Способ сейсмоакустической оценки деформационно-прочностных характеристик грунта
METHOD OF SEISMIC-ACOUSTIC EVALUATION OF DEFORMATION-STRENGTH PROPERTIES OF SOIL

Изобретение относится к строительству, в частности к контролю качества прочностных характеристик грунтов.
Известен способ сейсмической оценки (разведки) массива пород, включающий возбуждение сейсмических колебаний искусственными источниками, регистрацию сигналов сейсмоприемниками, распределенными на поверхности, и использование полученных сейсмограмм для извлечения информации о строении исследуемой среды (Мешбей В.И. Сейсморазведка методом общей глубинной точки. - М.: Недра, 1973, 152 с.). Недостатком способа является низкая точность определения структурного строения и скоростных характеристик массива пород сложного геологического и вещественного строения.
Известен способ оценки качества неоднородных грунтов, включающий предварительное сейсмоакустическое определение плотности грунта с измерением скорости прохождения продольных упругих волн в опытных образцах грунта и установление корреляционных зависимостей между измеренными характеристиками, измерение скорости прохождения продольных упругих волн в контролируемом грунте и оценку физических свойств и прочностных характеристик грунта с использованием установленных корреляционных зависимостей (Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. Изд-во МГУ, 1981, - с. 113-120). Однако этот способ позволяет судить лишь о деформационно-прочностных характеристиках грунта, только на основе корреляционных зависимостей с параметрами продольных упругих волн, т.е. способ имеет недостаточную информативность. Поэтому наряду с сейсмоакустическим методом приходится отбирать пробу на состав грунта, включающий выемку грунта, высушивание и рассев, что повышает трудоемкость геотехнического контроля.
Известен способ сейсмоакустической оценки деформационно-прочностных характеристик грунта, включающий предварительное определение деформационно-прочностных характеристик грунта с одновременным измерением скорости прохождения продольных и поперечных упругих волн в опытных образцах грунта и установление корреляционных зависимостей между измеренными характеристиками, измерение скорости прохождения продольных и поперечных упругих волн в контролируемом грунте и оценку деформационно-прочностных характеристик грунта с использованием установленных корреляционных зависимостей (Патент РФ №2038595, опубл. от 27.06.1995).
Однако данный способ оценки деформационно-прочностных характеристик грунтов требует достаточного большого количества проведения предварительных натурных сейсмоакустическим измерений опытных образцов для различных видов грунтов в целях получения корреляционных зависимостей, что повышает трудоемкость и время для определения деформационно-прочностных характеристик грунтов при строительстве объектов с помощью данного способа.
Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения заключается в снижении трудоемкости и времени для определения деформационно-прочностных характеристик грунтов при строительстве объектов в различных грунтах.
Для достижения данного технического результата в предлагаемом способе сейсмоакустической оценки деформационно-прочностных характеристик грунта, включающим предварительное установление корреляционных зависимостей между деформационно-прочностными характеристиками определенного вида грунта и скоростями прохождения продольных и поперечных упругих волн в данном виде грунта, измерение скорости прохождения продольных и поперечных упругих волн в исследуемом грунте и оценку деформационно-прочностных характеристик исследуемого грунта с использованием установленных корреляционных зависимостей, согласно изобретения, предварительное установление корреляционных зависимостей производят на основе обобщения данных, имеющихся в опубликованных печатных источниках, без проведения сейсмоакустических измерений, а корреляционные зависимости формулируют в виде зависимостей значений статических модулей деформации и упругости определенного вида грунта от значений скоростей продольных и поперечных волн в этих грунтах.
Введение в предлагаемый способ сейсмоакустической оценки деформационно-прочностных характеристик грунта предварительного установления корреляционных зависимостей между деформационно-прочностными характеристиками определенного вида грунта и скоростями прохождения продольных и поперечных упругих волн в данном виде грунта на основе данных, имеющихся в опубликованных печатных источниках, без проведения сейсмоакустических измерений, и формулирование их в виде зависимостей значений статических модулей деформации и упругости определенного вида грунта от значений скоростей продольных и поперечных волн в данном виде грунта, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности исключения необходимости проведения трудоемких, продолжительных по времени и дорогостоящих натурных сейсмоакустических измерений на этапе предварительного установления корреляционных зависимостей между деформационно-прочностных характеристиками подобного к исследуемому грунта и скоростями прохождения продольных и поперечных упругих волн в данном виде грунта, за счет использования только данных, имеющихся в опубликованных печатных источниках.
Способ осуществляют следующим образом.
На практике часто возникает ситуация, когда необходимо оперативно оценить экономические показатели строительства (например, на стадии предпроектных изысканий). Геологическая документация по объекту может отсутствовать (т.е. неизвестны статические модули и прочностные свойства грунтов, состав грунтов, его плотность и другие параметры). Проводить полноценные геологические изыскания (буровые работы, геотехнические и лабораторные исследования и геофизические работы), которые требуют значительных затрат времени и средств, как правило, возможности нет. Выходом в данной ситуации является предлагаемый способ оценки деформационно-прочностных характеристик грунтов на основе только сейсмоакустических исследований.
