Контроль свай

Устройство железобетонных буронабивных свай является отработанным и надежным решением при проектировании оснований мостовых переходов, зданий и сооружений. Наиболее распространенным способом устройства буронабивных свай является бурение инвентарной обсадной трубой с выборкой грунта шнеком с последующим спуском армокаркаса, порционным заполнением скважины бетоном методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ) и постепенным извлечением обсадной трубы. Буронабивные сваи, устраиваемые в основании опор мостов, как правило, имеют диаметр 800, 1000, 1200 или 1500 мм и длину 10 – 30 м.

Актуальность проблемы контроля качества изготовления буронабивных свай определяется влиянием свайных оснований на работоспособность и долговечность зданий и сооружений. Отступление при изготовлении от проектных характеристик сваи по длине, форме, диаметру, прочности бетона, размерам армокаркаса приводит к потере несущей способности сваи и последующим осадкам опор и фундаментов, вплоть до их разрушения зданий и сооружений..

Рис.1. Устройство буронабивных свай (район Мамайка, г.Сочи, 2012г.)

Неразрушающий контроль сплошности является современным направлением интегральной оценки качества изготовления буронабивной сваи. Сплошность, под которой подразумевается непрерывность и неразрывность проектных характеристик по длине ствола (в т.ч. отсутствие дефектов структуры, зон разуплотнения, сужений) является важнейшей характеристикой, определяющей сохранение несущей способности сваи в течении заявленного срока службы. При нарушении сплошности со временем под воздействием эксплуатационных факторов (статических и динамических нагрузок, воздействия агрессивных вод и др.) свая постепенно потеряет несущую способность. Поэтому ряд последних нормативных документов в строительстве, например МДС 12-23.2006 “Временные рекомендации по технологии и организации строительства многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в Москве” содержат указания проверять сплошность свай испытанием образцов, взятых из выбуренных в сваях кернов или геофизическим способом.

Из многочисленных геофизических методов исследований для контроля сплошности буронабивных свай наибольшее развитие получили акустические (сейсмоакустические, ультразвуковые) методы. Физической основой использования акустических методов является зависимость изменения параметров упругой волны от упругих, деформационных, прочностных свойств и трещиноватости среды распространения. Другие методы исследований, например электромагнитные с помощью георадара, по мнению автора, практически не применимы из-за физических особенностей и большого числа мешающих факторов. Для георадара основными мешающими факторами являются низкая радиопрозрачность железобетона из-за затухания электромагнитных колебаний на стальном армокаркасе и неконтролируемая погрешность измерений расстояний на малых базах (10-30 м) за счет очень высокой скорости распространения электромагнитной волны (300 000 000 м/с).

Возможные схемы исследования свай акустическими (ультразвуковыми) методами (акустическое зондирование; прозвучивание между закладными наблюдательными трубками, каротаж; прозвучивание между закладной трубкой и головой сваи) приведены на рис.2.

Рис.2. Схемы акустического контроля сплошности буронабивных свай

а – зондирование; б, в, г - прозвучивание

(б - между закладными трубками, в – каротаж; г – между закладной трубкой и головой сваи )

Метод прозвучивания

Наиболее “старый” метод прозвучивания (рис.2.б) ультразвуковым импульсом между закладными трубками, установленными вместе с армокаркасом до бетонирования начал применяться для свай большого диаметра со второй половины 20-го века. Направление прозвучивания перпендикулярно или под углом к оси сваи. Базы измерений до 1,5 м. Применение ультразвука с частотой свыше 20 кГц (длиной волны меньше 0,2 м) стало возможным благодаря малым базам измерения до 1,5 м, так как из-за высокого затухания дальность распространения ультразвука в бетоне ограничена первыми метрами. Основной диагностический параметр – скорость продольной упругой волны v_р. Определение скорости УВ v_р (м/с) производится по измеренным значениям расстояния L между точками возбуждения и приема и времени распространения упругой волны t по формуле:v_р = L/ t

Преимуществом ультразвукового метода является высокая разрешающая способность при выделении дефектов. Но метод ультразвукового прозвучивания обладает и существенными недостатками в виде высокой методической погрешности измерения скорости упругой волны за счет малой амплитуды и высокой частоты, алгоритма схемного (аппаратурного) решения выделения первого вступления и высокого затухания ультразвукового импульса на границах раздела трубка-бетон и трубка-жидкость.

