Способ оценки состояний оснований сооружений различного назначения

Изобретение относится к строительству и предназначено для оценки состояний оснований сооружений различного назначения. Заявлен способ оценки состояний оснований сооружений различного назначения. В зависимости от объемной конфигурации основания задают точки измерений, моменты времени и диапазоны частот. Затем в заданных точках устанавливают датчики измерений физических величин. При этом в качестве измеряемых физических величин используют параметры атмосферного давления, а в качестве отклика основания на воздействия атмосферного давления используют сейсмические колебания, регистрируемые в каждой из заданных точек в течение сеанса наблюдений по координатам X, У, Z. После чего рассчитывают значения функции когерентности попарно для записей сейсмических колебаний по координатам регистрации в окне, скользящем по времени сеанса наблюдений. Затем для верхнего, нижнего краев и середины заданного диапазона частот измерений строят распределения значений функции когерентности и определяют характеристические величины этих распределений. Одновременно по записям атмосферного давления во время сеанса наблюдения определяют параметры атмосферного давления и, сопоставляя данные в заданные моменты времени, по изменению значений характеристических величин сейсмических колебаний, не связанных с изменениями параметров атмосферного давления, оценивают состояния оснований обследуемого сооружения. Технический результат: повышение достоверности оценки состояний оснований зданий. 6 ил.

 

Изобретение относится к строительству и предназначено для инструментального обследования и оценки физических параметров, характеризующих состояние основания сооружения (грунтов, верхних слоев земной коры) и его соответствие установленным требованиям, предъявляемым к основаниям сооружения в зависимости от его назначения.

Известен из технической литературы (Муравин Г.Б. и др.) способ оценки состояний оснований сооружений путем прогнозирования начала разрушения оснований зданий и сооружений, который состоит в том, что измеряют параметры акустической эмиссии (амплитуду или энергию отдельных импульсов, их количество или активность эмиссии, интервал между событиями, спектры мощности излучения), по которым определяют момент начала разрушения в основании фундаменга сооружения.

Однако известный способ недостаточно достоверен, т.к. может давать "ложные тревоги", поскольку не учитывает изменения параметров эмиссии вследствие ряда физических процессов в основании сооружения, таких как изменение атмосферного давления, ветровых колебаний сооружения. Кроме того, способ не пригоден для выявления зон ослабленной прочности в основании здания, обусловленной геодинамическими процессами, которые не приводят к разрушению, но могут существенно влиять на несущую способность всего основания.

Наиболее близким по своей технической сути и достигаемому эффекту к предложенному способу является известный из патента Российской Федерации №2100806, кл.⁶ G 01 N 33/24, 1992 г., способ оценки состояний оснований сооружений путем прогнозирования начала разрушения оснований фундаментов зданий и сооружений, включающий задание точек измерений, моментов времени и диапазона частот измерений, установку в заданных точках датчиков измерений физических величин, характеризующих воздействие на основание сооружения и отклик основания на воздействие, при одновременной регистрации измеряемых физических величин, последующее определение расчетным путем в заданные моменты времени амплитудно-частотных параметров регистрируемых сейсмических колебаний основания в заданном диапазоне частот с учетом результатов измерений других физических величин в этот же момент времени и сопоставление результатов полученных в разные моменты времени для оценки состояний оснований сооружений.

Недостатком известного способа является то, что он эффективно применим только для ограниченного класса объектов, а именно для оценки состояний оснований фундаментов зданий на вечномерзлом грунте, ориентирован только на процессы, происходящие в основании вследствие повышения температуры и обуславливает необходимость разрушения обделки основания, т.к. требует размещения одного из датчиков непосредственно в среде основания.

Задачами изобретения является обеспечение возможности оценки состояний оснований зданий и сооружений независимо от температуры окружающей среды, выявление зон ослабленной прочности вследствие геодинамических процессов, хотя и не приводящих к полному или частичному разрушению основания, создание неразрушающих объект технологий измерений при снижении трудоемкости осуществления способа.

