IMG_2902

Ремонт трамвайной линии в Санкт-Петербурге

В настоящее время в Санкт-Петербурге ведутся достаточно масштабные работы по строительству линий наземного и подземного транспорта, в том числе проводится ремонт трамвайных линий, строятся новые станции и вестибюли метрополитена.

IMG_2945

Строительство вестибюля станции метро в Санкт-Петербурге

Во время строительства объектов наземного и подземного транспорта, а особенно в ходе их ремонта возникает необходимость определения физико-механических свойств и прочностных характеристик грунтов, служащих основаниями для железобетонных конструкций. Задача усложняется если доступа к грунтам нет — железобетонные плиты или иные конструкции полностью их перекрывают.

IMG_2924

При монтаже железобетонных перекрытий доступ к прямому наблюдению грунтов в основании полностью прекращается. Определить физико-механические свойства можно лишь используя бурение либо неразрушающими геофизическими методами

В этом случае становится невозможным проведение прямых геологических наблюдений грунта, также невозможен отбор проб грунта без нарушения перекрывающих железобетонных, бетонных конструкций или дорожной одежды. Очень часто в таких случаях прибегают к бурению, хотя данный вид исследований не способен дать полной картины инженерно-геологических условий за железобетонными конструкциями, является наиболее дорогостоящим и непоправимо повреждает элементы конструкции объекта.

В этих условиях можно воспользоваться современным неразрушающим методом определения деформационно-прочностных характеристик — методом инженерной сейсморазведки в варианте МПВ (метод преломленных волн).

Определение упругих свойств грунтов в методе инженерной сейсморазведки осуществляется путем возбуждения и регистрации продольных и поперечных волн, одновременно с этим определяются скорости прохождения волн через элементы конструкции сооружения и грунты, а также мощности инженерно-геологических элементов.

Кроме этого методом инженерной сейсморазведки могут быть решены следующие задачи: расчленение геологического разреза, изучение положения геологических границ, обусловленных сменой литологического состава, состояния, степени
трещиноватости, влагонасыщенности; изучение оползневых и карстовых участков; изучение физико- механических свойств, их анизотропии.

Необходимо подчеркнуть, что все обозначенные выше задачи могут быть решены методом инженерной сейсморазведки без нарушения целостности перекрывающих железобетонных конструкций, каменной кладки или дорожной одежды.

Методики производства сейсморазведочных исследований и обработки их результатов хорошо известны и достаточно проработаны, а определенные этими исследованиями деформационно-прочностные характеристики горных пород и грунтов близки к данным натурных геомеханических исследований, в том числе лабораторных испытаний выбуренных кернов.

«Реальные погрешности определения времени прихода волн с погрешностями дальнейших расчетов по теоретическим и экспериментальным зависимостям совместно в среднем оцениваются для Ед и Gд ~ 15 – 20%, для µ ~ 30%. При использовании лишь средних значений плотности пород погрешность увеличивается еще на 5 – 8%. Корреляционные соотношения между статическими и динамическими характеристиками составляют 0,7 – 0,98. В среднем ошибка определения Ео сейсмическими методами составляет 20 – 30%, а в отдельных случаях и более для минимальных и максимальных значений.» Источник: Рекомендации по изучению методами инженерной сейсмики статических и динамических характеристик деформируемости скальных оснований гидросооружений в северной строительно-климатической зоне — ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева -1985 г.

Скорости упругих волн в железобетоне, бетоне, каменной кладке, асфальте часто превышают скорости упругих волн во вмещающем сооружение массиве пород и грунтов. В некоторых случаях, когда толщина перекрытия невелика и сейсмический сигнал в нем быстро затухает, влиянием этого высокоскоростного слоя можно пренебречь. Но, как правило, продольная волна по железобетонному перекрытию прослеживается в первых вступлениях на десятки метров, искажая фронт полезной волны (прямая или преломленная по породам или грунтам, находящимся за перекрытием).

Выделение полезной волны на фоне волн-помех достаточно кропотливый и продолжительный процесс и выполнять его в условиях повышенной влажности и запыленности не представляется возможным. Отсюда следует вывод о необходимости при производстве сейсморазведочных работ иметь полную запись сейсмического сигнала в цифровом виде.

Учитывая то, что возбуждение сейсмического сигнала должно происходить без какого-либо повреждения существующего перекрытия исключается взрывное воздействие и применение габаритных механизмов. Естественным выбором является возбуждение упругих волн ударами кувалдой.

IMG_2936

Возбуждение упругих волн в методе инженерной сейсморазведки осуществляется кувалдой

Однако в условиях, когда железобетонное перекрытие демпфирует импульс возбуждающий упругие колебания, а его мощность невелика, для получения полезного сигнала уверенно выделяемого на фоне многочисленных в действующем тоннеле техногенных помех необходимо накопление возбуждающих импульсов.

Таким образом, возможность выполнения сейсморазведочных работ зависит во многом от возможностей и характеристик регистрирующей аппаратуры. Нами используется Сейсмограф Geode. Новый 24-битовый сейсмический регистратор Geode — наиболее универсальный сейсмограф на сегодняшний день.  Производитель Geometrics США.  Позволяет регистрировать: отраженные и преломленные волны, выполнять мониторинг землетрясений, ВСП, отслеживать взрывы и вибрации. В том числе производить определение физико-механических свойств и прочностных характеристик грунтов, перекрытых каменной кладкой, бетонными, железобетонными конструкциями и дорожной одеждой без нарушения их целостности.

IMG_2942

Неразрушающий метод инженерной сейсморазведки: достаточно установить сейсмические датчики, подключить их к общей сейсморазведочной линии и принимать упругие колебания, возбуждаемые ударами кувалды в определенных методикой пунктах возбуждения

Процесс первичной обработки полученных материалов происходит следующим образом:

  1. Визуально и с помощью преобразования Фурье определяются преобладающие частоты полезных волн и волн-помех.
  2. Выбираются подходящие фильтры или создаются новые с необходимыми параметрами и производится фильтрация сигнала для выделения как продольных, так и поперечных (релеевских) волн.
  3. Снимаются времена вступлений, необходимых для построения сейсмических разрезов и расчета деформационно-прочностных характеристик, упругих волн.
  4. Времена вступлений вносятся в файл для дальнейшей обработки.
МПВ-1

Первые вступления прямой волны по бетону

Дальнейшая обработка материалов инженерной сейсморазведки МПВ производится с использованием пакета программ сейсмической томографии. Результатами обработки являются скоростные разрезы по Р и S (R)-волнам. На основании полученных скоростных характеристик рассчитываются деформационно-прочностные характеристики исследуемых грунтов, в частности, динамический модуль упругости Ед (модуль Юнга), динамический модуль всестороннего сжатия Кд, модуль сдвига Gд и коэффициент Пуассона µ. На заключительной стадии обработки, в соответствии с существующими методиками определяются статические модули деформации, упругости, а для грунтов еще сцепление и угол внутреннего трения.

МПВ-2

Фазы продольной «1» и релеевской «2» волн по грунтам

Данная обобщенная методика сейсмоакустических исследований для определения деформационно-прочностных характеристик грунтов и пород, перекрытых каменной кладкой, бетонными и железобетонными перекрытиями и асфальтовой одеждой  хорошо себя зарекомендовала на практике и имеет достаточно проработанную теоретическую базу.