Способ оценки состояния контакта фундаментной плиты строящегося здания с грунтовым основанием
METHOD OF ASSESSING THE CONDITION OF CONTACT OF A FOUNDATION SLAB OF A BUILDING UNDER CONSTRUCTION WITH A SOIL BASE

Изобретение относится к области контроля качества строительных работ при возведении зданий и, в частности, может быть использовано для определения состояния контакта фундаментной плиты строящегося здания с грунтовым основанием. Определение фактического состояния контакта с грунтовым основанием фундаментной плиты позволит своевременно и обоснованно назначать в необходимом объеме проведение работ по восстановлению несущих свойств насыпного грунта, подстилающего фундаментную плиту, и обеспечить безопасность строительных работ при возведении и последующей эксплуатации здания.
Изготовление (бетонирование) фундаментных плит на твердомерзлом недостаточно уплотненном грунте в зимнее время, из-за прогрева в весенний период верхнего слоя насыпного грунта, может приводить к неравномерным осадкам и деформациям плиты из-за появления ослабленных участков грунта под плитой. Определение положения и площади ослабленных участков является исходными данными для назначения объема работ по усилению грунтового основания и восстановлению плотного контакта фундаментной плиты с грунтовым основанием.
Известен акустический метод обследования фундаментных плит для оценки состояния контакта плиты с грунтовым основанием, в основе которого лежит возможность определения добротности плиты как резонирующей системы под действием свободных или вынужденных колебаний (Капустин В.В.. Куваддин А.В. Применение комплекса геофизических методов при исследовании фундаментных плит. Технология сейсморазведки, №1, 2015, с. 99-105.). Добротность определяется по спектральной характеристике процесса колебаний с учетом резонансной частоты и ширины спектра. Считают, что резкое отклонение значения добротности от линейной зависимости от скорости в сторону увеличения можно интерпретировать как участки нарушения контактных условий. Недостатком метода является низкая достоверность, обусловленная невысокой точностью определения добротности по ширине спектра колебаний плиты, а также субъективностью назначения границ изменения значений добротности при разных состояниях контакта.
Наиболее близким аналогом из известных способов (прототипом) является сейсмоакустический способ оценки состояния контакта обделки с заобделочным грунтом (Патент РФ №2367742, кл. G01N 3/32), который основан на анализе параметров затухающих сейсмоакустических колебаний поверхности обделки, вызванных механическим импульсным воздействием с постоянной энергией удара.
Для принятия решения о состоянии контакта в прототипе использованы следующие параметры колебаний обделки:
- время затухания колебаний;
- начальная амплитуда колебаний;
- коэффициент затухания колебаний.
Состояние контакта оценивается по значению коэффициента К:
- 0≤К≤3 - зона отсутствия контакта (высокая начальная амплитуда и относительно большое время затухания колебаний);
- 3≤К≤6 - зона ослабленного контакта;
- 6≤К≤9 - зона плотного контакта (невысокая начальная амплитуда, высокий коэффициент затухания).
Недостатком данного способа является его низкая достоверность, обусловленная:
- зависимостью значений начальной амплитуды колебаний и коэффициента затухания от толщины обделки (плиты), упругих свойств бетона, состояния поверхностного слоя бетона, а также от свойств обделки (плиты) в районе положения датчика и нанесения удара;
- неопределенностью понятия начальной амплитуды колебаний, которая определяется суммой амплитуд упругих волн, распространяющихся от точки удара и зоны контакта с грунтом, и зависит от состояния поверхностного слоя бетона, соотношения упругих свойств бетона и подстилающего грунта, в то время как максимальная амплитуда колебаний определяется «толщинным резонансом» (Капустин В.В.. Кувалдин А.В. Применение комплекса геофизических методов при исследовании фундаментных плит. Технология сейсморазведки, №1, 2015, с. 99-105.);
- необходимостью проводить дополнительные исследования, с использованием ультразвукового дефектоскопа А1220 МОНОЛИТ для нормировки и коррекции шкалы коэффициента К.
Техническая проблема, которая решается при использовании заявляемого изобретения, - достоверное определение фактического состояния контакта фундаментной плиты строящегося здания с грунтовым основанием для обеспечения безопасности строительных работ и последующей эксплуатации здания.
В предлагаемом способе определение состояния контакта осуществляется по частотам резонансных вертикальных колебаний фундаментной плиты («толщинный резонанс»), которые зависят от состояния контакта фундаментной плиты с грунтовым основанием в локальном объеме плиты.
