скважину, если не устраненная неоднородность влечет за собой существенное снижение несущей способности сваи.
источник
ООО » ГЕОДИАГНОСТИКА «
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ И СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ БЕТОНА В БУРОНАБИВНЫХ СВАЯХ
Доктор технических наук Архипов Алексей Германович
ООО “Геодиагностика”, Санкт-Петербург
Устройство железобетонных буронабивных свай является отработанным и надежным решением при проектировании оснований мостовых переходов, зданий и сооружений. Наиболее распространенным способом устройства буронабивных свай является бурение инвентарной обсадной трубой с выборкой грунта шнеком с последующим спуском армокаркаса, порционным заполнением скважины бетоном методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ) и постепенным извлечением обсадной трубы. Буронабивные сваи, устраиваемые в основании опор мостов, как правило, имеют диаметр 800, 1000, 1200 или 1500 мм и длину 10 – 30 м.
Актуальность проблемы контроля качества изготовления буронабивных свай определяется влиянием свайных оснований на работоспособность и долговечность зданий и сооружений. Отступление при изготовлении от проектных характеристик сваи по длине, форме, диаметру, прочности бетона, размерам армокаркаса приводит к потере несущей способности сваи и последующим осадкам опор и фундаментов, вплоть до их разрушения зданий и сооружений..
Рис.1. Устройство буронабивных свай (район Мамайка, г.Сочи, 2012г.)
Неразрушающий контроль сплошности является современным направлением интегральной оценки качества изготовления буронабивной сваи. Под термином “ c плошность 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.
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.
Требование выбуривания кернов из буронабивных свай на полную длину сваи, по опыту автора, практически не осуществимо из-за постепенного отклонения скважины от оси сваи при бурении за счет высокой твердости бетона и относительно небольшого диаметра сваи. Выход буровой коронки за пределы сваи, как правило, происходит на глубинах до 15 м. Поэтому для контроля сплошности и длины сваи необходимо применять неразрушающие геофизические методы.
Из многочисленных геофизических методов исследований для контроля сплошности буронабивных свай наибольшее развитие получили сейсмоакустические (акустические, ультразвуковые) методы. Сейсмоакустические методы основаны на изучении динамических и кинематических характеристик упругих колебаний в среде, создаваемых искусственными источниками возбуждения (СП-11-105-97). Физической основой использования сейсмоакустических методов является зависимость изменения параметров упругой волны от упругих, деформационных, прочностных свойств и трещиноватости среды распространения. Согласно СП-11-105-97 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).
Другие методы геофизических исследований, например электромагнитные с помощью георадара, по мнению автора, в настоящее время практически не применимы из-за физических особенностей и большого числа мешающих факторов. Для георадара основными мешающими факторами являются низкая радиопрозрачность железобетона из-за затухания электромагнитных колебаний на стальном армокаркасе и неконтролируемая погрешность измерений расстояний на малых базах (10-30 м) за счет очень высокой скорости распространения электромагнитной волны (300 000 000 м/с).
Возможные схемы исследования свай сейсмоакустическими методами (прозвучивание между закладными наблюдательными трубками, сейсмоакустическое зондирование, каротаж , прозвучивание между закладной трубкой и головой сваи) приведены на рис.2.
Рис.2. Схемы сейсмоакустического контроля сплошности буронабивных свай
а — прозвучивание между закладными трубками , б – каротаж (прозвучивание между точками, расположенными в одной трубке (скважине); в – прозвучивание между закладной трубкой и головой сваи. г – сейсмоакустическое зондирование (эхо-метод)
КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ БЕТОНА В СВАЯХ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО (АКУСТИЧЕСКОГО) прозвучивани я ИЗ ЗАКЛАДНЫХ ТРУБОК
Метод 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.
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 .
Рис.3. Бетонирование сваи с закладными трубками в армокаркасе
Физические основы метода прозвучивания свай
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.
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).
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
Методы прозвучивания, реализуемые ООО » Геодиагностика «
ООО » Геодиагностика » реализует два метода прозвучивания бетона: ультразвуковой и акустический.