Указанные задачи достигаются тем, что в способе оценки состояний оснований сооружений различного назначения, включающем задание точек измерений, моментов времени и диапазона частот измерений, установку в заданных точках датчиков измерений физических величин, характеризующих воздействие на основание сооружения и отклик основания на воздействие, при одновременной регистрации измеряемых физических величин, последующее определение расчетным путем в заданные моменты времени амплитудно-частотных параметров регистрируемых сейсмических колебаний основания в заданном диапазоне частот с учетом результатов измерений других физических величин в этот же момент времени, и сопоставление результатов, полученных в разные моменты времени, для оценки состояний оснований сооружений, в качестве измеряемых физических величин, характеризующих воздействие на основание сооружения, используют параметры атмосферного давления, а в качестве отклика основания на воздействия атмосферного давления используют сейсмические колебания в диапазоне частот f не менее 0,5 Гц, регистрируемые в каждой из заданных точек по координатам X, Y, Z в течение сеанса наблюдений продолжительностью не менее 3 часов, затем одновременно рассчитывают значения функции когерентности K(f) попарно для сейсмических колебаний, зарегистрированных по координатам X, Y, Z, в окне, скользящем по времени сеанса наблюдений, и для верхнего, нижнего краев и середины заданного диапазона частот измерений строят распределения значений функции когерентности R(K), для которых определяют характеристические величины S и γ, где S соответствует значению R(K) при одном из значений К в интервале 0,2-0,6, а γ равна тангенсу угла наклона линейного тренда графика функции IgR(K) в интервале значений К, равном 0,05-0,6, затем по записям атмосферного давления во время сеанса наблюдения определяют среднее значение и дисперсию атмосферного давления и, сопоставляя данные в заданные моменты времени, по изменению значений S и γ, не связанных с изменениями параметров атмосферного давления, оценивают состояния основания обследуемого сооружения.

Технический эффект при использовании заявленного способа, заключающийся в обеспечении возможности оценки состояний оснований зданий и сооружений независимо от температуры окружающей среды и обеспечивающий неразрушающую объект технологию измерений, достигается за счет того, что в качестве параметра, характеризующего изменение процессов, протекающих в среде основания, используют вариации атмосферного давления, происходящие постоянно, и наличие которых не зависит от температуры окружающей среды. При этом характеристические величины сейсмических колебаний эндогенной природы из зон ослабленной прочности вследствие геодинамических процессов не зависят от вариаций давления, а определяются геодинамическими напряжениями в среде основания. Ослабленные зоны негеодинамической природы характеризуются величинами, меняющимися при вариациях атмосферного давления.

При этом по сравнению с прототипом не требуется заглубления измерительных приборов в среду основания, регистрация ведется на поверхности грунта основания, что обеспечивает неразрушающую технологию, существенно упрощает обследование состояний оснований и снижает по сравнению с прототипом трудоемкость осуществления способа.

Заявленный способ поясняется чертежами, где на фиг.1-6 показаны графические результаты обследований оснований сооружений для оценки их состояний по предлагаемому способу.

Сущность изобретения заключается в следующем. В зависимости от назначения сооружения, т.е. от соответствующих нормативных требований, определяющих размеры основания и его прочностные свойства, зависящие от геодинамических процессов, задают точки измерений, в которых устанавливают сейсмометры, диапазон частот сейсмометрической регистрации, моменты времени измерений, определяющие начальную точку сеанса наблюдений. Диапазон частот сейсмометрической регистрации f задают от 0,5 Гц и выше, что определяется характерным размером r участка понижения прочности, опасного для сооружения, исходя из того, чтобы он был примерно равен характерной длине волны λ сейсмических колебаний, определяемой средней скоростью распространения волн в грунте основания V и F - средним значением заданного диапазона частот наблюдений

λ=V/F,

при значениях V от 500 до 2000 м/с, F=10-50 Гц, λ=10-200 м, что позволяет применять данный способ для выявления участков нарушения прочности разного размера - от крупных разломов с характерными размерами нарушенности в сотни метров до мелких зон в единицы метров, играющих решающую роль для оценки состояний оснований сооружений различного размера и назначения - от отдельных зданий до технологических комплексов АЭС. Местоположение заданных точек измерения и их количество выбирают исходя из того, что радиус чувствительности способа L определяется значениями, характерными для пород основания: добротностью среды Q и длиной волны

L=Qλ.

