Как известно свая в грунте представляет собой сложную колебательную систему с несколькими
последовательно-параллельными контурами. Несущая способность сваи зависит от параметров
окружающего грунта (пористость, коэффициент сжимаемости, модуль сдвига и др.).
При динамическом воздействии на голову сваи большим молотом в системе тело сваи
– соколеблющаяся масса грунта (характеризующая несущую способность, как по острию,
так и по боковой поверхности) возбуждаются волновые процессы и распространяются
инфразвуковая, звуковая и ультразвуковая энергия. При распространении энергии, согласно
модели Е. Скучика [1], происходит её отражение от концов сваи и всех неоднородностей,
встречающихся на пути. Затухание энергии происходит по экспоненте.
Этот процесс определяется характеристическим импедансом, спектром, где максимумы
соответствуют резонансам (то есть собственным частотам сваи), а минимумы – антирезонансам.
Эти параметры связаны с размерами свай и объемом соколеблющейся массы грунта и тела
сваи. При известной несущей способности сваи, определённой традиционной статической
нагрузкой, и измеренных характеристиках, можно её использовать в качестве эталона.
Измерение характеристик других свай позволит путём сравнения геофизических признаков
с эталоном определить изменение несущей способности на данной строительной площадке
[2]. При отсутствии такого эталона, что соответствует нашей ситуации, можно использовать
статистические характеристики в аналогичных грунтах с теми же размерами забивных
свай. При этом можно получить в основном лишь качественные оценки.
Распространение энергии в системе соколеблющаяся масса грунта – свая происходит
в условиях суперпозиции волноводов (модель акад. Бреховских). При этом существует
фазовая и групповая скорости, связанные с дисперсией (т.е. частотнозависимые). Поэтому
в спектре сигнала сваи без дефектов уже существуют амплитудно-фазочастотная модуляция.
При наличии неоднородностей (трещин и др.), ввиду явления релаксации, происходит
задержка сигнала, а также увеличивается амплитуда сигнала. Таким образом, неоднородности
в свае могут быть обнаружены по нескольким признакам.
К ним относятся:
- Отклонение амплитуды сигнала (увеличение) от экспоненциального спада во времени;
- Скачок фазы;
- Изменение индекса частотной модуляции от среднего значения.
Поскольку измерения признаков выполняются в нестационарных условиях, для более надёжного
определения несущей способности свай использована совокупность признаков.
При возбуждении свай (см. рис. 6) измерительными молотками (1) для приёма и обработки
сигналов использовались пьезодатчики (2) (КВ-12 (частотный диапазон 1Гц – 300Гц)
и КД-29 (частотный диапазон 1 Гц – 35 кГц)), усилители заряда типа 2651 фирмы Bruel
& Kjaer (3), аналого-цифровой преобразователь (частота
оцифровки 44100 Гц) (4), ПК-ЭВМ (Ноутбук ASUS A4000) (5), а также программное обеспечение
Фурье-анализа и Вейвлет-анализа. Применялись различные схемы измерений. Всего были
измерены и обработаны сигналы 43 свай.
Рис. 6. Схема измерений геофизическим методом. 1 - измерительные молотки; 2 - пъезодатчики;
3 – усилители заряда; 4 – аналого-цифровой преобразователь; 5 – ПК-ЭВМ.
Предварительно методом конечных элементов для сваи длиной 15 метров был рассчитан
характеристический импеданс отраженных сигналов в свае, определены собственные резонансные
частоты продольных и поперечных волн, а так же измерены импедансы аналогичных свай
заводского изготовления, до их погружения.
Кроме этого, были проанализированы сигналы таких же размеров свай в грунте в аналогичных
условиях (районы, прилегающие к реке Нева). Определены их статистические характеристики
тем же комплектом аппаратуры. В качестве признаков были выбраны декременты затухания
дискретных составляющих собственных резонансных частот системы свая-соколеблющаяся
масса в секундах и соотношение амплитуд дискретных составляющих и сплошной (рассеянной
компоненты) части. Заметим, что этот признак характеризует соотношение упруго-пластичных
свойств сложного колебательного контура, дающего возможность оценить несущую способность
свай.
Анализ этих данных показал следующее:
В спектре отраженных сигналов свай выделяются собственные резонансные частоты колебательной
системы: 50, 100, 1200, 2500 Гц, что совпадает с расчетными данными.
Для свай по статистическим данным в аналогичных условиях соотношение амплитуд дискретных
составляющих к сплошной части спектра составило 20 дБ, для измеренных сигналов 43
свай корпуса №1 это соотношение составило 2-6 дБ.
Декременты затухания при аналогичном сравнении соответствовали 0.03 сек. и 0.05
сек. При принятом уровне помех эти сравнительные характеристики позволили сделать
суждение о том, что несущая способность свай Солодовенного завода до 1,5…2,0 раз
меньше расчетной.
Сопоставление с результатами моделирования подтверждает этот результат.
При определении дефектов свай схема измерений осталась та же, но изменился вид обработки.
На рисунках 6…9 выборочно приведены амплитудно-временные характеристики сигналов
отдельных свай.
На рисунках 7-10 выборочно приведены вейвлет-спектры в трехмерном и двумерном отображении.
Стрелками показаны дефекты (трещины).
Рис. 7. Двухмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании
сваи №18.
Рис. 8. Двухмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании
сваи №37.
Рис. 9. Техмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании
сваи №18.
Рис. 10. Техмерный вейвлет-спектр отраженного сигнала при геофизическом тестировании
сваи №37.
Анализ этих данных показывает следующее:
- Более 80% свай имеют существенные дефекты.
- Результаты измерений показывают, что трещины расположены на глубине 2-8 метров от
головки свай.