способ определения состояния свай и устройство для его реализации

Формула изобретения

ff1. Способ определения состояния свай, включающий механическое воздействие на сваю и измерение параметров импульса упругих колебаний, отличающийся тем, что механическое воздействие осуществляют гидродинамическим ударом, создаваемым в емкости с электропроводящей жидкостью, установленной на торцевой поверхности головы сваи, при искровом пробое межэлектродного промежутка напряжением 1,5-2 кВ и длительностью переднего фронта электрического импульса пробоя не более 10 мкс; приемники упругих волн устанавливают на торцевой поверхности головы сваи и боковой поверхности сваи на расстоянии (базе измерения) 0,8-1,0 м от торцевой поверхности головы сваи на клеевой основе, приемник упругих волн на боковой поверхности сваи устанавливают наклонно под углом 120-135° к оси сваи, приемники упругих волн выбирают с рабочим частотным диапазоном 1-12 кГц; измеряют время t₁ распространения прямой волны от точки излучения до приемника на боковой поверхности и рассчитывают скорость продольной упругой волны v_p в свае путем деления базы измерения на время t₁, измеряют время распространения упругой волны до дна сваи и обратно, для чего проводят спектральный анализ эхо-сигнала, зафиксированного на боковой поверхности, и выделяют спектральную составляющую f_o с максимальной амплитудой, проводят фильтрацию эхо-сигнала в диапазоне частот f_o ±200 Гц, рассчитывают время t_p расчетного прихода отраженной от дна сваи упругой волны путем деления проектной длины сваи L_п на скорость продольной упругой волны v_p(t_p=L_п/v_p), выделяют отраженный от дна сваи сигнал по наличию смены фазы в выделенном диапазоне частот в интервале времени t_p±0,1· t_p, измеряют время t₂ распространения упругой волны до дна сваи и обратно до приемника на торце головы сваи, рассчитывают реальную длину сваи L путем умножения скорости продольной упругой волны v_p на половину времени t₂ (L=v_p· t₂/2), сравнивают проектную длину сваи L_п с реальной длиной сваи L, определяют качество материала сваи путем сравнения определенной скорости продольной упругой волны v_p с известными скоростями продольной упругой волны в материалах, выбранных для изготовления сваи.

2. Устройство определения состояния свай, содержащее блок механического возбуждения сваи и измерительный блок, отличающееся тем, что блок механического возбуждения сваи выполнен в виде емкости, заполненной электропроводящей жидкостью, снабженной коаксиальными электродами, электроды подключены с помощью коаксиального кабеля к высоковольтному накопителю энергии, измерительное устройство снабжено двумя приемниками упругих волн.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам определения состояния свай при строительстве и контроле состояния зданий и сооружений.

Известны способы определения состояния свай, включающие различные виды механического воздействия на сваю и определение показателей состояния по наличию дефектов (см. книгу: Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд-во АСВ, 1999, с.306-307).

Недостатками известных способов определения состояния свай является недостаточная разрешающая способность вследствие большой длительности переднего фронта зондирующего импульса, и отсутствие возможности измерять скорость упругой волны в верхней части сваи для определения интервала прихода импульса, отраженного от дна сваи. Как следствие известные способы обладают недостаточной точностью.

Известен способ низкодеформационных динамических испытаний и определения состояния свай, включающий ручное механическое воздействие на голову сваи молотком, который посылает вниз по стволу сваи волну сжатия, и измерения на торце головы сваи колебаний, вызванных волнами, отраженными от неоднородностей и нижнего конца сваи (см. книгу: Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд-во АСВ, 1999, с.307). Колебания на торце головы сваи измеряются с помощью акселерометра. Измеренный сигнал переводится в виброскорость и представляется на экране как функция времени. Результаты сохраняются в компьютере для последующего отчета. Время от удара до возвращения волны Т характеризует длину сваи и ее механические параметры: T=2L/C, где С - скорость распространения волн (С=1/2 Е/р), Е - модуль упругости; р - плотность материала; L - длина сваи. Для неповрежденной сваи это метод позволяет точно определить ее длину, в несплошной свае - анализировать отражение, которое проходит до прерывания сваи. В связи с понижением или увеличением сопротивления волна отражается таким же сигналом или сигналом, противоположным волне прерывания. Контроль осуществляется с использованием скорости упругой волны из опубликованных источников. Считается, что скорость упругой волны в материале сваи совпадает с паспортными данными материала сваи.

