Актуальность неразрушающих косвенных методов исследования фундаментов вызвана связанными причинами: затратностью прямых методов и ростом объемов подземного строительства в современных городских агломерациях. Распространенность и широта применения геофизических подходов к исследованию конструкций [1–8] позволяют использовать термин «техническая геофизика» [9]. Он включает совокупность методов на стыке инженерной геофизики (исследуются масштабные конструкции и значительные объемы грунта) и неразрушающего контроля (исследование ведется регламентированными методиками с высокой разрешающей способностью) и способов их применения при решении геотехнических задач.

Свайные фундаменты являются одним из наиболее распространенных объектов исследования геофизическими методами. Наибольшие объемы испытаний выполняются с применением методик, основанных на анализе распространения направленных упругих волн в теле конструкции.

Сейсмоакустический метод контроля свай (рис. 1a, b) имеет хорошо разработанную теоретическую основу и широкую практику применения [2][4][7][10]. Вспомогательные методики, такие как параллельный сейсмический метод (рис. 1d) [10–15] и профилирование с общим пунктом возбуждения (так называемое «ультрасейсмическое профилирование», рис. 1c) [16–17], применяются в ситуациях, когда отсутствует возможность получения достоверной информации о длине сваи с помощью стандартной методики. Возможности и ограничения данных подходов предлагается обсудить в материале.

Причиной широкой адаптации волновых методов для исследования свайных фундаментов стали особенности физико-механических свойств системы «свая – грунт». Исследуются железобетонные (в основном) конструкции, характеристики материала и геометрические размеры которых определены требованиями проекта. Предполагается однородность свойств бетона для всего объема сооружения, т. е. дефект является контрастной неоднородностью в сплошной конструкции. Вмещающие грунты имеют акустические свойства, существенно отличающиеся от характеристик материала конструкции [8][18].

В зависимости от выбранного диапазона частот колебаний применимы различные модели среды: модель тонкого стержня в однородном полупространстве или модель сваи с переменным акустическим импедансом в слоистой среде (рис. 2). Объединяет их использование линейно-упругого приближения. Это позволяет использовать модель «черного ящика» для описания реакции системы «свая – грунт» на волновой импульс.

Отклик s(t) формируется при передаче в среду, акустические свойства которой описываются функцией Грина G(t) = F{ρV(x, y, z); t}, импульса i(t) и выражается следующим образом:

s(t) = G(t) ⊗ i(t),(1)

где ⊗ – оператор свертки, ρV(x, y, z) – изменение акустической жесткости в объеме (ρ – плотность среды, V – скорость распространения упругой волны). Распространение продольной деформации в тонких стержнях описывается волновым уравнением в приближении Сен-Венана:

, (2)

где  – стержневая скорость упругой волны в свае (E – модуль Юнга, ρ – плотность материала сваи) [2][16]. Скорости стержневой и продольной волн на практике необязательно совпадают – их соотношение зависит от коэффициента Пуассона νматериала стержня [9]:

(3)

Модель тонкого стержня не учитывает образование в стержне поперечных деформаций при распространении продольной волны (так называемый эффект Пуассона) и потери энергии колебаний из-за влияния вмещающих грунтов (рис. 2a): свая погружена в однородное полупространство, акустическая жесткость которого значительно меньше акустической жесткости материала стержня. По стволу сваи распространяются плоские продольные стержневые волны. Сопротивление поперечного сечения сваи характеризуется акустическим импедансом Zp = ρ∙V0∙S, где S – площадь поперечного сечения сваи. Изменение импеданса приводит к образованию отраженных волн. На регистрируемый отклик оказывают влияние только значительные изменения импеданса, вызывающие интенсивное отражение (конец стержня/сваи или значительное изменение сечения).