Определение резонансных частот осуществляют путем регистрации с заданным шагом по плотной схеме наблюдения на дневной поверхности плиты сейсмоакустических сигналов с помощью двухканальной сейсмостанции и высокочастотных сейсмоприемников под воздействием механической вертикальной импульсной нагрузки (ударе) по плите. Во всех пунктах регистрации на фундаментной плите вычисляют с использованием быстрого преобразования Фурье (далее БПФ) амплитудные спектры вертикальных колебаний, выделяют на них резонансные частоты колебаний плиты в вертикальном направлении. Рассчитывают диапазон изменения резонансных частот при полном контакте и отсутствии контакта плиты с грунтовым основанием с учетом толщины плиты, модуля упругости и коэффициента Пуассона материала плиты, скорости распространения продольных волн, коэффициента постели грунтового основания; строят карты изменения резонансных частот и оценивают фактическое состояние контакта на площади обследуемого участка плиты, выдают рекомендации по проведению восстановительных работ, проводят повторное обследование после проведения восстановительных работ для подтверждения полного восстановления контакта плиты с грунтовым основанием.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности косвенного метода определения расположения зон неполного контакта фундаментной плиты с грунтовым основанием, которая подтверждается бурением и объемом инъектированного раствора, выдача рекомендаций по проведению восстановительных работ и обоснование необходимости проведения повторного обследования.
Технический результат достигается совокупностью признаков заявляемого способа: последовательно с заданным шагом по плотной сетке наблюдения осуществляют возбуждение колебаний фундаментной плиты вертикальной импульсной нагрузкой (ударом). На дневной поверхности плиты вблизи места приложения нагрузки посредством двухканальной сейсмостанции и высокочастотных сейсмоприемников осуществляют регистрацию сейсмоакустических сигналов (продольных волн). Вычисляют с использованием БПФ амплитудные спектры вертикальных колебаний, выделяют на них резонансные частоты колебаний плиты в вертикальном направлении. Решая частотное уравнение колебаний цилиндра радиуса R~h (короткой балки) для случаев двух свободных поверхностей и наличия контакта нижней поверхности плиты с грунтовым основанием, с учетом толщины, модуля упругости и коэффициента Пуассона материала плиты, скорости распространения продольных волн, коэффициента пастели грунтового основания определяют резонансные частоты. Строят карты изменения резонансных частот и оценивают фактическое состояние контакта фундаментной плиты. Выдают рекомендации по проведению восстановительных работ, проводят повторное обследование после проведения работ для оценки их качества.
Перечень графических изображений, поясняющих сущность заявляемого изобретения:
Фиг. 1. Реакция плиты, лежащей на грунтовом основании, при разных состояниях контакта с основанием на механический удар по дневной поверхности плиты.
Фиг. 2. Фундаментная плита.
Фиг. 3. Карта абсолютных отметок фундаментной плиты в период наблюдений за осадками.
Фиг. 4. Импульсное воздействие (экранная форма): а) трасса вертикальных колебаний в пункте наблюдения; б) спектр колебаний.
Фиг. 5. Изменение частот продольных колебаний до и после инъектирования раствора.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Способ основан на зависимости резонансных частот продольных колебаний, возбуждаемых вертикальной импульсной нагрузкой (ударом) на дневной поверхности фундаментной плиты, от состояния контакта верхней и нижней поверхностей плиты.
Способ основан на явлении «толщинного резонанса», возникающего в плите при возбуждении в ней колебаний вертикальной или горизонтальной импульсной нагрузкой, интерференции падающей и отраженных от верхней и нижней поверхностей плиты упругих волн определенной частоты. В данном случае при вертикальной нагрузке имеются ввиду продольные волн. (Капустин В.В.. Кувалдин А.В. Применение комплекса геофизических методов при исследовании фундаментных плит. Технология сейсморазведки, №1, 2015, с. 99-105).
При возбуждении упругих колебаний в плите толщиной h и свободными поверхностями зависимость для резонансных частот плиты выглядит следующим образом:
где p(i) - резонансные частоты;
i=1,2,3 …, - номер гармоники;
h - толщина плиты;
V - скорость упругих волн (продольных при вертикальной нагрузке) в материале плиты.
i
При этом резонанс будет наблюдаться, если толщина плиты будет кратна половине длины волны (Λ):
св,i.
где Λ - длина волны для плиты со свободными поверхностями (полуволновой резонанс).
