Разработка способов комплексных геофизических исследований грунтов, геотехнических и строительных конструкций

Капустин, Владимир Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка способов комплексных геофизических исследований грунтов, геотехнических и строительных конструкций
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка способов комплексных геофизических исследований грунтов, геотехнических и строительных конструкций"

На правах рукописи

ООЭ45Б41Ь Капустин Владимир Викторович

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ КОМПЛЕКСНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГРУНТОВ, ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2008

0 5 ДЕК 2008

003456418

Работа выполнена на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Владов Михаил Львович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ампилов Юрий Петрович кандидат технических наук Ильин Михаил Михайлович

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт Транспортного строительства (ЦНИИС)

Защита состоится 17 декабря 2008 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.64 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», Геологический факультет, аудитория 308

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (ГЗ МГУ, зона «А», 6 этаж)

Автореферат разослан 14 ноября 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

Никулин Б.А.

Основные положения

Актуальность исследования.

Увеличение темпов и масштабов строительства напрямую связано с внедрением в практику новых методов и технологий, которые в свою очередь обеспечивают решение все более сложных строительных задач. При проведении строительства в крупных мегаполисах в настоящее время значительную роль приобретают инженерно-геофизические исследования, что связано с техническими и организационными трудностими, возникающими при проведении работ другими методами. Цель работы

Целью настоящей работы является развитие способов решения ряда инженерно-геофизических задач с использованием наземных и скважинных сейсмометрических и георадарных методов для создания основ технологии инструментальных исследований, используемых при инженерно-геологических изысканиях, в процессе сопровождении строительства и эксплуатации сооружений. Основные задачи исследований:

1. Изучение современного состояния методов инженерной геофизики и обзор инженерных задач, наиболее часто встречающихся в практике строительства.

2. Изучение возможностей решения инженерных задач наземными и скважинными геофизическими методами и их дальнейшее развитие.

3. Создание методик исследования строительных и геотехнических конструкций на основе математического моделирования акустических полей.

4. Разработка усовершенствованных приемов обработки полевых данных, способствующих решению поставленных задач.

5. Опробование и применение разработанных методик на объектах крупного городского строительства.

Основные защищаемые положения:

1. Разработаны и опробованы наземные методики исследования грунтов, строительных и геотехнических конструкций, позволяющие оценивать их состояние в период строительства и эксплуатации.

2. Разработаны и опробованы скважинные методики исследования грунтоцементных и бетонных массивов, позволяющие оценивать их основные прочностные и

деформационные характеристики.

3. Разработаны и опробованы новые эффективные методики оценки вибродинамических воздействий на грунты и конструкции.

4. Получены численные решения прямых задач расчета акустических волновых полей в строительных и геотехнических конструкциях, с учетом влияния вмещающей среды.

5. Разработаны усовершенствованные методы обработки сейсмоакустических и георадарных данных, позволяющие рассматривать более широкий класс интерпретационных моделей.

Научная новизна:

1. Предложен ряд оригинальных методик с использованием волн "направляемого типа" (волны Рэлея, Стоунли, гидроволны и т.п.) для исследования грунтов, строительных и геотехнических конструкций, позволяющих проводить исследования в рамках внедряемых современных строительных технологий.

2. Построены математические модели для описания волновых полей в строительных и геотехнических конструкциях с учетом влияния вмещающей среды.

4. Для определения динамических и кинематических параметров волновых полей при решении инженерных задач предложено использование оригинальных методов обработки с применением атрибутного-анализа, вейвлет-анализа и методов обработки и сегментации изображений.

Практическая значимость.

В рамках данной работы разработаны методики, используемые для решения широкого круга инженерных задач, которые опробованы и нашли применение в настоящее время на объектах городского строительства. По результатам данной работы в настоящее время в ряде организаций проводится разработка технологических регламентов, мероприятий по организации контроля качества производимой продукции и корректировка нормативной базы. Необходимость разработки предлагаемых методик обусловлена усложнением строительных задач и внедрением новых строительных технологий.

Апробация результатов исследования. Основные результаты докладывались автором на следующих мероприятиях: ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА-2005

Дополнительные возможности компьютерной обработки георадарных и сейсмических данных, Капустин В.В. (Инжстройизыскания). ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА-2006

Применение скважинных акустических и радарных методов для решения инженерных задач. Капустин В.В. (Инжстройизыскания), Помозов В.В., Семейкин Н.П. (ООО "Логические Системы")

Опыт применения площадной георадарной съемки для обнаружения и изучения локальных и линейно-протяженных объектов. Капустин В.В. (ООО «ИнжСтройИзыскания»), Владов М.Л. (МГУ им. М.В. Ломоносова) ИНЖЕНЕРНАЯ И РУДНАЯ ГЕОФИЗИКА - 2007

Возможности акустических методов при обследовании строения и состояния строительных конструкций. Капустин. В. В., Ушаков А. Л. , Бакайкин Д. В., (ООО «ИнжСтройИзыскания»)

Некоторые особенности обработки данных, используемые при георадарных исследованиях строительных конструкций. Капустин В.В., Строчков Ю.А. (ООО «ИнжСтройИзыскания») ИНЖЕНЕРНАЯ И РУДНАЯ ГЕОФИЗИКА - 2008

Применение георадарных и акустических методов при обследовании железобетонных свайных конструкций. Семейкин Н.П. (ООО «ЛогиС»), Капустин В.В. (ООО «ИнжСтройИзыскания»)

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 7 научных статьях

и 4 сборниках материалов к научно-практическим конференциям.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав и заключения.

Содержит 195 страниц машинописного текста, 128 рисунков и библиографический

список использованных литературных источников из 48 наименований, из которых 5

иностранных.

Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю Владову М.Л. за помощь и поддержку при написании данной работы. Автор высоко ценит помощь, оказанную Калининым В.В. при обсуждении основных результатов

данной работы. Автор выражает признательность Вознесенскому Е.А., Шалаевой Н.В., Старовойтову A.B., Гайнанову В.Г. и другим сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики за ценные замечания и конструктивную критику, руководителям ООО «НПО КОСМОС» Чернякову A.B. и Богомоловой О.В., руководителям ООО «ИнжСтройИзыскания» Калиничеву A.B., Батагову Б.А., Гавриленко В.В. за оказанную помощь при разработке и внедрении ряда методов, руководителям ООО «Логические системы» Семейкину Н.П. и Помозову В.В. и руководителю НПЦ «Геотех» Монахову В.В. за помощь в аппаратурном оснащении, руководителям ЗАО «Триада-Холдинг» Шилину A.A. и Кириленко A.M., руководителю лаборатории свайных фундаментов (НИИОСП) Ястребову П.И. за предоставленную возможность решения интересных задач и получения ценного материала. Огромное спасибо всем коллегам, которые участвовали совместно со мной в написании публикаций, докладов и получении материалов. Светлая память Аркадию Васильевичу Калинину, под руководством которого начались данные исследования.

Содержание работы Глава 1 Обзор инженерных задач, решаемых с применением геофизических

методов.

К настоящему времени методы инженерной геофизики обеспечивают решение довольно широкого и разнообразного круга задач. При современных, постоянно усложняющихся строительных технологиях диапазон применения геофизических методов расширился до изучения техногенно преобразованных и техногенно созданных грунтов и материалов строительных конструкций. В данной главе приведен обзор и классификация инженерных задач, наиболее часто встречающихся в практике современного городского строительства. §1. Изучение инженерно-геологических условий.

