CC BY
36
УДК 693.22:624.04 DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-4-180-191
Д.Г. САМАРИН, В.Л. УСТЮЖАНИН, А.А. ЛОБАНОВ,
Томский государственный архитектурно-строительный университет
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДЛИНЫ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ, ОСНОВАННЫМИ НА СХЕМЕ ДВУХ КАНАЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ
Неразрушающий контроль строительных конструкций является эффективным способом проверки требуемых параметров. Одно из перспективных направлений - определение длины свай акустическими методами. Эти методы основаны на возбуждении и регистрации упругих волн на поверхности сваи. Ограничением акустических методов является то, что скорость возбуждаемых упругих волн в теле сваи предполагается заранее известной. Опыт исследований показывает, что на практике применение этого условия может приводить к значительной погрешности. Особенно это актуально для буронабив-ных свай, где скорость распространения упругих волн определяется множеством различных факторов. В рамках конкретного примера показана возможность повышения точности измерения скорости акустических волн в буронабивных сваях. Использование схемы двух каналов измерения, построенной на вводе установленного расстояния между приемными устройствами, позволило повысить точность измерения до 5 %.
Ключевые слова: акустические методы определения длины свай; бурона-бивные сваи; скорость распространения акустических волн в свае; поверхностный метод определения длины свай.
Для цитирования: Самарин Д.Г., Устюжанин В.Л., Лобанов А.А. Исследования по определению длины буронабивных свай акустическими методами, основанными на схеме двух каналов измерения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2020. Т. 22. № 4. С. 180-191. DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-4-180-191
D.G. SAMARIN, V.L. USTYUZHANIN, A.A. LOBANOV, Tomsk State University of Architecture and Building
ACOUSTIC MEASUREMENTS OF BORED PILE LENGTH USING TWO CHANNELS
Non-destructive testing of structures is an effective way to determine their required parameters. One of the promising directions is the acoustic measurement of the pile length using two channels. This method is based on the excitation and registration of elastic waves on the pile surface. A limitation of acoustic methods is that the speed of the elastic waves in the pile is assumed to be known in advance. Research results show that the practical application of this condition can lead to a significant error. This is especially true for bored piles, where the speed of the elastic wave propagation is determined by many different factors. This paper proposes to increase the measurement accuracy of the acoustic wave speed in the bored pile. The use of two measurement channels, which implies the introduction of the specified distance between the receiving devices, made it possible to increase the measurement accuracy up to 5 %.
Keywords: acoustic method; bored pile; acoustic wave speed; surface method; pile length.
For citation: Samarin D.G., Ustyuzhanin V.L., Lobanov A.A. Issledovaniya po opredeleniyu dliny buronabivnykh svai akusticheskimi metodami, osnovannymi na
© Самарин Д.Г., Устюжанин В.Л., Лобанов А.А., 2020
skheme dvukh kanalov izmereniya [Acoustic measurements of bored pile length using two channels]. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo uni-versiteta - Journal of Construction and Architecture. 2020. V. 22. No. 4. Pp. 180-191. DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-4-180-191
В практике строительства для решения задач по определению длины свай находят применение различные акустические методы (поверхностный метод, параллельный метод, метод, основанный на наблюдении в скважине «направляемых» волн) [1-14], которые основаны на анализе движения акустической волны и ее отражений в исследуемой свае. Данные методы соответствуют стандарту ASTM-D5882 [8].
Поверхностный метод является наиболее экономичным и обеспечивающим возможность проведения в короткие сроки значительного количества испытаний.
Принцип, на котором основан поверхностный метод, заключается в возбуждении и регистрации акустических волн на поверхности сваи (рис. 1, а). Возникающий вследствие механического воздействия на оголовок сваи ударный импульс приводит к созданию в свайном теле акустической волны. Волна распространяется вдоль ствола сваи и отражается от ее пяты (рис. 1, б). Отраженные волны возвращаются к верху сваи и регистрируются датчиком ускорения (акселерометром), установленным на оголовке сваи. Полученный сигнал интегрируется и представляется в виде сигнала скорости.
Рис. 1. Пример проведения исследований сваи поверхностным методом:
а - общий вид фрагмента исследований сваи; б - схема проведения исследований сваи: 1 - источник (место ударного воздействия на сваю); 2 - приемник (акселерометр)
Одним из основных ограничений поверхностного метода определения длины свай является то, что скорость в свае предполагается заранее известной. При соблюдении этого требования длина сваи определяется по зависимости
4в = ^, (')
где Лt - интервал времени между моментами механического воздействия на сваю и получением акселерометром сигнала от акустической волны, отраженной от пяты сваи, равен времени, необходимому для распространения волны по стволу сваи длиной, равной 2Хсв; V - заданная скорость продольной волны в свае данного типа.