В случае если плита жестко закреплена с несжимаемым полупространством одной поверхностью, а другая свободна, зависимость резонансных частот плиты выглядит следующим образом:
i
При этом резонанс будет наблюдаться, если толщина плиты будет кратна четверти длины волны (Λ):
зкр,i
где Λ - длина волны для плиты с жестким закреплением одной поверхности и свободной другой (четвертьволновой резонанс).
Учитывая, что скорость распространения упругих продольных волн в плите не зависит от частоты и определяется модулем упругости и удельной массой бетона, частота первой гармоники резонансных колебаний плиты (i=1) определяется выражением:
где V - скорость распространения продольных волн в материале плиты.
Как видно, состояние контакта определяет частоту резонансных колебаний, и для плиты с жестко закрепленной поверхностью с несжимаемым полупространством частота резонансных колебаний будет в два раза меньше, чем для плиты с двумя свободными поверхностями.
При выводе этих соотношений, предполагается, что граница раздела двух сред не изменяет своего положения. Однако границы не являются резкими - абсолютно жесткими и могут характеризоваться конечным значением отношения волновых (акустических) сопротивлений сред по обе стороны границы (ρV). Благодаря своей податливости граница контакта при отражении волны отодвигается в направлении падающей волны.
Таким образом, если в колебательной системе, то есть в системе, характеризующейся массой, упругостью и потерями во всей системе или ее части, создать возмущения, которые приведут при определенных условиях к выходу системы из положения равновесия, то система или какая-либо ее часть начнет совершать колебания на одной или нескольких собственных (резонансных) частотах. Значения резонансных частот будет определяться упругими параметрами среды и граничными условиями.
Рассмотрим фундаментную плиту, лежащую на грунтовом основании (фиг. 1).
В случае полуволнового резонанса продольных вертикальных колебаний по толщине плиты, который возникает при отсутствии контакта плиты с грунтовым основанием (фиг. 1 а), нейтральная ось плиты не изменяет своего положения, а первая частота резонансных колебаний определяется выражением (1):
В случае, когда плита контактирует с грунтовым основанием, упругие волны вызывают смещение границы контакта, при этом положение узла формы колебаний стремится к границе контакта (фиг. 1 в).
В качестве оценки области вертикальных резонансных колебаний плиты выбираем радиус первой зоны Френеля, который для плиты высотой h, лежащей на упругом полупространстве, будет равен h/2. Поэтому, если выбрать цилиндр высотой h и радиусом R, который зависит от условий закрепления и изменяется от  до h, его можно рассматривать как локальный объем плиты, определяющий частоту резонанса при наличии контакта плиты с грунтовым основанием.
Отсюда можно оценить плотность сетки наблюдений при обследовании плиты. Шаг между пунктами наблюдения на профилях и между профилями для обеспечения минимальной погрешности определения состояния контакта плиты с грунтовым основанием должен быть равен h.
Частоты собственных форм продольных колебаний указанного цилиндра определяются выражением:
где  - модуль упругости материала плиты;
m - погонная масса;
ρ - удельный вес;
h - высота цилиндра (толщина плиты);
i
λ - характеристические числа (корни частотного уравнения).
i
Характеристические числа λ являются корнями частотного уравнения колебаний цилиндра (короткой балки), один конец которой соединен пружиной с неподвижной опорой, а другой свободен:
где  - приведенный коэффициент жесткости опорного сечения вертикальной нагрузке;
k - жесткость пружины;
F - площадь сечения цилиндра;
h - высота цилиндра (толщина плиты).
Жесткость пружины на конце цилиндра определяется как жесткость двух пружин, соединенных параллельно:
1
p
p
2
где k=πRk - жесткость грунта на сжатие (k - коэффициент постели);
2
πR - площадь прогиба;
2
2
k - изгибная жесткость плиты, поперечное сечение которой представляет собой круг площадью πR.
Жесткость относительно изгиба круговой плиты радиусом R, жестко закрепленной по контуру, при точечном воздействии в центре равна:
где μ - коэффициент Пуассона;
- цилиндрическая жесткость плиты.
Приведенный коэффициент жесткости вертикальной нагрузке равен:
i
Подставляя в уравнение (11) размеры плиты, упругие характеристики материала плиты и грунтового основания, определяют приведенный коэффициент жесткости опорного сечения вертикальной нагрузке η, решают уравнение (8) и определяют характеристические числа λ.
Определяют по формуле
значения наинизших резонансных частот в случае упругой нижней границы плиты и свободных поверхностей плиты. Полученные две частоты задают интервал изменения резонансных частот вертикальных колебаний при отсутствии контакта плиты с подстилающим грунтом и при упругом (плотном) контакте.
