Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Сваи - определение глубины свай

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО

дисциплине «Электроразведка»

ТЕМА «Сваи - определение глубины свай»

Оценка: ____________________________

___________________________________

^{(подпись руководителя)}

2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение ………………………………………………………………………………… 2

2. Определение глубины свай методом сопротивлений ………………………………... 4

3. Применение волновых методов для определения длины свай ……………………… 8

4. Заключение ……………………………………………………………………………... 14

5. Список литературы …………………………………………………………………….. 15

Введение

В данной работе рассматриваются способы решения инженерной задачи по определению длины свай различных конструкций. Предлагаемые способы построены на основе волновых методов – акустических и георадарных, а также на основе определения глубины свай методом сопротивлений. Сочетание поверхностных и скважинных наблюдений позволяет решать данную инженерную задачу для свай различных конструкций. Глубина свай является одной из важных характеристик при исследованиях состояния фундаментов различных сооружений. В практике проектно-изыскательских и строительных работ часто возникает задача, связанная с определением длины свай и свайных конструкций. К сожалению, сваи при строительстве не всегда заглубляются на проектную или документированную глубину. Подобная ситуация возникает, в частности, при проведении контроля качества строительных работ и обследовании существующих сооружений. В тех случаях, когда применение методов вскрытия и буровых методов по техническим причинам невозможно, требуются дистанционные методы решения данной инженерной задачи.

Определение глубины свай методом сопротивлений

Сущность метода сводится к определению переходного сопротивления заземленной части фундамента, равного отношению напряжения на нем в месте ввода тока к стекающему току, удельному сопротивлению окружающих пород и расчету параметра L=ρ/(PR), где P – периметр фундамента, ρ – сопротивление грунта, а R – переходное сопротивление заземленной части фундамента. Далее по номограммам с учетом формы фундамента считают его глубину. Переходное сопротивление определяют с помощью установки, присоединенной к фундаменту. Электроды M и B удалены далеко. M – электрод сравнения с нулевым потенциалом, тогда меряется потенциал N относительно M.

Предлагаемая методика предназначена для определения глубины хорошо проводящих стальных и железобетонных свай. Она основана на изучении распространения электрического тока в земле при использовании сваи в качестве заземления. Это поле зависит от вмещающего геоэлектрического разреза и длины сваи. Для измерений используется установка, показанная на рис.1.

Один выход источника электрического тока соединяется со сваей (электрод А), другой выход через гальваническое заземление В непосредственно соединяется с землей. Для того, чтобы полем от электрода В можно было пренебречь, его относят от сваи на расстояние более шести максимальных разносов. Измерения проводятся вдоль одного или нескольких радиусов с помощью пары заземленных электродов M и N. Диапазон разносов (R) – от одной трети до трех глубин сваи (L). Шаг по разносам геометрический или кусочнолинейный. Длина диполя MN не должна превышать половины разноса. Для определения вмещающего разреза можно использовать трехэлектродную установку ВЭЗ с неподвижным питающем электродом, расположенным рядом со сваей. При этом измерения проводятся по тем же радиусам и разносам, что и при заземлении через сваю. Это позволяет эффективно устранять влияние приповерхностных неоднородностей на величину измеряемого сигнала. Расчет электрического поля при заземлении через сваю основывается на следующих допущениях относительно физической модели, с которой производится эксперимент:

1. Удельное электрическое сопротивление сваи много меньше сопротивления вмещающего разреза. Для железобетонных свай их сопротивление определяется сопротивлением металлической арматуры, которая образуют сплошную решетку внутри бетона. Бетон, который находится в грунте, является влажным и достаточно хорошо проводит электрический ток .

2. При расчете электрического поля на расстояниях больших диаметра сваи можно считать ее тонким стержнем.

Наиболее простым случаем является расчет поля хорошо проводящего стержня в однородном полупространстве. В этом случае ток будет стекать со стержня равномерно и для поля существует аналитичское решение. Поле Е(R) на поверхности однородного полупространства с удельным сопротивлением ρ от точечного источника тока силы I, расположенного на глубине Z, определяется следующей формулой:

Из этой формулы, зная, что ток со стержня стекает равномерно, можно получить формулу для расчета поля от проводящего стержня длиной L:

Таким образом для однородного полупространства, зная наблюденное поле, можно достаточно просто определить глубину сваи. На рис.2 представлены результаты расчета электрического поля от точечного источника и стержня в однородном полупространстве. Из рисунка видно, что при использовании сваи в качестве электрода характер поля существенно меняется, особенно на разносах меньших глубины сваи. Причем при заземлении на сваю электрическое поле меньше чем поле точечного источника. На разносах больших длины сваи, поле сваи достаточно быстро стремится к полю точечного источника.