Скорость V определяется по следующей зависимости:
V = Jp - (2)
где E - модуль Юнга; р - плотность материала сваи.
Из приведенной зависимости (1) видно, что погрешность определения длины сваи напрямую зависит от того, насколько точно задана скорость распространения волны в свае.
Опыт имеющихся исследований показывает, что для буронабивных свай непосредственное применение условия (2) может привести к значительной погрешности определения их длины. На скорость распространения акустических волн в буронабивных сваях влияет множество факторов (однородность строения материала тела сваи, возраст бетона, вид и количество крупного заполнителя в бетоне и т. д.).
Целью настоящей работы является оценка возможности повышения точности измерения скорости акустических волн в буронабивных сваях при использовании поверхностного метода определения длины свай.
Исследования свай проводились на площадке строительства комплекса сооружений обогатительной фабрики угля, расположенной в г. Киселевске Кемеровской области.
Инженерно-геологические условия строительной площадки
По материалам проектных решений в геолого-литологическом строении площадка строительства представлена следующими инженерно-геологическими элементами (ИГЭ) (рис. 2):
ИГЭ 1а. Техногенный (насыпной) щебенисто-дресвяный грунт с суглинистым заполнителем до 30 %.
ИГЭ 1б. Техногенный (насыпной) суглинистый грунт, от полутвердой до мягкопластичной консистенции, с включением щебня, дресвы, строительного мусора до 15 %.
ИГЭ 3б. Суглинки озерно-болотные, голубовато-серого цвета, слабоза-торфованные.
ИГЭ 4а. Суглинки аллювиальные, серо-коричневые, пылеватые мягко-пластичной консистенции с примесью органического вещества.
ИГЭ 4б. Суглинки аллювиальные, серо-коричневые, пылеватые, мягко-пластичной консистенции с примесью органического вещества.
ИГЭ 4г. Песок гравелистый (отложения р. Абы), серый, водонасы-щенный.
ИГЭ 5. Коренные породы, представленные элювием аргиллита, алевролита, выветренного до состояния суглинка и глины с включением дресвы и щебня до 30 %.
Рис. 2. Инженерно-геологический разрез площадки строительства объекта с посадкой свайного основания
По гидрогеологическим условиям площадка относится к подтопляемой. При бурении скважин уровень грунтовых вод обнаружен на отметке 302.6.
В соответствии с проектом под комплекс сооружений предполагается устройство свайного основания (рис. 2).
Сваи запроектированы буронабивные железобетонные диаметром 450 мм. Для свай принят бетон прочности В25, морозостойкости Б150, водонепроницаемости W8. Бетонирование железобетонных свай производится с применением добавки «Пенетрон-Адмикс» из расчета 4 кг добавки на 1 м3. Арматура класса АШ, марки 25Г2С.
Сваи по условиям взаимодействия с грунтом являются сваями-стойками. Основанием для свай является скальный грунт - алевролит средней прочности. Длина свай 11 м и выбрана из условия заглубления в грунт на 0,5-2,0 м.
Методика проведения исследований свай
Для проведения исследований были изготовлены три опытные сваи с контролируемой длиной (Ь =11 м) (рис. 3). Буронабивные сваи устраивались по технологии непрерывного полого шнека (CFA), 0450 мм.
#
Рис. 3. Подготовленные опытные сваи
Оценка возможности повышения точности измерения скорости акустических волн в свае, при использовании поверхностного метода определения длины свай, заключалась в применении способа, основанного на схеме двух каналов измерения (рис. 4).
Арматурный каркас
I___I
Рис. 4. Схема подготовки сваи к исследованиям по схеме двух каналов измерения:
1, 2 - места расположения вибродатчиков; Н - заданное расстояние между датчиками
В ходе испытаний свай были использованы: ударный инструмент, два вибродатчика и устройство для считывания сигналов. Первый вибродатчик, который может быть также совмещен с ударным инструментом (первый канал измерения), располагался на оголовке сваи, второй датчик устанавливался на заданном расстоянии по длине сваи (второй канал измерения) (рис. 4).
Для расположения датчиков на свае были подготовлены горизонтальные контактные площадки. Оси вибродатчиков и вектор распространения ударного импульса должны лежать максимально близко к одной прямой.
