Способ сейсмического обследования свайных фундаментов

Способ сейсмического обследования свайных фундаментов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к геофизическим методам исследований, именно к сейсморазведке, и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях для ранее построенных зданий и сооружений.

Известен способ определения глубины погружения железобетонной сваи в грунт при обследовании свайного фундамента путем измерения расстояния от поверхности грунта до нижнего конца сваи [1]. При этом производят откачку шурфа с обнажением боковой поверхности сваи до ее нижнего конца.

Недостатком этого способа является трудоемкость и длительность определения глубины погружения сваи. Кроме того, при откопке шурфа изменяется напряженное состояние грунта, что приводит к выключению обследуемой сваи из работы.

Известен способ определения глубины погружения железобетонной сваи в грунт при обследовании свайного фундамента, заключающийся в том, что вблизи сваи пробуривают скважину и через арматуру железобетонной сваи пропускают переменный электрический ток [2]. При этом измеряют индукционный ток в опускаемой в скважину антенне приемного устройства и по изменению величины индукционного тока определяют расстояние от поверхности грунта до нижнего конца сваи.

Недостатками данного способа является невозможность доступа к арматуре каждой сваи, необходимость бурения вблизи сваи специальной скважины и выполнение мероприятий по удержанию ее стенок, что увеличивает трудоемкость и стоимость работ.

Известен способ определения длины погруженной в среду электропроводящей сваи [3]. В нем предварительно определяют вертикальное расположение удельной проводимости среды путем ее электромагнитного зондирования. После этого по среде между сваей и заземляющим электродом пропускают переменный ток низкой частоты и измеряют его величину в свае. По величине тока в свае и известному распределению удельной электрической проводимости среды судят о длине погруженной части сваи.

Основными недостатками этого способа являются существенный фон бытовых и промышленных электрических помех, обуславливающий низкую достоверность интерпретационных выводов, а также необходимость наличия доступа к арматурному основанию сваи, что не всегда возможно. Тем более, нереально определить шаг свайных окончаний и провести подобные исследования по всему свайному полю. Также применение электромагнитных волн ограничивается широким распространением глинистых, водонасыщенных грунтов, являющихся для них экранами, что ограничивает возможности самого способа и не позволяет определять структурные особенности пород основания.

Известен способ определения глубины сваи с помощью Измерителя длины свай «ИДС-1» [4], принятый нами за прототип. Данный способ заключается в возбуждении колебаний в оголовке сваи специализированным молотком со встроенным датчиком силы и преобразователем пьезоэлемента. На основании значения времени прихода акустического сигнала (волн) от конца сваи и известных значений скорости прохождения упругих колебаний в теле сваи судят о ее длине.

Недостатки этого способа заключаются в отсутствии достоверных знаний о скоростях распространения волн в различных типах свай. Возбуждение колебаний в оголовке сваи специализированным молотком требует непосредственного доступа к каждой из свай, что ведет к значительным трудовым и финансовым затратам. Способ не позволяет определять глубину свай, их шаг и структурные особенности вмещающих грунтов в рамках одного способа.

Все известные способы, в том числе и прототип, обеспечивают только определение глубины свайных окончаний с непосредственным доступом к каждой из свай, а это практически не позволяет осуществить определение глубины свайных окончаний по всей площади свайного фундамента в условиях действующих зданий и сооружений.

Задачей настоящего изобретения является определение в рамках одного способа глубины свайных окончаний, их шага и структурных особенностей вмещающих отложений по всей площади фундамента, без непосредственного доступа к сваям. Технический результат - определение соотношения глубин свайных окончаний и коренных отложений непосредственно под исследуемым зданием, а также в условиях действующих зданий и сооружений в пределах всей площади свайного поля без применения непосредственного доступа к сваям и снижение трудозатрат на земляные и буровые работы.

Поставленная задача достигается тем, что в способе сейсмического обследования свайного фундамента, включающем возбуждение колебаний, определение скорости и времени вступления волн, согласно изобретению возбуждают упругие колебания вдоль наружных стен здания в грунте с помощью ударного источника малой мощности, как на стороне линии возбуждения, так и на противоположной стороне здания и осуществляют их регистрацию, затем определяют скорость и времена вступления волн, отраженных от геологических границ, затем путем сравнительного анализа формы записи на временных разрезах, полученных отдельно по продольным и непродольным профильным линиям, выделяют дифракционные явления, вызванные свайными окончаниями, определяют времена точек дифракции и их координаты, на основании которых, с учетом значений скоростей распространения упругих колебаний, вычисляют глубину проникновения свай в породы и оценивают их шаг.