Для расчета поля в слоистой среде стержень можно аппроксимировать набором из N точечных источников, для каждого из которых можно рассчитать поле. Пусть G(z,R) это функция для расчета поля на поверхности горизонтально-слоистого полупространства от точечного источника единичной интенсивности, расположенного на глубине z. Тогда мы получим следующее уравнение для расчета поля стержня:

где j(z) - ток, стекающий с единицы длины стержня на глубине z, zk - центр k-го отрезка разбиения, zk=L/N⋅(k-0.5).

Для расчета интенсивности каждого точечного источника можно использовать следующую систему уравнений:

Первое уравнение является законом сохранения заряда. Второе уравнение основано на условии, что сопротивление стержня много меньше сопротивления вмещающей среды и плотность тока стекающего в землю со стержня обратно пропорциональна удельному сопротивлению среды, в которую стекает ток.

Результаты расчетов для слоистых моделей показывают, что из-за перераспределения тока в среде, картина получается более сложная. На рис.3 представлены результаты расчета электрического поля от течного источника и стержня для двухслойной среды с проводящим основанием.. Различия на разносах меньше глубины сваи стали гораздо более существенными, так как большая часть тока из сваи попадает непосредственно во второй проводящий слой. Для случая с высокоомным основанием различия станут

меньше. Поэтому для моделей с высокоомным основанием глубина сваи определяется менее точно, чем для проводящих.

Для анализа поля от сваи по аналогии с электрическими зондированиями предлагается использовать кажущееся сопротивление:

где коэффициент установки К рассчитывается также как в методе ВЭЗ:

Рассмотрим кривые кажущегося сопротивления для однородного полупространства. Кажущееся сопротивление для точечного источника будет равно сопротивлению полупространства для любых разносов. Кривая кажущегося сопротивления для сваи показана на рис. 3 А. На разносе равном глубине сваи кажущееся сопротивление сваи равно:

На больших разносах оно стремится к сопротивлению полупространства (ρ).

Для более сложных моделей кривые кажущегося сопротивления от сваи будут иметь более сложную форму. Поэтому, кроме кривых кажущегося сопротивления, предлагается также рассматривать отношение ρК сваи к ρК точечного источника. Так как коэффициенты установок одинаковые для сваи и точечного источника, то отношение кажущихся сопротивлений равно отношению наблюденной разности потенциалов для этих двух установок. Графики этого параметра для двух моделей показаны на рис. 3 Б. Этот параметр меньше зависит от вмещающего разреза. На больших разносах он стремится к единице. На разносах близких к глубине сваи он будет примерно равен 0.7.

Таким образом, зная вмещающий геоэлектрический разрез по результатам интерпретации кривых ВЭЗ и из априорных данных, методом подбора нужно подобрать глубину стержня. Добившись совпадения наблюденных и теоретических кривых кажущегося сопротивления от сваи, мы определим глубину сваи. Качественную оценку глубины сваи можно сделать по разносу, на котором отношение кажущегося сопротивления от точечного источника и сваи равно 0.7. Точность этой оценки зависит от того, насколько сильно верхняя часть вмещающего разреза отличается от однородного полупространства.

Применение волновых методов для определения длины свай

Для решения задачи определения длины сваи преимущественно используются способы, основанные на применении волновых методов. Проводимые наблюдения заключаются в изучении распространения акустических или электромагнитных колебаний в системе свая – грунт. В настоящее время в практике инженерных работ применяются следующие способы определения длины свай (рис. 1):

- возбуждение и регистрация на поверхности сваи акустических волн (см. рис. 1, а); возбуждение и регистрация на поверхности сваи электромагнитных волн (см. рис. 1, а);

- возбуждение акустических волн на поверхности сваи и регистрация проходящих волн в параллельно пробуренной скважине (см. рис. 1, б); возбуждение электромагнитных волн на поверхности сваи и регистрация проходящих волн в параллельно пробуренной скважине (см. рис. 1, б);

- возбуждение и регистрация «направляемых» акустических волн в параллельно пробуренной скважине (см. рис. 1, в); возбуждение и регистрация электромагнитных волн в параллельно пробуренной скважине (см. рис. 1, в).

Способ, основанный на возбуждении и регистрации акустических волн на поверхности сваи и носящий название в зарубежной литературе «Sonic integrity testing», может применяться не только для определения длины сваи, но и для оценки прочностных характеристик сваи, наличия дефектов и т.п. Применение данного способа для определения длины сваи имеет целый ряд ограничений:

- скорость в свае предполагается постоянной и заранее известной;

- свая должна иметь постоянное сечение;

- свая должна иметь относительно малое излучение во вмещающий грунт;

- вмещающий грунт должен иметь достаточно однородное строение.