Недостатками указанного способа являются большая длительность переднего фронта зондирующего импульса вследствие возбуждения головы сваи ручным молотком и использование при расчете длины сваи скорости упругой волны из опубликованных источников. Большая длительность переднего фронта зондирующего импульса не позволяет возбудить сваю на резонансных частотах, что снижает дальность исследований. Отсутствие возможности измерять скорость упругой волны в свае и использование для расчета длины сваи скорости упругой волны из опубликованных источников снижает точность определения фактической длины сваи, так как скорость упругой волны в материале сваи может отличаться от скорости упругих волн, определенных в других (лабораторных условиях). Как следствие, указанный способ обладает недостаточной точностью.

Указанный способ выбран в качестве прототипа предлагаемого способа определения состояния свай.

Известны устройства для определения состояния свай, содержащие блок механического возбуждения сваи и измерительный блок (см. книгу: Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд-во АСВ, 1999, с.306-307). Недостатками известных устройств для определения состояния свай являются конструктивное устройство блока механического возбуждения сваи в виде падающего ударника (молота, груза), позволяющее формировать зондирующий импульс с растянутым передним фронтом. Большая длительность переднего фронта зондирующего импульса не позволяет возбудить сваю на резонансных частотах, что снижает дальность исследований и точность определения первого вступления отраженного сигнала. Кроме этого известные устройства имеют узкую специализацию, позволяющую судить лишь о какой-нибудь одной характеристике сваи: сплошности ствола (расположении и виде дефекта), фактической длине, прочности бетона, несущей способности. Как следствие, состояние сваи, определенное с использованием известных устройств, имеет недостаточную точность.

Известно устройство для определения состояния свай путем механического воздействия на голову сваи и измерения на торце головы сваи упругих волн, отраженных от неоднородностей и нижнего конца сваи (см. книгу: Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд-во АСВ, 1999, с.307). Указанное устройство содержит блок механического возбуждения сваи в виде ручного молотка и измерительный блок в составе приемника упругих волн (акселерометра) и компьютера. Ручной молоток содержит датчик, генерирующий сигнал запуска развертки компьютера в момент удара молотка по свае. Акселерометр устанавливается на торце головы сваи. Сигнал, поступающий с акселерометра, переводится в виброскорость и представляется на экране компьютера как функция времени. Показателем состояния сваи являются параметры упругих волн, отраженных от неоднородностей и нижнего конца сваи.

Недостатками указанного устройства являются конструктивное устройство блока механического возбуждения сваи в виде ручного молотка и использование в измерительном блоке только одного акселерометра. Механическое воздействие ручным молотком позволяет формировать в свае зондирующий импульс с растянутым передним фронтом, что не позволяет возбудить сваю на резонансных частотах и снижает дальность исследований и точность определения первого вступления отраженного сигнала. Использование в измерительном блоке только одного акселерометра не позволяет измерять скорость упругой волны непосредственно в свае, что отражается на точности расчета ее длины по времени прихода импульса упругих волн, отраженного от конца сваи. В результате состояние сваи, определенное с помощью указанного устройства, не соответствует ее реальному состоянию.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предлагаемого устройства для реализации способа определения состояния свай.

