Full Text

Введение Предварительная геотехническая оценка площадки позволяет произвести технико-экономический анализ объекта реконструкции или нового строительства. Для корректного выбора вариантов конструктивного решения подземной части сооружения при геотехнической оценке необходимо знать имеющееся напластование грунтов на площадке строительства, их физико-механические характеристики и наличие аномальных включений (полости, трубопроводы, иные подземные грунтовые включения и т.п.), что позволит наиболее корректно выполнить технико-экономическое обоснование. Современные неразрушающие методы волнового анализа позволяют оперативно при минимальных трудозатратах построить разрезы напластований грунтов изучаемой площадки и оценить их физико-механические характеристики. Одним из таких оперативных методов является метод многоканального анализа поверхностных волн (МАПВ). Впервые метод многоканального анализа поверхностных волн (англ. Multichannel Analysis of Surface Waves, MASW) был представлен в [1] и в настоящее время продолжает развиваться, позволяя получать все более точные изображения разрезов [2]. МАПВ описывался и применялся такими учеными, как Park, Xia, Miller, Foti, Louie, Ryden и др. [1-4]. За рубежом ведется активное изучение вопроса применимости метода волнового анализа для геотехнической оценки грунтового напластования [5-9]. Авторами настоящего исследования также проводился ряд натурных и численных экспериментов для определения возможности применения волнового анализа для геотехнических расчетов [10-13]. Метод МАПВ используется для получения скорости поперечных волн в слоистой грунтовой толще. Описанные в литературе зависимости позволяют определять характеристики грунта по данным волнового анализа лишь для упругой зоны [4, 14, 15]. В нормативной документации РФ методика волнового анализа не имеет четко прописанного алгоритма, а сам волновой анализ отмечается в нормативном документе СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть VI. Правила производства геофизических исследований» в виде сейсмического или сейсмоакустического метода определения характеристик грунта, с указанием довольно большого количества эмпирических зависимостей для определения физических, прочностных и деформационных характеристик различных видов грунтов. Цель выполненных исследований: определение погрешностей отображения грунтового напластования в разрезе и вычисление удельного веса между результатами МАПВ и данными инженерно-геологических изысканий. 1. Описание метода МАПВ основан на регистрации поверхностных волн Рэлея от различных источников и последующем анализе полученных годографов для определения скоростей поперечных (Vs) волн для слоистой модели грунта. Полученные скорости представляются в виде профиля (1D, 2D или 3D) распределения скоростей поперечных волн в зоне малых скоростей (ЗМС) верхней части разреза (ВЧР). МАПВ может выполняться по активной, пассивной или комбинированной схеме. Во всех испытаниях настоящего исследования использовалась активная схема. Система наблюдения применялась фланговая из 24 приемников (вертикальных, низкочастотных геофонов 10 Гц), соединенных c компьютером через интерфейс посредством косы с телеметрическими модулями (система ТЕЛСС-3), а также источника колебаний в виде кувалды 4 кг и металлической плиты основания. Параметры системы наблюдения подбирались по рекомендациям [2]. Принципиально использовались две схемы расстановки системы наблюдения в зависимости от условий стесненности площадки: коса длиной 46 м с шагом приемников 2 м и коса длиной 11,5 м с шагом приемников 0,5 м. На всех площадках либо отсутствовали, либо были минимальны пассивные источники колебаний, вызывающие шумы при записи, в связи с чем во всех случаях производилось накопление из 5 ударов. По полученным значениям скоростей поперечных волн значения удельного веса определяли по следующей зависимости [16]: (1) где Vs - скорость поперечной волны в слое, м/с; z - глубина подошвы слоя. 2. Описание площадок и грунтов Испытания проводились на пяти площадках г. Перми и Пермского края. На каждой площадке анализ значений удельного