Специалистами нашей компании было выполнено обследование существующих фундаментов в Санкт-Петербурге комплексом геофизических методов.

Целью данной работы было определение соответствия фактических параметров фундаментов требуемым в связи с монтажом на них нового оборудования.

При обследовании были поставлены следующие задачи:

1 визуальное обследование конструкций;

2 определение класса бетона по прочности на сжатие;

3 определение наличия армирования фундаментов;

4 определение глубины залегания подошвы фундаментов.

Выполнение поставленных задач осуществлялось следующими методами.

При визуальном обследовании выявлялось наличие физических и химических повреждений бетона фундаментов.

Прочность бетона конструкций определялась ультразвуковым поверхностным прозвучиванием горизонтальных поверхностей фундаментов и выбуренных из них бетонных образцов.

Наличие и расположение арматуры в бетоне определялось двумя методами: электромагнитным прибором «Ferroscan» и выбуриванием алмазной установкой «DD 150-U» коронкой (всё оборудование фирмы «HILTI») кернов с последующим визуальным обследованием их на наличие перерезанных арматурных стержней.

Глубина заложения подошвы фундаментов определялась двумя методами: георадиолокацией и сейсмопрофилированием.

1 Визуальное обследование

При визуальном обследовании были получены данные о линейных размерах объекта изучения, осмотрены основные элементы конструкции фундамента, выполнена фотофиксация основных элементов объекта, определены видимые повреждения конструкций.

Видимых дефектов, влияющих на снижение категории технического состояния материала конструкций в ходе обследования выявлено не было.

2 Определение прочности бетона

Для определения класса прочности бетона на сжатие применялся прибор ультразвукового прозвучивания материалов «Пульсар 1.2» (№24690-06 в Государственном реестре средств измерений).

Общий вид прибора показан на рисунке, работа данного прибора основана на фиксации времени прохождения ультразвукового сигнала через обследуемый материал.

Пульср

Измеритель времени распространения ультразвука «Пульсар-1.2»

Прочность бетона определялась как на горизонтальной поверхности полов и фундаментов, так и на вертикальных стенах кабельных каналов. Шаг ультразвукового прозвучивания по горизонтальной поверхности составил 2х2м, на вертикальных стенках каналов — 2м вдоль стенки. Общее количество точек определения прочности бетона методом ультразвукового прозвучивания – 77, причём, по 6 замеров в каждой точке по схеме «квадрат с диагоналями», т.е. общий объем работ составил 462 физических наблюдения.

 Далее прибором производится автоматическая выбраковка и суммирование полученного результата. Также этим методом определялась прочность бетона выбуренных для визуального обследования кернов (см. раздел 4).

В результате определено, что практически все обследуемые фундаменты представлены бетоном класса В20. На фундаменте, облицованном белой плиткой («постамент»), отмечен бетон класса В10. Прочность бетона кернов составила В22,5.

3 Обнаружение армирования бетона

Определение наличия арматуры в бетоне производилось системой Ферроскан PS 200, предназначеной для обнаружения, определения глубины залегания и оценки диаметра арматурных стержней.

Ферро

Система Ферроскан PS 200

Технические данные

Точность определения глубины расположения арматуры ±1мм;

Максимальная глубина определения диаметра арматуры 60мм;

Максимальная глубина определения защитного слоя 160мм при диаметре арматурного стержня 36мм.

Система функционирует при проведении сканером непосредственно по поверхности конструкции. Данные натурных измерений сохраняются в памяти сканера до тех пор, пока не будут переданы на монитор. Монитор используется для хранения больших объемов данных, просмотра сканированных изображений и для оценки параметров объектов. Программное обеспечение компьютеров обеспечивает дополнительные функции, связанные с оценкой параметров обследуемых объектов, а также возможностью быстрого архивирования данных.

Измерения системой Ферроскан PS 200 проводились в двух режимах:

1 — Режим Quickscan Detection;

2 – Режим Imagescan.

При работе в режиме Quickscan Detection сканер проводится по поверхности перпендикулярно предполагаемому направлению укладки арматурных стержней. Расположение и глубину залегания арматурных стержней после их определения можно отмечать непосредственно на поверхности.

При работе в режиме Imagescan на исследуемую поверхность наносится разметочная сетка

Сетка

Нанесение разметочной сетки на исследуемую поверхность при работе в режиме Imagescan системой Ферроскан PS 200

После выбора режима работы сканера Imagescan, ряды и столбцы сетки сканируются в соответствии с указаниями, выводимыми на экран сканера. Данные передаются на монитор, где можно просмотреть изображение и оценить параметры. Положение арматурных стержней можно определить на поверхности с привязкой к координатам. В любой точке поверхности можно определить диаметр и глубину залегания находящегося там арматурного стержня.

