способ контроля качества установки анкерного стержня в скважине

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УСТАНОВКИ АНКЕРНОГО СТЕРЖНЯ В СКВАЖИНЕ, включающий возбуждение колебаний стержня, отличающийся тем, что определяют число периодов N и частоту f колебаний, сравнивают их значения с значениями эталонного стержня и вычисляют степень качества установки анкерного стержня по тарировочной зависимости

S_к / S_ст = f (N, f)

где S_к - площадь соприкосновения стержня с заполниттелем скважин;

S_ст - площадь боковой поверхности стержня.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля и может использоваться в гидротехническом гражданском строительстве, подземном строительстве, горном деле и др.

Известен способ контроля площади контакта анкера с заполнителем, основанный на определении усилия выдергивания стержня из скважины с помощью домкрата [1] . При этом по нормативам испытанию подлежат 3 анкера из каждых 100 установленных, которые после проведения испытаний заменяются новыми.

Недостатком этого метода является его разрушающий характер, делающий невозможным контроль всех установленных анкеров.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ ультразвукового контроля болтовых анкеров, разработанный шведской фирмой "Geotechnic" [2] . Принцип контроля основан на ультразвуковой дефектоскопии анкерного стержня эхо-методом по анализу динамических характеристик (амплитуды) высокочастотных механических колебаний, отраженных от контактной поверхности стержня с окружающей средой. Способ заключается в следующем: к торцу контролируемого стержня прижимают ультразвуковой датчик-преобразователь, являющийся одновременно излучателем и приемником упругих колебаний. Датчик соединяют с прибором, содержащим генератор электрических импульсов и регистратор-анализатор колебаний. Вырабатываемые генератором электрические импульсы возбуждают высокочастотные (f 300 кГц) механические колебания преобразователя, излучаемые им в стержень. Отраженные от контакта механические колебания преобразуют в электрический сигнал; амплитуду которого анализируют регистратором. При совершенном контакте стержня с цементным или иным заполнителем скважины основная часть энергии рассеивается в окружающее пространство, и отраженный сигнал имеет малую амплитуду. При наличии воздухозаполненных щелей и каверн между анкером и цементом упругий импульс отражается от границ стержня, и амплитуда отраженного сигнала повышается. Данный способ пригоден для контроля анкеров длиной до 3 м. При больших длинах анкеров, используемых в строительстве крупных подземных сооружений (до 30 м), применение метода становится невозможным из-за сильного затухания высокочастотной упругой энергии в материале стержня. Другой недостаток метода - требование высокого качества (чистоты) обработки торца анкера для эффективного излучения высокочастотного волнового импульса в стержень анкера, что затруднено в условиях интенсивного строительства.

Цель изобретения - повышение надежности инженерных сооружений за счет увеличения контролируемой длины анкера до 30 м и уменьшение трудоемкости работ.

Это достигается тем, что в основе способа лежит анализ параметров собственных акустических (низкочастотных) колебаний железобетонного анкера, возбуждаемых ударом по его свободному концу. Способ базируется на том, что в зависимости от площади контакта стержня с заполнителем скважины изменяется вовлекаемая в колебания присоединенная масса окружающей среды, вследствие чего изменяются характеристики собственных колебаний: логарифмический декремент затухания , обратная ему величина добротности Q = ^-1.

Теоретическое рассмотрение основано на следующем.

Трехкомпонентную систему железный стержень-заполнитель скважины-скальный массив заменяют двухкомпонентной системой стержень-окружающая среда, где граница между ними имеет несовершенства контакта в виде воздушных включений. При этом несовершенства контакта заполнитель скважины-скальный массив относятся к этой же поверхности, рассматриваемой в силу этого как эффективная.

Предполагают, что энергия колебаний, рассеиваемая через контактирующие поверхности в окружающую среду, пропорциональна эффективной площади контакта стержня со средой S_к.

Тогда показано, что относительная площадь контакта S_к/S_ст, где S_ст- полная площадь боковой поверхности анкерного стержня) может быть записана в виде функций

= f(N, f) , (1) где N_мон, N - количество периодов собственных колебаний анкерных стержней соответственно с идеальным контактом (S_к = S_ст) и с несовершенным (S_к < S_ст).

f_мон, f - основные частоты колебаний стержней, соответствующие тем же случаям контакта.

На фиг. 1 даны примеры собственных колебаний анкерных стержней при хорошем контакте ( ( 1) ) и при плохом контакте (S_к << S_ст). Здесь же поясняется принцип определения параметров N и f.

UDot_i - амплитуда скорости колебаний i-го периода, где i = 1,2,3. . . N;

U_пор - пороговое значение скорости смещений;

N₁ и N₂ - число колебаний соответствующих колеблющихся систем.