Пример реализации заявляемого изобретения.
Способ определения состояния контакта фундаментной плиты строящегося здания с грунтовым основанием был использован при обследовании фундаментной железобетонной плиты строящегося 17-ти этажного жилого здания размерами 64,2×17,6 метров и толщиной 1,2 метра (фиг. 2). При изготовлении ж/б фундаментной плиты использовался бетон марки М250.
Основанием плиты является насыпной грунт - песчано-гравийная смесь (ПГС). Бетонная подготовка выполнена из бетона В15 толщиной 100 мм с химическими добавками и увеличением толщины по периметру на 100 мм.
В процессе строительства произошла неравномерная осадка плиты, которая показана в виде карты, полученной в результате геодезических измерений (фиг. 3).
В процессе обследований для определения состояния контакта ж/б фундаментной плиты с грунтовым основанием были проведены измерения частот продольных колебаний, возбуждаемых вертикальным ударом в 60 пунктах наблюдения.
Состояния контакта плиты с грунтовым основанием определялись по частоте продольных волн в акустическом диапазоне частот, возбуждаемых механическим ударом по плите и регистрируемых в пунктах наблюдения вблизи точки удара.
Параметры регистрации при измерении частот продольных колебаний в железобетонной фундаментной плите: частота оцифровки 8192 Гц, полоса частот регистрации сигнала 0,1-2500 Гц, продолжительность регистрации в точках наблюдения 8 сек.
Измерение скоростей распространения упругих волн в фундаментной плите произведено методом возбуждения волн в акустическом диапазоне частот ударом по дневной поверхности плиты. Скорость распространения упругих продольных волн по высоте плиты по результатам измерений составила 4150±150 м/с.
p
3
6
2
В случае упругой границы плиты с грунтовым основанием для оценки диапазона резонансных частот принято R≈h. Учитывая что коэффициент постели грунтового основания равен k=665 [тс/м]=6.7 МПа/м, значение начального модуля упругости бетона плиты Е=4⋅10 тс/м, коэффициент Пуассона μ≈0,3 и R≈h приведенный коэффициент жесткости вертикальной нагрузке грунта равен:
1
Решение уравнения (8) при η=1,465 определяет характеристическое число для первой формы продольных колебаний λ≈2,6371 и значение наинизшей частоты толщинного резонанса в случае упругой границы (заниженное значение):
1
1
При свободных концах η=0 (k=0)→λ=π, что определяет значение наинизшей частоты толщинного резонанса в случае свободных поверхностей плиты: р=1750 Гц.
1
1
Ожидаемый диапазон изменения резонансных частот продольных колебаний составляет при отсутствии контакта плиты с подстилающим грунтом p=1750 Гц, а при упругом (плотном) контакте p=1470 Гц.
В пунктах наблюдения равномерно расположенных по площади фундаментной плиты при ударном воздействии были зарегистрированы резонансные частоты продольных колебаний в диапазоне 1500-1750 Гц (фиг. 4).
На фиг. 4 приведены характерная трасса (временная развертка) и спектр колебаний при вертикальном воздействии. В данном пункте наблюдения зарегистрированы резонансные продольные вертикальные колебания плиты 1645 Гц, колебания на частотах соответствующих резонансной частоте пьезокерамического датчика 1210-1230 Гц и низкочастотные колебания, частота которых соответствует частоте продольных колебаний между длинными торцами плиты.
Изменение частот продольных колебаний фундаментной плиты, возбуждаемых механическим ударом в пунктах наблюдения вдоль профилей, показаны на фиг. 5.
В результате проведенного обследования было установлено:
1. Изменение значений резонансных частот вдоль центральной продольной оси плиты (оси Б-Г) соответствует эпюре осадок, при этом наихудший контакт наблюдается в районе максимальных осадок на данном профиле (числовые оси 8-10).
2. Изменение значений резонансных частот вдоль оси Д в районе максимальных значений осадки всей плиты (числовые оси 8-10) соответствуют наличию контакта плиты и основания, что является признаком деформации плиты на данном участке. Зоны неполного контакта на данном профиле находятся на участках, ограниченных числовыми осями 5-7 и 12-17.
3. После инъектирования раствора произошло улучшение контактных условий в областях неполного контакта. Необходимо отметить, что после инъектирования произошло небольшое поднятие центральной части плиты в числовых осях 8-11 и ухудшение контакта. Также можно отметить, что в районе числовых осей 12-16 полное восстановление контакта плиты с грунтовым основанием не достигнуто, поэтому необходимо провести дополнительное инъектирование.