Сущность изобретения: способ определения состояния свай состоит в том, что для повышения точности определения состояния сваи механическое воздействие осуществляют гидродинамическим ударом, создаваемым в емкости с электропроводящей жидкостью, установленной на торцевой поверхности головы сваи, при искровом пробое межэлектродного промежутка напряжением 1,5-2 кВ и длительностью переднего фронта электрического импульса пробоя не более 10 мкс; приемники упругих колебаний устанавливают на торцевой поверхности головы сваи и боковой поверхности сваи на расстоянии (базе измерения) 0,8-1,0 м от торцевой поверхности головы сваи на клеевой основе, приемник упругих колебаний на боковой поверхности сваи устанавливают наклонно под углом 120-135° к оси сваи, приемники упругих колебаний выбирают с рабочим частотным диапазоном 1-12 кГц; измеряют время t₁ распространения прямой волны от точки излучения до приемника на боковой поверхности и рассчитывают скорость продольной упругой волны V_p в свае путем деления базы измерения на время t₁, измеряют время распространении упругой волны до дна сваи и обратно, для чего проводят спектральный анализ эхо-сигнала, зафиксированного на боковой поверхности и выделяют спектральную составляющую f_o с максимальной амплитудой, проводят фильтрацию эхо-сигнала в диапазоне частот f_о ±200 Гц, рассчитывают время t_p расчетного прихода отраженной от дна сваи упругой волны путем деления проектной длины сваи L_п на скорость продольной упругой волны v_p(t_p=L_п/V_p), выделяют отраженный от дна сваи сигнал по наличию смены фазы в выделенном диапазоне частот в интервале времен t_p±0,1· t_p, измеряют время t₂ распространения упругой волны до дна сваи и обратно до приемника на торце головы сваи, рассчитывают реальную длину сваи L путем умножения скорости продольной упругой волны V_p на половину времени t₂ (L=V_p· t₂/2), сравнивают проектную длину сваи L_п с реальной длиной сваи L, определяют качество материала сваи путем сравнения определенной скорости продольной упругой волны V_p с известными скоростями продольной упругой волны в материалах, выбранных для изготовления сваи.

Отличительными особенностями способа являются:

1. Использование для механического возбуждения сваи гидродинамического удара, создаваемого высоковольтным искровым пробоем в емкости с электропроводящей жидкостью на торцевой поверхности головы сваи, позволяющего формировать зондирующий импульс с крутым фронтом и возбуждать сваю на резонансной частоте.

2. Число (два) и параметры приемников упругих волн.

3. Способ обработки сигналов с выделением спектральной составляющей f_о с максимальной амплитудой, фильтрацией эхо-сигнала в диапазоне частот f_o±200 Гц, измерением временных интервалов в определенном диапазоне частот.

4. Использование для определения состояния сваи фактической скорости распространения упругой волны в материале сваи.

Отмеченные отличия изобретения обеспечивают более точную и объективную оценку состояния сваи.

Сущность изобретения: устройство для определения состояния сваи состоит в том, что блок механического возбуждения сваи выполнен в виде емкости, заполненной электропроводящей жидкостью, снабженной коаксиальными электродами, электроды подключены с помощью коаксиального кабеля к высоковольтному накопителю энергии, измерительное устройство снабжено двумя приемниками упругих волн.

На фиг.1 показан спектр упругих волн в свае после ее механического возбуждения.

На фиг.2 показана волновая картина в свае после ее механического возбуждения и фильтрации сигнала.

На фиг.3 показана схема реализации способа и устройства определения состояния сваи.

На фиг.4 показан общий вид излучателя сбоку в разрезе.