Традиционно геофизические методы используются в составе изысканий под новое строительство в комплексе с буровыми работами, лабораторными и методами полевых испытаний фунтов. Изучение инженерно-геологических условий площадки строительства в современных мегаполисах имеет свои специфические особенности, которые заключаются в необходимости изучения, в дополнение к типовым задачам, положения и состояния подземных сооружений и инженерных коммуникаций, а

также целого ряда техногенных процессов и явлений. В верхней части разреза, сложенной преимущественно техногенно-преобразованными грунтами, огромную роль в протекании неблагоприятных процессов играет обводнение грунтов техническими и поверхностными водами, которые ухудшают физико-механические свойства грунтов, уменьшают устойчивость грунтов на склонах. В зоне нахождения подземных сооружений, подземных частей зданий, инженерных и транспортных коммуникаций протекание процессов, приводящих к изменению свойств грунтового массива, во многом определяется существующими там вибрационными, тепловыми, электромагнитными и гидродинамическими полями. §2. Геотехнические задачи

Инженерно-геофизические методы могут использоваться для решения ряда геотехнических задач. Наиболее часто необходимо исследование:

• бетонных и грунтоцементных ограждающих конструкций котлованов;

• фундаментных конструкций, созданных на основе свайных технологий;

• железнодорожных насыпей, дорожного полотна и дорожных насыпей;

• откосов, подпорных стенок, укрепления оснований фундаментов и т.д.;

• подземных сооружений и тоннелей;

• грунтоцементных свай и массивов.

§3. Изучение динамических воздействий на грунты и конструкции.

Динамические нагрузки создаются как природными (землетрясения, волны, ветер), так и техногенными источниками (транспорт, строительная техника, промышленные установки). Геофизические методы могут применяться для;

• измерения параметров динамических полей;

• определения интенсивности поглощения энергии динамического воздействия для прогноза вида и величины возможной реакции грунтов;

• непосредственного обнаружения в разрезе грунтов с измененными вследствие динамического воздействия свойствами.

§4. Инструментальное обследование состояния строительных конструкций.

Ведущее положение при диагностике бетонных и железобетонных конструкций занимают методы ультразвуковой и акустической дефектоскопии, основанные на измерении скорости распространения упругих волн в частотном диапазоне от единиц до сотен килогерц. При обследованиях протяженных бетонных конструкций

(тоннели, бетонные резервуары, аэродромные покрытия, перекрытия зданий и т.п.) возникает необходимость проведения работ в режиме непрерывного движения. Выполнение ультразвуковых и акустических исследований на протяженных объектах традиционными методами является сложной и трудоемкой задачей, В качестве альтернативы предлагается использование георадарного метода, для которого проведение измерение при скорости движения от 4 до 60 км/час не представляет технической сложности. Причем часто применение методов неразрушающего контроля является по целому ряду причин более предпочтительным, а иногда и единственно возможным способом. §5. Мониторинг грунтов и сооружений в зоне влияния крупного строительства. Проведению мониторинга предшествует обследование состояния сооружений и коммуникаций, попадающих в зону влияния, которое включает, помимо обследования конструктива, обследование грунтового основания. Изменение статических и динамических нагрузок на грунтовый массив в результате проведения земляных работ, от строящихся сооружений, от работающей техники и строительных установок может приводить к изменению свойств грунтов, дополнительным деформациям массива, активизации целого ряда негативных процессов. Глава 2. Наземные методы исследований: обзор существующих методов и предложения по их дальнейшему совершенствованию.

В данном разделе рассматриваются возможности геофизических методов, появившихся к настоящему времени благодаря развитию теоретических основ методов, аппаратуры, вычислительной техники, методик проведения полевых работ и методов обработки. Предложены направления их развития с целью расширения круга решаемых задач. §1. Многоволновая сейсморазведка.

Ограничения на проведение наземных сейсмометрических исследований, накладываемые городскими условиями, определяются: необходимостью проведения работ на небольших по площади свободных участках, ограниченным временем, отводимым на проведение работ, высоким уровнем помех и неблагоприятными условиями для возбуждения и регистрации волновых полей.

В крупных городских агломерациях верхняя часть разреза чаще всего представляет собой сложную лито-техническую систему, при изучении которой большинство

методов традиционной сейсморазведки сталкивается с техническими трудностями. Для исследования сложных неоднородных разрезов в ряде случаев достаточно успешно могут применяться методы, основанные на распространении сейсмической энергии вдоль направляющих поверхностей, в частности методы, основанные на изучении распространения поверхностных волн. Для наблюдения за распространением поверхностных волн могут быть использованы как расстановки параллельного просвечивания, так и томографические системы наблюдений. Наблюдения на поверхностных волнах могут использоваться для определения участков разнородного строения, пустот и разупрочненных участков грунта, в частности образовавшихся в результате деформаций произошедших в грунтовом массиве, например за ограждающей конструкцией котлована. При использовании поверхностных волн необходимо изучать не только кинематические, но и динамические характеристики волн: амплитудно-фазовые характеристики, параметры поглощения. При изучении поглощающих свойств грунтов могут быть определены участки с аномально высоким поглощением, в которых процессы поглощения упругой энергии обусловлены структурной перестройкой в грунте. Одной из особенностей современного развития методов инженерной геофизики является появившаяся возможность их использования для исследования строительных конструкций. Это касается в первую очередь волновых методов -георадиолокации, сейсморазведки, сейсмоакустики, ультразвуковых методов. При обследовании построенных зданий с применением сейсмических и акустических методов могут решаться следующие задачи:

• оценка состояния и степени однородности материала фундамента;

• оценка фактической глубины заложения фундамента;

• оценка условий контакта фундамента с грунтовым основанием;

• оценка прочностных и деформационных характеристик грунтового основания. Для оценки контактных условий фундамента с грунтом предложено проводить измерения поверхностной волны на поверхности грунта и фундамента при ударном возбуждении колебаний на некотором расстоянии от фундамента. В работе предложено использование спектрального коэффициента передачи и получен экспериментальный материал, который более детально позволяет изучать условия контакта между грунтом и сооружением. Спектральный коэффициент передачи

определялся отношением модуля спектра сигнала на фундаменте к модулю спектру кгО'е>)|

сигнала на грунте: К() со) = —-1

Для определения глубины заложения ленточного фундамента и определения скорости распространения упругих волн в материале фундамента предложено и опробовано использование наблюдений по способу общей глубинной точки. Контроль качества создаваемых в грунте конструкций требует применения специальных методов, так как большинство традиционных методов, используемых при диагностике железобетонных конструкций, в данном случае неприменимы. Для проведения инструментального контроля бетонных свай наиболее широко используется метод Sonic Integrity Testing (SIT). В основу метода положено изучение распространения продольных волн в теле сваи, возбуждаемых ударным способом на ее поверхности. Наблюдая отражения от конца сваи и от дефектов в теле сваи, делается заключение о сплошности и однородности сваи. Имеющийся опыт применения и предложенные автором методические и технические усовершенствования метода SIT позволяют осуществить решение следующего ряда задач:

• определение средней скорости распространения объемной волны в материале сваи и оценка его предела прочности на одноосное сжатие при известной длине сваи;

• оценка длины сваи при известной скорости объемной волны в материале сваи;

• определение сплошности и однородности сваи и наличия дефектов;

• определение величины заглубления сваи в опорный слой;

• изучение состояния опорного слоя;

• определение наличия технологических расширений на конце или стволе сваи;

• оценка контактных условий сваи с вмещающим грунтом.

С целью расширения возможностей метода SIT автором показана необходимость и возможность использования зондирующих импульсов различного частотного состава (формы), которая позволяет изменять разрешающую способность метода. Как показывают данные натурных экспериментов, это способствует раздельному наблюдению различных целевых объектов (Рис.1). Все сигналы, наблюдаемые во временном интервале между сигналом прямой волны и отраженным от конца сваи, могут рассматриваться, как сигналы, отраженные от различных дефектов и

неоднородностей в свае и, в том числе, контрастных слоев во вмещающих грунтах.