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 .
Основные характеристики методов прозвучивания: частота следования импульсов, частота заполнения импульсов, звуковое давление на фронте импульса упругой волны определяют разрешающую способность и максимальную базу измерений. 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 ультразвуковой прибор Пульсар 2.2 ДБС (ОАО » Интерприбор » , Россия), так и собственную разработку — компьютеризированный ультразвуковой аппаратурый комплекс УП-1 на базе прибора УК-10 ПМС с комплектом скважинных ультразвуковых преобразователей.
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.
Следует отметить, что на рынке присутствуют ультразвуковые приборы, производящие измерения при непрерывном движении датчиков. Производительность измерений в движении датчиков повышается. Однако следует отметить, что при измерении в движении возникает дополнительная методическая погрешность. Это приводит к курьезным моментам. Не так давно с автором консультировались по результатам измерений свай в основании уникального здания в Санкт-Петербурге, где при использовании ультразвукового прибора с режимом измерений в движении получились трудноинтерпретируемые результаты, которые весьма напрягли заказчиков строительства. Иными словами 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 или состоянием сваи. При измерениях с остановкой датчиков существует возможность немного изменить направление прозвучивания, добиваясь оптимальных условий прохождения ультразвуковых колебаний.
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.
В настоящее время ООО » Геодиагностика » разработало и реализует современный вариант метода акустического прозвучивания ( crosshole sounding ) бетонных массивов (стен в грунте) и буронабивных свай ударным импульсом, возбуждаемым электроискровым излучателем аппаратурного комплекса АПЗ-1 (рис.6).
Методика контроля сплошности (состояния) буронабивных свай методом акустического прозвучивания из закладных трубок 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 .
Метод прозвучивания бетонных массивов из закладных трубок 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 мегапаскаль), рациональные базы измерений 0,7-10 м, минимальный размер выделяемых дефектов 0,2-0,5 м. Метод МАП имеет достаточную разрешающую способность, характеризуется большой дальностью — до 100 м и, за счет высокой энергии упругой волны, может применяться в высоко поглощающих средах (прозвучивании сквозь границы раздела сред, холодных швов стыков).
Преимуществом метода акустического прозвучивания ударным импульсом является возможность прозвучивания на больших базах до 100 м 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. Дополнительные преимущества метода МАП заключаются возможность реализация технологии межскважинной томографии, за счет увеличения числа разнонаправленных лучей, проходящих межскважинное пространство.
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.
Рис.5. Контроль сплошности бетона буронабивных свай методом ультразвукового прозвучивания из закладных трубок
а — Оператор с ультразвуковым прибором Пульсар 2.2 ДБС; в — спуск ультразвуковых датчиков в закладные трубки, г- ультразвуковой импульс
Рис.6. 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)
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.
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).
Поэтому 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.
КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ СВАЙ МЕТОДОМ СЕЙСМОА кустического зондирования с ГОЛОВЫ сваи
И нформация 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.
Суть метода с ейсмоакустического зондирования (рис.8) заключается механическом возбуждении верха бетонной сваи (панели) и определении ее состояния (длины, сплошности) по параметрам эхо-сигнала, отраженного от низа сваи (панели стены в грунте) или дефектов. По сути геофизический метод сейсмоакустического зондирования ( seismoacoustic sounding ) представляет разновидность импульсной эхолокации.
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. В зарубежных странах метод сейсмоакустического зондирования получил наименование Sonic Integrity Test (SIT) — звуковое тестирование сплошности ( целостности ). В России при контроле сплошности буронабивных свай методом сейсмоакустического зондирования применяются отечественные приборы: Спектр 2.0 и 4.0 (производитель ОАО “Интерприбор”, Россия), 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)
Ф изические основы метода сейсмоакустического зондирования
Железобетонные конструкции, устроенные в подземном пространстве (стены в грунте, буронабивные сваи 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 конструкции (низу стены, сваи) 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 от точки возбуждения в прямом направлении, будет отражаться от дефекта и регистрироваться в точке приема 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.