При соблюдении указанных требований длина сваи определяется по известной зависимости: h = (V×Dt)/2, где V = Ö(E/r) стержневая скорость продольной волны в свае (r – плотность материала сваи, Е – модуль Юнга); Dt – интервальное время пробега отраженной от конца сваи волны. Для случая, когда свая и вмещающий грунт могут быть описаны моделью однородной и изотропной среды, ошибка определения длины сваи данным способом зависит от точности измерения интервального времени пробега отраженной волны и ошибки определения стержневой скорости (рис. 2).

Однако на практике подобные условия практически не выполняются, и в результате возникают дополнительные ошибки, связанные с увеличением интервального времени пробега продольной волны при усложнении формы сваи, с наличием дополнительных отражений от неоднородностей в теле сваи и во вмещающем грунте, с низким значением амплитуды отраженной от конца сваи волны при интенсивном излучении в грунт. Таким образом, использование данного способа возможно для однородных свай, находящихся в достаточно простых грунтовых условиях. В соответствии с экспериментальными данными точность определения длины сваи этим методом оценивается в ~ 10%. В ряде случаев точность и надежность определения длины сваи могут быть улучшены с помощью ряда методических приемов. В частности, повысить точность определения стержневой скорости можно в случае, когда известно положение во вмещающем грунте контрастных границ, отражения от которых фиксируются. Повышению точности и надежности интерпретации способствует также использование результатов численного моделирования. В случае, когда свая имеет сильно выраженные волноводные свойства (rсв*Vсв>>rгрунт*Vгрунт), для определения длины сваи могут использоваться спектральные характеристики сигнала в свае. Когда известна скорость в бетоне, полученная, например, в результате ультразвуковых измерений, можно оценить глубину сваи. Определяя частоты резонансных максимумов низших мод. Из теории распространения продольных волн в тонких стержнях известно, что интервал следования резонансных максимумов примерно определяется следующим выражением: f(n) = (Vстерж*n) / 2l, где n = 1, 2, 3 …; l – длина сваи. Максимумы, располагающиеся вне данной последовательности, могут быть обусловлены отражениями от неоднородностей в теле сваи или вблизи нее. В тех ситуациях, когда отраженный от конца сваи сигнал надежно не определяется, может быть использован второй способ – возбуждение акустических волн на поверхности сваи и регистрация проходящих волн в параллельно пробуренной скважине (рис. 3).

Данный способ в зарубежной литературе получил название «параллельный метод» (Parallel seismic method). Проходящая волна, возбуждаемая в оголовке сваи, регистрируется в скважине в первых вступлениях. Положение точек на годографе первых вступлений может быть определено из выражений: t(a) = S1/V1 + S2/V2; t(b) = S3/V1 + S4/V2, где S1, S3 – путь, пройденный волной в свае; S2, S4 – путь, пройденный волной в грунте; V1 – скорость волны в свае; V2 – скорость волны в грунте. Скорости распространения акустической волны в свае и в грунте могут быть найдены по наклонам годографа первых вступлений. Глубина сваи может быть определена по координатам точки излома годографов. Область применения данного способа также ограничена целым рядом условий, в частности, контрастностью акустических жесткостей сваи и грунта, степенью их однородности, параллельностью оси скважины и оси сваи и т.п. Ошибки, возникающие при отклонении оси скважины от сваи, подробно рассмотрены в работе. Использование при интерпретации синтетических сейсмограмм и результатов численного решения динамической задачи может в ряде случаев обеспечить более точное решение задачи. Точность определения длины сваи «параллельным» методом оценивается в 5%. Следующий способ [3] основан на свойствах волн, распространяющихся вдоль направляющей системы – возбуждение и регистрация «направляемых» акустических волн в параллельно пробуренной скважине. «Направляемые» волны, распространяясь вдоль направляющей системы, испытывают отражения от неоднородностей, встречающихся на пути их следования. Для решения задачи определению длины сваи могут применяться наблюдения гидроволн, распространяющихся вдоль водонаполненной сваи и возбуждаемых электроискровым источником. Измерения могут проводиться по двум методикам:

- при расположении источника на забое или устье скважины и перемещении приемника вдоль оси скважины;

- при расположении источника и приемника на фиксированном расстоянии и перемещении всей установки вдоль скважины.

Гидроволны, имеющие длину 1,0 – 2,0 м, в пределах данных расстояний реагируют на присутствие различных неоднородностей с образованием отраженных гидроволн. В частности, наблюдается отражение от конца сваи гидроволны, распространяющейся вдоль скважины, расположенной параллельно свае (рис. 4).

