НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 69.058
DOI: 10.22227/2305-5502.2022.1.4
Особенности оценки сплошности свай методом сейсмоакустической дефектоскопии
Евгений Николаевич Дегаев1, Борис Сергеевич Краев2, Дмитрий Геннадьевич Бобылев3
1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ); г. Москва, Россия; 2Научно-технический центр строительные технологии (НТЦСТ); г. Ивантеевка, Россия; 3 ИнжеСтрой; г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Представлены результаты исследований сплошности различных свай методом сейсмоакустической дефектоскопии. Испытания проведены на объектах в Ростовской области и в г. Москве. Приведены рефлектограммы исследуемых свай с последующей расшифровкой и подтверждением проектной длины и сплошности свайного ствола. Материалы и методы. Результаты исследования получены с помощью прибора Спектр 4.3, принцип работы которого основан на теории распространения упругих волн. Прибором осуществляется аппаратная регистрация реакции рассматриваемой сваи на внешние удары с заданными параметрами импульса. Сигнал записывается с помощью датчика акселерометра, подключенного к специальному компьютеру с программным обеспечением для оцифровки и интерпретации полученной информации. Результаты обработки данных представлены в виде компьютерных графических изображений (рефлектограмм), показывающих длину сваи, сплошность, наличие повреждений и их расположение.
Результаты. Выявлена зависимость однородности грунта на чистоту сигнала. На границе раздела двух различных по плотности грунтов звуковая волна отражалась и частично проходила далее, создавая характерные пики ложных дефектов. Для того чтобы исключить ложные дефекты, необходимы геологические исследования грунтов с послойным залеганием.
Выводы. Результаты исследований подтверждают влияние однородности грунта на чистоту сигнала. Чем больше грунт неоднороден по структуре, тем больше ложных характерных пиков появляется на рефлектограмме. Обязательным условием для верной интерпретации результатов испытаний сплошности свай является изучение геологического разреза и предварительное инструментальное определение скорости распространения ультразвука на каждой отдельной свае.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сейсмоакустика, контроль качества, оценка сплошности, свайные фундаменты, дефектоскопия
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Дегаев Е.Н., Краев Б.С., Бобылев Д.Г. Особенности оценки сплошности свай методом сейсмоакустической дефектоскопии // Строительство: наука и образование. 2022. Т. 12. Вып. 1. Ст. 4. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2022.1.4
Автор, ответственный за переписку: Евгений Николаевич Дегаев, degaev@inbox.ru.
Using seismoacoustic defectoscopy to assess the continuity of piles
Evgeniy N. Degaev1, Boris S. Kraev2, Dmitry G. Bobylev3
1 Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); Moscow, Russian Federation; 2 Scientific and Technical Center of Construction Technologies (STCST); Moscow region, Ivanteevka, Russian Federation; 3 IngeStroy; Moscow, Russian Federation
N9
ABSTRACT
Introduction. The authors present the results of pile continuity studies conducted using seismoacoustic defectoscopy. Tests e were conducted in the Rostov region and Moscow. Reflectograms of tested piles, as well as the subsequent interpretation ^ and confirmation of the design length and continuity of the pile shaft are provided.
Materials and methods. The research results were obtained using Spektr 4.3, whose operating principle is based on the theory ) of elastic wave propagation. This device is used for the recording of the pile response to external impacts with the preset pulse
© Е. Н. Дегаев, Б. С. Краев, Д. Г Бобылев, 2022 49
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
parameters. The signal is recorded by means of an accelerometer sensor, connected to a special computer with the software for the digitization and interpretation of incoming information. Data processing results are presented in the form of computer graphic images (reflectograms), which show the pile length, continuity, damages (if any) and their location. Results. The dependence between soil homogeneity and signal purity has been identified. At the interface between two types of soils that are different in density, the sound wave was reflected and partially passed further, creating characteristic peaks of false defects. To eliminate false defects, studies of layered soils are necessary.
Conclusions. The results confirm the effect of the soil homogeneity on signal purity. The higher the heterogeneity of the soil structure, the bigger the number of false peaks that the reflectogram demonstrates. A prerequisite for the correct interpretation of the results of pile continuity testing is the study of the geological section and preliminary instrumental identification of the ultrasound propagation velocity for each individual pile.