Vst=4000 м/оек

с&ая 24 акастические тоассы <молоток 100гр> скважино 4

Рис. 1 Вид полного ансамбля сейсмоакустических трасс на свае (г.Коломна, материалы получены автором).

При близком расположении свай, опирающихся на несущий высокоскоростной слой, появляется дополнительная возможность выполнения акустического прозвучивания между сваями, В этом случае возбуждение сигнала производится в оголовке одной сваи, а регистрация на соседней свае. При такой методике наблюдений может быть определена скорость распространения волны в опорном слое и оценены его прочностные или деформационные характеристики. Свойства опорного слоя в свою очередь определяют несущую способность сваи.

Для построения процедур обработки и приемов интерпретации с помощью метода конечных элементов получено решение уравнения движения для модели, описывающей нахождение сваи в кусочно однородной линейно-упругой среде. В результате были построены следующие методики:

1. сравнительная акустическая спектроскопия свай, позволяющая проводить оперативное сопоставление контролируемых свай с эталонными сваями (испытанными статической или динамической нагрузками);

2. расширенная по своим возможностям версия метода SIT с использованием разночастотного возбуждения продольной волны в оголовке сваи;

3. регистрация волн, проходящих между сваями, находящимися на едином основании (для оценки несущей способности).

§2. Пассивные сейсмические измерения.

К пассивным сейсмическим измерениям относятся измерения волновых полей, создаваемых техногенными и природными источниками колебаний. Основными источниками техногенного вибрационного поля является городской транспорт (наземный и подземный), строительная и промышленная техника (забивка свай, насосные станции, турбины и т.п.). Вибрационное поле оказывает влияние на грунтовый массив и конструкции зданий и сооружений. Характер поведения грунта при вибрационных воздействиях зависит от его типа.

Величина динамического напряжения создаваемого вибрациями может быть определена в соответствии с уравнением теории упругости для случая однородного полупространства как: ег= р • уЗ, где р-плотность грунта, 3-скорость смещения частиц грунта (виброскорость), V -скорость поверхностных волн, переносящих основную часть энергии динамического воздействия.

Рассмотренные в работе способы измерения и представления полевого материала пассивных сейсмических измерений способствуют решению следующих задач:

1. контроль качества забивки свай с уточнением грунтовых условий;

2. определение скорости распространения динамического воздействия, коэффициента затухания, коэффициента передачи сейсмического воздействия от грунтового массива к сооружению, оценку действующих в грунтовом массиве значений виброскоростей (виброускорений) и динамических напряжений;

3. составление технологического регламента работы сваебойной техники (количество установок, расположение их на строительной площадке в определенные этапы строительства и т.п.) с учетом измеренных параметров динамических полей и результатов математического моделирования с целью обеспечения допустимого воздействия на грунты и окружающую застройку.

§3. Акустическая спектроскопия.

Акустическая спектроскопия - это возбуждение различных мод колебаний и измерение их параметров в стержнях, пластинах, оболочках или других локальных телах. Из теории колебаний известно, что основные параметры колебаний: период, декремент затухания (добротность) и резонансная частота - связаны с геометрическими характеристиками локального тела и свойствами его материала. Так для определения зон нарушенного контакта плиты с грунтовым основанием

может использоваться акустическое профилирование на постоянной базе. При обработке данных профилирования удобно использовать методы атрибутного анализа. Традиционно в качестве атрибута используется величина добротности колебаний системы, определенная в точках спектрального диапазона, близких к

значению толщинного резонанса: = где Vр-скорость продольных волн в

железобетоне, ^толщина плиты. Вместо добротности в качестве атрибута могут быть использованы и более простые атрибуты, в частности, максимум спектральной амплитуды в полосе толщинного резонанса.

Рассмотренные в работе методики наблюдений и формы представления материала способствуют решению следующих инженерных задач:

1. контроль качества устройства плитных фундаментов и укрепления грунтового основания;

2. изучение состояния конструкций подземных сооружений (тоннелей, коллекторов, резервуаров и т.п.);

3. определение геометрических параметров конструкций простой геометрической формы (диаметры свай).

§4. Георадиолокационные измерения на грунтах и строительных конструкциях.

Наиболее типичная задача для георадиолокации в условиях городской застройки -определение мощности насыпных грунтов и наличия в них включений строительного мусора и строительных конструкций. В отдельных случаях возможно использование георадарного метода для наблюдения за изменениями напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

Для дорожных и железнодорожных насыпей, дамб и плотин и других насыпных сооружений, выполненных из однородного или слоисто-однородного материала, в настоящее время уже в значительной мере разработаны интерпретационные модели, позволяющие определять проблемные участки в данных геотехнических сооружениях (размывы, балластные корыта, водяные мешки и т.п.) Сходные условия возникают при исследовании состояния строительных конструкций (железобетонных, бутовых, кирпичных, деревянных и т.п.). В результате георадарный метод достаточно успешно может применяться для обследования стен, фундаментов, перекрытий и т.п.

Имеющийся опыт применения георадарного метода при обследовании

железобетонных и бетонных тоннелей (деривационных и тоннелей метрополитена) свидетельствует о высокой эффективности метода при решении следующих задач:

• определение и прослеживание изменения толщины бетонной обделки;

• обнаружение полостей и трещиноватых участков;

• определение местоположения скрытых конструктивных элементов (металлической арочной и костровой крепи, участков заделки вывалов и металлоизоляции, характера армирования и т.п.);

• определение зон повышенного увлажнения (обводнения) за обделкой. Применение рассмотренных в работе методик высокочастотной радиолокации, предложенных автором дополнительных приемов обработки и интерпретационных моделей позволяет решать задачи изучения разнообразных строительных конструкций и получать материал в наглядной и понятной специалистам других профессий форме представления.

Глава 3. Скважинные методы исследований: обзор и разработка дополнительных возможностей.

В условиях плотной городской застройки проведение наземных геофизических исследований может оказаться невозможным по причине отсутствия свободного пространства, необходимого для проведения работ. В этом случае изучение грунтов и подземных строительных конструкций может проводиться с помощью использования скважинных методов.

§1. Многоволновые акустические наблюдения в скважинах.

Одной из задач геофизических исследований при строительстве подземных сооружений с использованием методов струйной технологии является контроль качества создания искусственно закрепленных массивов, который включает определение in situ деформационных, прочностных и геометрических характеристик отдельных грунтоцементных свай и массивов, создаваемых на основе грунтоцементных свай. Геофизические методы используются совместно с буровыми, лабораторными и полевыми методами испытания свай и в большинстве случаев являются хорошим дополнением последних благодаря своей производительности и невысокой стоимости.

Для проведения акустических наблюдений в искусственно закрепленных массивах предложено использовать технологические скважины, пробуренные в ходе

проведения струйной цементации, которые обсаживаются пластиковыми трубами сразу же после окончания изготовления сваи для проведения геофизических наблюдений. Установка пластиковой трубы в еще не застывшую сваю позволяет сократить объемы буровых работ и вести наблюдения с первых дней формирования сваи.

Как показано в работе, для низкочастотных гидроволн, распространяющихся вдоль водонаполненной скважины, находящейся внутри грунтоцементной сваи, может наблюдаться дисперсия, обусловленная наличием поверхности раздела сваи и вмещающего грунта («геометрическая» дисперсия).

