CC BY
62
УДК 622.48:624.012.35 А.Ю. Бауков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И АНАЛИЗА ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЕМКОСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ РЕМОНТА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Т~Ъ современном городском хозяй--Л# стве, в частности, различных природно-технических системах большое распространение получила эксплуатация емкостных железобетонных сооружений. В системе городского водоснабжения применяются регулирующие и запасные емкости - резервуары различных типов для хранения и аккумулирования воды. В топливноэнергетическом комплексе используется большое количество железобетонных резервуаров для хранения нефтепродуктов. К очистным сооружениям в системах водоснабжения относятся такие железобетонные емкости, как фильтры, отстойники, осветители, аэростенки, флотаторы и др. Конструктивно сооружения данного типа выполняются как целиком из сборного или монолитного железобетона, так и с применением комбинированных обделок. Большинство конструктивных элементов железобетонных емкостей являются многослойными, особенно это относится к днищам таких сооружений (рис. 1). В таких конструкциях может наблюдаться от трех до пяти слоев различной толщины и сами отдельные слои, как правило, выполнены
из различных материалов или же из бетона различного состава.
Основная часть эксплуатируемых в настоящий момент железобетонных резервуаров была построена еще в середине 20-го века. В тоже время, быстрое развитие современных городов приводит к резкому увеличению нагрузок на жизнеобеспечивающие природно-
технические системы города и следственно на емкостные сооружения. обновление парка которых происходит недостаточными темпами. Все это является причиной повышения экологического риска возникновения различных аварийных ситуаций при эксплуатации данных сооружений.
Наиболее серьезными, с точки зрения экологической безопасности, являются аварии емкостных сооружений возникающие вследствие нарушения их герметичности. Причем, в зависимости от вида хранящейся жидкости, опасными являются как утечки из емкостного сооружения в окружающий природный массив (нефтепродукты, техническая жидкость очистных сооружений), так и протечки внутрь резервуара извне (риск заражения питьевой воды в системе во-
2. Железобетонная плита
1. Бетонная подготовка
2. Гидроизоляция
1. Бетонная подготовка
■■ ■■' = ;* ;
а) б)
Рис. 1. Типовые конструкции днища железобетонных резервуаров
дообеспечения). Также к значительным экологическим последствиям могут привести подтопления территории в результате полного разрушения конструкций резервуаров.
Основной причиной нарушения герметичности железобетонного емкостного сооружения является потеря его устойчивости, напрямую зависящей от состояния окружающих грунтов. Малейшие изменения в их свойствах могут, в значительной степени, повлиять на целостность и эксплуатационную надежность всего сооружения.
Одним из основных видов изменений естественного состояния грунтового массива, влияющих на устойчивость подземного сооружения, можно назвать нарушение равномерного распределения давления на контакте грунт-обделка вследствие образования зон разуплотнения, полостей и др. дефектов в грунтовом массиве. Это может приводить к возникновению опасных деформаций в сооружении, и как следствие, дефектов внутри его конструкций.
Для исключения возможности возникновения вышеуказанных экологически опасных явлений, а также для поддержания устойчивого состояния железобетонных емкостных сооружений не-
обходимо своевременно проводить комплекс ремонтно-восстано-вительных мероприятий, направленных на ликвидацию дефектных участков как в самих грунтах (разуплотнения, полости, вымо-вы и т.д.), так и внутри конструкций сооружения (расслоения, трещины и т.д.).
В современной практике ремонтных работ наибольшее распространение при восстановлении эксплуатационной надежности и устойчивости подземных емкостных сооружений (в частности плоских многослойных конструкций) получили методы инъектирования.
При инъектировании раствор под действием значительных давлений нагнетания проникает на некоторое расстояние в восстанавливаемую конструкцию либо в грунты основания по системе сообщающихся пустот, трещин, расслоений, каверн и т.д. При достижении равенства статических напряжений сдвига в инъектирующем материале, с одной стороны, и между этим материалом и стенками внутренних слоев конструкций, либо поверхностями конструкции и грунта, с другой стороны, дальнейшее проникание инъектирующе-го раствора в пустоты прекращается. Радиус распространения раствора в конструкции или в грунте зависит от его
вязкости, давления нагнетания, размеров и формы пустот и расслоений, а также вида заполняющего их материала. В состоянии покоя инъектирующий раствор постепенно схватывается и затвердевает. Качество инъектирования зависит от степени заполнения пустот инъ-ектирующим раствором и его свойств.
Ремонтные работы плоских многослойных конструкций в подземных сооружениях подразделяются на:
- работы по ликвидации нарушения контактных условий между плоской конструкцией (днища, стены и т.д.) и грунтом основания;
- работы, направленные на восстановление эксплуатационной надежности путем ликвидации дефектов внутри самой плоской многослойной конструкции;
- работы по укреплению разуплотненных и нарушенных грунтов основания.