KEYWORDS: seismoacoustics, quality control, continuity assessment, pile foundations, defectoscopy
FOR CITATION: Degaev E.N., Kraev B.S., Bobylev D.G. Using seismoacoustic defectoscopy to assess the continuity of piles. Stroitel'stvo:nauka iobrazovanie [Construction: Science and Education]. 2022; 12(1):4. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2022.1.4
Corresponding author: Evgeniy N. Degaev, degaev@inbox.ru.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время сейсмоакустическая дефектоскопия является одним из самых современных методов испытания свай на сплошность в мировой практике. Метод основан на теории распространения звука (высоких и низких частот) в твердом теле1, 2 3 4 5> 6. В этом методе отсутствуют известные недостатки существующих методов, что служит преимуществом этого способа оценки сплошности свай.
Однако в России указанный метод применяется достаточно редко, так как отсутствует нормативная база, на основе которой строительные организации могли бы использовать его и предоставлять результаты испытаний службам строительного контроля. Как правило, сейсмоакустическая дефектоскопия применяется в комплексе с другими способами.
Помимо отсутствия нормативных документов, регламентирующих порядок проведения испытаний, сейсмоакустическая дефектоскопия имеет небольшую исследовательскую базу. Научные работы последних лет направлены на описание физического процесса распространения волн в твердом теле [1-6]. Предоставленные производителями типовые рефлек-тограммы не позволяют качественно и верно обработать полученные результаты оператором.
Получаемые рефлектограммы на реальных объектах значительно отличаются от идеализиро-
еч
ел и
еч
и CS
•а еа С ®
ш «
1 Технологический регламент по применению неразруша-ющего экспресс-контроля сплошности свай методом «СО-НИК». М. : ОАО «ЦНИИС», 2002.
2 НТП РК 07-02.2-2011. Разработка тестирования свай
на сплошность,
3
ASTM D5882-07. Стандартный метод испытаний для тестирования целостности глубоко заложенных свай (Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations).
4 Pile Echo Tester. PET (PilETest). User Manual.
5 Руководство по эксплуатации прибора для диагностики свай СПЕКТР 4.3. НПП «Интерприбор».
6 Методика диагностики свай методом акустической дефектоскопии. НПП «Интерприбор».
ванных графиков, которые приводятся в различных технических источниках. Одна из причин искажения сигнала — неоднородность грунта. В некоторых случаях искаженный сигнал от каменистого грунта (или включений в нем) можно принять за многочисленные дефекты в стволе сваи [7, 8].
Для правильной интерпретации результатов необходимы геологические сведения и большое количество измерений, исключающих случайные шумы на рефлектограммах. Погрешность измерений производителями устанавливается 10 %.
В подтверждение того, что сейсмоакустическая дефектоскопия имеет право на существование, а получаемые результаты так же, как и по другим косвенным методам, могли приниматься без сомнений, были проведены испытания с последующей обработкой и привязкой к геологическому разрезу.
Цель настоящего исследования — представление результатов испытаний свай в различных грунтах сейсмоакустическим методом с расшифровкой рефлектограмм.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Сейсмоакустическая дефектоскопия используется для оценки сплошности в полевых условиях независимо от вида свай. Метод основан на аппаратной регистрации реакции исследуемой сваи на внешние удары с заданными параметрами импульса. Сигнал записывается с помощью датчика акселерометра, подключенного к специальному компьютеру с программным обеспечением для оцифровки и интерпретации полученных данных (рис. 1). Результаты обработки информации представлены в виде компьютерных графических изображений (рефлекто-грамм), показывающих длину сваи, сплошность, наличие повреждений и их расположение.
Ударом молотка по торцу сваи возбуждается акустическая продольная волна растяжения-сжатия, которая распространяется по телу сваи со скоростью (с). Акустические характеристики бетонных конструкций сильно отличаются от акустических характеристик дисперсного грунта. Сваи, изготовленные из бетона, имеют относительно низкие по-
Рис. 1. Принцип сейсмоакустического метода тестирова- Рис. 2. Схема распространения звуковой волны в свае ния свай на сплошность с дефектом
тери энергии на затухание и повторное излучение в геомассиве. Звуковые волны отражаются на границе раздела сред (бетон - дефект, бетон - грунт и т.д.). Интервал времени между ударом молотка и отражением от границы раздела сред фиксируется датчиком и равняется времени t, необходимому для распространения волны в стволе сваи дважды по всей длине I (вниз и вверх).
t _
c
(1)
Длина сваи I определяется на основе временного интервала t распространения волны. Скорость распространения волны при этом считается неизвестной:
бы исключить ошибочные выводы. Для того чтобы избежать искажений, получаемых от различных слоев грунта, необходимо изучить проектную и рабочую документацию, и при обработке сигналов ориентироваться на геологические исследования [9-17].
