Применение неразрушающих методов определения механических характеристик грунта при численном моделировании динамических воздействий на существующее здание

УДК 624.131

ШУТОВА О. А. ПОНОМАРЕВ А. Б. АНТИПОВ В. В. ОФРИХТЕР В. Г

Применение неразрушающих методов определения механических характеристик грунта при численном моделировании динамических воздействий на существующее здание

Представлены результаты применения метода многоканального анализа поверхностных волн (МАПВ) для измерения скоростей поперечных волн и последующей оценки механических характеристик грунта, необходимых для численного моделирования вибрационного воздействия от транспорта. Полученные результаты позволяют оценить эффективность применения метода МАПВ для получения исходных данных, использующихся при численном моделировании и результатов численного моделирования.

Ключевые слова: неразрушающие методы исследования, скорость поперечных волн, многоканальный анализ поверхностных волн (МАПВ), активный метод МАПВ, пассивный метод МАПВ, динамическое воздействие на здание.

SHUTOVA O. A., PONOMARYOV A. B, ANTIPOV V. V., OFRIKHTER V. G.

APPLICATION OF NONDESTRUCTIVE METODS OF DETERMINATION OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF THE SOILS FOR NUMERICAL MODELLING OF DYNAMIC IMPACT ON EXISTING BUILDING

The article presents the results of applying the method of multichannel analysis of surface waves (MASW) to measure the velocities of the transverse waves and estimate the mechanical properties of the soils. These velocities requiredfor the numerical simulation of vibration impact on existing building by car traffic. The results allow to evaluate the effectiveness of MASW to obtain initial data for the numerical simulation.

Keywords: nondestructive research methods, transverse wave velocity, multichannel analysis of surface waves (MASW), active MASW, passive MASW, dynamic impact on the building.

Шутова Ольга

Александровна

старший преподаватель кафедры «Строительное производство и геотехника», Пермский национальный исследовательский политехнический университет

e-mail: gshperm@mail.ru

Пономарев

Андрей

Будимирович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительное производство и геотехника», Пермский национальный исследовательский политехнический университет

e-mail: pstf@pstu.ru

Антипов

Вадим

Валерьевич

магистрант кафедры «Строительное производство и геотехника», Пермский национальный исследовательский политехнический университет

e-mail: seekerva@mail.ru

Офрихтер

Вадим

Григорьевич

кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительное производство и геотехника» Пермского национального исследовательского политехнического университета

e-mail: ofrikhter@mail.ru

Ш:

Иллюстрация 1. Измерительный комплекс на базе однокомпонентного сейсмического акселерометра ВC 130. Авторы: О. А. Шутова, А. Б. Пономарев, В. В. Антипов, В. Г Оф-рихтер. 2012 г

Иллюстрация 2. Модель для расчета в GeoStudio Quake/W: 1 — расчетная точка; 2 — точка приложения динамической нагрузки. Авторы: О. А. Шутова, А. Б. Пономарев, В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер. 2017 г.

Введение

Известно, что на урбанизированных территориях основными источниками техногенного вибрационного воздействия на здания и сооружения являются строительные работы, производственное оборудование и транспорт. Вибрационное воздействие этих источников на основания и фундаменты зданий исследуется давно, однако в настоящее время в России нормируется только влияние динамического оборудования [1] и забивки свай [2]. Воздействие транспорта рассмотрено в [3] (рельсовый транспорт) и [4] (упоминание транспорта). Поэтому исследование воздействия автотранспорта на основания и фундаменты зданий является актуальным.

При изучении и прогнозировании вибрационного воздействия транспорта на здания и сооружения проводятся не только натурные эксперименты, но и численное моделирование в различных программных комплексах. Очевидно, что численное моделирование на порядки дешевле и может быть выполнено в кратчайшие сроки по сравнению с натурными наблюдениями. Получение корректных результатов численного моделирования динамического воздействия неразрывно связано с механическими характеристиками расчетных слоев грунта при малых деформациях, определение которых, как правило, не практикуется при выполнении инженерно-геологических изысканий и вызывает определенные сложности у изыскательских организаций. Речь идет о таких параметрах, как скорости продольных и поперечных волн и коэффициент Пуассона для грунтов зоны малых скоростей верхней части разреза. В связи с вышеизложенным необходимо развивать оперативные методы получения требуемых характеристик грунтов.

Полевые исследования

Исследование воздействия транспорта на существующее здание было выполнено на площадке, расположенной в г. Перми по адресу ул. Петропавловская, д. 78. Здание жилое, 5-этажное, на фундаменте мелкого заложения.

Здание расположено перпендикулярно проезжей части на расстоянии 11,2 м от края проезжей части (17,7 м от центра дороги). Инженерно-геологические условия площадки представлены суглинком серым, иловатым, влажным до глубины около 5,5 м и песком мелкозернистым. В качестве расчетного слоя основания принят

суглинок серый. Физико-механические характеристики грунта основания были приняты по данным отчета об инженерно-геологических изысканиях на исследуемой площадке.

Натурный эксперимент проводился с помощью измерительного комплекса, состоящего из датчика (однокомпонентного сейсмического акселерометра ВС 130), аккумулятора, внешнего модуля аналого-цифрового преобразователя и ноутбука с установленной программой «Ь-вгарЬ». Датчик устанавливался с наружной стороны стены на фундамент в уровне земли на металлический уголок (Иллюстрация 1).

Измерения проводились при вертикальном и горизонтальном расположении датчика. При этом фиксировался проход одиночного транспортного средства. Замеры проводились при движении транспорта по ближайшей к зданию полосе, по другим полосам движения транспорта не было. Измерения про-

водились при подходе транспортного средства, его проезде мимо точки установки датчика и удалении от нее. В результате измерений получены значения виброускорения колебаний в вертикальном и горизонтальном направлении.

Для этой же площадки был проведен численный эксперимент в программном комплексе GeoStudio Quake/W (Канада). Расчет проводился на воздействие транспортного средства максимальной массы на данном участке (25 т). На Иллюстрации 2 приведена модель для расчета в программном комплексе GeoStudio Quake/W.

Одним из исходных данных является упругий модуль сдвига, который определяется по формуле [

где р — плотность грунта, кг/м3; Vs — скорость поперечной волны в грунте, м/с.

Как правило, определение скоростей волн в грунте при проведении

инженерно-геологических изысканий не проводится, разброс значений скорости поперечных волн в грунте, приводимых в нормативных документах [6], велик, поэтому применение таких значений приводит к искажению получаемых данных. В связи с этим измерение скоростей поперечных волн выполнено с использованием метода многоканального анализа поверхностных волн (МАПВ), что позволило получить реальные значения характеристик грунта.

Полевые работы активным и пассивным типами МАПВ проводились по методикам, описанным в [7-10]. Для регистрации колебаний поверхностных волн использована 24-канальная телеметрическая сей-сморазведочная система ТЕЛСС-3, с которой данные в цифровой форме в формате 8БО-У передавались через ШВ-интерфейс на компьютер. Компьютерная обработка данных полевых наблюдений осуществлялась в программном продукте РагкВБК 2015.

Система наблюдения при обоих типах МАПВ выполнялась по неподвижной фланговой системе с выносом активного источника на 10 м. Активным источником поверхностных волн являлся удар кувалдой 9 кг по круглой металлической плите основания, а пассивным источником — автомобильный трафик с ул. Петропавловская. Расстояние от центра приемной линии до пассивного источника (центра проезжей части) составило 42,5 м. Схема расположения системы наблюдения представлена на Иллюстрации 3. Параметры системы наблюдения (Таблица 1) подобраны с использованием оптимальных значений [11], а также по результатам рекогносцировочных наблюдений [12-14].

Перед началом полевых замеров измерительная система подвергалась предварительному тестированию [12]. При активном методе принималось оптимальное значение периода дискретизации 0,5 мс с длиной записи 2 048 отсчетов [13]. Внешняя синхронизация удара и начала записи при активном методе осуществлялась по замыканию кувалды и плиты основания с передачей сигнала

Таблица 2. Средние значения параметров полученной модели грунта по результатам МАПВ

Иллюстрация 3. Схема расположения системы наблюдения при проведении измерений (размеры в метрах). Авторы: О. А. Шутова, А. Б. Пономарев, В. В. Антипов, В. Г. Офрих-тер. 2016 г.

Иллюстрация 4. Дисперсионный анализ при активном методе: а — дисперсионное изображение; б — выделенная дисперсионная кривая. Авторы: О. А. Шутова, А. Б. Пономарев, В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер. 2016 г.

25 » Т1

1 11

* *г

Пмупюст

мо

Скорость, фуг/с -Сш[ют» пунгргтых нмн с.таж - ]|тыср(ННМ

ТМ МО КО 900 'АО 10М 1050 11№ 11» 12№

Иллюстрация 5. Профиль скоростей V, принятой модели грунта при активном методе. Авторы: О. А. Шутова, А. Б. Пономарев, В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер. 2016 г

Таблица 1. Параметры системы наблюдения

№ п/п

Тип МАПВ

2

2

о*

со

О

2 "сТ

2

Ф

а В

Активный

20,4

46,0

10,0

2,0

0,5

12

Пассивный

26,9

46,0

2,0

12

2

2

8

Слой Z, м И, м V, м/с УР, м/с V р, кг/м3 О0, МПа Е, МПа

1 5,0 5,0 130,0 278,0 0,36 1 920 32,45 88,26

2 20,4 15,4 362,0 774,0 0,36 2 000 262,1 712,9

Иллюстрация 6. Зависимость виброускорения от времени (горизонтальная и вертикальная составляющие). Авторы: О. А. Шутова, А. Б. Пономарев, В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер. 2017 г

Таблица 3. Результаты натурного эксперимента и численного моделирования

Виброускорение, м/с2

Горизонтальная составляющая Вертикальная составляющая

Натурный эксперимент 0,018840 0,015005

Численное моделирование 0,019183 0,013141

на компьютер через USB-интерфейс. При пассивном методе принимался период дискретизации 2 мс при длине записи 4 096 отсчетов. Сигнал на запись при пассивном методе подавался вручную с компьютера. Для снижения на записях посторонних шумов в условиях городской среды при обоих методах был принят 12-кратный стэ-кинг. Всего были выполнены по две записи для обоих типов МАПВ: основному и проверочному.

После завершения сбора полевых данных производилась их обработка в автоматическом режиме с построением дисперсионных изображений и выделением на них кривых, соответствующих фундаментальным модам [15]. Результаты дисперсионного анализа при активном методе представлены на Иллюстрации 4. Последним этапом компьютерной обработки выполнялась инверсия выделенных кривых. Строился профиль скоростей поперечных волн с дисперсионной кривой, максимально приближенной к измеренной кривой [16]. Полученный при активном методе профиль скоростей показан на Иллюстрации 5. Анализ данных показал два инженерно-геологических элемента, что соответствует реальному строению площадки. Полученная модель грунта по результатам проведения МАПВ приведена в Таблице 2.

Результаты численного моделирования

При моделировании в программном комплексе GeoStudio Quake/W рассматривалось приложение точечной нагрузки от колеса автомобиля массой 25 т. Автомобили такого типа имеют три оси с распределением нагрузки по осям: 50 кН на переднюю ось, 200 кН на заднюю тележку. Оси задней тележки имеют по четыре колеса, нагрузка на каждую ось составляет 100 кН, нагрузка на каждый спаренный баллон — 50 кН. Сле-

довательно, нагрузка от одного спаренного баллона составляет 50 кН.

При движении автомобиля со скоростью 8 м/с (28,8 км/ч) время воздействия на дорожное полотно составит 0,02875 с. При этом приложение нагрузки носит импульсный треугольный характер с максимумом нагрузки на 0,014375 с.

Полученные значения скорости поперечной волны в грунте и упругого модуля сдвига для 1-го (расчетного) слоя были введены в программный комплекс GeoStudio Quake/W. Для расчета использовались следующие параметры слоя № 1: V = 130 м/ с, v = 0,36 , р = 1 920 кг / м3, G0 = 32,45 МПа, коэффициент демпфирования ^ = 0,403 . На Иллюстрации 6 приведены графики зависимости горизонтальной и вертикальной составляющей виброускорения (в долях от ускорения свободного падения) от времени. Сравнение результатов натурного и численного моделирования приведено в Таблице 3.

Анализ результатов, полученных при численном моделировании и при натурном эксперименте, показал, что разница между расчетными и полученными значениями не превышает 14%.

Заключение

1 Метод многоканального анализа поверхностных волн позволяет оперативно измерить скорости поперечных волн в грунтовых слоях на заданных глубинах зоны малых скоростей верхней части разреза.