Метод прозвучивания ударным импульсом ООО "Геодиагностика"

В настоящее время ООО "Геодиагностика" разработало и реализует современный вариант метода прозвучивания буронабивных свай ударным импульсом, возбуждаемым электроискровым излучателем аппаратурного комплекса АПЗ-1 (рис.3). Метод прозвучивания буронабивных свай из закладных трубок ударным импульсом, по сути, представляет модификацию давно известного метода межскважинного акустического просвечивания (МАП). Преимуществом метода прозвучивания ударным импульсом перед ультразвуковым методом является меньшая погрешность измерений и возможность прозвучивания на больших базах до 100 м (между закладной трубкой и головой сваи, между закладными трубками при расположении скважинных приборов на забое и в верхней части сваи) за счет большей энергии возбуждаемой упругой волны.

а б

Рис.3. Схема прозвучивания буронабивных свай (а) и зависимость скорости упругой волны от глубины (б)

1 – буронабивная свая; 2 – массив грунтов; 3, 4 наблюдательные трубки излучателя (И) и приемника (П) упругой волны; 5 – кабеля; 6 - автомашина с аппаратурным комплексом АПЗ-1.

а в

б г

Рис.5. Контроль сплошности буронабивных свай методом прозвучивания

а - осциллограмма импульса упругой волны (база прозвучивания 0,87 м); б - устройство закладных трубок в теле сваи; в - спуск скважинного приемника в закладную трубку, г- аппаратурный комплекс АПЗ-1.

Акустический каротаж

Метод акустического каротажа (рис.2г) с перемещением излучателя и приемника упругих волн в одной закладной трубке можно также отнести к методам прозвучивания. Акустический каротаж при контроле сплошности буронабивных свай в настоящее время практически не используется из-за ограниченности зоны исследования (околоскважинное пространство) и сложности измерений скорости упругой волны в бетоне при наличии между скважинными приборами и бетоном границы раздела в виде закладной стальной трубы.

Акустическое зондирование

Информация о разработках различных методов акустического зондирования (рис.2а), включающих механическое возбуждение и прием эхо-сигнала на голове сваи начали появляться с конца 20-го века. В настоящее время в России активно внедряются несколько методов акустического зондирования, которые различаются способом и параметрами возбуждения и приема упругой волны. Параметры возбуждения упругой волны: площадь контакта ударника со сваей, длительность и сила воздействия; параметры приема: способ крепления, частотный диапазон и чувствительность приемника (вибропреобразователя).

К числу методов, реализующих возбуждение сваи механическим ударом и прием упругой волны низкочастотным вибропреобразователем можно отнести метод Integrity Sonic Test (звуковое тестирование сплошности-целостности) фирмы Profound BV (Нидерланды) и отечественный прибор ИДС-1.

По информации фирмы Profound BV Суть метода Integrity Sonic Test заключается в контроле сплошности бетонной сваи (обнаружение каверн, трещин) по параметрам измеренного на голове свае упругого сигнала (отклика), возбужденного в свае с помощью ударного молотка. Фирмой Profound BV выпущено несколько модификаций прибора FPDS, реализующего метод Integrity Sonic Test. В состав прибора FPDS входят ударный молоток, вибропреобразователь и измерительный блок. При испытании сваи вибропреобразователь закрепляется на свае (мастикой) и соединяется кабелем с измерительным блоком. Измерительный блок размещается рядом со сваей. Ударный молоток, соединяется с измерительным блоком. Оператор наносит удар молотком по голове свае. В момент удара от молотка на измерительный блок приходит импульс запуска. Затем измерительный блок регистрирует упругий сигнал (отклик) в свае. При обработке в измерительном блоке происходит сравнение параметров (формы) измеренного сигнала с характерными сигналами, заложенными в компьютерной модели, разработанной фирмой Profound BV.