Преимуществом данного способа является то, что в этом случае можно снять условия постоянства скорости в свае и во вмещающем грунте. Точность определения длины сваи обеспечивается в основном точностью оценки геометрии расположения источника и приемника относительно сваи. Акустические методы могут быть применены не только для определения длины железобетонных свай, но и бетонных, каменных и металлических линейно протяженных конструкций, значительно отличающихся по своим свойствам от вмещающего грунта (рис. 5).

Приведенный пример показывает, что при высокой контрастности акустических жесткостей грунта и металлической конструкции имеется возможность определения длины сваи как по интервальному времени пробега отраженной волны, так и по амплитудному спектру сигнала. Методы, основанные на возбуждении и регистрации электромагнитных волн мегагерцового диапазона (георадарные методы), также относятся к волновым методам и могут быть применены для решения задачи определения длины свай. Особенности, отличающие их от акустических методов, определяются в основном способом возбуждения и регистрации электромагнитных волн. В соответствии с приведенной выше классификацией способов измерения длины свай к поверхностным методам могут быть отнесены следующие два способа: (антенной георадара и способ импульсной рефлектометрии) возбуждение и регистрация на поверхности сваи электромагнитных волн и возбуждение и регистрация электромагнитных волн в параллельно пробуренной скважине. При прохождении антенны георадара вблизи оголовка сваи возникают условия образования «направляемой» волны, распространяющейся вдоль сваи (рис. 6).

Интерпретация материалов, получаемых данным способом, к сожалению, пока недостаточно отработана, и данный способ довольно редко применяется на практике. Использование способа импульсной рефлектометрии основано на аппаратуре и методики, используемых для поиска обрывов в кабельных линиях. Железобетонную сваю можно рассматривать как приближенную модель коаксиальной линии: арматура – внутренний проводник, бетон – изолятор, грунт – внешний изолятор. Для проведения измерений может использоваться рефлектометр, применяемый для диагностики кабельных линий (рис. 7).

Импульсный метод определения глубины погружения свай применим:

- при высоких сопротивлениях грунта, сравнимых с электропроводностью бетона;

- для железобетонных свай, армированных не на полную длину;

- для свай, перекрытых ростверками со сваркой аппаратуры;

- для составных свай;

- для металлических свай.

По аналогии с акустическими методами могут быть проведены измерения при расположении источника на свае и наблюдении в параллельной скважине. Однако подобный способ с использованием электромагнитных волн на практике не применяется.При проведении георадарных наблюдений в параллельно пробуренной скважине длина сваи определяется по наблюдению отражений от сваи и дифракции на конце сваи (рис. 8).

Использование комплекса акустических и электромагнитных методов в сочетании с наземной и скважинной техникой измерений позволяет повысить надежность и точность решения задачи определения длины сваи.

Заключение

Сваи – локальный объект в трехмерной среде. Найдено остроумное решение, которое дает точность около 10%. Но для достижения этой точности надо поработать. Получить достаточное число точек ВЭЗ, избежать при этом влияния свай и понять модель участка. А после этого получить кривые от свай. Двумерное моделирование строго говоря соответствует линейным электродам (реальные электроды точечные) и двумерной среде, которая реально трехмерна. Сразу использовать трехмерную программу – резко возрастает сложность задания модели и время счета. А ведь подбор не автоматизирован, он ручной. Эта технология нуждается в доработке, но хорошая основа есть. Отношение кривых для точечного заземления и сваи – хорошая идея, но если при моделировании используется двумерная модель, то в нее заложено несоответсвие модели и реальной среды. Кроме того, уровень ошибки в 10% скорее декларирован, чем реален (больше желаемое, чем действительное). Есть альтернативные разработки: определение длины и сплошности сваи с помощью георадара и сейсмоакустики, в этих случаях сигнал идет по свае и отражается от ее нижнего края. Более прямые методы. Рассудит практика.

Список используемой литературы

Капустин В.В., 2008, Применение сейсмических и акустических технологий при исследовании состояния подземных строительных конструкций: Технологии сейсморазведки, 1, 901-99.

Капустин В.В., 2008, Методика изучения особенностей распространения акустических волн в бетонных сваях с использованием методов численного моделирования: Вестн. Московского университета, Сер. 4, Геология, 3, 65-70.

Капустин В.В., 2008, Акустические методы контроля качества свайных фундаментных конструкций: Разведка и охрана недр, 12.

Старовойтов А.В., 2008, Интерпретация георадиолокационных данных: М., изд-во Московского университета.

Технические рекомендации по определению глубины погружения свай в грунт импульсным методом: М., 1999.

Черняков А.В., Богомолова О.В., Капустин В.В., Владов М.Л., Калинин В.В., 2008, Контроль качества геотехнических конструкций, созданных методом струйной цементации: Технологии сейсморазведки, 3, 97-103.

Г.И.Квятковский, 1993, Метод сопротивления заземления в инженерной геофизике