сейсмоакустический способ контроля качества укладки неоднородных грунтов в насыпь

Формула изобретения

1. СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УКЛАДКИ НЕОДНОРОДНЫХ ГРУНТОВ В НАСЫПЬ, включающий предварительное определение плотности грунта с измерением скорости прохождения продольных упругих волн в опытных насыпях и установление корреляционных зависимостей между измеренными характеристиками, измерение скорости прохождения продольных упругих волн в контролируемой насыпи и оценку качества укладки грунта с использованием установленных корреляционных зависимостей, отличающийся тем, что дополнительно в опытной насыпи одновременно с измерением скорости продольных упругих волн измеряют скорость поперечных упругих волн и характеристики затухания упругих волн для грунтов различного грансостава, устанавливают многопараметровые зависимости между плотностью и грансоставом грунта и всеми измеренными сейсмоакустическими характеристиками грунта, а в контролируемой насыпи производят измерения указанных сейсмоакустических характеристик и определяют по измеренным данным, используя установленные многопараметровые корреляционные зависимости, плотность уложенного грунта и показатели его грансостава, по которым производят оценку качества укладки грунта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение сейсмоакустических характеристик производят по многоточечной системе на разных базах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, в частности к контролю качества возведения насыпей: плотин, дамб, дорог, искусственных оснований, промышленных площадок и др.

Известны радиоизотопные методы для оценки физических свойств и контроля качества укладки грунтов в насыпные сооружения, заключающиеся в определении плотности и влажности W и вычислении на их основе плотности сухого грунта, по величине которого осуществляют контроль качества укладки грунта [1,2] Однако в случае изучения неоднородных сред, каковыми являются многие разнозернистые грунты, эти методы дают большой разброс данных, так как объем, охватываемый единичным измерением, относительно мал по сравнению с неоднородностями.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сейсмоакустический способ контроля качества укладки неоднородных грунтов в насыпь, включающий предварительное определение плотности грунта с измерением скорости прохождения продольных упругих волн в опытных насыпях и установление корреляционных зависимостей между измеренными характеристиками, измерение скорости прохождения продольных упругих волн в контролируемой насыпи и оценку качества укладки грунта с использованием установленных корреляционных зависимостей [3]

Однако этот способ позволяет судить лишь о плотности грунта, в то время как качество возведения насыпи из крупнообломочных грунтов зависит также и от соотношения крупных фракций и мелкозема в грунте, т.е. способ имеет недостаточную информативность. Например, даже при высокой плотности грунта мелкозем в нем может быть не уплотнен из-за недостаточного его содержания. Поэтому наряду с определением плотности грунта сейсмоакустическим методом приходится отбирать пробу на гранулометрический состав, включающий выемку грунта, высушивание и рассев по фракциям, взвешивание и определение содержания мелкозема. Все это повышает трудоемкость геотехнического контроля.

Задачей изобретения является повышение точности определения параметров плотности и гранулометрического состава, повышение информативности за счет увеличения числа определяемых фракций практически до обычного в геотехнике определения гранулометрического состава по 5-6 фракциям.

Для этого в сейсмоакустическом способе контроля качества укладки неоднородных грунтов в насыпь дополнительно в опытной насыпи одновременно с измерением скорости продольных упругих волн измеряют скорость поперечных упругих волн и характеристики затухания упругих волн для грунтов различного гранулометрического состава, устанавливают многопараметровые зависимости между плотностью и гранулометрическим составом грунта и всеми измеренными сейсмоакустическими характеристиками грунта, а в контролируемой насыпи производят измерения указанных сейсмоакустических характеристик и определяют по измеренным данным, используя установленные многопараметровые корреляционные зависимости, плотность уложенного грунта и показатели его гранулометрического состава, по которым производят оценку качества укладки грунта, причем измерение сейсмоакустических характеристик производят по многоточечной системе на разных базах.

Физической основой данного сейсмоакустического способа контроля качества укладки грунта является связь между плотностью грунта, а также его гранулометрического состава с параметрами упругих волн, распространяющихся в грунте. Как правило, с увеличением плотности грунта _d скорости продольных V_p и поперечных V_s волн возрастают, амплитуды А_ри А_s увеличиваются, а затухание волн L_p и L_s уменьшается, что связано с повышением "компактности" среды.