На рис. 3-5 приведены результаты обработки сигналов, полученных на объектах Ростовской области в различных грунтах.
Также были проведены испытания по оценке сплошности и контролю длины буросекущих свай в г. Москва при реконструкции транспортной развязки на пересечении МКАД с Липецкой улицей.
l = *.
2
(2)
По второму закону Ньютона скорость распространения упругой волны зависит от характеристик среды:
р
(3)
Дефекты характеризуются изменением площади сечения ствола сваи Е и характеристик бетона р (рис. 2). Известно, что в более прочном материале скорость распространения упругих волн выше.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Метод, при простоте проведения испытаний в полевых условиях требует большого времени и знаний для последующей обработки данных, что-
Рис. 3. Рефлектограмма сваи в малопрочном песчанике, RQD — 40 %
N9
СП
ta
N9
к Д А А (7) А л Л Л Л Л Л А а Д J
\ ч
' si
А-Ч—I-Ч
--—
—ч-
-ч-ч- 4 <7> —н
-H
.
*
• ' J.' - X' X Ч X
х^х,.; ... X ■ ■ X
х_х *
•х v х з -- х-
Л____X: Y
X' v Y ■х.....
X X H
•x • • sy • .. х ■■
■X X ■ "X
■X- X X ' X
XXX • ï — X Y
X Л X X X * X - У- и
X X
Рис. 4. Рефлектограмма сваи в грунте с различными слоями: 1 — суглинок легкий твердый, еС; 2 — аргиллит низкой прочности плотный, RQD — 20 %; 3 — песчаник малопрочный, RQD — 40 %
Работы выполнялись ООО «ИнжеСтрой». Испытания осуществлялись с помощью инструментальной базы ООО «НТЦСТ». На объекте производилось переустройство инженерных коммуникаций методом микротоннелирования. Методика предусматривает на подготовительном этапе устройство двух котлованов (стартовый и приемный). Для обеспечения безопасности котлованы запроектированы с вертикальными стенками с ограждающими конструкциями из буровых свай d = 800 мм (шаг свай — 0,55 м; шаг армируемых свай — 2,2 м), глубиной 18,6 м (рис. 6).
Рис. 5. Рефлектограмма сваи в грунте с различными слоями: 1 — суглинок тяжелый пылеватый твердый, dQIII; 2 — глина легкая пылеватая твердая, dQIII; 2a — суглинок тяжелый пылеватый тугопластичный, dQIII; 3 — суглинок тяжелый твердый, eC; 4 — аргиллит низкой прочности плотный, RQD — 20 %; 5 — песчаник малопрочный, RQD — 40 % [7]
На выходе/входе тоннелепроходческого комплекса проектом предусмотрено закрепление грунта методом струйной цементации Jet. Данные работы проводились для обеспечения безопасности работающих, существующих подземных сетей и сооружений, окружающей застройки в зоне влияния — защита котлованов от вывала грунта в местах выхода/ входа тоннелепроходческого комплекса и разуплотнения вышележащих слоев инженерно-геологических элементов (ИГЭ).
Рис. 7. Рефлектограмма сваи глубиной 18,6 м без нарушения сплошности
Для принятия решения о возможности продолжения дальнейших работ по устройству котлована глубиной 14,2 м выполнены сейсмоакустические испытания по подтверждению проектных длин и сплошности свай (рис. 7).
При визуальной оценке графиков на рис. 1 и 7 видны различия в форме сигнала.
На графике (рис. 7) цветом отмечены слои грунта. Согласно изысканиям выделено 4 ИГЭ:
ИГЭ-1 (tQГV) — насыпной грунт: суглинок ту-гопластичный;
ИГЭ-2 (£ lgQIIms) — суглинок тугопластичный;
ИГЭ-3 (/, lgQIIms) — песок мелкий, средней плотности;
ИГЭ-4 (О) — песок мелкий, плотный, водона-сыщенный.
Как было отмечено, стандартизированных графиков при реальных испытаниях не получить ввиду неоднородности грунта и бетона. В данном случае дополнительными факторами возникновения помех также являются соседние буросекущие сваи и укрепление грунта струйной цементацией [18-24].