Если данные загружаются в программное обеспечение компьютера, то их можно оценивать так же, как и в мониторе, но дополнительно можно записать серию точек вместе с глубинами залегания и диаметром.

Для различения отдельных стержней необходимо либо минимальное расстояние между арматурными стержнями, составляющее 36 мм, либо соотношение расстояния к глубине залегания (Р:Г) 2:1, в зависимости от того, что больше. Для определения глубины необходима минимальная глубина залегания арматуры 10 мм. Точность определения местоположения арматурных стержней относительно центра арматуры (во всех режимах), обычно ±3 мм относительно измеряемого положения при соотношении Р:Г не менее 1:1.

Работы по обнаружению, определению глубины залегания и оценке диаметра арматурных стержней выполнялись по всей поверхности бетона, доступной для измерений в количестве 100 физических наблюдений. Расположение измерений было дано в карте фактического материала.

Арматуры по всему объему фундамента до предельно доступных для изучения данной аппаратурой глубин не выявлено.

4 Высверливание бетонных кернов алмазными коронками

В подтверждение обследования, выполненного системой Ферроскан PS 200 и определения ультразвукового поверхностного прозвучивания прибором «Пульсар-1.2», производилось выбуривание бетонных кернов установкой алмазного (безударного) бурения DD 150-U фирмы «HILTI»).

Контроль бурением осуществлялся для определения прочности бетона кернов ультразвуковым методом и определения присутствия арматуры визуальным методом в отличие от системы Ферроскан PS 200. Это производилось для того, чтобы исключить ошибки определения прочности бетона с поверхности (отслоившееся эпоксидное покрытие, цементные стяжки по монолитному бетону и т.п.).

Сверление

Бурение переносной буровой установкой алмазного бурения

Было высверлено 12 кернов на семи участках обследуемой площади. Ни в одном из них не была обнаружена арматура. Далее, после просушки кернов (так как проводилось мокрое бурение бетона) определялась прочность бетона ультразвуковым методом. Она составила в кернах, выбуренных из фундаментов в полу — В22,5, в фундаменте («постаменте»), облицованном плиткой и возвышающемся над поверхностью ≈ на 70см — В10. Расположение участков бурения было дано в карте фактического материала.

В результате изучения материала кернов можно сделать следующие выводы:

1 —  арматурные стержни не обнаружены;

2 — класс бетона кернов составляет В22,5.

На рисунке ниже показан керн, высверленный при проверке наличия армирования после проведения работ установкой Ферроскан после того, как она не обнаружила армирования в бетоне.

Керн1

Выбуренный керн

Керн, выбуренный в фундаменте, облицованном белой плиткой

В выбуренном керне на рисунке выше хорошо видны верхний слой из эпоксидного покрытия, цементно-песчаная стяжка толщиной 4,5см и собственно бетон фундамента с заполнителем из гранитного щебня и кирпичного боя.

5 Результаты выделения тарировочных площадок (0,5 х 0,5 м) распределения арматурных стержней в объеме железобетонного фундамента

Работы по обнаружению, определению глубины залегания и оценке диаметра арматурных стержней системой Ферроскан PS 200 выполнялись по всей поверхности бетона, доступной для измерений в количестве: 100 физических наблюдений.

Арматуры по всему объему фундамента до предельно доступных для изучения используемой аппаратурой глубин не выявлено. Поэтому в качестве тарировочных площадок были выбраны участки исследованные системой Ферроскан PS 200, на которых проводилось заверочное бурение. Расположение участков бурения было дано в карте фактического материала.

Основной задачей выделения тарировочных площадок  и их последующего георадиолокационного исследования являлось сравнение параметров распространения электромагнитного сигнала в них с теми же параметрами в остальном объеме бетонной конструкции с целью подтверждения отсутствия арматурной сетки во всем фундаменте.

5.1 Результаты георадиолокационных исследований с целью оценки распределения арматурной сетки во всем объеме конструкции на основе сравнения с тарировочными площадками

В качестве тарировочных площадок были выбраны участки исследованные системой Ферроскан PS 200, на которых проводилось заверочное бурение. В районе этих площадок были проведены георадиолокационные исследования по следующим точкам:

1) 33, 22;

2) 09, 32, 23, 08;

3) 61, 50, 60, 51, 59, 52;

4) 104, 101, 105, 100;

5) 144, 143;

6) 137, 138, 139;

7) 147,148, 149.