Сейсмоакустические скважинные методы наблюдения в грунтоцементных сваях и массивах могут применяться для решения следующих задач:

• исследование одиночных экспериментальных свай с целью наблюдения за динамикой набора прочности;

• контроль качества одиночных грунтоцементных свай, используемых для армирования грунтового основания дорожного полотна;

• контроль качества ограждающих конструкций котлованов и противофильтрационных завес;

• контроль качества грунтоцементных массивов лотковой части котлована;

• контроль качества грунтоцементных массивов, используемых в качестве оснований буронабивных свай и мостовых опор, оснований фундаментов.

§2. Межскважинные просвечивания и томография.

Оценка деформационных и прочностных характеристик и сплошности протяженных грунтоцементных массивов, формируемых из секущихся свай, например, ограждающих конструкций котлованов, производится путем сейсмического прозвучивания между соседними скважинами. Применительно к данной области сейсмоакустических исследований в работе рассмотрены специфические модели сред и соответствующие им системы наблюдений. §3. Скважинная георадиолокация.

Для более детального изучения внутренней структуры грунтоцементных и бетонных свай и их геометрических характеристик могут быть использованы скважинные георадарные наблюдения. Георадарные измерения для исследования малоглубинных скважин применяются сравнительно недавно и представляют интерес возможностью

изучения электрофизических свойств закрепленных фунтов, свай и конструкций, изготавливаемых на их основе непосредственно в грунтовом массиве. С помощью скважинных георадарных наблюдений могут решаться также геотехнические задачи:

• исследование свай сложной формы (сваи, изготавливаемые по струйной и разрядно-импульсной технологиям) и конструкций, создаваемых на их основе (ограждения котлованов, противофильтрационные завесы, основания фундаментов и т.п.);

• круговое сканирование околоскважинного пространства с целью обнаружения природных и техногенных объектов;

« определение глубины заложения свайных фундаментов;

• наблюдение за динамикой набора прочности бетонных и грунтоцементных свай. Проведенные автором совместные акустические и георадарные наблюдения внутри бетонных и грунтоцементных свай позволяют сделать предположение о наличии корреляции между кинематическими и динамическими характеристиками гидроволн и электромагнитных волн.

Глава 4. Расширение класса моделей сред на основе решения прямых задач и описания полей различной физической природы с целью построения методик исследования строительных конструкций.

§1. Физические модели сред, используемые при описании акустических полей в геотехнических и строительных конструкциях.

Для получения информации о строении и свойствах исследуемых конструкций могут быть использованы проходящие и отраженные волны всех типов - продольные, поперечные и поверхностные. В то же время, как показано в работе, большой интерес для исследования протяженных конструкций представляют волны "направляемого типа": поверхностные, гидроволны, волны, распространяющиеся в волноводах (стержни, пластины, оболочки). У данного типа волн есть целый ряд полезных свойств, дающих им преимущество по сравнению с другими волнами -высокая интенсивность, низкое затухание в направлении распространения, низкая скорость, наличие сдвиговой компоненты. Очевидно, что акустическое поле, возбуждаемое в конструкции, находящейся в грунтовом массиве, зависит также от упругих свойств грунта. Поэтому построенные математические модели учитывают

данное обстоятельство. Расчет акустического поля производится путем численного решения уравнения движения Ми"+Си'+Ки=Р, где и- вектор смещения, М-матрица масс, С - матрица затухания, К - матрица деформации, Б - вектор нагрузки, с соответствующими каждой модели начальными

еп=-рУри;+а0п=-р¥р{и„'-и0п)

и граничными условиями.

(Т(»)=(у(п+1)

т(»)_т(»+1) <7 = 0

Г = 0

и<я)=и<п+п

Так как вычисления производятся в ограниченном объеме среды, для учета искажающего влияния границ расчетной области на них вводятся специальные условия:

<т = -с]Р¥рих т = -с2рУ5иу'

где С, и С2-коэффициенты ослабления.

Для моделей, имеющих вертикальные границы, граничные условия на них могут задаваться по нежесткому типу:

Для описания поля в сваях используются осесимметричные модели, для ленточных, плитных фундаментов, стен в грунте и др. - плоские модели. Численное решение уравнения движения выполняется методом конечных элементов, с неравномерным заданием конечно-разностной сетки. Для проведения вычислений применялась схема Ньюмарка с использованием способа неявного интегрирования по времени:

и'+4' = и' +и,М+а~-сс)и' +аи"'+А')Л12

и,+ы = и' + ((1 - Р)ич + Д/"'+л,)Д/ ^>0.5

4 2 н

При решении прямых задач с использованием механического (ударного) возбуждения акустического поля нагрузка (Б) задавалась в виде полупериода синусоиды. Используемая расчетная схема допускает также и другие способы задания нагрузки.

К настоящему времени получены решения задач методом конечных элементов для следующих моделей:

• расчет волнового поля в цилиндрической свае, находящейся в слоистом грунте;

• расчет волнового поля для двух свай, находящихся на едином жестком основании, при возбуждений вертикальной силой на поверхности одной сваи и регистрации сигнала на другой;

• расчет волнового поля, при возбуждении его вертикальной силой на поверхности стены в грунте или ленточного фундамента;

• расчет волнового поля, возбуждаемого вертикальной силой на поверхности фундаментной плиты, лежащей на грунтовом основании;

• расчет волнового поля, возбуждаемого вертикальной силой на поверхности слоистого полупространства, содержащего локальные неоднородности;

• расчет волнового поля в водонаполненной скважине для источника типа направленной силы.

§2. Прямые акустические задачи для используемых моделей сред. Решение и анализ.

К настоящему времени имеется опыт применения сейсмических и акустических методов при исследовании существующих и строящихся фундаментов, в частности, сплошных (фундаментные плиты), свайных и ленточных фундаментов. 1. Фундаментные плиты.

Для построения методики наблюдения и интерпретации материла в задачах связанных с исследованием фундаментных плит построено решение методом конечных элементов для расчета волнового поля, возбуждаемого вертикальной

силой на поверхности ограниченной фундаментной плиты, лежащей на грунтовом основании. Как показывают результаты моделирования, при ухудшении контактных условий происходит подъем интенсивности амплитудного спектра сигнала в полосе толщинного резонанса. Частным случаем данной задачи является случай математического моделирования волнового поля поверхностных волн, возбуждаемого вертикальной силой в слоистом полупространстве, содержащим локальные неоднородности. Особенно интересен для практических приложений случай, когда локальными неоднородностями являются пустоты. Как показали результаты математического моделирования, на участках расположения пустот наблюдается возрастание спектральных амплитуд поверхностных волн. Полученные результаты могут использоваться при интерпретации данных метода спектрального анализа поверхностных волн (БАБ^. 2. Свайные фундаменты.

Для исследования свайных фундаментов используются, в основном, поверхностные акустические технологии. В работе проанализированы результаты математического моделирования и натурных измерений. Показано, что:

1. Динамические и кинематические характеристики продольных волн в свае существенно зависят от свойств вмещающего фунта;

2. Фазовые характеристики отраженного импульса зависят от свойств основания, на которые опирается свая (вплоть до инверсии);

3. В зависимости от акустических свойств вмещающих грунтов происходит либо интенсивное излучение энергии упругих волн из сваи, либо акустическая энергия аккумулируется внутри сваи.

Наличие явлений геометрической дисперсии и отражений на участках пересечения сваей контрастных слоев в ряде случаев могут привести к ошибкам при интерпретации натурных наблюдений. Избежать этого позволяет использование результатов математического моделирования.

Построенная математическая модель распространения акустических волн между двумя сваями, опирающимися на жесткое основание, позволяет проводить качественную оценку несущей способности свай. 3. Ленточные фундаменты.