Мнение автора по методу Integrity Sonic Test и ему аналогичных основано на собственных экспериментальных исследованиях, возбуждения сваи ударным молотком, анализе опубликованных данных, отзывах потребителей в интернете и выражается в следующем.

Метод Integrity Sonic Test в силу очень слабого (давление в несколько паскаль) и длительного (несколько миллисекунд) ручного возбуждения ударным молотком и очень слабого низкочастотного регистрируемого упругого сигнала (отклика) работает на коротких сваях (длиной, ориентировочно, до 10 м) заводского изготовления (известной формы), погруженных, например, забивным способом. Для коротких свай простой формы компьютерные модели характерного сигнала и реально измеренного упругого сигнала практически совпадают. Как только увеличивается длина сваи, изменяется ее форма (например, буронабивная свая, изготовленная на строительной площадке) и состояние головы методическая погрешность метода Integrity Sonic Test становится непредсказуемой.

Дополнительно стоит отметить отсутствие метрологического обеспечения, так как в нарушении Российского закона о единстве средств измерений фирма Profound BV сама калибрует приборы FPDS.

Метод акустического зондирования ударным импульсом ООО "Геодиагностика"

ООО “Геодиагностика” разработало оригинальный метод акустического зондирования зондирования ударным импульсом (рис.6 и 7). Основное отличие разработанного метода от других акустических методов является возбуждение головы сваи коротким (длительность десятки микросекунд) и очень мощным импульсом давления от электроискрового излучателя, что позволяет обеспечить глубину зондирования не менее 40 м и высокое разрешение по времени.

Направление контроля сплошности буронабивных свай методом акустического зондирования ударным импульсом начало развиваться во Всероссийском НИИ методики и техники разведки (ВИТР) в начале 90-х годов 20 века, а после реорганизации ВИТР перешло в ООО “Геодиагностика” (www.arhipov8.narod.ru, geodiagnostics.com).

Аппаратура. Для акустического зондирования свай в ООО “Геодиагностика” разработан компьютеризированный аппаратурный комплекс импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1. (рис.5г и 6). В варианте акустического зондирования аппаратурный комплекс реализуется под наименованием измеритель длины буронабивных свай ИДБС-1.

Аппаратурный комплекс АПЗ-1 предназначен для измерения времени распространения, амплитуды и частоты импульса упругих волн в горных породах между излучателем и приемником с целью определения упругих характеристик среды.

В состав аппаратурного комплекса АПЗ-1 входят: излучающая установка (генератор импульсов тока, высоковольтный кабель и электроискровой излучатель) и измерительная система (скважинный приемник или вибропреобразователь, усилитель и комплекс программно-аппаратных средств на базе персонального компьютера). Запуск программы командного режима измерений осуществляется в момент электроискрового разряда.

Метрологическое обеспечение. Аппаратурный комплекс АПЗ-1 калибруется Всероссийским НИИ метрологии им. Д.И.Менделеева (Сертификат калибровки средства измерения №2520-106/ЭУ-2012 от 22.03.12). Основная относительная погрешность измерения АПЗ-1: времени +3 %; виброускорения +10 %; частоты колебаний +2 %.

Дальность акустического просвечивания (прозвучивания) по рыхлым грунтам (пескам, супесям) составляет не менее 20 м, по скальным грунтам (гранитам) - достигает 150 м. Глубина зондирования по скальным грунтам и бетонам - до 40 м. Разрешающая способность при акустическом просвечивании грунтов + 0,5 м, при зондировании скальных грунтов и бетонов + 0,1 м.