Результаты георадиолокационных исследований показаны на рис. 5.1 – 5.6.

РЧЗ1

Результаты георадиолокационных исследований на участках 1 и 2

Распределение электромагнитного сигнала на глубину до 1,1 – 2,5 м достаточно однородное за исключением некоторых аномальных зон: для участка 1 – на глубине 0,2 – 0,8 м; для участка 2 – на глубине 0,2 – 1,1 м; для участка 3 – на глубине 0,4 – 0,8 м; для участка 6 – на глубине 0,0 – 1,0 м.

Выявленные аномалии распределения электромагнитного сигнала выделены красным. Они, вероятно, связаны с наличием единичных коммуникаций подобных трубе, обнаруженной в бетонном фундаменте в районе точек георадарной съемки № 61,50, 59, 52, 75,73 и др. (рисунок ниже) на соответствующих глубинах.

Колодец

Металлическая труба, обнаруженная в бетонном фундаменте

6 Результаты георадиолокационных исследований с целью получения электромагнитного сигнала, отраженного от подошвы фундамента

В процессе работы проводились полевые наблюдения в точках зондирования  с помощью автоматизированного измерительного комплекса радиочастотного зондирования (РЧЗ)  с целью получения электромагнитного сигнала, отраженного от инженерно-геологических разностей, и его дальнейшей математической обработки пакетом прикладных программ.

Работы выполнялись по условным линям, с расстоянием между точками зондирования ≈50-60 см. Было выполнено 150 пунктов зондирования на площади ≈70 кв. м с ≈5% контролем, всего 156 пунктов зондирования.

Состав комплекса.

Одна излучающая антенна метрового диапазона длин волн с установленным генератором наносекундных импульсов с пиковой амплитудой до 1кВ, две приемные антенны (дециметрового и метрового диапазона).

В каждом пункте геофизического наблюдения (в точке зондирования) в подповерхностную среду излучался электромагнитный импульсный сигнал и в этом же пункте регистрировался отраженный сигнал. Глубины исследования во всех точках зондирования составляли около 7 м от поверхности съемки, что являлось достаточным для определения подошвы фундамента здания.

После детального анализа материалов, на основании отраженных сигналов дециметрового диапазон длин волн, по точкам зондирования были построены разрезы вдоль условных линий, с установленными на них глубинными отметками контрастных инженерно-геологических границ.

Рчз2

Разрез-развертка вдоль условной линии по точкам 1 – 150 (Полная развертка, выпол-ненная по всем измерениям на объекте)

На общем разрезе вдоль условной линии по всем точкам 1 – 150 показаны границы, зарегистрированные по отражению электромагнитного сигнала.

Основная граница (отражение от подошвы фундамента) прослеживается на глубине 0,9 – 1,3 м. Еще одна граница, по всей видимости, граница грунта и фундаментной подсыпки выявлена на глубине 2,3 – 2,4 м.

7 Результаты сейсмоакустических исследований фундамента с целью определения его геометрической формы и глубины заложения подошвы

При обследовании плиты-фундамента использовались несколько модификайций высокоразрешающей сейсморазведки:

  • Метод ОГТ для регистрации отраженных волн продольного типа.
  • Метод преломленных волн (МПВ), для регистрации преломленных волн продольного и поперечного типа.

Методика полевых сейсмических наблюдений.

Сейсмоакустические работы проведены с помощью 24х-канальной сейсмостанции GEODE производства компании Geometrics (США), в виде непрерывного сейсмопрофилирования. Для регистрации объемных отраженных и преломленных волн, использовались вертикальные сейсмодатчики GS-20DX.

Измерения проводилось с шагом между сейсмоприемниками (велосиметрами) 1 м. В качестве пикетажа (ПК) сейсмоакустических наблюдений использовался условный пикетаж с «ПК 0» у правой стенки помещения (за стенкой располагается серверная). Также были выполнены нагоняющие возбуждения колебаний из серверного помещения на удалении 1 м от первого сейсмодатчика и еще четыре нагоняющих возбуждения с шагом 1 м  за измерительным профилем. Длина профиля вдоль всего помещения равна 28 м. Крайние сейсмодатчики устанавливались в 0 м у стены (1СП) и  в 4,8 м (СП-24) метрах от противоположной стены. Расположение сейсмического профиля дано в карте фактического материала.