веса выполнялся для следующих слоев грунта: Площадка № 1. Основание фундаментной плиты: насыпь из песка мелкого однородного, плотного, маловлажного. Площадка № 2. Автомагистраль: аргиллитоподобная глина с линзами песчаника низкой и средней прочности, выветрелая, трещиноватая, обводнена; песчаник мелкозернистый, низкой и средней прочности, выветрелый, трещиноватый, обводнен. Площадка № 3. Свободная от застройки площадка бывшего предприятия: глина тугопластичная и полутвердая. Площадка № 4. Основание фундаментной плиты под жилой дом: супесь серо-коричневая, песчанистая, текучая, с прослойками и линзами мощностью до 3-5 см песка мелкого, серого, водонасыщенного и суглинка коричневого, текучепластичного; суглинок темно-серый, тяжелый пылеватый, текучепластичный с включениями до 15 % хорошо разложившегося органического вещества черного цвета. Площадка № 5. Свободная от застройки площадка испытательного полигона кафедры СПГ ПНИПУ: песок мелкозернистый, бурового цвета. Физические характеристики исследуемых грунтов, определенные по лабораторным испытаниям, представлены в табл. 1. Геологические колонки исследуемых площадок представлены на рис. 1-5. Таблица 1 Физические характеристики грунтов на исследуемых площадках Table 1 Soil physical parameters of studied sites Номер площадки Номер точки Тип грунта Природная влажность W, д. ед. Влажность на границе текучести WL, д. ед. Влажность на границе раскатывания WP, д. ед. Число пластичности IP, д. ед. Показатель текучести IL, д. ед. Плотность r, г/см3 Плотность частиц rs, г/см3 Плотность сухого грунта rd, г/см3 Коэффициент пористости e, д. ед. Коэффициент водонасыщения Sr, д. ед. Примечания 1 1 Насыпь песчаная 0,068 - - - - 1,82 2,62 1,70 0,54 0,33 Kу = 0,96 2 1 Аргиллитоподобная глина 0,170 0,34 0,14 0,2 0,1 2,04 2,62 1,74 0,50 0,89 1 Песчаник 0,170 - - - - 2,05 2,66 1,75 0,52 0,87 3 1 Глина 0,129 0,33 0,07 0,26 0,23 2,12 2,26 1,88 0,20 1,46 4 1 Супесь 0,296 0,24 0,18 0,06 0,98 2,02 2,70 1,56 0,73 1,09 2 Суглинок 0,299 0,35 0,19 0,16 0,76 1,88 2,64 1,45 0,82 0,96 5 1 Песок 0,099 - - - - 1,63 2,51 1,47 0,69 0,36 Рис. 1. Геологическая колонка площадки № 1 Fig. 1. Geologic borehole at site No. 1 Рис. 2. Геологическая колонка площадки № 2 Fig. 2. Geologic borehole at site No. 2 Рис. 3. Геологическая колонка площадки № 3 Fig. 3. Geologic borehole at site No. 3 Рис. 4. Геологическая колонка в точке 1 (а) и точке 2 (б) площадки № 4 Fig. 4. Geologic borehole at point 1 (а) and point 2 (б) of site No. 4 Рис. 5. Геологическая колонка площадки № 5 Fig. 5. Geologic borehole at site No. 5 3. Результаты испытаний Результаты испытаний МАПВ представлены в виде 1D-профилей на рис. 6 и в сводной табл. 2. Кроме профилей ВЧР на рис. 6 приведены дисперсионные кривые, по которым выполнялось построение теоретической модели грунтового разреза. а б в г д е Рис. 6. Дисперсионные кривые с разрезами на площадках: а - № 1; б - 2; в - 3; г - 4 точка 1; д - 4 точка 2; е - 5 Fig. 6. Dispersive curves and wave profiles at sites No.: а - 1; b - 2; c - 3; d - 4 point 1; e - 4 point 2; f - 5 Таблица 2 Результаты определения удельного веса по данным волнового анализа и по лабораторным испытаниям Table 2 Soil unit weight calculation results by means of wave analysis and laboratory tests Номер площадки Номер точки Тип грунта Толщина слоя h, м Глубина подошвы слоя z, м УГВ, м Скорость поперечной волны Vs, м Удельный вес по формуле (1) g, кН/м3 Удельный вес по лабораторным испытаниям glab, кН/м3 Расхождение, % 1 1 Насыпь песчаная 1,5 1,5 - 245 19,59 17,9 9,47 2 1 Аргиллитоподобная глина 3,5 11,5 1,5 332 19,27 19,7 2,19 1 Песчаник >1,1 12,6 1,5 417 19,27 20 0,14 3 1 Глина 0,5 0,5 3 151 18,61 20,7 10,08 4 1 Супесь >1,4 3 1,6 118 16,47 20 17,65 2 Суглинок 0,7 3,1 1,9 547 21,99 18,8 16,96 5 1 Песок 1 1 5 142 17,91 16,3 9,86 4. Обсуждение результатов испытаний Проведение волновых испытаний заняло на каждой площадке 2-4 ч и по 0,5-1 ч обработки для каждого набора данных. Это свидетельствует о высокой производительности и оперативном характере применяемого метода, что является очевидным преимуществом волнового анализа при