СПОСОБ ОЦЕНКИ И ВЫБОРА УЧАСТКОВ ТЕРРИТОРИИ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ СООРУЖЕНИЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к строительству и предназначено для инструментального обследования участков территории планируемого строительства для оценки физических параметров основания сооружения (грунтов, верхов земной коры), определяющих в соответствии с установленными требованиями, предъявляемыми к участкам территории для возведения проектируемого сооружения, пригодность участка для его строительства.

Известен из авторского свидетельства СССР №1726641, кл⁵ Е 02 D 1/00, 1989 г. способ оценки динамических характеристик основания сооружения при его возведении путем регистрации колебаний по площадной сетке измерений, выявления максимумов спектров колебаний и определения параметров максимумов, построения карт параметров и их анализа для оценки пригодности основания для сооружения.

Однако известный способ позволяет выявлять только те особенности нарушения сплошности среды основания, которые создают резонансный отклик при многочастотном воздействии, а разрывные нарушения среды или геодинамические ослабленные зоны, как правило, не характеризуются резонансными свойствами и могут быть замаскированы другими, нерезонансными зонами, что снижает точность оценок известного способа. Для выполнения этого способа необходимо наличие дополнительного оборудования двух вибраторов, с которыми проходят всю территорию, что не всегда выполнимо в условиях плотной городской застройки или в труднодоступных районах.

Наиболее близким по своей технической сути решением к предложенному способу является известный из патента Российской Федерации №2038595, кл.⁶ G 01 N 7/33, 1992 г. способ оценки и выбора участков территории для возведения сооружений различного назначения, включающий задание в зависимости от характера проектируемого сооружения сетки точек измерений, установку в заданных точках измерений сейсмометров, одновременную сейсмическую регистрацию, по крайней мере, в двух заданных точках измерений колебаний, возбуждаемых просвечивающим участок источником, последовательно проходя все заданные точки измерений, определяя при этом расчетным путем в заданных точках измерений амплитуды сейсмических колебаний с последующим построением на плане обследуемой территории карты значений параметров.

Недостатками известного способа являются его большая трудоемкость, недостаточная точность оценки прочностных характеристик участков исследуемой территории, так как для осуществления известного способа необходимо создание эталонной среды, наличие специального источника колебаний, при этом доступны для изучения только участки в ближней зоне источника, а определение амплитуд осуществляется по импульсным сейсмограммам, что характеризуется невысокой точностью.

Задачами предлагаемого изобретения является повышение точности определения местоположения зон ослабления прочности среды исследуемых участков территории вследствие геодинамических процессов (зон повышенного поглощения сейсмических сигналов), расширение области применения при снижении трудоемкости его осуществления.

Указанные задачи достигаются тем, что в способе оценки и выбора участков территории для возведения сооружений различного назначения, включающем задание в зависимости от характера проектируемого сооружения сетки точек измерений, установку в заданных точках измерений сейсмометров, одновременную сейсмическую регистрацию, по крайней мере, в двух заданных точках измерений колебаний, возбуждаемых просвечивающим участок источником, последовательно проходя все заданные точки измерений, определяя при этом расчетным путем в заданных точках измерений амплитуды сейсмических колебаний с последующим построением на плане обследуемой территории карты значений параметров, в качестве просвечивающего источника сейсмических колебаний используют возбуждаемые атмосферными пульсациями собственные колебания выступающих в рельефе природных и/или техногенных объектов, регистрируемые сейсмометрами по координатам X, Y, Z, применяемыми для определения через параметры поляризации типа сейсмических волн регистрируемых собственных колебаний, после чего проводят анализ пространственного распределения по сетке заданных точек измерения средних за время измерений значений амплитуд регистрируемых собственных колебаний на резонансной частоте для каждой из точек измерений, объединяя при этом полученные средние значения амплитуд в кластеры на карте обследуемой территории, и по плотности, размеру, форме и расположению кластеров на карте, а также в зависимости от определенного ранее типа сейсмических волн выявляют зоны, не соответствующие установленным требованиям, предъявляемым к участкам территории для возведения проектируемого сооружения, оценивая тем самым пригодность участков территории для строительства и выбирая участок, отвечающий установленным для объекта требованиям, при этом точки измерения задают по линиям профилей, секущим территорию, с расстоянием между соседними точками измерений на профилях, составляющим не более 0,1 от наибольшего из размеров “L” территории, а расположение профилей и расстояние между ними задают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к участкам территории для возведения проектируемого сооружения, при этом сейсмическую регистрацию производят в полосе частот от 0,2 Гц и выше в течение не менее 1 часа в каждой из точек измерения.

Технический эффект при использовании заявленного способа, заключающийся в повышении точности выявления местоположения зон ослабленной прочности среды исследуемых участков территории вследствие геодинамических процессов, достигается за счет того, что просвечивают среду монохроматическими сигналами и анализируют пространственное распределение амплитуд, выделяют все зоны, в которых наблюдается отклонение значений амплитуд от пространственного распределения амплитуд, соответствующего типу волн, определяемого поляризационным анализом по компонентам X, Y, Z, для модели латерально-однородной или с медленно меняющимися в пределах площадки параметрами слоистости, по плотности зон, их форме, размеру и расположению, а также по величинам отклонения амплитуд от значений для осредненной модели оценивают, соответствует ли данная зона участку ослабления прочности вследствие геодинамических процессов.