Анализ материалов сейсмических исследований на различных объектах с самым разным геологическим строением позволил сделать вывод о возможности, используя совместно скорости продольных и поперечных волн, оценить статические модули деформации и упругости.
0
С
p
При построении зависимостей статических модулей от скоростей упругих волн использовались уравнения связи из опубликованных печатных источников статического модуля деформации (Е) и статического модуля упругости (Е) от скорости продольных волн (V) для различных грунтов в различных состояниях (трещиноватость, водонасыщенность и др.).
Зависимость статического модуля деформации для рыхлых грунтов.
Не учитывая плотность грунтов:
Учитывая плотность грунтов:
Зависимость статического модуля деформации для скальных и полускальных грунтов.
Не учитывая плотность грунтов:
Учитывая плотность грунтов:
Зависимости статического модуля упругости для скальных и полускальных грунтов.
Не учитывая плотность грунтов:
Учитывая плотность грунтов:
0
С
P
3
где Е - статический модуль деформации; Е - статический модуль упругости; V - скорость продольных волн (км/с); Vs - скорость поперечных волн (км/с); ρ - плотность грунта (т/м).
Представленные выше зависимости являются новыми и раньше не публиковались в открытой печати, что потребовало проверки их ревалентности с результатами натурных сейсмоакустических измерений в аналогичных грунтах.
При проверки ревалентности полученных зависимостей были использованы результаты натурных сейсмоакустических измерений различных видов грунтов (при строительстве метрополитена в г. Москва и г. Санкт-Петербург, а также при строительстве ж/д тоннелей в различных регионах Российской федерации и за рубежом) и реальные скорости упругих волн по этим или аналогичным грунтам по материалам сейсмических исследований ОАО «Ленметрогипротранса».
Полученные в рамках исследований результаты расчетов представлены на фиг. 1-6 в виде графиков зависимостей статических модулей деформации и упругости от значений скоростей продольных и поперечных волн, а также плотности грунта.
На фиг. 1 и 2 - зависимости статического модуля деформации для рыхлых (неконсолидированных) грунтов. На фиг. 3 и 4 зависимости статического модуля деформации для скальных и полускальных грунтов, а на фиг. 5 и 6 - статического модуля упругости для скальных и полускальных грунтов. А именно:
- на фиг. 1 - зависимость статического модуля деформации для рыхлых (неконсолидированных) грунтов, без учета их плотности;
- на фиг. 2 - зависимость статического модуля деформации для рыхлых (неконсолидированных) грунтов, с учетом их плотности;
- на фиг. 3 - зависимость статического модуля деформации для скальных и полускальных грунтов, без учета их плотности;
- на фиг. 4 - зависимость статического модуля деформации для скальных и полускальных грунтов, с учетом их плотности;
- на фиг. 5 - зависимость статического модуля упругости для скальных и полускальных грунтов, без учета их плотности;
- на фиг. 6 - зависимость статического модуля упругости для скальных и полускальных грунтов, с учетом их плотности.
На графиках также показан квадрат коэффициента корреляции Пирсона (значения обозначены крестиками).
По оси абсцисс на графиках откладывается:
Не учитывая плотность грунтов:
Учитывая плотность грунтов:
Сравнивая зависимости, построенные с учетом плотности грунтов и без ее учета видно, что значения коэффициентов корреляции меняются незначительно и разнонаправлено, поэтому, когда неизвестны плотности грунтов, ими можно пренебречь.
0
с
0
с
0
с
0
с
0
с
Также была произведена оценка достоверности получаемых значений статических модулей по опубликованным наиболее представительным источникам, и по корреляционным зависимостям, представленным в данном изобретении. Оценка производилась следующим образом: не меняя других параметров расчета, изменялись только скорости продольных или поперечных волн. По зависимостям из опубликованных источников оценка показала: при изменении скорости продольных волн на 10% модуль статической деформации (Е) для различных типов пород изменялся на 5,1%-5,6%, модуль статической упругости (Е) изменялся на 4,9%; при изменении скорости поперечных волн на 10% изменения модулей составляли 19,6%-21,4% и 19% соответственно. То есть общее изменение значений модулей при ошибке в 10% в определении скоростей составляет для Е ~ 24,7-27% и для Е ~ 23,9%. По предлагаемым авторами корреляционных зависимостях (по той же схеме): Е ~ 7,9%, Е ~ 16,1% и Е ~ 16,5%, Е ~ 7,9%. То есть общее изменение составляет для Е ~ 24,4% и для Е ~ 24%, вне зависимости от состава и типа пород.
Таким образом, используя только результаты сейсмических измерений исследуемых грунтов с предложенными авторами корреляционных зависимостей, имеется возможность определять статические деформационные характеристики грунтов в условиях естественного залегания. При этом достоверность получаемых значений статических модулей, по крайней мере, не ниже чем при использовании корреляционных зависимостей, полученных эмпирическим путем.
Источники информации
1. Мешбей В.И. Сейсморазведка методом общей глубинной точки. - М.: Недра, 1973, 152 с.
2. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. Изд-во МГУ, 1981, - с. 113-120.
3. Патент РФ №2038595, опубл. от 27.06.1995 - прототип.