Для соответствия исследуемой сваи модели тонкого стержня необходимо выполнение двух основных условий [2][19]:

D/L ≪1 и D/λ ≪1,(4)

где D – диаметр сваи, L – длина сваи, λ – длина волны импульса, возбуждаемого ударным источником. В случае полного или частичного невыполнения условий (4) тело сваи нельзя считать одномерным и однородным для распространяющейся деформации. Возбуждаемое точечным источником поле колебаний состоит из нескольких типов волн (стержневые, крутильные, изгибные). Сваи расположены в грунтах различной акустической жесткости ρnVn, что приводит к появлению неравномерно изменяющегося трения по боковой поверхности сваи при распространении упругой волны (рис. 2b).

Чем выше акустическая жесткость вмещающих грунтов и чем больше геометрические размеры сваи, тем выше потери энергии сигнала на излучение во вмещающие грунты и образование волн-помех на малых неоднородностях материала сваи [18–20]. Эти факторы приводят к снижению информативности сигналов и затрудняют контроль длины и сплошности. Для частичной компенсации этого эффекта возможно использовать комплект ударных источников с различным весом и материалом бойка. Выбор источников производится исходя из геометрических размеров сваи и типа вмещающих грунтов и влияет на разрешающую способность методики [6–7][21]. На практике это приводит к расхождениям в значении длин сваи, определенных с применением различных ударников – сказывается эффект частотной дисперсии стержневой скорости [2][19].

Показанные в статье результаты получены с использованием измерителей длины свай первого и второго поколений, ИДС-1 и ИДС-2 («Логические системы», Россия). Рабочие комплекты приборов включали блоки управления и регистрации данных, 1–2 сейсмоприемника (велосиметра), набор ударных источников. Использовалось три вида ударников: металлические молотки 100–200 г, молотки из твердого пластика 250–350 г, резиновые киянки 300–500 г.

Обработка результатов осуществлялась в программном обеспечении GeoTechControl (ООО «ГЕОДЕВАЙС», Россия). Использованный граф обработки включал сборку сигналов в отсортированный массив с вводом статических поправок и удалением некондиционных сигналов; амплитудную коррекцию; двумерную сглаживающую фильтрацию для отбраковки случайных помех и прослеживания целевых отражений; определение длины сваи по отраженному сигналу и оценку стержневой скорости по сигналу прямого прохождения.

Вспомогательные сейсмоакустические методики не являются универсальным средством борьбы с погрешностью метода (оцениваемой в 5–10 %), однако позволяют получить дополнительную информацию, повышающую достоверность выводов о длине и сплошности конструкции.

Дополнительные способы расположения датчиков при обследовании фундамента, включенного в ростверк или существующее здание (рис. 1b), позволяют на этапе интерпретации более уверенно выделить отражение от нижнего конца сваи. Желательным является закрепление регистрирующего датчика на боковой поверхности самой обследуемой конструкции, хотя в некоторых случаях сохраняется возможность работы с поверхности ростверка.

На рис. 3 показаны примеры определения длины свай в составе существующих сооружений. В первом случае организация площадки для установки датчика на боковую поверхность позволила получить данные высокого качества. Несмотря на массивные габариты обследуемой сваи (диаметр 800 мм, проектная длина 22,0 м), сигналы отличаются низким уровнем шумов и позволяют на практике показать явление частотной дисперсии скорости стержневой волны – при одинаковом значении скорости волны, принятом равным 4000 м/с (определено при обследовании свай известной длины, изготовленных из бетона того же класса прочности, на данной площадке), длина для трех ударников отличается. Сигналы для высокочастотного металлического молотка позволяют дать точную оценку длины сваи (площадка для возбуждения и приема сигнала располагалась на 0,4 м ниже оголовка сваи).

Во втором случае расположение регистратора на подколонном ростверке (интенсивный приток грунтовых вод не позволил обследователям выполнить шурфы ниже уровня пола подвала) привело к осложнению сигналов помехами от ростверка и конструкций монолитного каркаса здания. При ожидаемой глубине заложения фундамента около 10 м и толщине подколонного ростверка в 1,5 м результат обследования с поверхности ростверка дает среднюю длину сваи в 10,4 м (т. е. расхождение более 1 м). Скорость стержневой волны выбрана равной 3600 м/с, это сравнительно низкое значение позволяет избежать переоценки глубины заложения свай [7]. Таким образом, разница в определенной и проектной длинах может быть связана как с неправильно выбранным значением скорости, так и с заложением фундамента на меньшую глубину – для однозначного вывода не хватает априорной информации. Интенсивные помехи также не дают возможности сделать однозначный вывод о сплошности фундамента.