Для ленточного фундамента была использована математическая модель возбуждения акустического поля вертикальной силой на поверхности линейно-упругой призмы, находящейся в слоистом полупространстве. Решение данной задачи может быть получено как для точек, находящихся внутри фундамента, так и для точек, находящихся в грунтовом массиве. Последнее обстоятельство позволило рассчитать коэффициент передачи для выбранной модели фундамента.

§3. Описание геоэлектрической модели в околоскважинном пространстве при использовании изолированных электромагнитных антенн.

Особенностью метода скважинной георадиолокации является различие геоэлектрических моделей среды по сравнению с применяемой при подповерхностных исследованиях. Во-первых, при проведении исследований необходимо учитывать изменение скорости распространения радиоволн вдоль профиля наблюдений (как правило, уменьшение скорости с глубиной), во-вторых, приходится иметь дело с изучением отражений от границы со средой с меньшей диэлектрической проницаемостью, в-третьих, наличие в разрезе как субгоризонтальных, так и субвертикальных границ (литологические границы).

Возможности скважинной радиолокации для обследования свайных конструкций были изучены при проведении натурных наблюдений. Изучались два типа свай:

армированные стальным каркасом и неармированные. Решение задачи определения геометрии поверхности неармированной сваи получено с приемлемой для практического применения точностью для случая нахождения сваи в кусочно-однородной среде при минимальном количестве промежуточных границ (Рис. 2).

о-зона уплотнения грунта около свои, Б-зона проникновения Бура&ага оастворо

Рис.2 Геоэлектрическая модель при изучении свай методом скважинной георадиолокации.

§4. Описание геоэлектрической модели при использовании подповерхностной радиолокации для изучения фундаментных и геотехнических конструкций.

При использовании электромагнитных волн для изучения строительных и геотехнических конструкций могут применяться те же приемы, что и при использовании акустических методов. Система уравнений Максвелла, описывающая поле электрической антенны с соответствующими граничными и начальными условиями, для ряда моделей может быть решена численными методами. Для исследования фундаментных конструкций, в ряде случаев, может быть предложено использование направляемых волн. У данного типа волн имеется одно универсальное свойство: поле направляемой волны обязательно имеет поперечные электрическую Ех и Нх магнитные составляющие, лежащие в плоскости перпендикулярной оси распространения - X. Это является необходимым условием существования продольной компоненты вектора Умова-Пойнтинга Р,=[Е,Н], определяющей передачу энергии вдоль направляющей системы. Для электрической антенны, находящейся на поверхности слабопроводящего полупространства, при наличии под поверхностью субвертикальных границ могут создаваться условия для образования "направляемых волн", при соблюдении соотношения для критического угла падения вытекающего из закона Снеллиуса:

Полезной особенностью направляемых волн является их меньшее затухание, по сравнению с волнами, распространяющимися в безграничной среде. Примерами физических моделей могут служить сваи и ленточные фундаменты, верхняя граница которых находится близко от дневной поверхности. Бетонные армированные сваи могут служить грубой моделью коаксиальной линии.

Глава 5. Разработка дополнительных приемов обработки полевых данных. §1. Использование вейвлет-разложений для анализа волновых полей.

Наиболее популярные и чаще всего используемые в практике программные пакеты RadExpro, GeoScan, Prism, RADAN и аналогичные им предоставляют достаточно большой выбор процедур обработки георадарных и сейсмических данных, необходимых как для получения экспресс-информации непосредственно при проведении полевых работ, так и на окончательном этапе камеральной обработки.

Однако, постоянно усложняющийся круг задач, стоящих перед инженерной геофизикой: необходимость проводить исследования неоднородных и поглощающих сред, локальных объектов и сред со сложной геометрией, в частности строительных конструкций, - требуют более тонкого и детального анализа георадарных и сейсмических сигналов. Широкие возможности анализа сигналов и изображений (числовых матриц) могут быть реализованы при использовании пакета Signal Processing системы MATLAB , либо аналогичных пакетов в системах Mathcad и Mathematika.

Применение дополнительных возможностей для обработки данных позволяет более детально исследовать изучаемые модели и подготовить более удобный материал для интерпретации. Как отмечалось выше, в ряде задач инженерной геофизики приходится иметь дело с ситуацией, когда полезный сигнал представляет собой сумму высокоамплитудной низкочастотной и низкоамплитудной высокочастотной составляющих. Разделение волн различного частотного состава и соответственно различного типа представляет большой интерес при проведении обработки и интерпретации материала. Задача разложения сигнала на низкочастотную и высокочастотную составляющие формулируется следующим образом: пусть {f„ }-некоторый сигнал, его разложение имеет вид: f„ =f" +f". Для идеальных низкочастотного Н 0 (а>) и высокочастотного G0(a>) фильтров, удовлетворяющих условию Н0(й>)+ G„(ffl)=l разложение в спектральной области имеет вид:

F(w)=H0(iy) F(ы)+ G0(cy) F(®)=F"(©)+ F„(®), где F??

преобразование Фурье сигнала {f„}. Соответственно, низкочастотная и высокочастотная составляющие сигналов могут быть найдены из выражений:

^"-^l^lfn-k и , где hj и g°-коэффициенты низкочастотного и

к к

высокочастотного фильтров. Неудобство использования идеальных фильтров состоит в том, они имеют бесконечное число ненулевых коэффициентов h° и g\ , которые убывают довольно медленно. Сокращение числа коэффициентов фильтров приводит к искажению результатов. Использование в качестве базисных функций вейвлетов, локализованных во временной и частотной области, дает заметно лучший результат, хотя также не является строгим решением задачи разделения волн. Из

теории вейвлетов известно, что каждому ортогональному вейвлету соответствуют два фильтра разложения h_J и g_° и два фильтра восстановления hj и g J. В работе предложен способ разделения волн с использованием ортогональных вейвлетов. На основе двумерного дискретного вейвлет-преобразования могут быть построены способы обработки георадарных и акустических изображений. Обработанные изображения позволяют выделить более детальные особенности строения объекта исследований.

§2. Использование методов спектрального оценивания при сейсмических и акустических измерениях.

В ряде случаев возможности, предоставляемые спектральным анализом на основе преобразования Фурье, могут оказаться недостаточными. Необходимость использования дополнительных приемов возникает, в частности, при решении следующих задач:

• определение частотно-временного распределения энергии сигнала;

• спектрального анализа случайных процессов, содержащих резонансные явления;

• сравнительной спектроскопии строительных конструкций, имеющих простую геометрическую форму.

Для анализа подобных сигналов наиболее тонким инструментом могут считаться методы, основанные на непрерывном вейвлет-преобразовании. Для спектрального оценивания случайных процессов опробованы и могут быть рекомендованы параметрические методы спектрального оценивания, подразумевающие наличие некоторой математической модели анализируемого случайного процесса. Применительно к рассматриваемым задачам были опробованы две группы методов: методы, основанные на авторегрессионной модели формирования сигнала (Берга, ковариационный, Юла-Уолкера) и метод MUSIC (Multiple Signal Classification), показавший наилучшие результаты.

§3. Техника обработки изображений применительно к 2D и 3D задачам георадиолокации.

Применение методов обработки изображений, реализованных в программном пакете MATLAB Image Processing Toolbox (с имеющимися в настоящее время расширениями), позволяет увеличить возможности обработки георадарных данных.

Повышение эффективности обработки достигается за счет применения нелинейной пространственной и частотной фильтрации; адаптивной нелинейной фильтрации; фильтрации на основе двумерного вейвлет-преобразования, методов сегментации изображений.