В подтверждение того, что сваи не имеют дефектов при устройстве котлованов, производился визуальный контроль по всей рабочей глубине (рис. 8). Визуальное обследование не выявило дефектов ни в одной из исследуемых свай.
Рис. 8. Котлован, устроенный на рабочую глубину 14,2 м
со ев
e S
и w
аз »
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Необходимое условие для верной интерпретации результатов — изучение геологического разреза и предварительное инструментальное определение скорости распространения ультразвука на каждой отдельной свае.
Полученные результаты подтверждают влияние однородности грунта на чистоту сигнала. Чем боль-
ше грунт неоднороден по структуре, тем больше ложных характерных пиков получаем на рефлектограм-ме. Дополнительным фактором образования помех на рефлектограммах в нашем случае также послужила струйная цементация грунта технологией Jet.
Для того чтобы исключить ложные пики, программные комплексы по обработке результатов позволяют ставить фильтры, срезающие высокочастотный сигнал, тем самым облегчая обработку данных.
M
с/э
N9
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Rybak J., Schabowicz K. Acoustic wave velocity tests in newly constructed concrete piles // NDE for Safety: 40th international conference and NDT exhibition. 2010.
2. Rybak J. Stress wave velocity tests in early-stage of concrete piles // Concrete solutions : proceedings of Concrete Solutions, 5th International Conference on Concrete Repair. 2014. DOI: 10.1201/b17394-88
3. Шабалин В.А., Журавлев А.Ю., Бордюгов М.Д. Определение глубины заложения и плотности бетона буронабивных столбов на объектах строительства мостов методом сейсмоакустики (на примере строительства моста через бухту золотой рог в г. Владивостоке) // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2012. Т. 1. С. 207-210.
4. Кулачкин Б.И., Митькин А.А. Инновации в геотехнике, связанные с новыми подходами к оценке качества буровых свай // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2016. Т. 7. № 2. С. 106-115. DOI: 10.15593/22249826/2016.2.11
5. Дровникова Е.М. Сейсмоакустическая дефектоскопия сплошности свайных фундаментов // Дни студенческой науки : сб. докл. науч.-техн. конф. по итогам научно-исследовательских работ студентов института инженерно-экологического строительства и механизации НИУ МГСУ. 2020. С. 207-209.
6. Иванов А.Ю. Применение сейсмоакустиче-ской дефектоскопии при обследовании строительных конструкций // Дни студенческой науки : сб. докл. науч.-техн. конф. по итогам научно-исследовательских работ студентов Института инженерно-экологического строительства и механизации НИУ МГСУ. 2021. С. 425-427.
7. Degaev E., Rimshin V.I. Checking the integrity of piles by seismoa cousticdefectos copy // Journal of Physics Conference Series. 2019. Vol. 1425. Issue 1. P. 012153. DOI: 10.1088/1742-6596/1425/1/012153
8. Черняков А.В. Применение струйной цементации грунтов в условиях исторической застройки //
^ Жилищное строительство. 2011. № 9. С. 24-26.
9. Галушкин И.В., Кухмазов С.У., Рагозин Н.А. Межскважинное сейсмическое просвечивание —
¡3 важный инструмент инженерно-геологических изы-g сканий на площадках строительства объектов повы-^ шенной ответственности // Инженерные изыскания.
2021. Т. 15. № 1-2. С. 62-75. DOI: 10.25296/1997-О 8650-2021-15-1-2-62-75
10. Король Е.А., Завалишин С.И., Хлысту-
0 ®
¡5 ! нов М.С. Состояние нормативного обеспечения без-
U CS
Ец § опасности ответственных строительных объектов
g £ в условиях экстремальных динамических нагрузок //
1 f Вестник МГСУ. 2009. № S2. С. 23-27.
" g 11. Римшин В.И., Шубин Л.И., Савко А.В. Ре-
х сурс силового сопротивления железобетонных кон-
струкций инженерных сооружений // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 483-491.
12. Римшин В.И., Трунтов П.С. Комплексное обследование технического состояния строительных конструкций, подвергшихся воздействию пожара // Университетская наука. 2019. № 2 (8). С. 12-16.
13. Теличенко В.И., Король Е.А., Хлыстунов М.С., Прокопьев В.И. Мониторинг геофизической устойчивости зданий и сооружений с использованием грависейсмометрической станции СГМ-3В // Предотвращение аварий зданий и сооружений. 2009. № 8. С. 27.