Способ определения состояния сваи включает: механическое воздействие на сваю и измерение параметров импульса упругих колебаний. Механическое воздействие на сваю осуществляют гидродинамическим ударом, создаваемым в емкости с электропроводящей жидкостью, установленной на торцевой поверхности головы сваи, при искровом пробое межэлектродного промежутка напряжением 1,5-2 кВ и длительности переднего фронта электрического импульса пробоя не более 10 мкс. Приемники упругих волн устанавливают на торцевой поверхности головы сваи и боковой поверхности сваи на расстоянии (базе измерения) 0,8-1,0 м от торцевой поверхности головы сваи на клеевой основе, приемник упругих колебаний на боковой поверхности сваи устанавливают наклонно под углом 120-135° к оси сваи, приемники упругих волн выбирают с рабочим частотным диапазоном 1-12 кГц. После возбуждения сваи измеряют время t₁ распространения прямой волны от точки излучения до приемника на боковой поверхности и рассчитывают скорость продольной упругой волны v_p в свае путем деления базы измерения на время t₁, измеряют время распространении упругой волны до дна сваи и обратно, для чего проводят спектральный анализ эхо-сигнала, зафиксированного на боковой поверхности, и выделяют спектральную составляющую f _о с максимальной амплитудой (фиг.1), проводят фильтрацию эхо-сигнала в диапазоне частот f_о±200 Гц, рассчитывают время t_p расчетного прихода отраженной от дна сваи упругой волны путем деления проектной длины сваи L_п на скорость продольной упругой волны V_p (t_p =L_п/V_p), выделяют отраженный от дна сваи сигнал по наличию смены фазы в выделенном диапазоне частот (фиг.2) в интервале времен t_p±0,1· t_p , измеряют время t₂ распространения упругой волны до дна сваи и обратно до приемника на торце головы сваи, рассчитывают реальную длину сваи L путем умножения скорости продольной упругой волны Vp на половину времени t₂ (L=V_p· t₂/2), сравнивают проектную длину сваи L_п с реальной длиной сваи L, определяют качество материала сваи путем сравнения определенной скорости продольной упругой волны V_p с известными скоростями продольной упругой волны в материалах, выбранных для изготовления сваи.

Физической основой предлагаемого способа явились результаты экспериментальных исследований состояния свай на строительных объектах Санкт-Петербурга и исследований на стендах Всероссийского научно-исследовательского института методики и техники разведки (ВИТР) в 1999-2002 гг. В процессе исследований изучались способы механического возбуждения свай, временные реализации и спектральный состав упругих колебаний в свае после ее механического возбуждения. Основным отличием проведенных ВИТР исследований явились способ гидродинамический способ возбуждения головы сваи за счет искрового пробоя в электропроводящей жидкости, измерение упругих колебаний в двух точках на свае; применение спектрального анализа в широком диапазоне частот до 20 кГц и выше. В результате исследований установлено, что сочетание указанных отличий позволяет точно выделять сигналы, отраженные от неоднородностей и конца сваи, измерять фактическую скорость распространения продольной упругой волны в материале сваи и повысить точность определения состояния сваи.

Способ был опробован на строительных объектах Санкт-Петербурга на устройстве определения состояния сваи, содержащем блок механического возбуждения сваи и измерительную систему. Блок механического возбуждения сваи включал излучатель, высоковольтный коаксиальный кабель, накопитель электрической энергии и источник тока. Измерительная система включала два приемника упругих колебаний, предварительные усилители приемников и персональный компьютер. При работе устройства излучатель и один из приемников устанавливались на торцевую поверхность головы сваи. Второй приемник устанавливался на боковую поверхность сваи. Результаты испытаний свай на площадке строительства научно-лабораторного корпуса Санкт-Петербургского горного института в квартале 7-9 Василеостровского района (угол улицы Наличной и улицы Нахимова) приведены в табл.1. Скорость продольных упругих волн в сваях изменяется в диапазоне 3571-4166 м/с и превышает скорость упругих волн в бетоне марки В25 (примерно 3500 м/с) из которого изготовлялись сваи, что указывает на соответствие бетона свай проектному заданию. По результатам диагностирования в сваях не выявлено существенных отклонений от проектной документации. Сваи 39 и 40 в интервале глубин 2,9-19,2 имеют несколько значительных уширений.

