способ оценки состояний оснований сооружений различного назначения

Формула изобретения

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 "", где "S" соответствует значению R(K) при одном из значений К в интервале 0,2-0,6, а "" 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 "", не связанных с изменениями параметров атмосферного давления, оценивают состояние основания обследуемого сооружения.

Описание изобретения к патенту

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 , где S соответствует значению R(K) при одном из значений К в интервале 0,2-0,6, а 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 , 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 сейсмических колебаний, определяемой средней скоростью распространения волн в грунте основания V и F - средним значением заданного диапазона частот наблюдений

=V/F,

при значениях V от 500 до 2000 м/с, F=10-50 Гц, =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=Q.

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. =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 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 , подбирая длительность временного окна таким образом, чтобы в диапазоне частот f выполнялось соотношение

=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 :S равно значению R(K) при одном из значений К из интервала К=0,2-0,6 (наиболее эффективно К=0,3) и равно тангенсу угла наклона линейного тренда графика функции IgR(K) в интервале значений К от 0,05 до 0,6. Величины S и 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 P, которые также являются параметрами наблюдений. Затем, сопоставляя данные разных сеансов, делают подборки, соответствующие случаям:

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

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

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

4) значения Р и Р меняются сильно, S и 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 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 , увеличение которой совместно с ростом величины S указывает на уменьшение размеров зоны активизации геодинамических процессов, что свидетельствует об улучшении состояния основания. Уменьшение величины 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 =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=P ₂₀₀₂ и его пульсаций P ₂₀₀₁=P ₂₀₀₂=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 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 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 Р _А=Р _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, Р _В=200 Па), чем для момента времени Г (Р _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, для распределений значений R(K) функции когерентности на частоте 16 Гц.

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