Регистрация велась на открытом канале с частотой оцифровки – 16 кГц, для усиления полезного сигнала использовалось накопление в количестве 10 на каждой точке возбуждения.

Результаты обработки и интерпретации материалов.

Обработка материалов сейсморазведки  производилась пакетами программ SGOS, SeisImager/2D, WinSeis, RadexPro, Firstomo, Serfer.

Необходимое для получения достоверного результата количество перекрытий ОГТ составляет не менее 4-6 раз. Как видно из приведенной схемы (см. рисунок ниже), для получения достоверного результата на участке фундамента необходимо производить работы с перекрытием расстановок не менее чем на 8 — 12 каналов, так как краевые части расстановок будут иметь меньшее число перекрытий.

Сейсм1

Схема системы наблюдений метода ОГТ

В нашем случае использовалась схема наблюдений ОГТ с шагом между сейсмоприемников 1 метр, возбуждение колебаний производилось на каждом сейсмоприемнике с дополнительными выносами с шагом 1 метр. Далее сейсмограммы ОГТ (фрагмент обработки на рис. 7.2) формировались в одну суперсейсмограмму, после чего строился временной разрез отражающей границы с помощью програмного комплекса RadexPro Professional.

Зарегистрированные скорости  отраженных волн Продольного типа находятся в интервалах от 3700- 3950 м/с.

Сейсм2

Сейсмограммы ОГТ отсортированные по общей глубинной точке

В связи с тем, что глубина отражающей границы (подошва плиты и подстилающий грунт) находится на небольшой глубине, регистрируемая фаза отраженной волны находятся в близкой области первых вступлений прямой волны, которые существенно осложняют возможность четкого выделения полезной волны. Все же, в результате обработки, с использованием многочисленных обрабатывающих инструментов удалось выделить фазу отраженной волны.  На временном разрезе, представленном на рисунке ниже, можно выделить простирание отражающей границы. Как видно из временного разреза, отражающая граница весьма изломана, но имеет схожую глубину заложения.

Сейсм3

Временной разрез полученный методом ОГТ

На основании полученного временного разреза и средневзвешенной скорости отраженной волны зарегистрированной в исследуемой плите-фундаменте, можно отметить, что  мощность исследуемой плиты – фундамента находится в интервале 0,9-1,1 м.

На интервале пикетов точек ОГТ 11,5-17,5 отражающая граница не прослеживается. Это может быть связано с высокой «изломанностью» разреза (отражающей границы), в результате чего отраженная волна  мигрирует в не область регистрации, либо это может быть связано с высоким коэффициентом поглощения материала в результате наличия технологических отверстий  или иных  дефектов бетонной плиты (например, использование слабопрочных материалов при заливке бетонного основания).

По результатам, полученным с помощью методики  общей глубинной точки, обычно выделяются отражающие горизонты и различные структуры продольных и поперечных неоднородностей, но по причине малой мощности исследуемого объекта, и в результате, близости области прихода прямой волны и необходимой нам отраженной волны,  неоднородности проследить на полученном разрезе достаточно сложно. По этой причине было проведено сейсмоакустическое профилирование методом преломленных волн.

На стадии первичной обработки, с помощью «прикладного» программного обеспечения сейсмостанции, снимались времена первых вступлений волн продольного типа (P)  и первых фаз поперечной волны (S) волны распространяющейся по плите-фундаменту. Фрагменты выделения первых вступлений и фазы поперечных вступлений показаны на рисунках ниже.

Сейсм9

Выделение первых вступлений волн продольного типа (P-волн)

Сейсм8

Выделение фазы волн поперечного типа (S-волн)

В результате проведенной обработки программными комплексами Picwin и Firstomo, были получены сейсмотомографические разрезы по продольной и поперечной волне, которые представлены на рисунках ниже.

Сейсм 7

Сейсмотомографический разрез, построенный по продольной волне

Сейсм 6

Сейсмотомографический разрез, построенный по поперечной волне

На сейсмотомографических разрезах, на интервале ПК 12 — 19 выделяется зона с пониженными значениями скоростей волн продольного и поперечного типа. Понижение скоростей может быть обусловлено либо большим количеством скрытых и выявленных (колодцы с трубой) коммуникаций, либо может быть связано с высоким коэффициентом поглощения материала в результате наличия технологических отверстий  или иных  дефектов бетонной плиты на глубине более 0,5 м (например, использование слабопрочных материалов при заливке бетонного основания).