14. Король Е.А., Харькин Ю.А. К вопросу о выборе программного комплекса для моделирования напряженно-деформированного состояния трехслойных железобетонных элементов и конструкций с монолитной связью слоев // Вестник МГСУ. 2010. № 3. С. 156-163.
15. Король Е.А., Шушунова Н.С. Использование инновационных технологий устройства стеновых покрытий с модульными системами озеленения // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. № 7. С. 912-925. DOI: 10.22227/1997- 0935.2021.7.912-925
16. Korol E.A., Petrosyan R.S. Methodological approaches to the formation of the organizational and technological mechanism for improving the manufacturability of work during the overhaul of buildings // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 753. Issue 3. P. 032057. DOI: 10.1088/1757-899X/753/3/032057
17. Vu D.T., Korol E., Kustikova Y., Nguyen H.H. Finite element analysis of three-layer concrete beam with composite reinforcement // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 02023. DOI: 10.1051/e3s-conf/20199702023
18. Korol E.A. The choice of the rational parameters of three-layer reinforced concrete inclosing structures with monolithic bond of layers by computer simulation // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 456. Issue 1. P. 012075. DOI: 10.1088/1757-899X/456/1/012075
19. Карапетян С.Г., Тышова Ю.В. Сравнение аналитических и численных расчетов с натурными испытаниями свай на горизонтальные нагрузки // Молодой ученый. 2020. № 49 (339). С. 63-69.
20. Белых А.Н., Астахов И.А., Небож Т.Б. Перспективные методы полевых испытаний свай в России: метод волновой теории удара // Перспективы науки. 2020. № 10 (133). С. 186-189.
21. Первов А.Г., Ширкова Т.Н., Спицов Д.В. Экономические аспекты очистки фильтратов полигонов хранения твердых коммунальных отходов с применением мембран // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. № 6. С. 698-719. DOI: 10.22227/19970935.2021.6.698-719.
22. Мазурин Д.М., Дементьева М.Е. Технико-экономические показатели производства работ по демонтажу многоэтажного здания в условиях сложившейся застройки // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. № 6. С. 741-750. DOI: 10.22227/19970935.2021.6.741-750
23. Продоус О.А., Шлычков Д.И., Абросимова И.А. Обоснование необходимости проведения
Поступила в редакцию 10 марта 2022 г. Принята в доработанном виде 15 марта 2022 г. Одобрена для публикации 29 марта 2022 г.
гидродинамической очистки самотечных сетей во-доотведения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 1. С. 106-114. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.1.106-114 24. Рыльцева Ю.А. Современные способы и средства диагностики и ремонта подводных переходов трубопроводов // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. № 9. С. 1236-1263. Б01: 10.22227/19970935.2021.9.1236-1263
Об авторах: Евгений Николаевич Дегаев — кандидат технических наук, доцент кафедры жилищно-коммунального комплекса; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ID: 798266, Scopus: 57195225439, ResearcherlD: S-1854-2018, ORCID: 0000-0001-6384-8277; degaev@inbox.ru;
Борис Сергеевич Краев — главный инженер; Научно-технический центр строительные технологии (НТЦСТ); 141282, Московская область, г. Ивантеевка, ул. Толмачева, д. 80 литера с, с 1, помещ. 19; bkraev@yandex.ru;
Дмитрий Геннадьевич Бобылев — главный инженер; ИнжеСтрой; 123317, г. Москва, ул. Антонова-Овсеенко, д. 15, стр. 1, ком. 229; dimkabob86@yandex.ru.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
INTRODUCTION
Currently, seismoacoustic defectoscopy is one of the most advanced international methods of testing pile integrity. The method is based on the theory of sound propagation (high and low frequencies) in a solid body1- 2 3 4 5- 6. This method lacks the disadvantages of existing methods, which is an advantage in terms of assessing the integrity of piles.
However, in Russia this method is used quite rarely, since there is no regulatory base on the basis of which construction organizations could use it and provide testing results to construction control services. As a rule, seismoacoustic defectoscopy is used in conjunction with other methods.