На фиг. 1 изображены велосиграммы свободных колебаний двух систем с разным затуханием и добротностью; на фиг. 2 - схема проведения измерений; на фиг. 3 - блок-схема блока регистрации.

Способ контроля заключается в том, что на свободном конце стержня 1 на его боковой поверхности закрепляют электромеханический преобразователь (например, сейсмоприемник) 2, по торцу стержня с помощью пружинного ударника Кашкарова 3 производят калиброванный удар, параметры которого определяются свойствами пружины. Возникающие собственные механические колебания стержня преобразуют в электрические колебания и подают на блок 4 регистрации.

Сигнал с сейсмоприемника усиливают предварительным усилителем 5, пропускают через фильтр 6 нижних частот (ФНЧ) с частотой среза верхних частот f_ср.в. = 400 Гц и подают на счетчик 7 импульсов (СИ) и измеритель 8 частоты (ИЧ). Два последних блока измеряют соответственно число периодов колебаний N и частоту колебаний f. Измеренные таким образом параметры N и f контролируемого анкера соотносят в соответствии с зависимостью (1) с эталонными характеристиками колебаний анкера, определяемыми в ходе торировочных опытов. В процессе этих испытаний определяют зависимость = f(N, f)) , по которой на основании акустических измерений количественно оценивают относительную площадь контакта (фиг. 4). На фиг. 4 изображены теоретические зависимости между относительной площадью контакта S_к/S_ст и относительным числом колебаний N/N_эт при разных частотах собственных колебаний f.

Предлагаемый способ контроля обеспечивает следующие преимущества:

возможность исследования ненапряженных анкеров длиной от 1 до 30 м;

снижение трудоемкости подготовки торцевой поверхности анкерного стержня.

Заявленная совокупность отличительных признаков и признаков ограничительной части, приводящая к техническому эффекту, заключающемуся в возможности осуществления неразрушающего контроля анкерных стержней длиной до 30 м с высокой точностью и надежностью контроля, является неизвестной в гидротехническом и гражданском строительстве, и указанный технический эффект не является очевидным, т. е. заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ опробован на Канале им. Москвы, где оборудован опытный полигон из 15 железобетонных анкеров. Анкерные стержни имеют интервалы, изолированные винипластовой перфорированной трубкой так, что при установке в скважины и заливке скважин жидким цементом стержень контактирует с раствором по всей площади, кроме изолированных участков, в которых стержень контактирует с воздухом. Площадь изолированных участков задают так, чтобы относительная площадь контакта была равномерно распределена в интервале от 0 до 1,0. После затвердевания раствора в скважинах проводили испытания заявленным способом. Предлагаемый способ внедрен на участке строительства подземного машинного зала Рогунской ГЭС, где исследования проводили на стержневых ненапряженных железобетонных анкерах длиной от 4 до 30 м.

Ограничение по длине анкеров связано с тем, что для крупных сооружений она не превышает 30 м. В данных условиях прототип использован быть не может из-за затухания высокочастотной упругой энергии в материале анкера при его длине свыше 3 м.

При расчете экономической эффективности в качестве базового объекта выбран аналог - способ испытания анкеров выдергиванием.

Состав затрат на проведение испытаний методом выдергивания анкеров следующий.

Захват оголовка анкера гидродомкратом, ступенчатое повышение усилий гидродомкрата, измерение перемещений оголовка на каждой ступени натяжения, построение кривых натяжение-перемещение.

Бурение новой скважины и установка в нее железобетонного анкера взамен испытанного.

Стоимость материалов на изготовление анкера.

Состав затрат на проведение испытаний предлагаемым способом следующий.

Проведение замера в анкере (укрепление преобразователя, удар, регистрация, запись показаний в журнал, вычисление контролируемого параметра).

Проведение торировочных испытаний на данном объекте (бурение скважин, изготовление анкеров с заизолированными интервалами, установка в скважины, заливка цементного раствора, проведение замеров, построение торировочных кривых). Расход материалов на один железобетонный анкер.

Из опыта работ на Рогунской ГЭС в своде предстоит установка анкеров (сталь А-111) диаметром 36 мм, длиной 8 м по сетке 2х2 м², на что при длине машзала 220 м и ширине 21 м потребуется 1500 анкеров.

Только на обследовании сводовых анкеров получена экономия.

Если учесть, что кроме машинного зала на том же объекте сооружается ряд крупных камерных выработок (трансформаторное помещение, монтажная камера, камера затворов и др. ), то очевидно, что экономический эффект от внедрения предложенного способа многократно умножится. Главное же достоинство заключается в том, что при всеобъемлющем, а не выборочном (как в способе-прототипе) неразрушающем контроле анкеров повышается качество их установки и, следовательно, надежность сооружений.