Схема двух каналов измерения работает следующим образом. Ударным инструментом осуществляется механическое воздействие на оголовок сваи. Зафиксированные сигналы с вибродатчиков показывают время прохождения акустической волной заданного расстояния (Н). Тогда значение скорости можно рассчитать по следующей формуле:
V = Ьизв (3)
где Хизв - база измерений (заданное расстояние Н между датчиками), м; М -разности по времени между двумя сигналами, с.
При использовании прибора «Спектр-3» скорость распространения акустической волны Ууст можно определить по формуле
V = V (4)
уст ~ J прин ? V /
^уст
где Кприн - типовое значение скорости волны в свае данного типа, определяемое по формуле (2), м/с; ЬИЗв - база измерений (заданное расстояние (Н) между датчиками), м; ЬуСТ - расстояние между пиками сигналов датчиков, м. Тогда длина сваи рассчитывается по формуле
4в = Vуст -М, (5)
где V уст - скорость распространения волны в свае, м/с; М - время прохождения волной заданного расстояния (£Шв), с.
Результаты измерений скорости акустических волн и длины буронабивных свай приведены на рис. 5 и в табл. 1-7.
Таблица 1
Скорость распространения сигнала в свае № 1
№ удара Типовая скорость волны в свае ^рин, м/с База измерений, м Расстояние между пиками сигналов по прибору, м Значение скорости волны в свае ^пр, м/с
1 3535 0,95 0,57 2945,8
2 3535 0,95 0,6 2798,54
3 3535 0,95 0,59 2845,97
4 3535 0,95 0,55 3052,95
5 3535 0,95 0,62 2708,26
6 3535 0,95 0,64 2968,75
Значение скорости в свае № 1 2889,77
012345«7«9»пиии
и
Рис. 5. Характерные графики отображения акустических волн с установленными частными значениями длины сваи: а - Ь = 11,26 м; б - Ь = 10,46 м; в - Ь = 11,17 м
Таблица 2
Скорость распространения сигнала в свае № 2
№ удара Типовая скорость волны в свае Кприн, м/с База измерений, м Расстояние между пиками сигналов по прибору, м Значение скорости волны в сваи Копр, м/с
1 3535 0,91 0,5 3216,85
2 3535 0,91 0,52 3093,12
3 3535 0,91 0,56 2872,18
4 3535 0,91 0,54 2978,56
5 3535 0,91 0,51 3153,77
6 3535 0,91 0,53 3034,76
Значение скорости в свае № 2 3065,05
Таблица 3
Скорость распространения сигнала в свае № 3
№ удара Типовая скорость волны в свае Кприн, м/с База измерений, м Расстояние между пиками сигналов по прибору, м Значение скорости волны в сваи Копр, м/с
1 3535 0,99 0,66 2651,25
2 3535 0,99 0,63 2777,5
3 3535 0,99 0,58 3016,9
4 3535 0,99 0,61 2868,56
5 3535 0,99 0,56 3124,68
6 3535 0,99 0,58 3016,93
Значение скорости в свае № 3 2919,97
Таблица 4
Скорость распространения акустической волны в свае
№ сваи Скорость волны в сваи, м/с Установленное значение скорости акустической волны в сваи Куст, м/с
1 2889,77 2958,26
2 3065,05
3 2919,97
Таблица 5
Результаты определения длины сваи № 1
№ М, с Кприн, м/с Ьсв, м Копр, м/с Ьсв, м
1 0,0039 3535 13,78 2945,8 11,7
2 0,0042 3535 14,8 2798,54 11,9
3 0,0039 3535 13,8 2845,97 11,6
Окончание табл. 5
№ Ы, с Кприн, м/с Ьсв, м Копр, м/с Ьсв, м
4 0,0038 3535 13,4 3052,95 11,9
5 0,0037 3535 13,07 2708,26 10,1
6 0,0035 3535 12,37 2968,75 10,3
Длина сваи Ьсв 13,4 м Длина сваи Ьсв 11,38 м
Таблица 6 Результаты определения длины сваи № 3
№ Ы, с Кприн, м/с Ьсв, м Копр, м/с Ьсв, м
1 0,0038 3535 13,4 2651,25 10,2
2 0,0037 3535 13,07 2777,5 10,5
3 0,0039 3535 13,8 3016,9 11,9
4 0,0041 3535 14,5 2868,56 11,8
5 0,0038 3535 13,43 3124,68 12,1
6 0,004 3535 14,1 3016,93 12,0
Длина сваи Ьсв 13,7 м Длина сваи Ьсв 11,57 м
Таблица 7 Результаты определения длины сваи № 2
№ Ы, с Кприн, м/с Ьсв, м Копр, м/с Ьсв, м
1 0,0037 3535 13,08 3216,85 12,1
2 0,0037 3535 13,08 3093,12 11,6
3 0,0036 3535 12,7 2872,18 10,46
4 0,0038 3535 13,4 2978,56 11,26
5 0,0038 3535 13,4 3153,77 12,2
6 0,0036 3535 12,7 3034,76 11,17
Длина сваи Ьсв 13,2 м Длина сваи Ьсв 11,53 м
Сопоставление значений скоростей акустических волн, полученных по формуле (2) и схеме двух каналов измерения, показывает, что в рассматриваемом случае их разница может достигать 20 %. Так скорость акустических волн по формуле (2) составила 3535 м/с, по схеме двух каналов измерения - 2958,6 м/с.