In addition to the lack of regulatory documents governing the testing procedure, seismoacoustic defectoscopy has enjoyed little attention from re-
1 Technological regulation on the non-destructive express testing of pile integrity using the "SONIC" method. Moscow, TSNIIS JSC, 2002
2 NTP RK 07-02.2-2011. Development of pile continuity testing techniques.
3 ASTM D5882-07. Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations.
4 Pile Echo Tester. PET (PilETest). User Manual.
5 Operating Manual for the SPEKTR 4.3 Pile Diagnostic Tool. Interpribor NPP.
6 Method of pile diagnostics using acoustic defectoscopy. Interpribor NPP.
searchers. Scientific works of recent years are aimed at describing the physical process of wave propagation in a solid body [1-6]. Standard reflectograms, provided by manufacturers, do not allow conducting correct qualitative processing of the results obtained by the operator.
Reflectograms of real objects significantly differ from idealized graphs, which are provided in various sources. One of the reasons for the signal distortion is the heterogeneity of soils. In some cases, a distorted signal from stony soils (or inclusions) can be taken for numerous defects in the pile shaft [7, 8].
For the proper interpretation of results, geological information and a large number of measurements are needed to exclude random noises in reflectograms. The measurement error is set by the manufacturers at 10 %. i
CD
To confirm the validity of seismoacoustic defec- e toscopy, and the results obtained using its methods and g » other indirect techniques, tests were conducted with dja subsequent processing and analyzing with account ta- | jjj ken of the geological section. g g
The purpose of this study is to present the results of the pile testing conducted for different types of soils o using the seismoacoustic method followed by the tran- 1 scription of reflectograms.
s
MATERIALS AND METHODS
CD
Seismoacoustic defectoscopy is used to assess ( the integrity in the field conditions regardless of the type 2 of piles. The method is based on the instrumental regis- —
CN
M M
CN
tration of the studied pile response to external impacts having pre-set pulse parameters. The signal is recorded using an accelerometer sensor connected to a special computer having software for digitizing and interpreting the obtained data (Fig. 1). The information processing results are presented as computer graphic images (reflectograms), showing the pile length, integrity, damages, and their location.
A hammer blow on the pile end excites a longitudinal acoustic tensile-compression wave that propagates through the pile body at velocity c. The acoustic characteristics of concrete structures are different from those of dispersed soil. Piles made of concrete have relatively low energy losses for attenuation and re-radiation. Sound waves are reflected at the interface between the media (concrete - defect, concrete - soil, etc.). The time interval between the impact of the hammer and reflection from the interface is recorded by the transducer and is equal to time t required for the wave to propagate through the pile shaft twice along the entire length l (down and up).
_ 21
c
(1)
l=ci. 2
(2)
Pile length l is determined based on time interval t of the wave propagation. The velocity of the wave propagation is assumed to be unknown:
Fig. 2. The diagram of sound wave propagation in a pile that has a defect
According to Newton's second law, the speed of propagation of an elastic wave depends on the characteristics of the medium:
E± p
(3)
Fig. 1. The principle underlying the seismoacoustic method used to test the integrity of piles
The defects are characterized by changes in the cross-sectional area of pile E and the characteristics of concrete p (Fig. 2). It is known that in a stronger material the speed of elastic wave propagation is higher.
RESEARCH RESULTS
Although the method is convenient for field tests, it requires a lot of time and knowledge for subsequent data processing to exclude erroneous conclusions. To avoid distortions caused by different soil layers, it is necessary to study the design and working documentation, and to be guided by geological studies when processing the signals [9-17].
Fig. 3-5 show the signal processing results obtained in the Rostov region that has versatile soils.
Besides, tests were conducted in Moscow to assess the integrity and length control of bored piles during the reconstruction of a highway intersection of the Moscow Ring Road and Lipetskaya street. The work was performed by InzheStroy LLC. Tests were conducted using the instruments provided by NTCST LLC. Utility lines were rearranged using the micro-tunnelling method. At the preparatory stage, the method provides for the arrangement of two pits (the entry pit and the exit pit). To ensure safety, pits
are designed with vertical walls and enclosing structures made of bored piles d = 800 mm (pile pitch — 0.55 m; reinforced pile pitch — 2.2 m), depth — 18.6 m (Fig. 6).
The project envisages soil consolidation using Jet grouting method. This work was performed to ensure the safety of workers, existing underground networks and structures, and building in the zone of influence. The work was focused on prevention of landslips and
Fig. 3. The reflectogram of a pile in weak sandstone, RQD — 40 %
Fig. 5. The reflectogram of a pile in the soil that has different layers: 1 — heavy dusty hard loam, dQIII; 2 — light dusty hard clay, dQIII; 2a — heavy dusty tight loam, dQIII; 3 — heavy hard loam, eC; 4 — low strength dense argillite, RQD — 20 %; 5 — low strength sandstone, RQD — 40 % [7]
decompaction of the top layers of engineering and geological elements (EGE).