Заявленная совокупность признаков "...возбуждает упругие колебания вдоль наружных стен здания в грунте с помощью ударного источника малой мощности как на стороне линии возбуждения, так и на противоположной стороне здания..." позволяет без непосредственного доступа к сваям определить в рамках одного способа глубины свайных окончаний, шаг свай и структурные особенности вмещающих отложений. Подобная информация позволяет решить вопрос о соотношении глубин свайных окончаний и коренных отложений непосредственно под исследуемым зданием, а также в условиях действующих зданий и сооружений в пределах всей площади свайного поля без применения непосредственного доступа к сваям. В результате исключается необходимость применение трудоемких земляных и буровых работ, что позволяет сократить как трудовые, так и финансовые затраты на обследование свайного фундамента.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволило установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для поставленной задачи.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена схема формирования точек отражений в продольном и непродольном вариантах сейсмопрофилирования, где АБ - линия пунктов возбуждения и приема при продольном профилировании; ВГ - линия пунктов приема при непродольном профилировании; ДЕ - линия формирования точек отражения при продольном профилировании; ЖЗ - линия формирования точек отражения при непродольном профилировании; ПВ - пункты возбуждения; ПП - пункты приема; ОГТ - общая глубинная точка отражения; С - окончания свай.

На фиг.2 - выделение на временном разрезе окончаний свай по точкам дифракции, где С - точки дифракции, вызванные свайными окончаниями; К - линия отражений от кровли коренных пород.

На фиг.3 - схема наблюдений, где N1 - продольный профиль; N2 - непродольный профиль; N3 - продольный профиль.

На фиг.4 - сравнение временных разрезов по продольным и непродольным профилям, где С - точки дифракции, вызванные свайными окончаниями; ОГ1 - линия отражений от кровли четвертичных глин; К - линия отражений от кровли коренных песчаников.

Способ осуществляется следующим образом.

Вдоль наружных стен изучаемого здания по методике многократных перекрытий [5] производят возбуждение в грунте упругих колебаний и осуществляют их регистрацию как на стороне линии возбуждения АБ, так и на противоположной стороне здания ВГ (фиг.1). При продольном профилировании пункты возбуждения ПВ находятся на одной линии (АБ) с пунктами приема ПП, а при непродольном варианте линия пунктов приема (ВГ) вынесена на противоположную от линии пунктов возбуждения (АБ) сторону здания. Подобное размещение линий приема и возбуждения колебаний обеспечивает сейсмическое просвечивание отраженными волнами отложений, подстилающих здание.

Продольное профилирование направлено на регистрацию в волновом поле особенностей только геологического строения пород основания, расположенных в плоскости линий АБ и ДЕ, без влияния свайных окончаний (С).

При непродольном профилировании линия отражений (ЖЗ) проецируется непосредственно под здание на половину расстояния между АБ и ВГ. Таким образом, наряду с геологическими особенностями обеспечивается отражение и свайных окончаний (С) в регистрируемом волновом поле. С целью равномерного просвечивания всей ширины свайного поля расстояние между линиями приема и возбуждения колебаний меняют за счет смещения линий приема и возбуждения вдоль оси Y, но в интервале не большем двойной ширины здания.

Возбуждение упругих колебаний реализуют направленными ударами источника малой мощности (энергия единичного воздействия Е=500 Дж) последовательно на каждом пункте возбуждения. Необходимая интенсивность и регулярность сигнала достигается за счет суммирования одиночных воздействий. Регистрацию сейсмических колебаний осуществляют с помощью специализированной компьютеризированной сейсмостанции и электродинамических сейсмоприемников [6]. Наиболее оптимальны следующие параметры регистрации: шаг дискретизации 0,1-0,2 мс, длина записи 1000 дискрет, ФНЧ - 1000-1400 Гц, ФВЧ - 0-14 Гц, усиление 40 дБ [7].

Пункты приема (ПП) и пункты возбуждения (ПВ) располагают следующим образом: расстояние между ПВ (Δх) равно расстоянию между ПП (Δ1) и составляет 0,5-1 м, максимальное удаление ПП от ПВ (Lmax) не более 48 м, расстояние ПП от ПВ (Lmin) минимально - 0 м, кратность наблюдений (n) должна быть в пределах от 12 до 24.

