В.В. Капустин

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):

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);
2. 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);
3. 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 [2].

В случае, когда  свая имеет сильно выраженные волноводные свойства (r_свV_св>>r_грунтV_грунт), 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:

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. Более подробное изложение возможностей данного способа приведено в работах [1, 3, 6].

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) [7].

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 [7]. Использование при интерпретации синтетических сейсмограмм [8] и результатов численного решения динамической задачи [9] 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.

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 [4] и способ импульсной рефлектометрии [5]) 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.  

ЛИТЕРАТУРА

1. Капустин В.В., 2008, Применение сейсмических и акустических технологий при исследовании состояния подземных строительных конструкций: Технологии сейсморазведки, 1, 901-99.
2. 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.
3. Капустин В.В., 2008, Акустические методы контроля качества свайных фундаментных конструкций: Разведка и охрана недр, 12.
4. Старовойтов А.В., 2008, Интерпретация георадиолокационных данных: М., изд-во Московского университета.
5. Технические рекомендации по определению глубины погружения свай в грунт импульсным методом: М., 1999.
6. 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.
7. Niederleithinger E., Taffe A. & Fechner T., 2005, Improved Parallel Seismic Technique for Foundation Assessment: SAGEEP 2005, Extended Abstracts: Atlanta, USA.
8. Niederleithinger E., 2008, Numerical simulation of low strain dynamic pile tests. Proceedings of Stresswave: Lisbon.
9. Schubert F., Kohler B. & Pfeiffer A., 2001, Time Domain Modeling of Axisymmetric Wave Propagation in Isotropic Elastic Media with CEFIT – Cylindrical Elastodynamic Finite Integration Technique: Journal of Computational Acoustics, Vol. 9, No3, 1127 – 1146.