его использовании для оперативной предварительной геотехнической оценки верхней части разреза. Полученные волновым методом картины разрезов сравнивались с данными инженерно-геологических изысканий (см. рис. 6). Результаты сравнительного анализа показывают, что границы слоев, полученные методом МАПВ, расположены на профилях достаточно близко к реальным границам. Расхождения по мощностям слоев во многих случаях, когда получены записи с минимальным количеством посторонних шумов и на дисперсионном изображении четко прослеживается фундаментальная дисперсионная кривая, а также кривые высших мод, не превышают 15 % (рис. 6, а, в, г, е). Такое расхождение можно объяснить следующим образом: середина приемной линии телеметрической системы находилась не точно в месте расположения буровой колонки, а на некотором расстоянии (в некоторых случаях до 5 м). Метод МАПВ имеет минимальный и максимальный пределы измерений по глубине разреза, связанные с минимальной и максимальной длинами поверхностных волн Рэлея, регистрируемых в ходе наблюдений. Это приводит к появлению слепой зоны в приповерхностной области, равной половине минимальной длины поверхностной волны. Минимальную длину поверхностной волны можно принять равной расстоянию между приемниками, а максимальную - длине приемной линии. В результате этого ограничения некоторые приповерхностные слои не были отображены в волновых моделях (см. рис. 6, в, е). Для уменьшения приповерхностной слепой зоны можно использовать более мелкую расстановку системы наблюдения с меньшим шагом приемников. Для увеличения глубины исследований грунтового массива можно применять сейсмоприемники с более низкой собственной частотой (4,5 Гц, 2 Гц), если они имеются в наличии. В этом случае появляется возможность регистрации и последующего включения в анализ поверхностных волн большей длины. В целом волновые картины разрезов оказались близки к истинным, что свидетельствует о достаточной степени точности получаемых волновым методом профилей ВЧР для их оперативной геотехнической оценки. Кроме того, для слоев, в которых проводились штамповые испытания и имеются данные лабораторных испытаний по определению физических характеристик, проводился расчет удельного веса по эмпирической зависимости (1), предложенной в статье [16]. По результатам сравнительного анализа, расхождения эмпирических расчетов с лабораторными данными составили не более 18 %, причем большее расхождение наблюдалось на глубине 0,5-3,1 м. На большей глубине (до 12,6 м) расхождение снизилось до 2 %. Такое расхождение в результатах можно объяснить следующим образом: согласно первоисточнику [16] зависимость (1) определялась по результатам статического зондирования методом вертикального сейсмического профилирования, а не по данным многоканального анализа поверхностных волн. В целом результаты сравнительного анализа показывают достаточную точность оперативного определения значений удельного веса грунтов на большой глубине/глубине, близкой к предельной в волновом методе. Заключение В статье представлены результаты проведения испытаний методом волнового анализа МАПВ на площадках г. Перми и Пермского края для дисперсных и полускальных типов грунтов. Произведено сравнение полученной картины разрезов с геологическим колонками и оценена достоверность полученных результатов. В целом МАПВ позволяет с достаточной степенью точности выделять границы слоев в верхней части разреза. Также проведена оценка погрешности расчета удельного веса по формуле (1) по отношению к данным лабораторных испытаний. Расхождения между различными типами грунтов составили не более 18 %. В итоге можно утверждать, что МАПВ при относительно невысоких трудозатратах позволяет получить достаточно достоверную картину грунтового разреза. Кроме этого, с помощью данного метода можно получить близкие к истинным значения физических характеристик грунта, в частности удельного веса.

About the authors

V. V Antipov

Perm National Research Polytechnic University

V. G Ofrikhter

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 567

PDF (Russian) - 87

Refbacks

• There are currently no refbacks.