Параметры систем наблюдения, источник и регистрирующая аппаратура для наиболее распространенных значений глубин исследований в 5-20 м, характеризующихся скоростями распространения упругих волн в 500-2000 м/с, обеспечивают регистрацию волн в частотном диапазоне 300-400 Гц.

Зарегистрированные сейсмические колебания подвергают цифровой обработке для определения значений скоростей и времен вступления волн, отраженных от геологических или физических границ. Определение скоростей распространения волн в геологической среде производится по годографам отраженных волн [8]. Итоговым результатом процесса обработки являются окончательные суммарные временные разрезы по продольным и непродольным профильным линиям.

В соответствии с полученным скоростным законом, который описывает распределение значений скоростей распространения упругих волн в исследуемом интервале времен, выполняют глубинную стратиграфическую привязку отражений, зафиксированных на временных разрезах. Глубину отражающего горизонта определяют как половину произведения скорости на время его регистрации [6]. При определении глубин на непродольном профиле, за счет внесения поправок в скоростной закон, учитывается расстояние между линиями ПП и ПВ. На основании определений глубин коренных отложений по всем профильным линиям строят площадную схему их кровли в пределах всего свайного поля.

Локализацию дифракционных явлений, связанных с окончаниями свай, производят по сравнительному анализу формы записи на временных разрезах, полученных отдельно по продольным и непродольным профильным линиям. Окончания свай на временном разрезе (фиг.2) по непродольной профильной линии выделяются в виде накладывающихся друг на друга дифракционных зон, с характерными дифракционными треугольниками, которые отсутствуют на временном разрезе продольного профиля. По местоположению на временном разрезе точек дифракции (С) определяют время их регистрации (t) и координату по профилю (X). Учитывая значения скоростей упругих колебаний (V) в интервале от поверхности наблюдений до точек дифракции, зафиксированных на времени t, и принимая во внимание то, что на временном разрезе по оси ординат отложено двойное время прохождения волн, расчет глубины образования точек дифракции (глубины свайных окончаний) производится по формуле . Шаг свай определяют согласно масштабу оси абсцисс, то есть он равен разности координат Х двух близлежащих точек дифракции.

Пример, иллюстрирующий выполнение данного способа на конкретном объекте, получен в пределах г.Перми, при обследовании западного крыла двухэтажного здания.

На данном объекте без непосредственного доступа к сваям с помощью ударного источника малой мощности (кувалда) проведено сейсмическое профилирование по методике многократных перекрытий [5].

Продольное сейсмическое профилирование проведено следующим образом. Вдоль южной стороны здания (фиг.3) на расстоянии 1 метра от стены с шагом ПВ=1 м производили удары кувалдой - профиль N1. При этом регистрация колебаний осуществлялась с помощью сейсмоприемников фирмы OYO SV-20, расположенных с этой же стороны здания с шагом ПП=1 м. Запись колебаний производилась широкодиапазонной компьютеризированной цифровой сейсмостанцией IS-48 [7].

При непродольном профилировании линия возбуждения колебаний совмещена с продольными профилями N1, а линия приема колебаний (шаг ПП=0.5 м) располагалась на противоположной северной стороне здания (профиль N3). Таким образом, линия точек отражений проецируется непосредственно под здание и образует непродольный профиль N2.

Дальнейшая цифровая обработка зарегистрированных сейсмических данных производилась с помощью пакета программ «Экспресс-ОГТ» [8]. При обработке использовался широкий набор процедур: полосовая, обратная, веерная, когерентная фильтрации, коррекция формы записи, контрольное суммирование на каждом этапе обработки. Конечным результатом цифровой обработки сейсмических данных являются окончательные временные разрезы общей глубинной точки (разрезы ОГТ) по профилям N1 и N2, которые приведены на фигуре 4 [9].

В процессе обработки с помощью программы «ANVEL» из того же пакета получен закон распределения скоростей упругих волн в породах, вмещающих сваи. Алгоритм программы основан на анализе годографов отраженных волн. Так как годограф, являющийся функцией зависимости времени пробега волны от координат точек возбуждения и наблюдения, представляет собой гиперболу, то путем подбора кривизны этой гиперболы по сейсмограммам ОГТ находят оценку скорости до той или иной отражающей границы [6, 9]. Таким образом, для интересующего нас непродольного профиля N2 закон имеет следующий вид: 5 мс - 1000 м/с, 8 мс - 1050 м/с, 9 мс - 1100 м/с, 10 мс - 1100 м/с, 25 мс - 1150 м/с, 50 мс - 1500 м/с.