Для широкого диапазона типов грунтов Q лежит в пределах от 10 до 100, V - от 500 до 2000 м/с, F=10-50 Гц, т.е. λ=10-200 м, L=100 м-20 км. Таким образом, для реализации способа может быть достаточна и одна точка измерений. При сложной конфигурации основания, застроенности территории может быть задано несколько точек, причем существенно, что они могут располагаться вне контура плана основания. По времени моменты проведения измерений задают в 10 и более раз чаще, чем необходимо, исходя из нормативных требований, определяемых назначением сооружения. Сейсмическую регистрацию ведут в течение заданного сеанса наблюдений. Длительность сеанса наблюдений t составляет не менее 3 часов, ее выбирают таким образом, чтобы она заведомо превышала характерный период пульсаций атмосферного давления Т_атм и давала возможность получать достаточно представительную статистику для функции когерентности K(f) и для построения ее распределений R(K) - порядка сотни значений. При Т_атм=1 мин, t большее 3 часов дает порядка 1000 значений когерентности. Такой выбор интервала времени регистрации повышает точность определения характеристических величин S и γ для распределения R(K), тем самым увеличивая достоверность способа оценки состояния основания сооружения. Сейсмическую регистрацию в каждой точке измерения производят одновременно по координатам X, Y, Z. Одновременно ведут регистрацию вблизи поверхности земли атмосферного давления с чувствительностью к вариациям не менее 10 Па. Затем производят обработку сейсмограмм, при этом проводят расчеты функции когерентности K(f) попарно для координат Х-Y, Z-X, Z-Y. Расчеты ведут в скользящем временном окне τ, подбирая длительность временного окна таким образом, чтобы в диапазоне частот f выполнялось соотношение

τ=N/f,

где N=10-30.

Затем для значений K(f) на частотах нижнего, верхнего краев и середины диапазона частот анализируют последовательности полученных значений K(f), рассчитанные при разном положении скользящего окна по сеансу наблюдений. Для этого строят распределения (гистограммы) R(K), по которым определяют характеристические величины S и γ:S равно значению R(K) при одном из значений К из интервала К=0,2-0,6 (наиболее эффективно К=0,3) и γ равно тангенсу угла наклона линейного тренда графика функции IgR(K) в интервале значений К от 0,05 до 0,6. Величины S и γ характеризуют сейсмические колебания эндогенной природы среды основания сооружения для проведенного сеанса наблюдения, так как являются соответственно аналогами параметров "сейсмическая активность" и "наклон графика повторяемости" (Гутенберга-Рихтера), применимых для геодинамических процессов сходной природы, но больших энергий, например сейсмического режима.

Одновременно для записей атмосферного давления во время сеанса наблюдения рассчитывают среднее значение Р и дисперсию атмосферного давления δP, которые также являются параметрами наблюдений. Затем, сопоставляя данные разных сеансов, делают подборки, соответствующие случаям:

1) значения Р и δР меняются незначительно, S и γ меняются мало,

2) значения Р и δР меняются незначительно, S и γ меняются сильно,

3) значения Р и δР меняются сильно, S и γ также меняются сильно,

4) значения Р и δР меняются сильно, S и γ меняются мало.

