Алексеев С.И., Туккия А.Л.

Влияние технологии производства работ в структурно-неустойчивых грунтах на несущую способность свай




Геофизические исследования

Как известно свая в грунте представляет собой сложную колебательную систему с несколькими последовательно-параллельными контурами. Несущая способность сваи зависит от параметров окружающего грунта (пористость, коэффициент сжимаемости, модуль сдвига и др.).

При динамическом воздействии на голову сваи большим молотом в системе тело сваи – соколеблющаяся масса грунта (характеризующая несущую способность, как по острию, так и по боковой поверхности) возбуждаются волновые процессы и распространяются инфразвуковая, звуковая и ультразвуковая энергия. При распространении энергии, согласно модели Е. Скучика [1], происходит её отражение от концов сваи и всех неоднородностей, встречающихся на пути. Затухание энергии происходит по экспоненте.

Этот процесс определяется характеристическим импедансом, спектром, где максимумы соответствуют резонансам (то есть собственным частотам сваи), а минимумы – антирезонансам. Эти параметры связаны с размерами свай и объемом соколеблющейся массы грунта и тела сваи. При известной несущей способности сваи, определённой традиционной статической нагрузкой, и измеренных характеристиках, можно её использовать в качестве эталона. Измерение характеристик других свай позволит путём сравнения геофизических признаков с эталоном определить изменение несущей способности на данной строительной площадке [2]. При отсутствии такого эталона, что соответствует нашей ситуации, можно использовать статистические характеристики в аналогичных грунтах с теми же размерами забивных свай. При этом можно получить в основном лишь качественные оценки.

Распространение энергии в системе соколеблющаяся масса грунта – свая происходит в условиях суперпозиции волноводов (модель акад. Бреховских). При этом существует фазовая и групповая скорости, связанные с дисперсией (т.е. частотнозависимые). Поэтому в спектре сигнала сваи без дефектов уже существуют амплитудно-фазочастотная модуляция. При наличии неоднородностей (трещин и др.), ввиду явления релаксации, происходит задержка сигнала, а также увеличивается амплитуда сигнала. Таким образом, неоднородности в свае могут быть обнаружены по нескольким признакам.

К ним относятся:

  • Отклонение амплитуды сигнала (увеличение) от экспоненциального спада во времени;
  • Скачок фазы;
  • Изменение индекса частотной модуляции от среднего значения.

Поскольку измерения признаков выполняются в нестационарных условиях, для более надёжного определения несущей способности свай использована совокупность признаков.

При возбуждении свай (см. рис. 6) измерительными молотками (1) для приёма и обработки сигналов использовались пьезодатчики (2) (КВ-12 (частотный диапазон 1Гц – 300Гц) и КД-29 (частотный диапазон 1 Гц – 35 кГц)), усилители заряда типа 2651 фирмы Bruel & Kjaer (3), аналого-цифровой преобразователь (частота оцифровки 44100 Гц) (4), ПК-ЭВМ (Ноутбук ASUS A4000) (5), а также программное обеспечение Фурье-анализа и Вейвлет-анализа. Применялись различные схемы измерений. Всего были измерены и обработаны сигналы 43 свай.

Рис. 6. Схема измерений геофизическим методом. 1 - измерительные молотки; 2 - пъезодатчики; 3 – усилители заряда; 4 – аналого-цифровой преобразователь; 5 – ПК-ЭВМ.

Рис. 6. Схема измерений геофизическим методом. 1 - измерительные молотки; 2 - пъезодатчики; 3 – усилители заряда; 4 – аналого-цифровой преобразователь; 5 – ПК-ЭВМ.

Предварительно методом конечных элементов для сваи длиной 15 метров был рассчитан характеристический импеданс отраженных сигналов в свае, определены собственные резонансные частоты продольных и поперечных волн, а так же измерены импедансы аналогичных свай заводского изготовления, до их погружения.

Кроме этого, были проанализированы сигналы таких же размеров свай в грунте в аналогичных условиях (районы, прилегающие к реке Нева). Определены их статистические характеристики тем же комплектом аппаратуры. В качестве признаков были выбраны декременты затухания дискретных составляющих собственных резонансных частот системы свая-соколеблющаяся масса в секундах и соотношение амплитуд дискретных составляющих и сплошной (рассеянной компоненты) части. Заметим, что этот признак характеризует соотношение упруго-пластичных свойств сложного колебательного контура, дающего возможность оценить несущую способность свай.

Анализ этих данных показал следующее:

В спектре отраженных сигналов свай выделяются собственные резонансные частоты колебательной системы: 50, 100, 1200, 2500 Гц, что совпадает с расчетными данными.

Для свай по статистическим данным в аналогичных условиях соотношение амплитуд дискретных составляющих к сплошной части спектра составило 20 дБ, для измеренных сигналов 43 свай корпуса №1 это соотношение составило 2-6 дБ.

Декременты затухания при аналогичном сравнении соответствовали 0.03 сек. и 0.05 сек. При принятом уровне помех эти сравнительные характеристики позволили сделать суждение о том, что несущая способность свай Солодовенного завода до 1,5…2,0 раз меньше расчетной.

Сопоставление с результатами моделирования подтверждает этот результат.

При определении дефектов свай схема измерений осталась та же, но изменился вид обработки. На рисунках 6…9 выборочно приведены амплитудно-временные характеристики сигналов отдельных свай.

На рисунках 7-10 выборочно приведены вейвлет-спектры в трехмерном и двумерном отображении. Стрелками показаны дефекты (трещины).

Рис. 7. Двухмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании сваи №18.

Рис. 7. Двухмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании сваи №18.

Рис. 8. Двухмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании сваи №37.

Рис. 8. Двухмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании сваи №37.

Рис. 9. Техмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании сваи №18.

Рис. 9. Техмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании сваи №18.

Рис. 10. Техмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании сваи №37.

Рис. 10. Техмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании сваи №37.

Анализ этих данных показывает следующее:

  • Более 80% свай имеют существенные дефекты.
  • Результаты измерений показывают, что трещины расположены на глубине 2-8 метров от головки свай.
<< В начало < Назад 1 2 3 4 Читать дальше > В конец >> 

Разделы



Авторы

Алексеев Сергей Игоревич – доктор технических наук, профессор кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС, член РНКМГиФ.

Основные направления научной деятельности – проектирование новых и реконструируемых фундаментов на неоднородных основаниях методом выравнивания конечных осадок. Геотехнические аспекты реконструкции зданий. Автор более 190 опубликованных работ, в том числе 10-и монографий, 10 авторских изобретений.

Туккия А.Л. – аспирант кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС, сотрудник компании НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект», Санкт-Петербург, Россия.

Литература

  1. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы// перевод с английского/ Москва, Издательство «МИР», 1971.
  2. Алексеев С.И. Определение несущей способности буронабивных свай экспресс методами // Развитие городов и геотехническое строительство. СПб., 2007. №11. С. 198-203.


Постоянный адрес этой статьи: buildcalc.ru/Articles/Open.aspx?id=2008081101