Из-за конструктивных особенностей стен в грунте при сейсмоакустическом зондировании контролируется только массив бетона тела панели (захватки), а швы и прилегающие к ним в нижней части панели зоны остаются вне контроля.
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
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.
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 зондированиядля объектов транспортного строительства » СТО- САЗ-БНС-02-2015 .
В настоящее время ООО “Геодиагностика” разработало и внедряет два оригинальных метода сейсмоакустического зондирования ударным импульсом, отличающихся способом возбуждения упругой волны в свае. В первом способе используется возбуждение сваи ударом молотка, во втором — электрогидравлическим ударом. Основное требование — получение качественного эхо-сигнала от конца сваи. Применение метода » многочастотного » сейсмоакустического зондирования с изменением способов возбуждения и параметров приема, позволяет получить качественный эхо-сигнал на длинных сваях (не менее 40м) и работать по свае через ростверк.
Основное отличие метода с возбуждением упругой волны электрогидравлическим ударом от других акустических методов является возбуждение головы сваи коротким (длительность десятки микросекунд) и очень мощным импульсом давления от электроискрового излучателя, что позволяет обеспечить глубину зондирования не менее 40 м и высокое разрешение по времени.
Порядок выполнения сейсмоакустического зондирования (рис.9) включает механическое возбуждение головы сваи 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”.
Аппаратура. Для акустического зондирования свай в ООО “Геодиагностика” разработан компьютеризированный аппаратурный комплекс импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1. (рис.7). 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. В зависимости от способа возбуждения упругой волны и характера решаемых задач выбираются комплектации аппаратурного комплекса АПЗ-1.
Комплектация 1. Общие характеристики: для работ на земной поверхности (сваи и бетонные конструкции), два вида сейсмоакустических исследований (акустическое зондирование и прозвучивание), один вид возбуждения упругой волны (механическое ударное возбуждение молотком), запуск от синхро-импульса или от проходящей упругой волны, один измеряемый параметр упругой волны (виброускорение), число измерительных каналов по требованию (4-16) . Комплект поставки: комплекс программно-аппаратных средств в ударопрочном корпусе, кабель сигнальный 50 м, молоток, молоток с датчиком силы, вибропреобразователь, комплект документации (руководство по эксплуатации, методика выполнения измерений при контроле сплошности ограждений и свай, методика диагностирования). Преимущества : легкий, мобильный, уверенная работа на простых объектах (забивные сваи, буронабивные сваи глубиной до 15 м), один оператор.
Рис. 7. Аппаратурный комплекс акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1
а — комплектация 1; б — комплектация 2
Комплектация 2 Общие характеристики: для работ на земной поверхности (сваи и бетонные конструкции), два вида сейсмоакустических исследований (акустическое зондирование и прозвучивание), два вида возбуждения упругой волны (электроискровым излучателем и механическое ударное возбуждение молотком), запуск от синхро-импульса или от проходящей упругой волны, один измеряемый параметр упругой волны (виброускорение), число измерительных каналов по требованию (4-16) . Комплект поставки: Излучающая установка (генератор импульсов тока ГИТ, кабель РК длина 50 м с электроискровым излучателем ИЭ), молоток, молоток с датчиком силы. Измерительная система (комплекс программно-аппаратных средств в ударопрочном корпусе, кабель сигнальный 50 м, вибропреобразователь). Комплект документации (руководство по эксплуатации, методика выполнения измерений при контроле сплошности ограждений и свай, методика диагностирования). Преимущества : высокое разрешение по времени за счет очень короткого и мощного импульса упругой волны от электроискрового излучателя, возможность решать сложные задачи в условиях мешающих факторов, многофункциональность, возможность прозвучивания между скважинами и поверхностью грунта. Особенности: более сложная эксплуатация, необходимость сверления отверстия в бетоне для электроискрового излучателя, бригада – 2 чел (оператор и рабочий).