Исходя из эмпирической закономерности, описывающей геодинамические процессы в среде (закона Гутенберга-Рихтера) ситуации 2) и 4) свидетельствуют о присутствии в основании геодинамических процессов, причем ситуация 2) - распространенная, а ситуация 4) - случай редкий, но свидетельствующий о возможности резкой потери прочности (аналог так называемого сейсмического затишья перед землетрясением). Таким образом, присутствие ситуаций 1) и 3) свидетельствует о стабильности прочностных параметров оснований, а обнаружение ситуаций 2) и 4) указывает на возможное начало изменения несущей способности основания и требует дополнительных обследований, в том числе назначения дополнительных моментов времени проведения оценки состояний оснований по предлагаемому способу. Сопоставляя значения S и γ для последующих моментов времени для ситуаций 2) или 4), следят за развитием геодинамического процесса в основании. При этом следует учитывать, что основной для оценки состояний оснований в обсуждаемых ситуациях является величина γ, увеличение которой совместно с ростом величины S указывает на уменьшение размеров зоны активизации геодинамических процессов, что свидетельствует об улучшении состояния основания. Уменьшение величины γ при уменьшении или постоянстве величины S свидетельствует об активизации выделения энергии геодинамических процессов, что свидетельствует о возможном ухудшении прочностных свойств основания.

Конкретные примеры осуществления способа

Пример 1. Было обследовано основание гидроплотины, служащей одновременно автомостом. Геологические исследования, проведенные в районе, указали на то, что русло реки ниже плотины представляет собой разрывное нарушение с характерным размером r=50-100 м, по которому возможны подвижки, т.е. обследовалось основание плотины на возможность присутствия активных геодинамических процессов, приводящих к ослаблению несущей способности основания. Была задана точка сейсмометрических измерений на грунте у подножья плотины на правом берегу русла реки.

Регистрация велась по координатам X, Y, Z (двум горизонтальным и вертикальной) в диапазоне частот 5-15 Гц, которая выбрана исходя из того, что использовались сейсмометры с частотной характеристикой от 5 Гц и выше. Верхняя граница диапазона определялась исходя из соотношения длины волны и размеров разрывного нарушения r: при скорости V=2000 м/с и F=10 Гц получаем λ=200 м, т.е. удовлетворительно сопоставимую с r. Использование более высоких частот приводит к маскировке процессов экзогенными высокочастотными шумами, что привело бы к снижению достоверности оценки.

На фиг.1 сопоставлен фрагмент расчетов функции когерентности K(f) в скользящем временном окне на получасовом интервале для двух вертикальных плоскостей Z-Y и Z-Х, из которых видно, что присутствие темных пятен, соответствующих большим величинам функции K(f), т.е. сейсмическим колебаниям из зоны разрывного нарушения, характерно для верхнего края диапазона частот. Плоскость Z-Х является преимущественной для анализа эндогенных сейсмических колебаний и расположена практически вкрест разрыва. Для значений частот 5,6; 10,0 14,8 Гц были построены распределения значений R(K) функций когерентности для наблюдений в течение 3 час.

На фиг.2 сопоставлены распределения значений R(K) функции когерентности на частоте 14,8 Гц для разных пар координат регистрации - плоскостей X-Y, Z-X, Z-Y, из которых видно, что Z-X является более представительной плоскостью, т.к. содержит больше событий, а в интервале К=0,2-0,6 не содержит максимумов, как распределение в плоскости X-Y, т.е. нет помех.

На фиг.3 сопоставлены распределения значений R(K) функции когерентности в плоскости Z-X для частот 5,6 и 14,8 Гц. Видно, что в интервале значений К от 0,2 до 0,6 распределение для более высоких частот содержит больше событий, оно было принято как основа для оценки состояния основания плотины.

На фиг.4 приведены распределения значений R(K) функции когерентности в плоскости Z-X для частоты 14,8 Гц, полученные с интервалом между моментами времени наблюдений в 1 год - для 2001 г. и 2002 г. - при одинаковых погодных условиях, средних значениях атмосферного давления P₂₀₀₁=P₂₀₀₂ и его пульсаций δP₂₀₀₁=δP₂₀₀₂=40 Па. Сопоставление линейных трендов графиков IgR(K) в интервале К=0,05-0,6 показывает, что при одинаковых значениях S, тангенс угла наклона графика γ в 2002 г. стал меньше, чем в 2001 г. Данный эффект отмечен только на участке разлома под плотиной. Это можно объяснить тем, что существенно усилилось движение по автодороге на плотине, и вибрации от транспорта способствовали дополнительному сбросу геодинамических напряжений на обследуемом участке разлома. Проведенное обследование показало, что уменьшении геодинамической активности разлома, лежащего в основании плотины, уменьшилась, что свидетельствует не об ухудшении, а о повышении несущей способности основания плотины.