Seismoacoustic tests were performed to confirm the design length and integrity of piles to decide on making a pit that will be 14.2 m deep (Fig. 7).
When visually evaluating the graphs in Fig. 1 and 7, one can see differences in the signal shape.
On the graph (Fig. 7) ground layers are marked with color. According to the surveys, 4 IGE are distinguished:
IGE-1 (tQIV) — bulk soil: tight plastic loam;
IGE-2 (f lgQUms) — stiff clay loam;
IGE-3 (f lgQIIms) — fine sand of medium density;
IGE-4 (O) — fine, dense, water-saturated sand.
Fig. 4. The reflectogram of a pile in the soil that has versatile layers: 1 — light hard loam, eC; 2 — low-strength dense argillite, RQD — 20 %; 3 — weak sandstone, RQD — 40 %
N9
tfl C/>
Fig. 6. The location of piles needed to strengthen the pit 2 walls
CN
M CN
10 12 14
Length, m
Fig. 7. The reflectogram of an 18.6 m deep pile without discontinuance
As noted, in real tests standardized graphs cannot be obtained due to the heterogeneity of soil and concrete. In this case, additional noise factors include neighboring bored piles and soil consolidation made using the jet grouting method [18-24].
To confirm that the piles were free of defects during excavation, the visual inspection was performed over the entire depth (Fig. 8). The visual inspection identified no defects in any of the examined piles.
CONCLUSION AND DISCUSSION
The prerequisite for the correct interpretation of the results is the study of the geological section and the preliminary instrumental identification of the ultrasound propagation velocity through each pile.
The results confirm the influence of soil homogeneity on signal purity. The higher the heterogeneity of the soil structure, the higher the number of false characteristic peaks that the reflectogram shows. An additional factor of noise was the jet grouting of soil.
Software packages add filters that cut the high-frequency signal and simplify data processing to eliminate false peaks.
Fig. 8. The pit that has the operating depth of 14.2 m
REFERENCES
1. Rybak J., Schabowicz K. Acoustic wave velocity tests in newly constructed concrete piles. NDE for Safety : 40th international conference and NDT exhibition. 2010.
2. Rybak J. Stress wave velocity tests in early-stage of concrete piles. Concrete solutions : proceedings of Concrete Solutions, 5th International Conference on Concrete Repair. 2014. DOI: 10.1201/b17394-88
3. Shabalin V.A., Zhuravlev A.Yu., Bordyu-gov M.D. Determination of the depth of laying and density of concrete bored pillars at bridge construction sites by the method of seismoacoustics (on the example of the construction of a bridge across the Golden Horn Bay in Vladivostok). Scientific, technical and economic cooperation of the APR countries in the XXI century. 2012; 1:207-210. (rus.).
4. Kulachkin B.I., Mit'kin A.A. Innovation in geo-technics, associated with new approaches to assessing the quality of boring piles. Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Construction and Architecture. 2016; 7(2):106-115. DOI: 10.15593/22249826/2016.2.11 (rus.).
5. Drovnikova E.M. Seismoacoustic flaw detection of continuity of pile foundations. Days of Student Science : Collection of reports of the scientific and technical conference on the results of research works of students of the Institute of Environmental Engineering and Mechanization of the NRU MGSU. 2020; 207-209. (rus.).
6. Ivanov A.Yu. The use of seismoacoustic flaw detection in the examination of building structures. Days of Student Science : Collection of reports of the scientific and technical conference on the results of research works of students of the Institute of Environmental Engineering and Mechanization of the NRU MGSU. 2021; 425-427. (rus.).
7. Degaev E., Rimshin V.I. Checking the integrity of piles by seismoa cousticdefectos copy. Journal of Physics Conference Series. 2019; 1425(1):012153. DOI: 10.1088/1742-6596/1425/1/012153
8. Chernyakov A.V. Application of jet cementation of soils in conditions of historical development. Housing Construction. 2011; 9:24-26. (rus.).
9. Galushkin I.V., Kukhmazov S.U., Ragozin N.A. Crosshole seismic survey is an important tool for engineering-geological surveys at the construction sites of high responsibility facilities. Engineering Survey. 2021; 15(1-2):62-75. DOI: 10.25296/1997-8650-202115-1-2-62-75 (rus.).