Опробование целого ряда методов обработки изображений на материалах площадной георадарной съемки показало, что:

1. Существующие пакеты обработки и интерпретации георадиолокационных данных справедливо ориентированы на развитый в сейсморазведке подход к обработке и интерпретации результатов полевых наблюдений, тогда как при решении ряда задач георадиолокации необходимо обращаться к приемам обработки изображений, развитых в других дистанционных методах исследований.

2. Формирование исходного изображения требует дополнительного объема полевых площадных наблюдений в виде формирования ортогональной сетки профилей с целью равномерного заполнения матриц временных срезов, что, в конечном счете, позволяет получить более полное изображение и сделать обработку более эффективной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Большой объем выполненного математического моделирования и натурных измерений полей различной физической природы, проведенных на грунтах и строительных конструкциях, позволяет сделать следующие выводы:

1. При проведении исследований верхней части грунтового массива и строительных и геотехнических конструкций в дополнение к традиционным методам могут использоваться волновые методы на основе волн "направляемого типа" (волны Рэлея, Стоунли, гидроволны и т.п.)

2. Использование акустических и георадарных методов позволяет проводить инструментальное обследование монолитных фундаментов (свайных, плитных и ленточных) и других подземных конструкций с целью определения геометрических, деформационных и прочностных характеристик.

3. Для определения динамических и кинематических параметров волновых полей при решении задач исследования грунтов и строительных конструкций хорошие результаты дает использование методов атрибутного-анализа, вейвлет-анализа и методов обработки изображений.

4. Проведению успешной интерпретации материалов сейсмоакустических методов способствует использование результатов математического моделирования волновых полей на основе решения уравнения движения методом конечных элементов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Капустин В.В., «Дополнительные возможности компьютерной обработки георадарных и сейсмических данных», Разведка и охрана недр, 2005/12, С-26-31.

2. Капустин В.В. «Применение сейсмических и акустических технологий при исследовании состояния подземных строительных конструкций», Технологии сейсморазведки, 2008/1, С-91-99.

3. Капустин В.В., Строчков Ю.А., «Некоторые особенности обработки георадарных данных при исследовании строительных конструкций», Разведка и охрана недр, 2008/1, С-22-25.

4. Капустин В.В., Ушаков A.JI., Бакайкин Д.В., «Применение акустических методов для обследования строительных конструкций», Разведка и охрана недр, 2008/1, С-25-28.

5. Капустин В.В. «Методика изучения особенностей распространения акустических волн в бетонных сваях с использованием методов численного моделирования », Вестник Московского университета, Сер. 4, Геология, 2008/3, С-65-70.

6. Черняков A.B., Богомолова О.В., Капустин В.В., Владов М. JI., Калинин В.В. «Контроль качества геотехнических конструкций, созданных методом струйной цементации», Технологии сейсморазведки, 2008/3, С 97-103.

7. Капустин В.В. «Акустическиие методы контроля качества свайных фундаментных конструкций.», Разведка и охрана недр, 2008/12 (в печати).

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж \ 00 экз. Заказ №

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Капустин, Владимир Викторович

Введение

Глава 1. Обзор инженерных задач, решаемых с применением геофизических методов:

§1 изучение инженерно-геологических условий;

§2 геотехнические задачи;

§3 изучение динамических воздействий на грунты и конструкции;

§4 инструментальное обследование состояния строительных конструкций;

§5 мониторинг фунтов и сооружений в зоне влияния крупного строительства.

Глава 2. Наземные методы исследований: обзор существующих методов и предложения по их дальнейшему совершенствованию.

§1 Многоволновая сейсморазведка.

§2 Пассивные сейсмические измерения.

§3 Акустическая спектроскопия.

§4 Георадиолокационные измерения на грунтах и строительных конструкциях.

Глава 3. Скважинные методы исследований: обзор и разработка дополнительных возможностей.

§1 Многоволновые акустические наблюдения в скважинах.

§2 Межскважинные просвечивания и томография.

§3 Скважинная георадиолокация.

§1 Физические модели сред, используемые при описании акустических полей в геотехнических и строительных конструкциях.

§2 Прямые акустические задачи для используемых моделей сред. Решение и анализ.

§4. Описание геоэлектрической модели при использовании подповерхностной радиолокации для изучения фундаментных и геотехнических конструкций

Глава 5. Разработка дополнительных приемов обработки полевых данных.

§1 Использование вейвлет-разложений для пространственно-временного анализа волновых полей.

§2 Использование методов спектрального оценивания при сейсмических и акустических измерениях.

§3 Техника обработки изображений применительно к 2В и ЗБ задачам георадиолокации. Заключение.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка способов комплексных геофизических исследований грунтов, геотехнических и строительных конструкций"

Городское и промышленное строительство превратилось в настоящее время в глобальный процесс, темпы и масштабы которого катастрофически растут. Огромная концентрация людей, промышленности, транспорта и коммунального хозяйства в современных мегаполисах обусловливает колоссальное воздействие'на геологическую и природную среду обитания. Появившаяся в последнее время тенденция к повсеместному освоению подземного пространства городов в еще большей мере увеличивает степень воздействия на природную среду.

Естественно, что изучение закономерностей развития и возможности управления подобной природно-технической системой, которая в скором времени может стать средой обитания большей части человечества имеет огромное научное и практическое значение. Изучение динамики природно-технических систем, по-видимому, в дальнейшем будет предметом проведения фундаментальных исследований, необходимость которых уже в настоящее время определяется увеличивающимся масштабом происходящих техногенных и экологических катастроф. Для того чтобы понять, как функционирует вся система в целом, необходимо изучить состав и свойства ее отдельных составляющих, чему, собственно говоря, и способствуют активно развивающиеся в настоящее время инструментальные геофизические методы.

Увеличение темпов строительства напрямую связано с внедрением в практику новых методов и технологий, которые в свою очередь обеспечивают решение все более сложных строительных задач. Для выбора применения той или иной технологии требуется получение предварительной информации об инженерно-геологических условиях участка строительства, а довольно часто и проведение экспериментальных исследований. Для получения предварительной информации и наблюдения за проведением экспериментальных и строительных работ используется комплекс инженерно-геологических, гидрогеологических, лабораторных, геофизических исследований и методов полевых испытаний грунтов.

Применение геофизических методов для решения задач, возникающих в ходе проведения строительных работ, имеет давнюю историю. Отдельные упоминания о применении электроразведочных и сейсмических методов для решения строительных задач встречаются с начала прошлого века. В 50-60 гг. 20 века складывается новое направление в геофизике - инженерная геофизика, областью исследования которой является верхняя часть геологического разреза (в среднем 20-30 м), сложенная преимущественно четвертичными отложениями и являющаяся грунтовым основанием наземных строений и вмещающая подземные сооружения. Наиболее бурное развитие методов инженерной геофизики, как известно, пришлось на конец 80 начало 90 гг., что объясняется развитием вычислительной техники и созданием портативной геофизической аппаратуры, развитием методов многоволновой наземной малоглубинной сейсморазведки, георадиолокации, детальных электрометрических методов на постоянном и переменном токе, детальной магниторазведки. До недавнего времени основными задачами, решаемыми методами инженерной геофизики были: изучение тектонического и литологического строения и оценка физических характеристик грунтовой толщи на участке строительства. К настоящему времени в связи с развитием производительных методов, позволяющих получать и регистрировать большой объем информации (георадиолокация, многоканальная электрометрия, ЗБ-сейсмометрия) круг решаемых задач значительно расширился [5,7,30]. К настоящему времени можно констатировать, что предметом изучения инженерной геофизики являются природные, техногенные и искусственно преобразованные грунты и располагающиеся в них и на их поверхности материалы строительных конструкций. Либо используя применяемую в настоящее время в инженерно-геологических дисциплинах терминологию[2,13,20], можно предложить более расширенное определение: предметом изучения инженерной геофизики являются природно-технические и литотехнические системы. Включение исследования свойств материалов строительных конструкций в круг задач, решаемых методами инженерной геофизики, вполне логично произошло в ходе развитию самих методов инженерной геофизики и строительных технологий. Большинство строительных материалов в сущности созданы на основе природных грунтов (кирпич, бетон, стекло и т.п.), существует промежуточный класс техногенных искусственных) грунтов [38], созданных преобразованием природных грунтов в условиях их естественного залегания, которые в ряде случаев, могут быть отнесены уже к строительным материалам, как, например, сооружения, созданные с применением технологии струйной цементации ('Jet grouting method') [4,25,26,27]. К настоящему времени уже накоплен значительный опыт изучения искусственно закрепленных грунтов, изучение которых геофизическими методами началось с 60-х годов прошлого века [29]. Данное обстоятельство наглядно иллюстрирует расширение области применения методов инженерной геофизики по мере развития строительных технологий.