Пример 2. Производилось обследование состояния основания спецсооружения в Крыму после того, как был отмечен повышенный фон сейсмической эмиссии, и появилось предположение о возникновении ослабленной геодинамической зоны в основании. Регистрация велась сейсмометрами СМ-3 с частотной характеристикой от 0,5 Гц и выше. Верхний край частотного диапазона подбирался исходя из значений V=2000 м/с и F=20 Гц, при которых имеем длину волны 100 м, ожидаемое нарушение имеет характерные размеры порядка 20 м.

На фиг.5 - ситуация 1). Предпочтительно оценивать состояния оснований во время штиля, т.е. по фиг.5, сравнивая распределения значений R(K) функции когерентности для моментов времени А и Б. Видно, что тангенсы угла наклона γ и величины S совпадают. Отмеченная ранее сейсмическая эмиссия проявляется в виде максимума на значении К=0,25 и вызвана явлениями негеодинамической природы, например появлением локальной нагрузки на основание. Таким образом, состояние основания характеризуется не изменившейся несущей способностью вследствие геодинамических процессов и может быть оценено как стабильное.

На фиг.5 и 6 показаны распределения значений R(K) функции когерентности для частот 1,6 и 16 Гц для моментов времени А и Б, характеризующихся одинаковыми погодными условиями (штиль, P_A=P_Б и δР_А=δР_Б=50 Па) и В и Г - различными погодными условиями (ветер), но при близких значениях среднего давления Р, в случае В пульсации сильнее (большая скорость ветра, δР_В=200 Па), чем для момента времени Г (δР_Г=80 Па). Сопоставление графиков показывает, что ветер проявляется как серия держков на низких частотах, что отражено в форме соответствующих распределений значений R(K) функции когерентности на частоте 1,6 Гц на фиг.6. Там же видим изменение формы графиков R(K) и величин S, γ для распределений значений R(K) функции когерентности на частоте 16 Гц.

На фиг.6 иллюстрируется рассмотренная выше ситуация 3), полученная по экспериментальным данным.

Способ оценки состояний оснований сооружений различного назначения, включающий задание точек измерений, моментов времени и диапазона частот измерений, установку в заданных точках датчиков измерений физических величин, характеризующих воздействие на основание сооружения и отклик основания на воздействие, при одновременной регистрации измеряемых физических величин, последующее определение расчетным путем в заданные моменты времени амплитудно-частотных параметров регистрируемых сейсмических колебаний основания в заданном диапазоне частот с учетом результатов измерений других физических величин в этот же момент времени и сопоставление результатов, полученных в разные моменты времени, для оценки состояний оснований сооружений, отличающийся тем, что в качестве измеряемых физических величин, характеризующих воздействие на основание сооружения, используют параметры атмосферного давления, а в качестве отклика основания на воздействия атмосферного давления используют сейсмические колебания в диапазоне частот "f" не менее 5 Гц, регистрируемые в каждой из заданных точек по координатам X, Y, Z в течение сеанса наблюдений, имеющего продолжительность не менее 3 ч, затем одновременно рассчитывают значения функции когерентности "K(f)" попарно для сейсмических колебаний, зарегистрированных по координатам X, Y, Z, в окне, скользящем по времени сеанса наблюдений, и для верхнего, нижнего краев и середины заданного диапазона частот измерений строят распределения "R(K)" значений функции когерентности, для которых определяют характеристические величины "S" и "γ", где "S" соответствует значению R(K) при одном из значений К в интервале 0,2-0,6, а "γ" равна тангенсу угла наклона линейного тренда графика функции IgR(K) в интервале значений К, равном 0,05-0,6, затем по записям атмосферного давления во время сеанса наблюдения определяют среднее значение и дисперсию атмосферного давления и, сопоставляя данные в заданные моменты времени, по изменению значений "S" и "γ", не связанных с изменениями параметров атмосферного давления, оценивают состояние основания обследуемого сооружения.