10. Korol E.A., Zavalishin S.I., Khlystunov M.S. The state of regulatory safety of responsible construction facilities under extreme dynamic loads. Vest-nik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2009; S2:23-27. (rus.).
11. Rimshin V.I., Shubin L.I., Savko A.V. Resource of force resistance of reinforced concrete structures of engineering structures. Academia. Architecture and Construction. 2009; 5:483-491. (rus.).
12. Rimshin V.I., Truntov P.S. Complete test of technical condition of building structures exposed to fire. University Science. 2019; 2(8):12-16. (rus.).
13. Telichenko V.I., Korol E.A., Khlystunov M.S., Prokopyev V.I. Monitoring of geophysical stability of buildings and structures using the gravity seismomet-ric station SGM-3B. Prevention of Accidents of Buildings and Structures. 2009; 8:27. (rus.).
14. Korol E.A., Kharkin Y.A. On the choice of software for simulation of stress-strained state of sandwich concrete elements and structures with solid coupling layers. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2010; 3:156-163. (rus.).
15. Korol E.A., Shushunova N.S. Use of innovative technologies of wall covering devices with modular greening systems. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2021; 16(7):912-925. DOI: 10.22227/1997- 0935.2021.7.912-925 (rus.).
16. Korol E.A., Petrosyan R.S. Methodological approaches to the formation of the organizational and technological mechanism for improving the manufac-turability of work during the overhaul of buildings. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020; 753(3):032057. DOI: 10.1088/1757-899X/753/3/032057
17. Vu D.T., Korol E., Kustikova Y., Nguyen H.H. Finite element analysis of three-layer concrete beam with composite reinforcement. E3S Web of Conferences. 2019; 97:02023. DOI: 10.1051/e3sconf/20199702023
18. Korol E.A. The choice of the rational parameters of three-layer reinforced concrete inclosing structures with monolithic bond of layers by computer simulation. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2018; 456(1):012075. DOI: 10.1088/1757-899X/456/1/012075
19. Karapetyan S.G., Tyshova Yu.V. Comparison of analytical and numerical calculations with full-scale tests of piles for horizontal loads. A Young Scientist. 2020; 49(339):63-69. (rus.).
20. Belykh A.N., Astakhov I.A., Nebozh T.B. Prospective methods of in-situ pile tests in Russia: highstrain dynamic pile testing. Science Prospects. 2020; 10(133):186-189. (rus.).
21. Pervov A.G., Shirkova T.N., Spitsov D.V. Economic aspects of cleaning filtrates of landfills of solid municipal waste storage with the use of membranes. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2021; 16(6):698-719. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.6.698-719 (rus.).
22. Mazurin D.M., Dement'eva M.E. Dismantling a multi-storey building in the conditions of a built-up area: engineering and economic indicators. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2021; 16(6):741-750. DOI: 10.22227/1997- | 0935.2021.6.741-750 (rus.). S
23. Prodous O.A., Shlychkov D.I., Abrosimo- |jg va I.A. Justification of the need for the hydrodynamic
S C
cleaning of gravity water discharge networks. Vestnik £ = MGSU [Monthly Journal on Construction and Archi- = : tecture]. 2022; 17(1):106-114. DOI: 10.22227/1997- l 0935.2022.1.106-114 (rus.). 1
24. Ryltseva Yu.A. The modern methods and I means of diagnostics and repair of underwater cros- g sings of the pipelines. Vestnik MGSU [Monthly Journal e on Construction and Architecture]. 2021; 16(9):1236- -1263. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.9.1236-1263 2 (rus.).
Received March 10, 2022.
Adopted in revised form on March 15, 2022.
Approved for publication on March 29, 2022.
Bionotes: Evgeniy N. Degaev — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Housing and Communal Complex; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 798266, Scopus: 57195225439, ResearcherID: S-1854-2018, ORCID: 0000-0001-6384-8277; degaev@inbox.ru;
Boris S. Kraev — chief engineer; Scientific and Technical Center of Construction Technologies (STCST); room 19, build. 1, letter s, 80 Tolmacheva st., Moscow region, Ivanteevka, 141282, Russian Federation; bkraev@yandex.ru;
Dmitry G. Bobylev — chief engineer; IngeStroy; room 229, build. 1, 15 Antonova-Ovseenko st., Moscow, 123317, Russian Federation; dimkabob86@yandex.ru.
Contribution of the authors: all authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. Conflict of the interests: the authors declare no conflict of interest.