Применение геофизических методов для решения инженерных задач в условиях современных площадок строительства довольно часто сталкивается со значительными трудностями, обусловленными недостатком места для проведения наземных геофизических исследований, высоким уровнем помех и высокой интенсивностью строительных работ. В связи с • этим в ряде случаев предпочтение отдается методам наблюдения во внутренних точках среды. Как правило, это методы исследования околоскважинного и межскважинного пространства, проводимые с использованием малоглубинных (до 20 м) скважин. Использование скважинных методов, как правило, не препятствует ходу строительных работ и не требует освобождения значительного пространства поверхности от техники и строительных материалов.

Развивающиеся в последние несколько десятилетий высокочастотные волновые методы (электромагнитные, акустические и ультразвуковые), способствуют решению целой группы специфических задач исследования грунтов и строительных материалов, отличающихся небольшой глубинностью (1-5 м), но высокой разрешающей способностью. На основании высокоразрешающих методов исследований в настоящее время развивается отдельное направление, получившее название диагностики строительных конструкций. Значительный интерес вызывают также методы измерения физических полей природного и техногенного происхождения (вибродинамических, электромагнитных, температурных и др.), высокая интенсивность которых (в особенности техногенных) может приводить к изменению свойств грунтов и материалов и ускорять течение ряда неблагоприятных процессов и явлений, например, таких как суффозия, склоновые процессы, просадки и др.

Даже при кратком рассмотрении задач и методов инженерной геофизики становится очевидным их большое многообразие и за редким исключением почти полное отсутствие методов доведенных до уровня производственных технологий, что требует соблюдения следующих условий:

- наличия специализированной аппаратуры;

- наличия специализированных методов обработки;

- построенной и изученной интерпретационной модели;

- наличия нормативной и методической документации.

Данным условиям в полной мере не удовлетворяет практически ни один из используемых в инженерной геофизике методов, за исключением разве что ультразвукового метода исследования бетона, электрометрического метода определения коррозионной активности грунтов, сейсмического микрорайонирования территории строительства. Наиболее сложным вопросом в разработке технологий является утверждение нормативной и методической документации. Цель работы

Целью настоящей работы является развитие способов решения ряда инженерно-геофизических задач с использованием наземных и скважинных сейсмометрических и георадарных методов для создания основ технологий инструментальных исследований, используемых при инженерно-геологических изысканиях, в процессе сопровождении строительства и эксплуатации сооружений. Основные задачи исследований:

5. Опробование и применение разработанных методик на объектах крупного городского строительства.

Основные защищаемые положения:

2. Разработаны и опробованы скважинные методики исследования грунтоцементных и бетонных массивов, позволяющие оценивать их основные прочностные и деформационные характеристики.

Научная новизна.

3. Получены и проанализированы численные решения уравнений движения для предложенных математических моделей с целью изучения кинематических и динамических особенностей волновых полей. 4. Для определения динамических и кинематических параметров волновых полей при решении инженерных задач предложено использование оригинальных методов обработки с применением атрибутного анализа, вейвлет-анализа и методов обработки и сегментации изображений.

Практическая значимость.

В рамках данной работы разработан ряд методик используемых для решения целого ряда инженерных задач, которые опробованы и применяются в настоящее время на объектах городского строительства. По результатам данной работы в настоящее время в ряде организаций, ведущих работу на объектах городского строительства, проводится разработка технологических регламентов, мероприятий по организации контроля качества производимой продукции и корректировка нормативной базы. Необходимость разработки рассматриваемых методик обусловлена усложнением строительных задач и внедрением новых строительных технологий.

Внедрение результатов работы.

Разработанные в ходе исследования методики и программные средства используются при разработке технологических регламентов и проведении контроля качества ж/бетонных и грунтоцементных ограждений котлованов, противофильтрационных завес, фундаментных конструкций и т.п. в НПО «КОСМОС», ООО «Космос-Урал», ООО «Космос-Мост», ООО «ИнжСтройИзыскания», ЗАО «Триада-Холдинг» и др.

Публикации.

Основные результаты исследований опубликованы в 7 научных статьях и 4 сборниках материалов к научно-практическим конференциям.

1. Капустин В.В., «Дополнительные возможности компьютерной обработки георадарных и сейсмических данных», Разведка и охрана недр, 2005/12,С26-31.

4. Капустин В.В., Ушаков А.Л., Бакайкин Д.В., «Применение акустических методов для обследования строительных конструкций», Разведка и охрана недр, 2008/1, С-25-28.

6. Черняков А.В., Богомолова О.В., Капустин В.В., Владов М. Л., Калинин В.В. «Контроль качества геотехнических конструкций, созданных методом струйной цементации», Технологии сейсморазведки, 2008/3, С 97-103.

7. Капустин В.В. «Акустические методы контроля качества свайных фундаментных конструкций.», Разведка и охрана недр, 2008/12 (в печати). Апробация работы.

Основные результаты докладывались автором на следующих мероприятиях: ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА-2005

Дополнительные возможности компьютерной обработки георадарных и сейсмических данных, Капустин В.В. (ИнжСтройИзыскания). ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА-2006

Применение скважинных акустических и радарных методов для решения инженерных задач. Капустин В.В. (ИнжСтройИзыскания), Помозов В.В., Семейкин Н.П. (ООО "Логические Системы")

Некоторые особенности обработки данных, используемые при георадарных исследованиях строительных конструкций. Капустин В.В., Строчков Ю.А.

ООО «ИнжСтройИзыскания»)

ИНЖЕНЕРНАЯ И РУДНАЯ ГЕОФИЗИКА - 2008

Работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Содержит 195 страниц машинописного текста, 128 рисунков и библиографический список использованных литературных источников из 48 наименований, из которых 5 иностранных. Благодарности:

Автор выражает благодарность своему научному руководителю Владову М.Л. за помощь и поддержку при написании данной работы. Автор высоко ценит помощь, оказанную Калининым В.В. при обсуждении основных результатов данной работы. Автор выражает признательность профессору кафедры инженерной и экологической геологии МГУ Вознесенскому Е.А., доцентам Шалаевой Н.В., Старовойтову A.B., Гайнанову В.Г. и другим сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики МГУ за ценные замечания и конструктивную критику, руководителям ООО «НПО КОСМОС» Чернякову A.B. и Богомоловой О.В., руководителям ООО «ИнжСтройИзыскания» Калиничеву A.B., Батагову Б.А., Гавриленко В.В. за оказанную помощь при разработке и внедрении ряда методов, руководителям ООО «Логические системы» Семейкину Н.П. и Помозову В.В. и руководителю НПЦ «Геотех» Монахову В.В. за помощь в аппаратурном оснащении, руководителям ЗАО «Триада-Холдинг» Шилину A.A. и Кириленко A.M., руководителю лаборатории свайных фундаментов (НИИОСП) Ястребову П.И. за предоставленную возможность решения интересных задач и получения ценного материала. Огромное спасибо всем коллегам, которые участвовали совместно со мной в написании публикаций, докладов и получении материалов. Светлая память Аркадию Васильевичу Калинину, под руководством которого начались данные исследования.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Капустин, Владимир Викторович

выводы:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Написанию данной работы, в частности, способствовало то обстоятельство, что большинство исследователей при рассмотрении инженерных задач столкнутся с немногочисленностью методик, способствующих их решению. Разумеется, в рамках данной работы невозможно детально изложить все опробованные методы, которые к тому же требуют своего дальнейшего развития. Тем не менее, круг основных задач рассмотрен и указаны основные направления развития.

