Методы сейсмоакустики для обследования насыпей,
оснований и фундаментов при реконструкции зданий

Сообщение, сделанное кандидатом технических наук заведующим отделом оснований и фундаментов БелНИИС Валерием Сеськовым на научно-техническом семинаре "Прогрессивные конструкции фундаментов в грунтовых условиях Беларуси" (соавтор по теме — научный сотрудник отдела Анна Окладникова).

В настоящее время в Беларуси ведутся масштабные работы по обследованию зданий и сооружений. При этом основной представляется проблема определения характеристик грунтов под фундаментами. Традиционный доступ с целью взятия проб и дальнейшего их лабораторного анализа в данном случае затруднен, особенно при больших размерах этих конструкций в плане. Поэтому для более точной оценки плотности грунтов под фундаментами (а также грунтов, слагающих насыпи) используется сейсмоакустика. На основании существующей между плотностью грунтов и скоростью распространения акустических сигналов (и их затухания) зависимости можно так или иначе судить об изменениях, происходящих с грунтами, залегающими под подошвами фундаментов соответствующих объектов в процессе их эксплуатации. Аппаратура, фиксирующая скорости распространения упругих волн и их затухания, может быть самой разнообразной. Это могут быть и самые простые шлейфовые осциллографы, и более скоростные приборы, однако самыми надежными представляются обычные сейсмостанции, в том числе и многоканальные (эти бывают востребованы тем чаще, чем большим бывает исследуемый массив грунта, чем больше размеры фундамента в плане). В состав подобной аппаратуры входят сейсмозонд, сейсмоприемники и самописец с ускоренной протяжкой ленты. Работа шлейфового осциллографа основана на записи колебаний при протяжке ленты. В зонде размещены сейсмоприемники, фиксирующие колебания в вертикальной и горизонтальной плоскостях, причем в горизонтальной — по двум взаимно перпендикулярным осям. С одной стороны фундамента размещается зонд, с другой стороны наносятся удары по направлению трех взаимно перпендикулярных осей. Измеряется скорость прохождения возникающих волн под фундаментом. Иногда обходятся одним лишь коническим зондом — в этом случае сейсмоакустическое исследование совмещается с динамическим зондированием. Нередко используется и оборудование, применяемое при изучении динамического влияния на здания и сооружения проходящих под ними поездов метрополитена. При уплотнении насыпей очень важно осуществлять контроль качества их уплотнения. Те или иные методы зондирования (статического, динамического) являются дискретными, на практике же часто бывает желательно знать общую картину уплотнения грунтов, слагающих насыпь. Наиболее точным является подход, при котором используются зонды и датчики, используемые с шагом 2-3 м. В данном случае насыпь «просвечивается» напрямую с фиксацией скоростей распространения продольных и поперечных волн. При этом поперечные волны предпочтительнее продольных, так как скорость их распространения зависит в основном от плотности грунтов и очень мало зависит от их влажности. Если же учесть, что и затухание зависит в основном от плотности, то в данном случае можно говорить об одновременном получении двух подтверждающих друг друга характеристик — скорости и затухания. Если говорить о песчаных грунтах, то при обследовании слагаемых ими оснований можно успешно использовать оба вида волн.

Для расчета теоретических скоростей исследователями отдела оснований и фундаментов БелНИИС была принята модель упругой многокомпонентной гомогенной среды. Проведено сравнение расчетов их с экспериментальными измерениями. Получены корреляционные зависимости между характеристиками состава и состоянием грунтов с сейсмоакустическими характеристиками и выявлена их взаимосвязь с прочностными и деформационными показателями. Для глинистых грунтов такая схема дает несколько большую погрешность, поэтому в данном случае модель была уточнена как модель полифракционной гетерогенной среды, в которой каждая частица, каждый слой могут иметь свою скорость. Ведь глинистый грунт есть понятие достаточно широкое, и моренные грунты ведут себя несколько иначе, нежели лессовидные суглинки. Поэтому всегда стоит для обеспечения точности измерений все же взять образец и произвести его лабораторную тарировочную проверку на ультразвуковом приборе. Имея тарировочные графики для различных грунтов, можно легко перейти к их плотности, то есть в конечном итоге возможно установление корреляционной зависимости как для песчаных, так и для глинистых грунтов, хотя в последнем случае и приходится учитывать их влажность. В настоящее время специалисты отдела на основании полученных ими обширных экспериментальных данных готовят соответствующие рекомендации, которые смогут использовать и изыскатели, и проектировщики, и подрядчики, и заказчики, и эксплуатационники, и обследующие конструкции и сооружения эксперты — именно в тех случаях, когда требуется определять плотность грунтов под фундаментами, особенно в точках, удаленных от краев их подошв. Это особенно актуально для слабых грунтов, а также для грунтов с различными органическими включениями. Скорость распространения колебаний в биогенных грунтах значительно меньше, чем в тех же песчаных, и это обязательно нужно учитывать. На вопрос же ведшего программу второго дня семинара заведующего лабораторией конструкций фундаментов кандидата технических наук Владимира Кравцова об аккредитации описанных методов и подходов В. Сеськов ответил, что по мере апробации упомянутых им рекомендаций настанет черед и выпуска нормативной документации. С другой стороны, вся используемая аппаратура представляет собой серийное гостированное оборудование. Что же касается измерений, связанных с песчаными грунтами, то соответствующий нормативный документ уже практически существует.