Рис.8 Схема сейсмоакустического зондирования буронабивных свай ударным импульсом (а) и временная реализации эхо-сигнала при сейсмоакустическом зондировании сваи длиной 16 м (б)
1 – буронабивная свая; 2 – массив грунтов; 3 – электроискровой излучатель; 4 – вибропреобразователь; 5 – кабеля; 6 — автомашина с аппаратурным комплексом.
Рис.9. Сейсмоакустическое зондирование буронабивной сваи
а – расположение излучателя и приемника на голове сваи; б – аппаратурный комплекс АПЗ-1
Методы акустического зондирования и прозвучивания для контроля длины, сплошности и прочности бетона буронабивных свай ударным импульсом 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 наличие сертификата калибровки средства измерения. Имеется утвержденная » Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных, грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания » . .
В 2006–2017 г.г. сотрудниками ООО » Геодиагностика » методами акустического зондирования и прозвучивания произведен сейсмоакустический контроль сплошности тысяч буронабивных свай на участках кольцевой автодороги (КАД), Западном скоростном диаметре (ЗСД) в Санкт-Петербурге, опорах мостов через реку Нева (мосты Новолазаревский и Большой Петровский), реку Волковка (Ново-Кирпичный мост), Обводный канал (Американские мосты), реки Волхов, Мста, Шуя, Луга, озеро Валдай и др), Дублере Курортного проспекта (г.Сочи) и др. Контроль прочности материала свай (бетона) в производится на основе градуировочных зависимостей “скорость упругой волны – прочность на одноосное сжатие”. Большой опыт исследований и научный подход позволяет работать в » темную » ( без информации о проектной длине на сваи) на объектах от котороых отказываются конкуренты
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 ф ормы), 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 приборах PILETEST 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.
Комплексирование ультразвуковых и сейсмоакустических методов при диагностике состояния буронабивных свай и стен в грунте
Рис. . 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. . График зависимости скорости упругой волны от глубины при ультразвуковом прозвучивании сваи после бетонирования (1) и после проведения ремонтных работ (2)
По методу ультразвукового прозвучивания свай
1. Метод прозвучивания свай из закладных трубок, позволяет получить наибольший объем информации о состоянии сваи за счет возможности приблизиться к объекту исследовании и высокого разрешения при выделении дефектов.
2. 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.
По методу сейсмоакустического зондирования свай
Более, чем пятнадцатилетний опыт автора по использованию метода сейсмоакустического зондирования, собственные экспериментальных исследования распространения упругих волн в различных средах, анализ опубликованных данных выражается в следующих заключениях.
1. 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.
2 . 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.
. 3. 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.
1. Комплексирование ультразвуковых и сейсмоакустических методов обеспечивает получение большего объема диагностической информации для определения состояния буронабивных свай и стен в грунте.
2. Прозвучивание из закладных трубок является наиболее информативным методом определения состояния бетонной конструкции (сваи, панели или стыка стены в грунте) в подземном пространстве за счет возможность приблизиться к объекту исследований и исключить потерю информации в поверхностном слое земли.
3. 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.
Автор считает, что направлению неразрушающего контроля сплошности бетонных конструкций (свай, стен в грунте, противофильтрационных завес и др.) в естественном залегании нет альтернативы. Только неразрушающий контроль в месте изготовления может обеспечить получение достоверной информации о состоянии конструкции и ее соответствия проектным характеристикам.
К сожалению, объемы работ по неразрушающему контролю в России существенно отстают от аналогичных объемов в наиболее развитых странах, что в значительной степени определяется уровнем развития науки и техники, состояние нормативной базы и менталитетом строителей. Производственные организации в подавляющем числе случаев не заинтересованы в дополнительном контроле качества выполнения работ. В число заинтересованных в контроле сплошности свай организаций должны входить собственники объектов, генеральные подрядчики, проектные организации и органы технического надзора, которые должны понимать, что экономия на методах контроля может привести к авариям и многократному росту затрат на строительство и последующую эксплуатацию.
источник
22 Авг 2019 admin 10