Экспериментальные исследования строения и состояния известняков ультразвуковыми методами в процессе их цементации* Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

----------------------------------------- © А.П. Аверин, Г.Ю. Гладун,

А.З. Вартанов, 2009

УДК 550.839

А.П. Аверин, Г.Ю. Гладун, А.З. Вартанов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ И СОСТОЯНИЯ ИЗВЕСТНЯКОВ УЛЬ ТРАЗВУКОВЫМИ МЕТОДАМИ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЦЕМЕНТАЦИИ*

Проведены опытно методические работы по оценке качества укрепительной цементации оснований фундаментных свай, доказана эффективность метода ультразвукового каротажа.

Ключевые слова: ультразвуковой каротаж, скважины, цементация, динамические характеристики.

Семинар № 3

A.P. Averin, G. Y. Gladun,

A.Z. Vartanov

ULTRASOUND TECHNOLOGIES IN EXPERIMENTAL STUDIES ON COMPOSITION AND GENERAL STATE OF CHALKSTONES DURING THEIR CARBONISATION

Experimental and methodological works on estimation the quality of strengthening carbonization of the foundation pile bases are given; the ef-fectivness of ultrasound method of down-hole measurement is proved.

Key words: ultrasound down-hole measurement, carbonization, dynamic properties.

*Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-05-00718-а, грант № 08-05-90437-Укр_а) и гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых № МК-5235.2008.5

Строительство высотных сооружений приводит к увеличению нагрузок на основание, устройство многоуровневых подземных комплексов и автомобильных стоянок требуют увеличения глубины заложения фундамента, что в условиях сложившейся застройки мегаполисов приводит к поиску новых проектных решений по конструкциям

фундаментов. Интенсивный процесс технологии строительства и возведения отдельных блоков или конструкций не позволяет провести исследования на всей площади застройки. В виду чего возникает необходимость в мобильных и оперативных инструментах изучения свойств массива горных пород и контроля работ по возведению фундаментных оснований.

На одном из участков строительства ММДЦ «Москва - Сити» были выполнены работы по отработке методики оценки качества укрепительной цементации массива горных пород геофизическими методами. Ввиду сжатых сроков выполнения работ по цементации, а также ряда технических сложностей применения сейсмических, георадиоло-кационных и электроразведочных методов на дне котлована, выбор был сделан в пользу ультразвукового и видео каротажа цементационных скважин.

Обследование скважин в основании фундаментных свай на участке выполнялось методами ультразвукового каротажа (УЗК) в два этапа до и после цементации. Всего обследована - 31 свая.

2 3 4 5 Ур, км/с

Рис. 1.

Эффективность видеокаротажа оказалась не высокой. Отстаивание скважин в течение суток не обеспечивало достаточной видимости из-за постоянного водопритока, в котором присутствовали мелко дисперсионные частицы, поэтому из всего объема отчетливая видеосъемка была проведена в двух скважинах до цементации.

Ультразвуковой каротаж выполнялся на глубинных 20-26 м с шагом 0,1 м. В результате стандартной обработки данных [1], полученных до цементации и после, значения скоростей продольных волн составили 2500-5500 м/с. Все скважины имеют сходный вид каротажных диа-

2 3 4 5 Ур, км/с

ьных волн для свай №437, 540

грамм. На рис. 1 приведена каротажная диаграмма скоростей упругих волн в скважине сваи №437 до и после цементации.

Участки со скоростями продольных волн более 4500 м/с можно условно отнести к относительно сохранным известнякам, однако мощность указанных участков составляет 0,3-0,4 м.

В результате обработки данных ультразвукового каротажа по оценке динамических характеристик значение эффективного коэффициента затухания во всех скважинах до цементации находилось в пределах от 0,01 до 0,05 м-1 [2].