Рис. 6. Аппаратурный комплекс акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1

Рис.5 Схема акустического зондирования буронабивных свай ударным импульсом

1 – буронабивная свая; 2 – массив грунтов; 3 – электроискровой излучатель; 4 – вибропреобразователь; 5 – кабеля; 6 - автомашина с аппаратурным комплексом.

Рис. 6. Временная реализации эхо-сигнала при акустическом зондировании БНС длиной 16 м

а б

Рис.7. Акустическое зондирование буронабивной сваи

а – расположение излучателя и приемника на голове сваи; б – аппаратурный комплекс АПЗ-1

Физические основы метода акустического зондирования свай ударным импульсом

Железобетонная буронабивная свая в форме цилиндра (рис.5) по своим физико-механическим свойствам резко отличается от вмещающих осадочных грунтов. Вследствие резкого отличия в акустическом сопротивлении материала сваи и вмещающих грунтов свая представляет канал для распространения упругих волн с относительно невысокими потерями энергии на затухание и переизлучение в окружающую среду (грунт).

Распространение упругих волн в свае определяется общими законами акустики. В большинстве случаев акустическое сопротивление грунта значительно меньше, чем бетона сваи. Поэтому при подходе упругой волны к концу сваи на границе раздела бетон-грунт возникает отраженная волна с обратным знаком. Прямая волна сжатия на свободном конце сваи преобразуется в отраженную волну растяжения, что позволяет выделять эхо-сигнал от конца сваи по смене фазы. При появлении в теле свае дефектов, часть энергии упругой волны, распространяющейся в прямом направлении, отражается от дефекта и регистрируется в виде эхо-сигналов. Параметры эхо-сигналов (амплитуда, спектральный состав, фаза) определяются характеристиками дефектов, конструктивными особенностями и формой свай. Появление эхо-сигналов от конца сваи и дефектов, зависимость скорости упругой волны от прочности бетона является физической основой для контроля качества изготовления свай.

Порядок выполнения акустического зондирования включает механическое возбуждение головы сваи электроискровым излучателем и оценку состояния сваи по результатам сравнения параметров эхо-сигнала с диагностическими признаками различных состояний свай. В эхо-сигнале присутствует информация о дефектах, форме и конструкции сваи. Таблица, содержащая перечень дефектов и соответствующих им диагностических признаков, сформирована на основе исследований ООО “Геодиагностика”.

В 2006–2011 г.г. сотрудниками ООО «Геодиагностика» методами акустического зондирования и прозвучивания произведен сейсмоакустический контроль сплошности сотен буронабивных свай на участках кольцевой автодороги (КАД), Западном скоростном диаметре (ЗСД) в Санкт-Петербурге, опорах мостов через реку Нева (мосты Новолазаревский и Большой Петровский), реку Волковка (Ново-Кирпичный мост), обводный канал (Американские мосты), реки Волхов, Мста, Шуя, Луга, озеро Валдай и др), Дублере Курортного проспекта (г.Сочи) и др. Контроль прочности материала свай (бетона) в производится на основе градуировочных зависимостей “скорость упругой волны – прочность на одноосное сжатие”.

Заключение

Методы акустического зондирования и прозвучивания для контроля длины и сплошности буронабивных свай ударным импульсом ООО “Геодиагностика” с научной, практической и метрологической сторон полностью отработаны. Возбуждение сваи производится мощным (мегапаскали) и коротким (микросекунды) ударным импульсом от электроискрового излучателя, что позволяет получить или четкое первое вступление импульса упругой волны при прозвучивании или, при акустическом зондировании, эхо-сигнал от лба сваи на глубинах не менее 40м с высоким разрешением и соотношением сигнал/шум. Аппаратурный комплекс импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1 имеет сертификат калибровки средства измерения. Имеется утвержденная методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных, грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания.

Вверх

Полное или частичное копирование материалов разрешено только при обязательном указании автора и прямой гиперссылки на сайт www.arhipov8.narod.ru