При проведении вышеуказанных работ в качестве инъектирующих материалов используются цементные, цементно-песчаные, цементно-глинис-тые растворы, цементные растворы с различными добавками, гидроактивные пе-нополиуритановые и эпоксидные составы.
Однако в сов ременной практике проведения ремонтно-восстановительных работ с использованием технологии инъектирования существует ряд ограничений, не позволяющих использовать весь ее потенциал.
Это связано с неправильным выбором отдельных параметров и режимов технологии проведения работ: свойства материалов (текучесть, время схватывания и т.д.), их количество, давление подачи в ремонтируемую область конструкции. В свою очередь это вызвано невозможностью, в достаточной мере, оценить фактические размеры и харак-
тер существующих дефектов по причине отсутствия информативных и в тоже время оперативных неразрушающих методов контроля плоских многослойных конструкций
В результате отсутствие полной информации о дефектном состоянии конструкций приводит к неоправданно большим затратам материала в одних случаях, и наоборот к недостаточно качественному инъектированию в других.
Все это обуславливает необходимость в оптимизации технологии ремонта железобетонных емкостных сооружений, заключающейся в проведении на начальной стадии работ более качественного инструментального неразрушающего контроля дефектного состояния конструкций, результаты которого лягут в основу формирования и корректировки технологических параметров инъекционных работ.
В настоящий момент для исследования многослойных конструкций различных железобетонных емкостей применяют георадиолокационный, ультразвуковой, ударно-акустический и другие методы неразрушающего контроля. Однако особенности исследуемого типа конструкций (резкие различия в свойствах материалов, большое затухание упругих колебаний в большинстве неметаллических материалах и др.) значительно ограничивают использование традиционных методов неразрушающего контроля.
Решение указанных задач при значительной толщине упругого слоя (40 см и более) наиболее эффективно, а иногда и единственно возможно с применением виброакустического метода [1].
Физическая сущность ударной модификации виброакустического метода заключается в возбуждении в слое над основанием изгибных колебаний. Если нарушений связи между слоем и осно-
ванием нет, то основание демпфирует изгибные колебания слоя и амплитуда их незначительна. Если под слоем имеется дефект связи достаточной площади, в участке слоя, расположенном над дефектом, будут возбуждаться изгибные моды. Амплитуда этих колебаний, в связи с их резонансной природой, в несколько раз превышает амплитуду колебаний бездефектного объекта контроля. Возбуждение изгибных колебаний в объекте контроля выполняется импульсным способом. В этом случае о наличии дефекта в полупространстве судят по результатам спектрального анализа отклика объекта контроля на ударное воздействие. Основной задачей при этом является выделение спектральных составляющих акустического импульса, соответствующих изгибным колебаниям возможного отслоения.
Однако первоначально виброакусти-ческий метод разрабатывался для контроля систем типа «покрытие-основание», в то время как большинство элементов конструкций подземных сооружений, являются многослойными структурами.
С целью оптимизации методологии проведения виброакустического контроля многослойных структур были проведены компьютерные и теоретические исследования изгибных колебаний многослойных пластин, выполнены лабораторные и экспериментальные исследования на моделях,
а также в натурных условиях [2-7]. В результате совместно с ЗАО «Триада-
Рис. 2. Внешний вид цифровой аппаратуры виброакустического контроля “Vibroset”
Холдинг» была разработана новая цифровая аппаратура виброакустического контроля (рис. 2), а также методика производственных виброакустических исследований в условиях контроля многослойных железобетонных конструкций подземных сооружений (в т.ч. различных емкостных сооружений), оптимизированы режимы импульсного возбуждения конструкций.
В ходе проведения на ряде натурных объектов опытных работ было установлено, что информативность получаемых в производственных условиях результатов оптимизированного виброакустиче-ского контроля достаточна для определения объемов, формы и фактического расположения существующих дефектов как на контакте грунт-обделка, так и в отдельных слоях исследуемой конструкции для использования этих данных при определении основных параметров и режимов технологии инъекционных работ. Результаты виброакустической диагностики, в виде карт пространственного распределения дефектов (рис. 3), неоднократно использовались в процессе формирования технологии ре-монтно-восстано-вительных работ в нескольких резервуарах Северной водопроводной стании г. Москвы.
Условные обозначения
1 О
- нарушение контактных условии между днищем резервуара и основанием - 1800 м2;
- расслоения в днище резервуара по контакту “монолитная плта - бетонная подготовка" - 2500 м2
Рис. 3. Результаты виброакустического контроля. Карта распределения дефектов в днище исследуемого резервуара Северной водопроводной станции, г. Москва
Также установлено, что оптимизированный виброакустический метод контроля делает возможным применение при ремонте многослойных конструкций емкостных сооружений новых методов ремонта, таких как вакуум-инъектирование.