до цементации И после цементации

Рис. 2. Каротажная диаграмма эффективного коэффициента затуханий для свай №437,

№540

Полученные результаты второго цикла измерений, после цементации, показали отсутствие существенных изменений в массиве горных пород, т.к. значения эффективного коэффициента затухания остались в тех же пределах. Представленные на рис. 2 диаграммы изменения эффективного коэффициента затухания характеризуют интервальные

значения, полученные для каждой стоянки ультразвукового зонда.

Используя результаты, полученные в работе [3], направленные на изучение механизмов затухания упругих волн при ультразвуковых наблюдениях в скважинах и возможности определения физико-механических свойств горных пород на основе эффективного коэффициента затухания, были выполнены

-до цементации ■после цементации

Рис. 3. Диаграмма изменения коэффициента трещинной пустотности для свай №437, №540

расчеты по оценке величины коэффициента трещинной пустотности до и после цементации.

Декремент затухания определяется из зависимости: и У„

(1)

3 =

эф S

Г

Значение относительной плотности скелета породы определяется выражением:

у = 1 + 32(1 + 32)2-1 (2)

Коэффициент трещинной пустотно-сти вычисляется по формуле

где / - видимая преобладающая частота Б-волны в спектре сигнала.

К =

-Р-

1 + /р

(3)

рА -1)

где ф =---------. (4)

Р2 р

Рі, р - абсолютные плотности скелета и флюида, заполняющего поры и микротрещины; р - отношение объемов пор, заполненных флюидом к общему объему пор.

В нашем случае все необходимые величины получены из данных ультразвукового каротажа, плотность скелета известняков принята 2,8 т/м3, плотность флюида - воды - 1 т/м3. Учитывая, что участок цементации расположен в высоконапорных водоносных горизонтах отношение объемов пор заполненных флюидом к общему объему пор равен единице. После цементации данное утверждение сохраняется, т.к. давление нагнетания раствора достигало 100 атм.

Г рафики изменения рассчитанного коэффициента трещинной пустотности по скважинам 437 и 540 до и после цементации приведены на рис. 3

Значения коэффициента трещинной пустотности, полученное другими исследователями на исследуемом участке строительства на этапе изыска-

1. Савич А.И., Коптев В.И., Никитин

В.Н., Ященко З.Г. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. М: Недра, 1969.

2. Аверин А.П. Исследование параметров

затухания при ультразвуковых наблюдениях.

ний сейсмическими методами, варьировались в пределах 10-17%. Среднее значение рассчитанного нами коэффициента трещинной пустотности для скважины 437 до цементации составило 21%, а после - 16%. Средние значения для скважины 540 составили 21 и 23% соответственно.

Выводы

В результате проведенных опытно методических работ по оценке качества укрепительной цементации доказана эффективность метода ультразвукового каротажа. Обработка данных по оценке эффективного коэффициента затухания позволяет проводить большие объемы измерений в сжатые сроки. Расчет дополнительных характеристик массива на основе динамических параметров упругих волн дает возможность повысить надежность проводимых измерений. Дальнейшее развитие данного подхода позволит перейти от количественной оценки динамических и кинематических параметров ультразвуковых колебаний к прогнозированию и расчету прочностных и реологических свойств горных пород.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Горно-информационный бюллетень, №10, изд-во МГГУ, 2004.

3. Захаров В.Н., Аверин А.П. Механизмы затухания волновых процессов при ультразвуковых наблюдениях. Горно-информационный бюллетень, №7, изд-во МГГУ, 2005. ЕШ

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------

Вартанов А.З. - Председатель Совета Директоров ЗАО «Управляющая Компания «Межрегиональный Союз Строителей», научный руководитель «Института высоких технологий освоения и эксплуатации подземного пространства», кандидат технических наук, доцент кафедры ФТКП, office@mssholding.ru

Аверин А.П. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, ИПКОН РАН, in-fo@ipkonran.ru

Гладун Г.Ю. - аспирант кафедры ФТКП,

Московский государственный горный университет,

Moscow state mining university, Russia, ud@msmu.ru