Неразрушающие методы контроля качества свай

Для сплошного контроля используют неразрушающие методы. Для определения фактических длин свай, локализации дефектов (трещин, «шеек» - ослаблений сечений) и оценки механических характеристик бетона свай используют сейсмоакустические (звуковые) и ультразвуковые методы контроля.

Работа с сейсмоакустическими и ультразвуковыми приборами, делится на два этапа: тестирование свай на строительной площадке (рис. 4.3) и интерпретация полученной информации с помощью специального программного обеспечения.

Существуют различные сейсмоакустические приборы (рис. 4.4).

Принцип действия сейсмоакустических приборов основан на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых в контролируемых объектах (сваях) с помощью ударного импульса, переданного торцу сваи (рис. 4.5).

После удара молотком по торцу сваи продольная волна растяжения-сжатия распространяется по стволу сваи с некоторой скоростью с. Так как акустические свойства бетона сильно отличаются от акустических свойств дисперсных грунтов, свая представляет собой волноотвод с относительно небольшими потерями энергии на затухание и переизлучение в геомассив.

Рис. 4.3. Тестирование буронабивной сваи

сейсмоакустическим прибором ИДС-1

 

На границе раздела сред (бетон - инородное включение, бетон - грунт и т. п.) звуковая волна отражается. Временной интервал между первоначальным ударом молотка и отражением от границы сред измеряется прибором и равняется времени t, необходимому для распространения волны по стволу сваи длиной l дважды (вниз и вверх):

t=2l/с

После измерения времени распространения / звуковой волны по свае определяют один из двух параметров:

скорость распространения волны по длине сваи;

длину сваи по известной скорости распространения волны.

Рис. 4.4. Сейсмоакустические приборы: а - прибор ИДС-1 (Россия);

б - Росket Рile Еcho Теster (Великобритания); в - Integrity Testing System (Нидерланды); г - Рile Еcho Теster (Великобритания)

 

Рис. 4.5. Принцип действия сейсмоакустических приборов: / - свая; 2 - молоток; 3 - сейсмоприемник; 4 - прибор

 

Для регистрации отраженных волн, или эхосигналов используют датчики электродинамического или пьезоэлектрического типов, устанавливаемые на торцевой поверхности сваи. Для улучшения акустического контакта между сваей и сейсмоприемником применяют специальные незамерзающие мастики или пластилин.

С помощью аналого-цифрового преобразователя сигнал, вызванный возбудителем и зафиксированный велосиметром (датчиком скоростей), преобразуется в рефлектограмму - зависимость скорости К смещения частиц оголовка сваи от времени. Если используется акселерометр (датчик ускорений), то прибор автоматически производит интегрирование зависимости «ускорение-время» для получения зависимости «скорость-время».

Рефлектограммы хранятся в памяти прибора в виде файлов. После тестирования свай файлы перемещают на персональный компьютер. Затем с помощью программного обеспечения, поставляемого вместе с прибором, выполняют обработку рефлектограмм - фильтрацию и усиление сигнала. Фильтрация позволяет устранить высокочастотный шум, усложняющий анализ результатов тестирования, и получить гладкую рефлектограмму.

Трение по боковой поверхности сваи вызывает затухание сигнала по длине. Для получения четкой рефлектограммы трение, которое обычно считается логарифмически возрастающим с глубиной, компенсируют с помощью временно-амплитудной регулировки усиления. Для этого обычно используют экспоненциальное усиление. В хорошо сбалансированных рефлектограммах пики, соответствующие удару по оголовку и отражению волны от пяты сваи, должны иметь приблизительно одинаковую амплитуду (рис. 6.7). Анализ рефлектограмм позволяет определить длину сваи и локализовать дефекты в ее стволе.

Длину сваи l определяют косвенным методом исходя из измеренного прибором временного интервала t, при этом скорость продольной волны с в свае считается известной:

l=ct/2

Погрешность определения (именно определения, а не измерения) длины сваи l (скорости волны с) напрямую зависит оттого, как точно задана скорость волны с (длина сваи l).