На следующем этапе - интерпретации - на временных разрезах (фиг.4) выделяется два отражающих горизонта. Согласно формуле первый отражающий горизонт (ОГ1), соответствующий времени 9-11 мс, с учетом полученного скоростного закона находится на глубине 5-6 м и связан с кровлей четвертичных глин. Второй отражающий горизонт (К), соответствующий времени 19-25 мс, приурочен к кровле коренных песчаников на глубине в 11-14 м.

После привязки основных отражающих горизонтов проводим сравнительный анализ формы записи временных разрезов, полученных по продольному (N1) и непродольному профилю (N2). Он показывает наличие в волновой картине непродольного профиля N2 в интервале отражения от кровли глин целого ряда точек дифракции (С) (фиг.4), которые связаны со свайными окончаниями.

По оси Х точки дифракции имеют координаты 1 м, 3.5 м, 6 м, 8.5 м, 11 м, 13.5 м, 16 м. По оси времен t, на которой отложено время прохождения волн до геологического объекта и обратно, все точки дифракции зарегистрированы в пределах времени 9-11 мс.

Далее, учитывая, что алгоритм аппроксимации значений времени с искомыми величинами базируется на формуле , находим глубины, на которых образовались точки дифракции. То есть глубина проникновения свай в породы равна произведению скорости упругих волн от поверхности наблюдений до точек дифракции на половину времени их регистрации.

Так,

- точка C₁ (фиг.4), имеющая координату X₁=1.0 м, фиксируется на времени t₁, равном 9.5 мс, или 0.0095 секунды, скорость распространения упругих волн до времени 9.5 мс согласно полученному скоростному закону составляет 1100 м/с, следовательно, глубина проникновения сваи в породы составит

- точка С₂ (фиг.4), имеющая координату Х₂=3.5 м, фиксируется на времени t₂, равном 10 мс, или 0.010 секунды, скорость распространения упругих волн до времени 10 мс согласно полученному скоростному закону составляет 1100 м/с, следовательно, глубина проникновения сваи в породы составит

- для других точек С аналогично.

Шаг между точками дифракции (dX) и, соответственно, между сваями определяем из разницы координат Х₂ и X₁. В нашем случае он составит dX=Х₂-X₁=3,5-1=2,5 м.

Таким образом, использование данного способа обеспечивает определение соотношения глубин свайных окончаний, их шаг и коренных отложений непосредственно под исследуемым зданием (в условиях действующих зданий и сооружений) в пределах всей площади свайного поля в рамках одного способа без применения непосредственного доступа к сваям и применения трудоемких земляных и буровых работ.

Источники информации

1. Методика обследования и проектирования оснований и фундаментов при капитальном ремонте, реконструкции и надстройке зданий. - М., Стройиздат, 1972, с.14.

2. Авторское свидетельство СССР №861477, кл. Е 02 D 33/00, 1979.

3. Патент Российской Федерации №2190865, кл. G 01 V 3/06, G 01 В 7/02, 1996.

4. Измеритель длины свай «ИДС-1». http://logsys.ru/apparat/ids.htm

5. Мешбей В.И. Методика многократных перекрытий в сейсморазведке. М.: Недра, 1985.

6. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1980. С. - 139, 234, 261, 411, 428, 442.

7. Малоглубинная сейсморазведочная станция IS-48. Руководство пользователя. Latvia, Riga - 1997.

8. «Экспресс-ОГТ» - пакет программ обработки данных сейсморазведки методом ОГТ. Руководство пользователя. Московский институт нефти и газа им. Губкина. Москва - 1990.

9. Хаттон Л., Уэрдингтон М., Мейкин Дж. Обработка сейсмических данных. Теория и практика / Пер. с англ. М.: Мир, 1989. С. - 10, 27.

Способ сейсмического обследования свайных фундаментов, включающий возбуждение колебаний, определение скорости и времени вступления волн, отличающийся тем, что упругие колебания возбуждают вдоль наружных стен здания в грунте без непосредственного доступа к сваям посредством ударного источника малой мощности и регистрацию их осуществляют как на стороне линии возбуждения, так и на противоположной стороне здания, определяют скорости и времена вступления волн, отраженных от геологических границ, затем путем сравнительного анализа формы записи на временных разрезах, полученных отдельно по продольным и непродольным профильным линиям, выделяют дифракционные явления, вызванные свайными окончаниями, определяют времена точек дифракции и их координаты, на основании которых с учетом значений скоростей распространения упругих колебаний вычисляют глубины проникновения свай в породы и оценивают их шаг.