Большой объем проведенного математического моделирования и натурных физических измерений, выполненных на грунтах и строительных конструкциях, позволяет сделать следующие выводы:

1. При проведении исследований верхней части грунтового массива для решения задач городского строительства и строительных конструкций могут использоваться волновые методы на основе волн направляемого типа (волны Рэлея, Стоунли, гндроволны, электромагнитные полны в направляющих системах и т.п.)

3. Для определения динамических и кинематических параметров волновых полей при решении задач исследования грунтов и строительных конструкций предложено использование дополнительных методов обработки с применением атрибутного-анализа, вейвлет-анализа и методов обработки и сегментации изображений.

4. Проведению успешной интерпретации материала сейсмоакустических методов способствует использование математического моделирования волновых полей на основе решения уравнения движения методом конечных элементов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Капустин, Владимир Викторович, Москва

1. Балдев Р., Раджендран В., Паланичами П., Применения ультразвука., М.: Техносфера, 2006.

2. Бондарик Т.К., Пендин В.В., Ярг Л.А., Инженерная геодинамика, М. КДУ, 2007,440 с.

3. Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. Изд-во АН СССР, 1957 г, 502 с.

4. Бройд И.И. Струйная геотехнология. М. изд. Ассоциации строительных вузов, 2004.

5. Геофизика. Под. ред. В.К. Хмелевского. М. КДУ, 2007, 320 с.

6. Гонсалес Р.,Вудс Р.,Эддннс С., Цифровая обработка изображений в среде MATLAB.,М.: Техносфера, 2006.

7. Горяинов H.H., Ляховицкий Ф.М., Сейсмические методы в инженерной-геологии. М., Недра, 1979, 143с.

8. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. М., Изд.-во стандартов. 1987.

9. Гуревич Г.И. Деформируемость сред и распространение сейсмических волн. М. Наука, 1979, 486 с.

10. Ю.Дьяконов В.П., Обработка сигналов и изображений., М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

11. Калинин A.B., Владов М.Л.,Мусатов A.A.,Шалаева Н.В.Дузуб H.A. О комплексном изучении характеристик волнового поля в скважине с целью расчленения разреза по инженерно-геологическим свойствам пород. ДАН СССР,т. 299, №2,1988 г.

12. Калинин A.B., Калинин В.В., Владов М.Л. и др. Электроискровой Источник упругих волн для целей наземной сейсморазведки. М., Изд-во МГУ, 1989. 193 с.

13. Калинин Э.В. Инженерно-геологические расчеты и моделирование, М. Изд. МГУ, 2006-256 с.

14. Карлов Н.В., Кириченко H.A., Колебания, волны структуры., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.

15. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц М.М. MATLAB 6.x.: программирование численных методов., СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

16. КингР., Смит Г., Антенны в материальных средах., М.: МИР, 1984.

17. Кольский Г. Волны напряжения в твердых телах. М.: изд-во Иностранной литературы, 1953.

18. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий., М.: ВНИИНТПИ, 2000.

19. Коробов А.И. Резонансная акустическая спектроскопия твердых тел. М.: изд-во МГУ, 2003.

20. Королев В.А.;Под. ред. Трофимова В.Т., Мониторинг геологических и эколого-геологических систем, М.,КДУ,2007-416 с

21. Кузменко A.A., Воробьев В.Д., и др.,Сейсмическое действие взрыва в горных породах., М.: Недра, 1990.

22. Кухаркин Е.С. Электрофизика информационных систем., М.: изд-во «Высшая школа», 2001.

23. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости, изд. Физматлит, Москва, 2003 г.

24. Ляховицкий Ф.М. О соотношении упругих и прочностных свойств горных пород. В сб. Геофизические исследования, №1 изд. МГУ, 1964 г.

25. Малинин А.Г. Предварительное инъекционное закрепление грунтов при строительстве тоннелей в Перми. // Подземное пространство мира, 2001, №1.

26. Малинин А.Г. Применение грунтоцементных свай в городском строительстве.// Пермские строительные ведомости, 2001, №4.

27. Малинин А.Г. Применение струйной цементации в подземном строительстве. // Подземное пространство мира, 2000, №2.

28. Миндель И.Г., Трифонов Б.А. Оценка показателей деформационных и прочностных свойств водонасыщенных песчано-глинистых грунтов по отношению VpWs. Тезисы доклада. Инженерная геофизнка-2005 г. Геленжик.

29. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики, изд. МГУ. 1981 г.

30. Под ред.Шевнина В.А. и Модина И.Н., Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности.М.; изд-во «РУССО», 1999.

31. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации, М.: изд-во «Университетская книга», 2005.

32. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии. /Мин.-во геол СССР; Всесоюз. науч.-псслед.ин-т гидрогеол. и инж. геол.; Под ред. Н.Н. Горяинова.- М., Недра, 1992.- 264 с.

33. Проблемы механики. Сборник статей под ред. X. Драйдена и Т. Кармана (3BY781)

34. Свешников А.Г., Боголюбов А.Н., Кравцов В.В., Лекции по математической физике., М.: Наука, 2004.

35. Сергиенко А.Б., Цифровая обработка сигналов., СПб.: Питер, 2003.

36. Смоленцев Н.К., Основы теории вейвлетов., М.: изд-во «ДМК», 2005.

37. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985.

38. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А. и др. Грунтоведение. М. изд. МГУ, 2005.

39. Уайт Дж. Э. Возбуждение и распространение сейсмических волн. М.,Недра, 1986.262с.

40. Фок В.А. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн., М.: изд-во ЛКИ, 2007.

41. Фролов А.Д., Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов., Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2005.

42. Циглер Ф., Механика твердых тел и жидкостей., Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002.

43. ШтаркГ.-Г., Применение вейвлетов для ЦОС., М.: Техносфера, 2007.

44. Daubechies I. The wavelet transform, time-frequency localization and signal analysis// IEEE Trans. Inform. Theory .-Vol. 36.-1990.-P.961-1005.

45. Ganji, V.,Gucunski, N., and M.N. Maher (1997). "Detection of Undeground Obstacles by SASW Method-Numerical Aspect ", Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering. Volume 123, Number 3. pp 212-219.

46. Hughes,THJ.R., The finite element method. Linear static and dynamic analysis, Prentice Hall Int., 1987.

47. Lysmer J, Kuhlmeuer R.L. (1969) Finite Dynamic Model for Infinite Media ASCE J of the Eng. Mech. Div., p. 859-877.

48. Smith, E.A.L. (1960) Pile-Driving Analysis by the Wave Equation. Journal of theEngineering Mechanics Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers. Vol. 86, No. EM 4, August.

Информация о работе

Капустин, Владимир Викторович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2008
ВАК 25.00.10

Диссертация

Разработка способов комплексных геофизических исследований грунтов, геотехнических и строительных конструкций - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы