СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
METHOD TO CONTROL CONSTRUCTION STRUCTURE QUALITY

Изобретение относится к области исследования качества строительных конструкций, в частности противофильтрационных вертикальных завес, формируемых струйной цементацией. Оно может быть использовано для контроля качества готовых противофильтрационных завес перед началом их эксплуатации.
Известен способ контроля качества цементации скважин [1] (а.с. №1035229, МПК Е21D 1/16 от 12.01.81 г.) при сооружении шахтных стволов горных выработок, заключающийся в том, что после бурения одной цементационной скважины и цементации ее при бурении последующей скважины проводят отбор керна на величину керноотборника. По объемному выходу керна для цементируемой толщи породы определяют начальное значение коэффициента трещиноватости. На образцах керна, используя общеизвестные методики, измеряют модуль Юнга и коэффициент Пуассона.
По формуле рассчитывают значение коэффициента увеличения раскрытия трещины породы, вскрытой скважиной. А далее проводят гидравлическое опробование скважины. По известному способу, в зависимости от гидростатического давления подземных вод, гидравлических сопротивлений первоначальных трещин, первоначальной трещиноватости и физико-механических свойств пород, в кровле цементируемой зоны назначают концентрацию цементационного раствора и конечное давление нагнетания его без учета деформируемости породы.
Известен контроль качества готовых противофильтрационных завес [2] (Рогатин Н.Н., Сенаторов Н.П. Противофильтрационные завесы на карьерах. М.: Недра, 1979 г., с.40-41). Качество готовых противофильтрационных завес проверяют отбором проб керна, которые затем подвергают испытаниям: определяют плотность, прочность и водонепроницаемость завесы. Возможна установка пьезометров и проведение наблюдения за уровнем воды в пьезометрах, а также наблюдение за фильтрацией по контакту между телом противофильтрационной завесы и водоупором. Проводится наблюдение за усадкой стенки. Таким же способом контролируют и противофильтрационные завесы траншейного типа, формируемые из различных материалов на основе цемента и силикатов (бетон, железобетон, грунтобетон).
Известен способ контроля качества закрепления породы цементом [3] (а.с. №1467193, МПК Е21D 1/16 от 15.04.87 г.), заключающийся в том, что вначале бурят скважину на длину одного интервала, проводят гидравлическое опробование в ней при давлении, равном давлению цементации, и определяют водопоглощение в этом интервале. Затем проводят бурение скважин на длину следующего равного интервала, проводят гидравлическое опробование в ней при давлении, равном давлению цементации, и определяют водопоглощение в этом интервале. Затем проводят бурение скважины на длину следующего равного интервала, проводят гидравлическое опробование в ней, определяют водопоглощение в этом интервале. Определяют отношение максимального к минимальному водопоглощению в этом интервале. Если это отношение К превышает 2, то длину зоны цементации ограничивают пробуренными интервалами, цементируют скважину в этой зоне, затем скважину прочищают и повторно наносят цементный раствор. При получении К<2 весь цикл описанных ранее операций продолжают до получения К>2.
Во всех способах [1], [2], [3] основной недостаток - они не могут быть реализованы для контроля качества готовых противофильтрационных завес, формирующихся возведением грунтоцементных свай струйной цементацией, т.к. бурение скважин и цементация следуют непрерывно друг за другом.
Способы малоинформативны для определения качества готовых завес, т.к. позволяют провести контроль породы до цементации путем длительного наблюдения водопоглощения грунта или разрушающий контроль свойств цементного камня противофильтрационной завесы на границе раздела тела завесы с внешней обводненной частью породы (грунта). Следовательно, способы не позволяют получить оперативную информацию неразрушающим контролем о состоянии сплошности, водонепроницаемости в зоне пересечений границ грунтоцементных свай, о наличии дефектов в виде пустот, пор, грунта, необработанного цементом в процессе бурения скважин и струйной цементации ее, сохранившегося между сваями в результате отклонения от вертикали буровой колонны, т.к., любой из этих дефектов в этой зоне отрицательно влияет на эксплуатационные свойства противофильтрационной завесы.
В качестве прототипа заявляемому способу выбран ультразвуковой способ контроля [4] (стандарт, код Д 6760-08. Он находится под юрисдикцией АСТМ Д18 по грунту и скальным породам, утв. 1.01.08 г. опубл. 02.2008 г.) как наиболее близкий по технической сущности и положительному эффекту. Способ заключается в том, что в элементе фундамента глубокого заложения (бетон) устанавливают во время его сооружения «каналы доступа», т.е. предварительно заготовленные стальные, пластиковые трубки или ими становятся пробуренные в бетоне скважины. Каналы доступа устанавливают в свае на проектную глубину параллельно друг другу и по схеме расположения вокруг оси сваи в виде треугольника, квадрата или многоугольника, в зависимости от диаметра, свойств материала свай, формы и т.д., закрепляют к внутренней стороне рабочей осевой арматуры стального каркаса, с повторяющимися интервалами по всей длине, чтобы сохранить выравнивание трубки во время подъема каркаса, опускания и последующего бетонирования элемента фундамента глубокого заложения (сваи). Трубки (каналы) доступа имеют постоянную снизу и съемную сверху заглушки.
Проверяют каналы доступа на присутствие инородных тел в них. Заполняют водой до укладки бетонной смеси или в течение часа после этого, для обеспечения хорошего сцепления бетона с трубкой после его затвердевания. Помещают в два параллельных канала доступа, заполненных водой, утразвуковые зонды: в один - излучатель (трансмиттер), в другой - отражатель (ресивер). Зонды находятся на одинаковой высоте, перемещаются по глубине сваи в горизонтальной плоскости синхронно. Испытание бетона вблизи канала доступа может проводиться и путем помещения обоих зондов в один канал доступа.
Во время контролируемой скорости перемещения ультразвуковых зондов излучатель генерирует ультразвуковые импульсы с частыми и регулярными интервалами. Глубину зонда и выходную мощность отражателя (время относительно создания отражателем ультразвукового импульса) записываются для каждого импульса. Сигналы выходной мощности отражателя измеряются и сохраняются в виде амплитуды времени. В дальнейшем эти сигналы собирают для построения гистограммы. Далее обрабатываются и выстраиваются в виде графика: относительно глубины получают графическое изображение ультразвукового профиля исследуемой (контролируемой) структуры. Этот способ позволяет получить данные, извлеченные из показаний ультразвуковых зондов, для определения целостности бетона между зондами, размещенными внутри армированного каркаса в объекте исследования (бетонной сваи).
Сигнал от ультразвуковых зондов (усилителя и отражателя) и от глубиномера передаются к оснащенному компьютером полевому прибору для записи, передачи и отображения данных в виде ультразвукового профиля. Прибор формирует импульсы от зонда отражателя с фиксированными интервалами глубины или с фиксированными интервалами времени. В последнем случае глубину записывают и определяют на каждый фиксированный прибором импульс на момент формирования импульса. Частота формирования импульса должна образовывать один ультразвуковой импульс на каждый указанный интервал глубины, обычно 50 мм или менее. Прибор снабжают регулируемым усилителем для оптимизации приема излучаемого зондом излучателя импульса исследуемого (контролируемого бетона).
Но способ используют только для подтверждения соответствующего качества бетона и зон плохого качества внутри бетонной сваи. При наличии же дефекта проводят дальнейшее исследование путем отбора керна и других методов испытания (Д 1143, Д 4945 или Д 5882) для исправления структуры бетона.
В основном, способ применим эффективно, если исследование (тестирование) проводят при помощи каналов доступа, установленных во время бетонирования. Способ дает мало информации за пределами арматурного каркаса, к которому каналы доступа присоединены, даже когда трубки присоединяют снаружи арматурного каркаса.
Способ при предлагаемых схемах размещения каналов доступа малоинформативен о степени сплошности, водонепроницаемости при контроле качества готовой противофильтрационной завесы из грунтоцементных свай, сформированной путем непрерывного процесса: вначале - бурения скважин в грунте, далее - струйной цементации с получением взаимно пересекающихся грунтоцементных свай, и требует дополнительных исследований зон, где имеется узел пересечения свай.
Задачей изобретения является повышение технологичности контроля качества противофильтрационной завесы с использованием ультразвукового метода, возможность получения информации о водонепроницаемости, сплошности готовой противофильтрационной завесы ультразвуковым методом на отражение.
Технический результат изобретения достигается тем, что как и в известном способе контроля качества строительной конструкции, использующем звуковой метод на отражение ультразвуковых волн для обнаружения дефектов в строительной конструкции между зондами, т.е. излучателем и отражателем, размещенных в каналах доступа, заполненных водой, установленных в скважинах, пробуренных в конструкции вертикально на глубину до проектной отметки, получающем информацию в виде ультразвукового профиля, т.е. обработанных ультразвуковых импульсов с учетом глубины зондирования, согласно изобретению контроль качества осуществляют в готовой противофильтрационной завесе, каналы доступа в виде труб устанавливают в центре взаимно пересекающихся грунтоцементных свай, формирующих в грунте эту противофильтрационную завесу путем бурения скважин и струйной цементации грунтов, данные о дефектных зонах в завесе получают из показаний ультразвуковых импульсов, с учетом глубины зондирования, между центрами грунтоцементных свай преимущественно по прямой линии по схеме: тело одной сваи - узел пересечения свай - тело другой сваи, или с дополнительным диагональным пересечением импульсов по той же схеме в 2-х и более -рядной противофильтрационной завесе.
Сопоставление заявляемого способа контроля качества с прототипом показывает, что заявляемый способ имеет отличительные признаки. Используемый звуковой метод определения дефектов на отражение ведут между готовыми грунтоцементными сваями, а информацию о дефектах в виде ультразвукового профиля получают от излучателя к отражателю в виде ультразвуковых волн, распространяющихся от центральной части одной сваи к отражателю в центральной части другой сваи в противофильтрационной завесе, что позволяет контролировать качество свай как в теле, так и, особенно важно, в узле их пересечения.
Заявляемый способ контролирует не столько качество материала свай, сколько определяет наличие дефектов в сваях и межсвайных пространствах в завесе в виде пустот, пор и остатков незацементированного грунта, сохраняющихся в завесе из-за отклонения от вертикали скважин при их бурении. Противофильтрационная завеса не должна пропускать воду. Следовательно, поры, трещины, пустоты в самих сваях противофильтрационной завесы недопустимы, тем более между сваями в узле пересечения свай и в месте нахождения незацементованного грунта, т.е. грунта в исходном состоянии. Необходим контроль качества противофильтрационной завесы на наличие перечисленных дефектов. Заявляемый способ обнаруживает любой из перечисленных дефектов в готовой конструкции противофильтрационной завесы и соответственно опосредовано, но точно, без каких-либо дополнительных проб в ней дает сведения о нарушениях в виде несплошностей, водопроницаемости ее, что позволяет в дальнейшем качественно провести залечивание зон несплошности завесы. В заявленном способе используют трубы, а не трубки (как в прототипе), что позволяет использовать их не только в качестве каналов доступа для зондов, но и как армирующий элемент в свае, удешевляя тем самым технологию возведения свай, значительно уменьшая металлоемкость противофильтрационной завесы.
В прототипе устанавливают каналы доступа не менее трех в каждую сваю, а в заявляемом способе - один канал в центре сваи. Такое размещение зондов ускоряет процесс исследования зон несплошности в противофильтрационной завесе, так как посылают ультразвуковой импульс от излучателя через тело сваи, через узел пересечения тел свай, через тело другой сваи за один прием, т.е. исследуют одновременно и сваю и межсвайное пространство на наличие дефектов в противофильтрационной завесе.
По сравнению с другими известными способами контроля того же назначения [5-7] предлагаемый способ технологичней, это экспресс-контроль, неразрушающий конструкцию, он дает необходимую информацию за один прием. В соответствии с этим заявляемый способ нов, является техническим решением, имеет изобретательный уровень и промышленно применим, т.к. прошел испытания в реальных условиях эксплуатации после возведения свай и формирования из них вертикальных противофильтрационных одно- и двухрядных завес. Предполагается внедрение заявляемого способа в ЗАО «ИнжПроектСтрой» г.Перми и других организациях, занимающихся выполнением аналогичных задач.
На фиг.1 схематично показан общий вид противофильтрационной завесы.
На фиг.2 схематично показана противофильтрационная завеса с каналами доступа в центре сваи, в разрезе.
На фиг.3 показан момент размещения излучателя (и) и отражателя (о) в трубах - каналах доступа и прохождение сигнала от (и) к (о) между сваями в разрезе.
На фиг.4 показана схема прохождения импульса от (и) к (о) в однорядной противофильтрационной завесе.
На фиг.5 показан вариант ультазвукового профиля, полученного при контроле однорядной завесы (расстояние между трубами - 0,46 м, глубина свай - 0,67 м, диаметр свай - 0,70 м).
На фиг.6 показан вариант ультразвукового профиля дефектного участка другой завесы (расстояние между трубами (каналами доступа) - 0,60 м, глубина исследования - 6,9 м, диаметр свай - 0,70 м.
На фиг.7 показан вариант ультразвукового профиля дефектного участка в завесе (расстояние между трубами - 0,6 м, глубина исследования - 7,0 м, диаметр свай - 0,7 м).
На фиг.8 показан вариант ультразвукового профиля дефектной зоны завесы (расстояние между трубами - 1 м, глубина исследования - 6,5 м, диаметр свай - 1,4 м).
На фиг.9 показаны возможные варианты отклонений скважины от вертикали и наличие незацементированного грунта между сваями.
На фиг.10 схематично показан сетевой (прямой + диагональный) вариант прохождения импульсов от (и) к (о) в двухрядной противофильтрационной завесе.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример 1.
Вначале проводят струйную цементацию грунтов для получения грунтоцементных свай, образующих завесу из взаимно пересекаемых грунтоцементных колонн - свай (монография Малинина А.Г. Струйная цементация грунтов, Пермь, «Пресстайм», 2007, 10-12, 118-127) [5]. Для этого используют буровую установку, оснащенную дополнительно устройством автоматизированного подъема буровой установки с заданной скоростью, вертлюгами для подачи цементного раствора и воздуха, монитором, двойными штангами, буровым долотом. Делают прямой ход - бурят лидерную скважину до проектной отметки, затем делают обратный ход буровой установки из скважины, при этом одновременно в нее подают под высоким давлением рабочую жидкость - цементный раствор, непрерывно контролируя скорость подъема монитора, размещенного на конце буровой установки. Монитор поднимают при непрерывном выходе породоцементной пульпы на поверхность, в результате формируют вертикальные грунтоцементные сваи, которые при взаимном пересечении образуют, в плане размещения в грунте, противофильтрационную вертикальную завесу.
Такой способ получения противофильтрационной завесы позволяет обеспечить защиту основания фундамента при строительстве объектов на обводненных участках, на осадочных породах, карстообразующих породах и так далее, от просачивания воды, образования трещин и разрушения фундамента и объектов, размещенных на этом фундаменте, т.е. гарантирует безопасность строительства и последующей эксплуатации этих объектов и прилегающих строений. Планируемое взаимное пересечение свай друг с другом не гарантирует того, что на больших глубинах не произойдет отклонение буровой колонны от вертикали при бурении лидирующих скважин. В результате отклонений между грунтоцементными сваями остается «незацементированный», т.е. не смешанный с цементом грунт, который как известно обладает водопроницаемостью. Следовательно, такой грунт приводит однозначно к нарушению сплошности противофильтрационной завесы. В процессе возведения свай струйной цементацией могут образовываться воздушные полости, поры, трещины как в теле сваи, так и узле их пересечения после затвердевания цементного раствора.
Поэтому готовые противофильтрационные завесы (фиг.1) подвергают проверке на качество (на сплошность и водонепроницаемость). Для этого используют звуковой метод на отражение ультразвуковых волн.
В центре свай 1-5 (фиг.2) готовой противофильтрацией завесы устанавливают канал доступа в виде труб 7-11 (фиг.2), заполненных водой, на глубину грунтоцементных свай.
В трубы опускают небольшими шагами (в 1 см) параллельно, на одном уровне, в горизонтальной плоскости относительно друг друга, излучатель (и) 12 и отражатель (о) 13 - цилиндрические пьезоэлектрические датчики двойного действия в ультразвуковом приборе Chum Cross Hole Ultrasonic Metod 14 производства фирмы Pile Test. Com. Сигнал ультразвукового импульса подается от излучателя с частотой 50 кГц к отражателю (фиг.3). Проводят контроль работы ультразвукового прибора перед началом работы. При этом мощность излучения ультразвуковой волны и настройки амплитуды выбирают такими, чтобы полученная волна могла быть максимально измерена, не прерывалась по всей высоте прослушивания двух труб и не изменялись во время прослушивания ни мощность, ни амплитуда от излучателя. Генерируется ультразвуковая волна на каждом перемещении вниз его на 1 см и меньше (фиг.3). Измеряют время прохождения ультразвуковой волны (в микросекундах) между зондами с момента излучения импульса и амплитуду полученного импульса. Анализируют полученные данные (время прохождения ультразвука между зондами (через центр одной сваи - узел пересечения 6 (фиг.1), 15-17 (фиг.4) - к центру другой сваи в противофильтрационной завесе).
Варианты обработанных ультразвуковых импульсов с учетом глубины исследования скважин показаны в виде ультразвукового профиля (фиг.5-8). Из полученных данных определяют зоны наличия дефекта. Но, по известному стандарту, сплошность, водонепроницаемость противофильтрационной завесы может быть зафиксирована только тогда, когда в любой зоне единичного прохождения ультразвука увеличение времени прохождения ультразвуковой волны будет составлять >20%, а амплитуда волны будет меньше или равна 0,2 максимальной амплитуды (отношение амплитуд <0,2). В предполагаемом способе контроля, используют ультразвуковой метод для поиска, обнаружения участков «незацементованного» грунта в противофильтрационной завесе. Этот грунт неоднороден по глубине и имеет различные физико-механические свойства в зависимости от состава компонентов, составляющих трехфазную систему - грунт, от влажности, плотности его (см. Сб. Ультразвук в строительной технике. Нилердер Ю.А., М., 1962 г., с.191-194). Так, скорость распространения продольных волн в нем увеличивается с повышением давления на грунт и плотности суглинка, песка. А изменение, например, влажности в пределах 8-20% мало влияет на скорость распространения ультразвуковых волн, тогда как с увеличением содержания воды в грунте (>20%) скорость распространения ультразвуковых волн значительно увеличивается.
С целью повышения качества контроля необходимо учитывать эти особенности исследуемой части завесы при контроле дефектных участков между ультразвуковыми зондами (в теле свай и в узле их пересечения), т.е. участках возможного размещения оставшегося грунта 18-21 (фиг.9), «незацементированного» в период обработки грунта струйной цементацией при возведении свай и формировании противофильтрационной завесы, при отклонении буровой скважины от вертикали, с образованием «зазора», в котором и размещен этот грунт. При контроле качества противофильтрационной завесы, в отличие от бетона, ультразвуковым методом фиксируют наличие любого дефекта и учитывают его независимо от процента увеличения времени прохождения ультразвуковой волны между зондами, т.к. в данном случае очень увлажненный грунт может предстать как незначительный дефект из-за естественного увеличения скорости прохождения ультразвуковой волны в насыщенном водой грунте и ультразвуковой профиль в этом месте продемонстрирует незначительное увеличение времени прохождения ультразвуковой волны. Таким образом, известный стандарт для контроля качества противофильтрационной завесы не достаточно информативен. Следовательно, предлагаемый ультразвуковой контроль качества строительных конструкций позволяет повысить точность и информативность исследований за счет особенностей контроля качества противофильтрационной завесы, расширить диапазон использования ультразвука.
Если считается (см. Труды ЦНИИом ТП. - Ультразвуковой метод контроля качества материалов в образцах, изделиях и конструкциях. Сб. статей, вып.1, М., 1970 г., с.23-36.; Справочник по производству сборных железобетонных изделий под ред. К.В.Михайлова и Л.А.Фоломеева, М., Стройиздат, 1982, с.256-257), что ультразвуковой метод ускоряет и удешевляет контроль, но с использованием параллельных испытаний на образцах до разрушения их на прессах (см. Сб. Ультразвук в строительной технике. Нилендер Ю.А., М., 1962 г., с.219) или с определением теплофизических свойств строительных материалов, деформационных свойств - совместно с методами теории подобия, теории упругости и т.д., то предлагаемый способ контроля качества, ограничиваясь использованием ультразвукового метода, действительно значительно упрощает и удешевляет контроль, особенно такой строительной конструкции, как противофильтрационная завеса, за счет того, что противофильтрационную завесу формируют струйной цементацией, грунт смешивают с цементным раствором под большим давлением, происходит гомогенизация смеси. При этом получают плотный однородный материал в сваях противофильтрационной завесы, через который проходят ультразвуковые волны от излучателя к отражателю за кратчайшее время и без изменения во времени по глубине исследования завесы. «Незацементированный» грунт, в каком бы он состоянии и какого бы состава он не был, имеет значительную разницу по плотности по сравнению с грунтоцементом, что позволяет точно зафиксировать наличие зоны дефекта в противофильтрационной завесе (фиг.5, 6, 7, 8) и, следовательно, своевременно предпринять до начала эксплуатации меры ее по залечиванию участков с дефектами, т.е. ликвидации несплошности и следовательно водопроницаемости завесы.
Пример 2.
Сетевой контроль качества сплошности, водонепроницаемости (дефектности) противофильтрационной завесы.
Контроль качества двух- и n-рядной противофильтрационной завесы осуществляют так же, как и в примере 1, но для большей информативности и ускорения получения информации о наличии дефектных участков, т.е. об участках несплошности и водонепроницаемости, по всему объему завесы, проводят по схеме, представленной на фиг.10. Благодаря этой схеме контроля и использования зондов двойного действия оперативно контролируют наличие дефектов. Предлагаемый способ контроля имеет преимущества перед прототипом, они представлены в таблице.
Из данных таблицы видно, что предлагаемый способ имеет следующие преимущества: способ расширяет возможности звукового метода исследования дефектов - позволяет определить качество готовых противофильтрационных завес из грунтоцементных свай; позволяет повысить производительность исследовательских работ, т.к. размещение зондов только в центре грунтоцементных свай позволяет ускорить и расширить зону поиска как в самой свае, так и между сваями; получение результатов поиска - обнаружение дефекта ускоряется не менее чем в 3 раза. В качестве каналов доступа используют не трубки, а трубы, что позволяет после проведения контроля качества завесы использовать их в качестве армирующего элемента и приводит к значительной экономии металла по сравнению с прототипом, который имеет в свае отдельно армирующий элемент и не менее трех трубок в качестве каналов доступа.
Способ упрощает контроль за счет отсутствия необходимости соблюдения параллельности каналов доступа (как в прототипе), т.к. для противофильтрационной завесы любой из перечисленных дефектов необходимо ликвидировать до начала эксплуатации завесы.
Впервые водонепроницаемость строительной конструкции определяют звуковым методом. В связи с этим отпадает необходимость дополнительного взятия проб пробоотборником по глубине из скважин и проведение лабораторных испытаний на образцах на влагопоглощение, водопроницаемость исследуемого материала. При необходимости способ позволяет осуществить и количественную оценку дефекта, проведя дополнительно диагональный или сетевой сбор данных показаний зонда во время прохождения «подозрительной» зоны или используя децибелы в качестве единиц измерения присвоить затуханию числовые значения.
Источники информации
1. А.с. №1035229, МПК Е21D 1/16, от 12.01.81 г. (анализ).
2. Рогатин Н.Н., Сенаторов Н.П. Противофильтрационные завесы на карьерах. М.: Недра, 1979 г., с.40-41 (аналог).
3. А.с. №1467193, МПК Е21D 1/16, от 15.04.87 г. (аналог).
4. Стандарт - Код: Д6760-08. Стандартный метод тестирования целостности бетонных фундаментов глубокого заложения при помощи ультразвукового тестирования (прототип).
5. Сборник. Ультразвук в строительной технике. Нилендер Ю.А., М., 1962 г., с.191-194.
6. Труды ЦНИИом ТП. - Ультразвуковой метод контроля качества материалов в образцах, изделиях и конструкциях. Сб. статей вып.1, М., 1970 г., с.23-35.
7. Справочник по производству сборных железобетонных изделий. Под редакцией Михайлова К.В. и др. М.: Стройиздат, 1998 г., с 256-258.