На фиг. 1 изображена схема определения параметров продольных Р и поперечных S упругих волн (времени прихода t_p, t_s и амплитуд А_р и А_s) по зарегистрированным сейсмограммам; на фиг. 2 схема полевых сейсмоакустических наблюдений; на фиг. 3 схема геофизических профилей I-IV в точке опробования; на фиг. 4 пример годографов продольных и поперечных волн со схемой определения скоростей V₁-V₈ на разных базах Х; на фиг. 5 пример сопоставления кривых гранулометрического состава грунта, полученных сейсмоакустическим и геотехническим способами; на фиг. 6 и 7 графики сопоставления значений гранулометрического состава функции d(5), плотности сухого грунта определенных геотехническим способом (d(5)гТ, d (5)гТ), и вычисленных значений по геофизическим характеристикам (d(5)гф, d(5)гф) соответственно.

Способ осуществляют следующим образом.

Представленная схема наблюдений при проведении контроля сейсмоакустическим способом используется как на опытном участке для установления тарировочных корреляционных связей, так и на контролируемой насыпи. На поверхности уплотненного слоя грунта 1 (фиг.2) устанавливают сейсмоприемники 2 вдоль четырех взаимно перпендикулярных профилей с шагом 0,25 м (фиг.3). Удары для возбуждения упругих волн производят молотком 3 вблизи крайних сейсмоприемников 2 (0,1 м). Количество сейсмоприемников 2 на этих минипрофилях определяется их длиной, которая выбирается таким образом, чтобы контролируемый объем грунта был сопоставим с объемом собираемой пробы на опытном участке. С помощью ударов молотка 3 по поверхности грунта 1 в пунктах 4 удара возбуждаются импульсы упругих колебаний, которые распространяются в грунте, достигают сейсмоприемников 2 и регистрируются с помощью сейсмостанции или специальной аппаратуры 5. Время прихода сейсмоакустического импульса к сейсмоприемникам t изображается на графике (фиг.4) в виде функции (годографа) t f(X), где Х расстояние от пункта удара. Эти графики используются для определения средних скоростей прохождения продольных волн по линиям профилей. Средние скорости определяются по единичным измерениям скорости на отрезках профиля разной длины (от 0,25 м до полной длины профиля). Показатели эффективного затухания упругих волн L_pи L_s определяются по амплитудным графикам, которые представляют собой графические изображения известного выражения А А_о е^-Lx, где А_о начальное значение амплитуды (1 канал); е основание натурального логарифма. При этом по оси у откладываются натуральные логарифмы измеренных на разных базах амплитуд А, а по оси х расстояние. Точки на графике осредняются прямой линией, наклон которой определяет эффективное затухание

L + LnA_o.

С помощью специальной аппаратуры возможно автоматическое измерение указанных параметров.

Полученные значения средних скоростей Y_p, Y_s на разных базах, а также показатели их затухания с помощью многомерного статического анализа увязываются с известными показателями плотности грунта d и процентным содержанием фракции. Получаемые корреляционные уравнения используются для контроля качества укладки грунта с неизвестными значениями плотности и гранулометрического состава. При использовании методов корреляционно-регрессивного анализа удобно использоваться полиноминальными моделями, которые могут быть линейными и нелинейными. Поскольку линейные модели являются более простыми и удобными, то они и применяются в большинстве случаев. Линейная модель записывается в общем виде

V _оZ_o + ₁Z₁ + ₂Z₂ + + _рZ_p + , где Z_o фактическая переменная, вводимая для оценки свободного члена _о, всегда равная единице;

Z_i некоторые функции измеренных геофизических параметров

Y_p, Y_s, L_p, L_s);

_i неизвестные параметры, подлежащие определению;

некоторый остаток, связанный с влиянием неучтенных факторов и случайными ошибками в определении величины.

П р и м е р. При возведении плотины на г/у Тишрин используется грунт мелоподобных пород, состоящий из обломков различной крупности (до 200 мм) и мелкозема (5 мм). Средняя плотность грунтовой смеси d 1,64 т/м.