 Неоднородности, видимые на поверхности плиты (кабельные коллекторы, секущие перпендикулярно геофизический профиль), достаточно хорошо прослеживаются на разрезах по пониженным значениям скорости.

 Таким образом, по результатам сейсмоакустических исследований можно сделать вывод, что мощность исследуемой плиты-фундамента по простиранию профиля измерений, изменяется в интервале 0.9 – 1,1 м. На интервале ПК12 — 19 отмечается область низких скоростей, которая обусловлена технологической неоднородностью бетонного основания. Максимальная глубина проникновения волн в среду составила 2 м, таким образом можно сделать вывод о наличии под бетонным фундаментом подстилающего слоя из утрамбованного песка или щебня.

Выводы

  1. В обследованных фундаментах отсутствует армирование, выполняемое стержневой арматурой.
  2. Глубина заложения фундаментов, имеющих класс по прочности бетона на сжатие — В22,5 составляет от 0,9 до 1,1 м.
  3. По простиранию профиля сейсмоакустических исследований можно отметить, что мощность всей исследуемой плиты-фундамента, изменяется в интервале 0,9 – 1,1 м. На интервале ПК12 — 19 отмечается область низких скоростей, которая обусловлена технологической неоднородностью бетонного основания – наличием скрытых и выявленных при обследовании полостей в теле фундамента.
  4. Ниже вышеназванного уровня до отметки 2,3 ÷ 2,4 м расположен подстилающий слой, представленный песчаной или щебёночной подготовкой.
  5. С поверхности весь изучаемый фундамент представлен бетоном класса В20. На фундаменте, облицованном белой плиткой («постамент»), отмечен бетон класса В10. Верхние 4-5 см пола представлены бетонной стяжкой. Ниже глубины 0,1 м фундамент представлен бетоном класса В22,5.
  6. При георадарных исследованиях распределение электромагнитного сигнала на глубину до 1,1 – 2,5 м достаточно однородное за исключением некоторых аномальных зон: для участка 1 – на глубине 0,2 – 0,8 м; для участка 2 – на глубине 0,2 – 1,1 м; для участка 3 – на глубине 0,4 – 0,8 м; для участка 6 – на глубине 0,0 – 1,0 м. Выявленные аномалии распределения электромагнитного сигнала, вероятно, связаны с наличием единичных металлических коммуникаций в конструкции фундамента.
  7. Аномалия распределения электромагнитного сигнала, отобразившаяся на участке 6 («постамент») связана с наличием в конструкции вертикальных металлических включений.
  8. Основная граница (отражение от подошвы фундамента) вдоль условной линии по точкам 1 — 34 прослеживается на глубине 0,9 – 1,3 м. Еще одна граница, по всей видимости, граница грунта и фундаментной подсыпки выявлена на глубине 2,3 – 2,4 м.
  9. Основная граница (отражение от подошвы фундамента) вдоль условной линии по точкам 35 – 90 прослеживается на глубине 1,1 – 1,3 м. Еще одна граница, по всей видимости, граница грунта и фундаментной подсыпки выявлена на глубине 2,3 – 2,4 м.
  10. Основная граница (отражение от подошвы фундамента) вдоль условной линии по точкам 91 – 114 прослеживается на глубине 1,1 – 1,4 м. Еще одна граница, по всей видимости, граница грунта и фундаментной подсыпки выявлена на глубине 2,3 – 2,4 м.
  11. Основная граница (отражение от подошвы фундамента) вдоль условной линии по точкам 115 – 150 прослеживается на глубине 0,9 – 1,0 м в части профиля до точки №130.
  12. По пунктам зондирования на бетонном «постаменте» (точки №№ 132 – 142) можно сделать вывод, что его общая высота, включая видимую часть, составляет от 1,5 до 2,2 м.
  13. Основные границы по точкам №№ 143 – 145 прослеживаются на глубинах 0,3 – 0,5 м.
  14. Основные границы по точкам 146 – 150 прослеживаются на глубинах 0,2 – 0,3 м.

Заказчиком были выполнены работы по проверке результатов отчета, в частности заверочное бурение на плитах фундаментов. Фактическая глубина бетонного фундамента по результатам заверочного бурения составила 1,06 м, ниже обнаружена песчанная подсыпка. Это полностью соответствует предоставленным нами результатам геофизических работ.

ЛИТЕРАТУРА

  1. ГОСТ 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. – М., 2011 г.
  2. СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений». Госстрой России – М., 2004 г.