Методика профилирования с постоянным положением источника (ультрасейсмический метод) (рис. 1c) позволяет собрать сейсмограмму, на которой по годографу прямой волны дается оценка стержневой скорости. Этот способ получения информации о скорости волны в свае является наиболее точным из возможных (предварительные ультразвуковые измерения или использование априорных зависимостей «скорость – класс прочности» не позволяют однозначно определить стержневую скорость в фундаменте, т. к. она зависит от его геометрии [18]). Применение методики требует от исследователя квалификации и также не является универсальным решением проблемы контроля качества свай.

Рассмотрим ее использование на примере двух наборов данных (рис. 4). В первом случае профилирование по боковой грани недопогруженной забивной сваи позволяет получить значение скорости в материале сваи (4000 м/с) и использовать его при обследовании уже погруженных свай фундамента. Проектная длина свай – 8 м – определяется по годографу отраженной волны с хорошей точностью (рис. 4a).

Во втором случае профилирование выполнялось вдоль участка сваи высотой в 2 м. Точка регистрации сигнала располагалась на удалении 1 м от верхнего торца сваи. Составная свая (проектная длина верхней и нижней секций 6 и 10 м соответственно) была включена в состав эксплуатируемого сооружения. Определенная по годографу первых вступлений стержневая скорость составила ~3800 м/с. На рис. 4b показаны выделенные для данного значения скорости времена прихода отражений от зоны стыка и нижнего конца сваи. Сигналы осложнены помехами, которые затрудняют точное выделение отражений на сейсмограмме. Несмотря не интенсивные акустические аномалии, полученные оценки длины конструкции и глубины расположения зоны стыка сходятся с проектной информацией (6,1 м для зоны стыка и 15,9 м длины сваи соответственно).

При работе параллельным сейсмическим методом (ПСМ) возбуждение сигнала производится с доступной для нанесения удара поверхности конструкции (сваи, ростверка, опоры моста, фундамента глубокого заложения) [12–13][18]. Испытания выполняются с регистрацией сигналов приемником, перемещающимся в расположенной поблизости от сооружения скважине, глубина которой превышает ожидаемую глубину фундамента. Несмотря на отсутствие на российском рынке специализированных приборов дляработ ПСМ, имеется опыт успешного применения геофизической аппаратуры для вертикального сейсмического профилирования для определения глубины заложения фундаментов различной конструкции [6].

Результаты экспериментов по численному двумерному и трехмерному моделированию показывают возможность использования метода для получения выводов о сплошности и/или форме сечения конструкции [15][18]. Для этого требуется применение нестандартных способов представления данных с применением спектрального анализа (рис. 5). Поскольку возможности и ограничения стандартной методики анализа сигналов ПСМ хорошо изучены, данное направление работ представляется наиболее перспективным для дальнейшего развития метода.

Представленная информация о вспомогательных методиках сейсмоакустического контроля позволяет показать их возможности для повышения достоверности результатов исследований. Методики сами по себе не являются гарантией успешного обследования фундамента, так как не устраняют особенностей лежащей в основе метода теоретической модели. Однако их применение позволяет решить ряд важных вопросов.

Альтернативные способы установки датчиков вместе с разночастотным возбуждением позволяют определить длину сваи, включенной в существующее здание или ростверк. Использование профилирования вдоль боковой грани конструкции дает значение скорости стержневой волны, необходимое для успешной интерпретации сигналов. Параллельный сейсмический метод позволяет с высокой точностью дать оценку глубины заложения фундамента вне зависимости от сложности его геометрии и гипотетически может быть использован и для контроля сплошности материала.