Установлено, что погрешность измерения длины свай, определяемая по формулам (1) и (2), может достигать 23 %. Так расчетная длина свай составляет Ь = 13,5 м при фактической ее длине Ь = 11 м.
Сопоставление фактической длины свай с результатами ее определения способом двухканального измерения показывает погрешность расхождения значений не более 5 %. При фактической длине свай Ь = 11 м установленная длина свай составила Ь = 11,5 м.
Таким образом, по результатам работы можно сделать следующее заключение:
- на конкретном примере показано, что применение способа определения скорости акустических волн, основанного на схеме двух каналах измерения, может значительно повысить точность определения длины буронабивных свай;
- поверхностный метод определения длины свай является наиболее экономичным и позволяет за короткие сроки провести большой объем испытаний свай. Однако данный метод предполагает, что скорость акустических волн в свае заранее известна. Для буронабивных свай, где скорость акустических волн зависит от многих факторов, это может привести к значительной погрешности. Например, в ходе исследований свай была установлена расчетная скорость акустической волны (формула (2)) V = 3535 м/с, а значение измеренной скорости составило V = 2958,26 м/с;
- из зависимости (1) видно, что погрешность определения длины сваи напрямую зависит от того, насколько точно задана скорость распространения акустической волны в теле сваи. Так результаты проведенных исследований показывают, что погрешность определения длины буронабивных свай по формулам (1) и (2) достигает 23 %. При расчетной скорости V = 3535 м/с длина свай составила L = 13,5 м при фактической ее длине L = 11,0 м;
- установлено, что использование схемы двухканального измерения скорости акустических волн позволяет значительно повысить точность измерения длины буронабивных свай поверхностным методом. Сопоставление результатов исследований свай показало, что погрешность не превышает 5 %. Так при измерении длины свай рассматриваемый метод дает значение L = 11,5 м при фактической длине свай L = 11 м.
Библиографический список
1. Капустин В.В. Применение волновых методов для определения длины свай // Технологии сейсморазведки. 2009. № 2. С. 113-117.
2. Капустин В.В. Методика изучения особенностей распространения акустических волн в бетонных сваях с использованием методов численного моделирования // Вестник Московского университета. Сер. 4. Геология. 2008. № 3. С. 65-70.
3. Хмельницкий А.Ю., Владов М.Л., Капустин В.В. Экспериментальное исследование влияния вмещающего грунта на распространение акустических волн в свайных конструкциях // Инженерные изыскания. 2012. № 6. С. 16-23.
4. Капустин В.В. К вопросу о физических основах акустического метода испытания свай // Инженерные изыскания. 2011. № 11. С. 10-15.
5. Капустин В.В. Акустические методы контроля качества свайных фундаментных конструкций // Разведка и охрана недр. 2008. № 12. С. 1216.
6. Капустин В.В. Применение сейсмических и акустических технологий при исследовании состояния подземных строительных конструкций // Технологии сейсморазведки. 2008. № 1. С. 91-99.
7. Алешин Д.Н., Котова Н.В., Алешина Е.А. Комплекс методов неразрушающего контроля для обследования фундаментов зданий // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2014. № 4 (10). С. 40-42.
8. ASTM D5882-16. Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations.
9. Carino N.J. The Impact-Echo Method: An Overview. Building and Fire Research Laboratory. National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899-8611 USA, 2001.
10. Davis A.G. Nondestructive Testing of Wood Piles // Proceeding, Second International Conference on Wood Poles and Piles. 1994, March 21-23; Fort Collins, CO.
11. Xiping Wang, Ross R.J. Nondestructive Evaluation of Standing Trees with a Stress Wave Method // J. Wood and Fiber Science. 2001. 33 (4). P. 522-533.