2 В результате применения метода МАПВ на исследуемой площадке было выделено два инженерно-геологических элемента: первый слой мощностью около 5,0 м, второй слой мощностью около 15,4 м. Скорость поперечной волны в грунте первого слоя составила

130 м/с, второго — 362 м/с. Полученное напластование слоев соответствует данным о геологическом строении исследуемой площадки.

3 Данные, полученные при применении метода МАПВ, позволяют получить реальные механические характеристики грунта для последующего их использования в качестве исходных данных при численном моделировании взамен табличных значений.

4 Механические характеристики, полученные методом МАПВ для верхних слоев грунта, меньше табличных значений, приведенных в нормативных документах. Результаты численных и аналитических расчетов, выполненных с использованием этих характеристик, отличаются высокой сходимостью с данными натурных наблюдений. Расхождение результатов выполненных расчетов и полевых экспериментов составляет не более 14%.

Список использованной литературы

1 СП 26.13330.2012. Фундаменты машин с динамическими нагрузками. Актуализированная редакция СНиП 2.02.05-87. М. : Минрегион России, 2012. 66 с.

2 ВСН 490-87. Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки. М. : Минмонтажспецстрой, 1988. 33 с.

3 СП 23-105-2004. Оценка вибрации при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов метрополитена. М. : Госстрой России, 2004. 44 с.

4 ГОСТ Р 52892-2007. Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию. М. : Стандартинформ, 2008. 16 с.

5 Verruijt A. Soil dynamics. Delft, Netherlands: Delft University of Technology, 2008. 417 p.

6 РСН 66-87. Методические рекомендации по определению состава, состояния и свойств грунтов сейсмо-акустическими методами. Инженерные изыскания для строительства. Технические требования к производству геофизических работ. Сейсморазведка. М. : МосЦТИСИЗ Госстроя РСФСР, 1987. 54 с.

7 Антипов В. В., Офрихтер В. Г. Современные неразру-шающие методы изучения инженерно-геологического разреза // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. Пермь : ПНИПУ, 2016. Т. 7. № 2. С. 37-49.

8 Park C. B., Miller R. D., Xia J. Multichannel analysis of surface waves // Geophysics. Tulsa, USA: SEG, 1999. Vol. 64. No. 3. P. 800-808.

9 Park C. B., Miller R. D., Ryden N. et al. Combined use of active and passive surface waves // J. of Environmental & Engineering Geophysics. Denver, CO, USA: EEGS, 2005. Vol. 10. Iss. 3. P. 323-334.

10 Park C. B., Miller R. D. Roadside passive multichannel analysis of surface waves (MASW) // J. of Environmental & Engineering Geophysics. Denver, CO, USA: EEGS, 2008. Vol. 13. Iss. 1. P. 1-11.

11 Park C. B., Miller R. D., Miura H. Optimum field parameters of an MASW survey [Electronic resource] // Japanese Society of Exploration Geophysicists (SEG-J) Extended Abstracts (22-23 May 2002). Tokyo, Japan, 2002. Access mode: http://www.parkseismic.com. files/ ParkEtAl2002.pdf (дата обращения: 21.04.2011).

12 Офрихтер В. Г. Исследование массива твердых бытовых отходов методом многоканального анализа поверхностных волн // Инженерные изыскания. М. : Геомаркетинг, 2013. № 13. С. 34-37.

13 Ofrikhter V. G., Ofrikhter I. V. Investigation of municipal solid waste massif by method of multichannel analysis of surface waves // Proceedings of XV Asian Regional

Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Fukuoka: Japanese Geotechnical Society Special Publication, 2015. Vol. 2. No. 57. P. 1956-1959.

14 Офрихтер Я. В., Офрихтер В. Г., Рубцова М. В. Применение неразрушающих методов для полевых исследований массива твердых коммунальных отходов // Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика. Пермь : ПНИПУ, 2016. № 2. С. 165-176.

15 Park C. B., Miller R. D., Xia J. Imaging dispersion curves of surface waves on multi-channel record // Expanded abstracts of 68th Ann. Internat. Mtg. Soc. Expl. Geophys, New Orleans. Tulsa, USA: SEG, 1998. P. 1377-1380.

16 Xia J., Miller R. D., Park C. B. Estimation of near-surface shear-wave velocity by inversion of Rayleigh waves // Geophysics. Tulsa, USA: SEG, 1999. Vol. 64. No. 3. P. 691-700.