Исследования показали, что при инъ-ектировании замкнутых или сообщающихся между собой пустот в бетонных конструкциях происходит закупорива-
ние содержащегося в них воздуха, препятствующее проникновению ремонтного раствора в глубь восстанавливаемой конструкции. В процессе цементации в конструкцию вместе с нагнетаемым раствором попадает некоторое количество воздуха, что создает дополнительное сопротивление прохождению раствора внутри конструкций. Содержащийся в бетоне воздух закупоривает проходы ко многим пустотам. Воздуш-
ные мешки препятствуют проникновению нагнетаемого раствора, а также воды в сообщающиеся между собой трещины и щели. Это сопротивление не может быть преодолено даже и в том случае, когда нагнетание раствора производится под значительным давлением. В тоже время, подача раствора под большим давлением при инъектирова-нии внутренних расслоений и полостей внутри плоских многослойных конструкциях, особенно в верхних слоях, может приводить к возникновению сильных деформаций, проявляющихся в виде вспучивания, трещинообразования и разрывов.
Воздушные пробки в бетоне во многих случаях обнаруживаются по окончании цементационных работ при вскрытии отдельных участков конструкций и сооружений, подвергнутых инъектиров анию.
Существенного улучшения технологии и качества инъектирования возможно достичь при применении метода ва-куум-инъектирования бетона, основанного на нагнетании ремонтной смеси в тело бетона под давлением с предварительным или периодическим отсасыванием воздуха из полости, подлежащей цементации. При вакуум-
инъектировании раствора повышается сцепление нагнетаемого раствора с ма-
1. Бауков Ю.Н. Применение виброаку-стического метода в практике геоконтроля -Горно-информационный бюллетень - М. МГГУ, і999, №6.
2. Бауков А.Ю. Виброакустический контроль многослойных структур в горном производстве и строительстве. IX Международная выставка научно-технических проектов «Экспо-Наука - 2QQ3» - Официальный каталог ESI (Аі56) - М.: 2QQ3
3. Бауков Ю.Н., Чумичев А.М., Бауков А.Ю. Особенности применения виброакустиче-ского метода при контроле многослойных по-
териалом конструкции и обеспечивается полное заполнение пустот и расслоений. Однако для успешного применения вышеуказанной технологии необходимо иметь точные данные о форме и местоположении существующих дефектов конструкций (работы возможно проводить только в замкнутых или сообщающихся между собой пустотах, трещинных и расслоениях). Необходимый уровень информативности обеспечивается только за счет применения на стадии предварительного обследования оптимизированного виброакустического метода контроля.
Все вышесказанное указывает на то, что этап предварительного обследования (в частности проведения неразрушающего контроля, такого как виброа-кустический) является неотъемлемой частью технологии ремонтных работ, а применение новых более информативных методов контроля состояния конструкций приводит к значительному снижению затрат и повышению эффективности проведения всего комплекса ре-монтно-восстано-ительных работ. В результате происходит снижение экологического риска возникновения аварийных ситуаций и обеспечение безопасной эксплуатации железобетонных емкостных сооружений.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
крытий, обделок и закрепного пространства в подземных выработках. - ГИАБ, - М.: МГГУ, 2002, №3
4. Бауков А.Ю. Практический опыт применения виброакустического метода при неразрушающем контроле слоистых конструкций подземного городского строительства. // Горный информационно-аналити-ческий бюллетень, МГГУ, 2004, №6
5. Бауков Ю.Н., Павлов С.В., Бауков А.Ю. Экспериментальные исследования изгиб-ных колебаний упругих пластин применительно к оптимизации виброакустического метода
контроля. // Горный информационноаналитический бюллетень, МГГУ, 2004, №4.
6. Бауков А.Ю., Павлов С.В., Гуляева Н.А. Оптимизация ударной системы при виб-роакустическом контроле многослойных конструкций подземных сооружений городского строительства. Доклад на научном симпозиуме
«Неделя горняка - 2006» // Программа научного симпозиума. - М.: МГГУ, 2006.
7. Бауков А.Ю., Павлов С.В. Компьютерное моделирование процессов изгибных колебаний упругих пластин применительно к оптимизации виброакустического метода контроля // Горный информационно-аналитический бюллетень - МГГУ, 2005, №6. ВТШ
— Коротко об авторе -----------------------------------------------
Бауков А.Ю. - аспирант, Московский государственный горный университет. Рецензент канд. техн. наук А.М. Кириленко.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАТАНОВ Игорь Борисович Обоснование повышения качества взрывных работ с использованием пеногелеобразующих составов при открытой разработке месторождений 25.QQ.22 д.т.н.
РОССТАЛЬНОЙ Евгений Борисович Совершенствование технологии тампонажа закрепных пустот капитальных выработок угольных шахт 25.QQ.22 к.т.н.