По техническим условиям возведения плотины содержание мелкозема в грунте должно быть не менее 40% Плотина возводится слоями по 0,3 м с уплотнением виброкатками. На опытном участке плотины была выполнена серия совместных геотехнических и сейсмоакустических работ для получения тарировочных связей. При этом плотность грунта определялась методом шурфа лунки, а гранулометрический состав методом рассева по фракциям. Скорости Y_p и Y_s и показатели эффективного затухания и упругих волн определялись точно на той же площадке, из которой в последующем отбиралась проба методом шурфа лунки.

Размеры шурфа лунки 0,5 х 0,5 х 0,3 м, длина геофизического профиля, расположенного по диагонали шурфа, 1,0 м. Упругий импульс возбуждался ударом молотка по специальной подставке, установленной на поверхности грунта. Прием упругих колебаний осуществлялся с помощью сейсмоприемников, установленных на интервале опробования, и портативной двухканальной сейсмоакустической установки. В результате проведенных по предлагаемой методике опытных работ были установлены в рамках линейной м одели следующие тарировочные зависимости:

d 1,033 0,28 х 10^-3 V_p0,25 + 0,53 x 10^-3 V_p1 + 3,75 x 10^-3L_p² + 6,92 x 10^-3 d (5);

d(5) 53,5 + 23,18 x 10^-3 V_p1 19,34 x (L_s/L_p)² + 0,119 x (L_s x L_p)² 7,71 x L_p;

d(5-20) 40,93-0,018 x V_p1 9,83 x 1/L_s 10,79 L_s + 0,044 x V_p1 /L_p + 1,7 L_s x L_p 0,538 x V_s1

d(40-80) 2,29 7,79 x 10^-3V_p1 8,85 x L_s/L_p 5,16 L_s x L_p + 21,19 x L_s + 1,27 x L_p^2, где V_p025 V_p1 скорости продольных волн на базах 0,25 и 1,0 м;

V_s025 V_s1 скорости поперечных волн на базах 0,25 и 1,0 м;

V_p025.1 V_s025.1 отношение скоростей продольных и поперечных волн, измеренных на базе 0,25 м, к скоростям, измеренным на базе 1 м, соответственно;

L_p эффективное затухание продольных волн;

L_s эффективное затухание поперечных волн;

d плотность скелета сухого грунта;

d(5) процентное содержание частиц диаметром 5 мм (мелкозем);

d(5-20) процентное содержание частиц диаметром 5-20 мм;

d(20-40) процентное содержание частиц диаметром 20-40 мм;

d(40-80) процентное содержание частиц диаметром 40-80 мм.

Все эти уравнения были получены по 41-му независимому совместному испытанию (геофизика и геотехника) и характеризуются высокими коэффициентами множественной корреляции: R d(5)=0,87, R d(5-20) 0,84, R d(40) 0,86, R d(80) 0,83, R d 0,88. Это позволяет с высокой точностью определять плотность скелета сухого грунта и процентное содержание различных фракций. Так, для d стандартная ошибка составляет 0,04 т/м, а для фракций d(5), d(40), d(80) не превышает 3%

При контрольном измерении на точке опробования были измерены следующие геофизические параметры: V_p025 920 м/с V_p1 873 м/c V_s025 333 м/c V_s1 292 м/c L_p 1,57 L_s 0,75 V_p025.1920/873 1,061 V_s025.1333/292 1,14

Подставляя эти величины в приведенные уравнения, получим d(5) 57% d(5-20) 30% d(20-40) 10,5% d(40-80) 4% d=1,64 т/м. На этой же точке опробования после проведения сейсмоакустических наблюдений была отобрана проба методом лунки, по которой были определены гранулометрический состав и плотность геотехническим способом.

Результаты определений следующие:

d=1,64 т/м, d(5)=55,3% d(40-80)=5,4% d(5-20)=28,7% d(20-40)=10,6%

График сопоставления кривых грансостава, полученных сейсмоакустическим и геотехническим способами, приведенный на фиг. 5, показывает хорошее совпадение геофизических и геотехнических результатов.

На фиг. 6 и 7 показаны графики сопоставления данных, определенных геотехническим способом и вычисленных по корреляционным уравнениям для плотности скелета сухого грунта и процентного содержания мелкозема d(5).