Для получения достоверных результатов торцы свай должны быть горизонтальными, чистыми, с шероховатостью не более 2,0мм. Не допускается наличие воды, цементного молока и трещин на торцах свай. Возраст бетона на момент испытаний должен быть не меньше 7 дней. В период тестирования свай сейсмоакустическим методом не допускается работа механизмов, создающих вибрацию.

Если рассматривать волну как самостоятельный объект, то, используя второй закон Ньютона, можно показать, что перемещение упругой волны по стержню характеризуется скоростью звука, которая зависит от свойств среды и определяется по формуле

Е=

где Е_д - динамический модуль упругости бетона, МПа; ρ - плотность бетона, кг/м³.

В таком случае для тяжелого бетона класса В35 естественного твердения скорость распространения продольной волны составляет

с=

Для строительных материалов, в частности для бетона, при отсутствии прямой функциональной зависимости существует достаточно устойчивая и тесная корреляция (т. е. статистическая связь) между скоростью звука и прочностью материала - в более прочном материале скорость звука выше. Эта связь сокращенно именуется «корреляция-скорость-прочность», или «связь КСП». Однако эта связь не отражает сложное понятие прочности бетона. Так, в сваях (стержнях) при распространении продольных волн появляются волны поперечного растяжения и радиальные волны. Поэтому скорость распространения продольных волн меньше, чем в неограниченной среде.

Дефекты свай можно характеризовать изменением площади поперечного сечения от А₁ до А ₂ или свойств материала Е и ρ. Когда волна встречает неоднородность, она частично отражается назад, частично проходит вперед (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Свая с ослабленным сечением: а – зависимость напряжения σ в оголовке сваи от времени t; б – рефлекпмрамма (зависимость скорости V смещения частиц оголовка сваи от

времени t ); в - зависимость положения звуковой волны от времени (интерференция волн)

Для анализа поведения волны в сваях произвольной формы, допуская, что при ударном воздействии в свае возникает только продольная волна, используют одномерную теорию распространения волн, согласно которой напряжение, вызываемое отраженной волной, будет

σ_refl =- (4.1)

напряжение, вызываемое пройденной волной

σ_trans = (4.2)

где Z_i= А_i c_i ρ_i - акустическое сопротивление (импеданс) i-й среды; σ_inc - напряжение, вызванное волной в результате ударного воздействия.

Уравнения (1) и (2) позволяют моделировать поведение волны и применимы для стержней произвольной формы. Для визуализации процесса распространения волны удобно использовать зависимость координаты продольной волны во времени: x=f(t).

Связь между напряжениями σ, вызванными ударным воздействием и скоростью смещения V частиц оголовка сваи, устанавливается зависимостями

σ=ЕΔl/l

V=Δl/Δt

где Δl - смещение частиц сваи, м; Δt - время, за которое произошло смещение Δl, с.

На рис. 6.6 представлен график распространения волны в стержне с ослабленным поперечным сечением. Напряжения вычислены по уравнениям (1) и (2). При тестировании забивной сваи сей-сомакустическим прибором «Интегрити Тестинг Систем» фирмы «ИФКО Фундеринжэкспертизе» (Нидерланды) полученная рефлектограмма изображена на рис. 4.7.

Кроме сейсмоакустических применяют также ультразвуковые приборы. Они отличаются тем, что для возбуждения волны используют пьезоэлектрические датчики, преобразующие электрический импульс в акустические колебания. Точно такие же датчики преобразуют акустическую волну, прошедшую через сваю, в электрический сигнал.

Преимуществом ультразвуковых (высокочастотных) волн является возможность обнаружения мелких дефектов, поскольку длина волны соизмерима с размерами дефектов.

Рис. 4.7. Рефлектограмма забивной сваи длиной 9,0м

(скорость звуковой волны - 3692м/с; период колебания - 0,45мс)

 

Но так как ультразвуковые волны являются короткими, они в большей степени подвержены потере энергии за счет внутреннего трения (затухания) и отражения от неоднородной среды (рассеяния).

Преимуществом низкочастотных (длинных) волн является меньшее затухание, благодаря чему они распространяются на большие расстояния. Поэтому для контроля качества длинных свай предпочтителен сейсмоакустический прибор, а для контроля коротких - ультразвуковой.