12. Schubert F., Kohler B., Pfeiffer A. Time Domain Modeling of Axisymmetric Wave Propagation in Isotropic Elastic Media with CEFIT - Cylindrical Elastodynamic Finite Integration Technique // Journal of Computational Acoustics. 2001. V. 9. № 3. P. 1127-1146.
13. NiederleithingerE., Taffe A., Fechner, T. Improved Parallel Seismic Technique for Foundation Assessment // SAGEEP. 2005. Extended Abstracts: Atlanta, USA.
14. Niederleithinger E. Numerical simulation of low strain dynamic pile tests. Proceedings of Stresswave : Lisbon, 2008.
References
1. Kapustin V. V. Primenenie volnovyh metodov dlya opredeleniya dliny svaj [Wave methods in determining pile lengths]. Tekhnologii sejsmorazvedki. 2009. No. 2. Pp. 113-117. (rus)
2. Kapustin V. V. Metodika izucheniya osobennostej rasprostraneniya akusticheskih voln v bet-onnyh svayah s ispol'zovaniem metodov chislennogo modelirovaniya [Methodology for studying acoustic wave propagation in concrete piles using numerical simulation methods]. Vestnik Moskovskogo universiteta. Ser. 4. Geologiya. 2008. No. 3. Pp. 65-70. (rus)
3. Hmel'nickij A.Yu., Vladov M.L., Kapustin V.V. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya vmeshchayushchego grunta na rasprostranenie akusticheskih voln v svajnyh konstrukciyah [Host soil influence on acoustic wave propagation in pile structures]. Inzhenernye izyskaniya. 2012. No. 6. Pp. 16-23. (rus)
4. Kapustin V.V. K voprosu o fizicheskih osnovah akusticheskogo metoda ispytaniya svaj [Physical foundations of the acoustic pile test method]. Inzhenernye izyskaniya. 2011. No. 11. Pp. 10-15. (rus)
5. Kapustin V.V. Akusticheskie metody kontrolya kachestva svajnyh fundamentnyh konstrukcij [Acoustic methods of quality control of pile foundation structures]. Razvedka i ohrana nedr. 2008. No. 12. P. 1216. (rus)
6. Kapustin V.V. Primenenie sejsmicheskih i akusticheskih tekhnologij pri issledovanii sos-toyaniya podzemnyh stroitel'nyh konstrukcij [Application of seismic and acoustic technologies in underground building structures]. Tekhnologii sejsmorazvedki. 2008. No. 1. Pp. 91-99. (rus)
7. Aleshin D.N., Kotova N. V., Aleshina E.A. Kompleks metodov nerazrushayushchego kontrolya dlya obsledovaniya fundamentov zdanij [Non-destructive testing methods for inspection of building foundations]. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo industrial'nogo universiteta. 2014. No. 4 (10). Pp. 40-42. (rus)
8. ASTM D5882 - 16 Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations.
9. Carino N.J. The impact-echo method: An overview. Building and Fire Research Laboratory. National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899-8611, USA, 2001.
10. Davis A.G. Nondestructive testing of wood piles. Proc. 2nd Int. Conf. on Wood Poles and Piles. 1994. March 21-23. Fort Collins, CO.
11. Xiping Wang, Ross R.J. Nondestructive evaluation of standing trees with a stress wave method. Wood and Fiber Science. 2001. V. 33. No. 4. Pp. 522-533.
12. Schubert F., Kohler B., Pfeiffer A. Time domain modeling of axisymmetric wave propagation in isotropic elastic media with CEFIT - Cylindrical Elastodynamic Finite Integration Technique. Journal of Computational Acoustics. 2001. V. 9. No. 3. Pp. 1127-1146.
13. Niederleithinger E., Taffe A., Fechner, T. Improved parallel seismic technique for foundation assessment. Extended abstracts of Annual Meeting "The Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems". Atlanta, USA, 2005.
14. Niederleithinger E. Numerical simulation of low strain dynamic pile tests. Proceedings of Stresswave. Lisbon, 2008
Сведения об авторах
Самарин Дмитрий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, sdgsama-ra@mail.ru
Устюжанин Владимир Леонидович, ст. преподаватель, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, tgasu9k@mail.ru
Лобанов Александр Александрович, ст. преподаватель, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, of-laa2010@mail.ru
Authors Details
Dmitry G. Samarin, PhD, A/Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, sdgsamara@mail.ru
Vladimir L. Ustyuzhanin, Senior Lecturer, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, tgasu9k@mail.ru
Aleksandr A. Lobanov, Senior Lecturer, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, oflaa2010@mail.ru