Таблица 1. Диагностические признаки и результаты определения состояния буронабивных свай
Диагностические признаки	Номер сваи
	2	4	6	39	40	107	108
Скорость упругой волны в материале сваи, м/с	3818	3703	4000	3750	3846	4166	3571
Время прихода импульса, отраженного от дна сваи, мс	15,38	16,74	15,5	18,5	17,1	15,69	18,0
Частота доминирующего пика в спектре, Гц	4589	7519	5761	4000	4000	4101	2148
Временной интервал прихода импульсов, отраженных от трещин и дефектов формы, мс.	2-7	1-2	1,5-3,5; 14,5-15,5	1,5-10	1,5-10; 15,5-17,1	1,5-5	1,3-3; 16,7-18,0
Амплитуда отраженного от конца сваи импульса, дБ	<10	<10	<10	<10	<10	<10	>10
Качество материала	Проектное	Проектное	Проектное	Проектное	Проектное	Проектное	Проектное
Длина сваи, м	не менее 29,4	не менее 31	не менее 30	не менее 34	не менее 32,9	не менее 32,5	не менее 32,1
Наличие трещин и нарушений сплошности	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет
Интервал и характеристика дефектов, м	3,3-13,2 м уширения	1,8-3,6 м уширения	3-7 м; 29-31 м, уширения	3,3-18,7 м, значительные уширения	2,9-19,2 м, 29,8-32,9 м, уширения	3,1-10,4 м, уширения	2,3-5,4 м, 29,8-32,1 м, уширения

Устройство определения состояния сваи (фиг.3) содержит блок механического возбуждения сваи и измерительную систему.

Блок механического возбуждения сваи включает излучатель 1, высоковольтный коаксиальный кабель 2, воздушный разрядник 3 с датчиком синхроимпульса 4 и замыкателем 5, накопитель электрической энергии 6 с индикатором уровня заряда 7 и источник тока 8. Излучатель 1 с помощью высоковольтного коаксиального кабеля 2 соединен с воздушным разрядником 3. Воздушный разрядник 3 соединен с накопителем электрической энергии 6. Накопитель 6 содержит батарею конденсаторов (позиция не показана) и соединен с источником тока 8. Источник тока 8 содержит повышающий трансформатор и выпрямитель (позиции не показаны). Излучатель (фиг.4) выполнен в виде емкости 15, заполненной электропроводящей жидкостью 16. На корпусе емкости установлен груз 17 для обеспечения прижатия и согласования излучателя с поверхностью сваи. Внутри емкости 15 на крышке 18 установлен параболический отражатель 19 с коаксиальными электродами 20, соединенными с высоковольтным кабелем 2. Крышка 18 и параболический отражатель 19 снабжены вентиляционными отверстиями 21 и 22 соответственно. Излучатель установлен на торцевой поверхности головы 23 сваи 26. Измерительная система (фиг.3) содержит приемники упругих волн 9 и 10, блок усиления 11 и комплекс программно-аппаратных средств в составе платы аналого-цифрового преобразования 12 и персонального компьютера 13 и программного обеспечения 14. Приемник 9 устанавливают на клеевой основе на торцевую поверхность головы сваи 23. Приемник 10 устанавливают на клеевой основе в выемке боковой поверхности сваи 26 на расстоянии 0,8-1,0 м от ее торцевой поверхности. Приемники 9 и 10 через блок усиления 11 и датчик синхроимпульса 4 соединены со входами платы аналого-цифрового преобразования 12, установленной на материнской плате (позиция не показана) персонального компьютера 13 и управляемой программным обеспечением 14.

При подаче электропитания на источник тока 8 происходит заряд батареи конденсаторов накопителя 6 до постоянного напряжения 1,5-2,0 кВ. Процесс заряда контролируется по индикатору уровня заряда 7. После достижения заданного напряжения оператор производит замыкание воздушного разрядника 3 с помощью замыкателя 5, при этом на электроды 20 прикладывается напряжение, вызывающее искровой пробой межэлектродного промежутка с формирование в жидкости упругой ударной волны с коротким передним фронтом. Упругая волна через корпус излучателя передается в материал сваи и возбуждает ее на резонансной частоте. Приемники 9 и 10 принимают проходящую 24 и отраженные волны 25. Обработка сигналов производится программным обеспечением 14 комплекса программно аппаратных средств.

С помощью устройства испытано более 50 свай. Результаты испытаний показали их высокую корреляцию с результатами деформационных испытаний свай методом статического вдавливания.

Экономическая эффективность предлагаемого способа и устройства для его реализации достигается за счет: повышения точности определения состояния сваи; простоты обслуживания; высокой производительности и низкой стоимости испытаний.