При этом по сравнению с прототипом не требуется специальных устройств, возбуждающих просвечивающий среду сигнал, так как используют монохроматические сигналы, излучаемые в среду при возбуждаемых ветром собственных колебаниях выступающих в рельефе объектов, что существенно упрощает обследование участка территории и снижает по сравнению с прототипом трудоемкость его осуществления. Расширение области применения по сравнению с прототипом достигается путем расширения полосы частот сейсмической регистрации.

Заявленный способ поясняется следующими чертежами, где: на фиг.1 представлены спектры мощности сейсмических записей микросейсм по компонентам X, Y, Z, полученные в единичном временном окне; на фиг.2 - участки сейсмограмм по компонентам X, Y, Z; на фиг.3 - результаты определения поляризации в виде траекторий движения точки; на фиг.4 - для амплитуд по компонентам X, Y, Z на частоте 5,2 Гц экспериментальные зависимости от расстояния между точками измерений и источником в виде системы портальных кранов; на фиг.5 - карты пространственного распределения амплитуд колебаний на Z компоненте для частоты 5,2 Гц, построенные по сетке точек сейсмометрических измерений - по экспериментальным данным; на фиг.6 - то же с учетом тренда; на фиг.7 - карты пространственного распределения амплитуд компоненты Z при сейсмическом просвечивании площадки с помощью ветровых колебаний здания на частоте 2,7 Гц; на фиг.8 - корректировка рельефа поверхности амплитуд и на фиг.9 - карта геодинамически активных зон площадки на основании результатов эманационной родоновой съемки, темные зоны соответствуют участкам повышенной геодинамической активности.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В зависимости от назначения возводимого сооружения, т.е. от соответствующих нормативных требований, определяющих размеры площадки и прочностные свойства участка, определяемые геодинамическими процессами, задают точки измерений, в которых устанавливают сейсмометры. Местоположение точек измерения на участке территории задают по сетке линий профилей, секущих площадку в продольном и поперечном направлениях. Плотность профилей определяется размерами площадки, характерными размерами участка понижения прочности, опасного для возводимого объекта; положения профилей зависит от застроенности площадки или доступности для измерений. Расстояния между соседними по профилю точками составляет не более 0,1 от “L”, равной наибольшему из размеров участка. Сейсмическую регистрацию ведут одновременно по крайней мере в двух заданных точках измерений колебаний, последовательно проходя все заданные точки сетки, причем одна из точек является общей (корреляционной) при замерах по схеме - одна станция остается на месте, другая перемещается по сетке. Точки, в которых производят регистрацию, выбирают в произвольном порядке. Регистрацию ведут в течение заданного интервала времени. Длительность регистрации “t” составляет не менее 1 часа, ее выбирают таким образом, чтобы она заведомо превышала характерный период пульсаций атмосферного давления Т_атм, т.е. при Т_атм=1 мин, t=1-2 часа. Такой выбор интервала времени регистрации дает достаточное количество значений амплитуд колебаний и повышает точность определения средних значений амплитуд резонансных колебаний в каждой из точек измерений сетки.

Для сейсмических измерений используют частотный диапазон, начиная от 0,2 Гц и выше, что позволяет применять данный способ для выявления участков нарушения прочности разного размера (от крупных разломов с характерными размерами нарушенности в сотни метров до мелких зон в единицы метров), играющих определяющую роль для оценки пригодности участков территории для сооружений различного размера и назначения - от стройплощадок зданий до площадок размещения АЭС.

Сейсмическую регистрацию настраивают на уровни по плотности мощности скоростей смещений, характерные для микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения в заданном частотном диапазоне. В зависимости от точки наблюдений это уровни: в городах и пригородах 1-100 (мкм²/с²)/Гц, в прочих местах в зависимости от характера антропогенной деятельности - от 1 до 10^-4 (мкм²/с²)/Гц. Сейсмическую регистрацию в каждой точке измерения производят одновременно по координатам X, Y, Z.

Затем производят обработку сейсмограмм, при этом в качестве одного из компонентов микросейсм выделяют колебания естественной или техногенной природы, создаваемыми в результате собственных колебаний выступающих в рельефе объектов вследствие атмосферных пульсаций, для чего производят расчеты спектров сейсмограмм и выделяют резонансные частоты колебаний. Расчеты спектров ведут, применяя быстрое преобразование Фурье во временном окне τ, подбирая длительность временного окна таким образом, чтобы резонансный максимум превышал подставку спектра в несколько раз. Выделение резонансных максимумов может показать, что в сигнале присутствует несколько максимумов. Для дальнейшей обработки оставляют лишь те, для которых частота f отличается от значений f=F_э/N, где N - целое число, а F_э - среднее значение частоты электрической сети, в России F_э=50 Гц. Это требование исключает из рассмотрения механические колебания, создаваемые электрическими машинами, т.к. они создают сейсмические сигналы с плавающей по времени частотой, определяемой флуктуациями частоты электрической сети. Пространственное распределение амплитуд для сигналов с плавающей частотой будет давать смазанную картину, в которой могут быть пропущены искомые участки пониженной прочности. Собственные ветровые колебания объектов характеризуются постоянным значением частоты.

Для каждого из резонансных максимумов, принятых к обработке, выполняется описанная ниже процедура. Для резонансного максимума и соответствующего окна τ проводится цифровая фильтрация сейсмограмм для каждой из компонент X, Y, Z узкополосным фильтром с центральной частотой, равной найденной резонансной частоте максимума, и шириной фильтра Δf:

Δf=1/τ.

Для полученных в результате фильтрации записей по компонентам X, Y, Z проводится поляризационный анализ, в результате чего определяется тип сейсмических регистрируемых собственных колебаний волн: продольных, поперечных или поверхностных. В зависимости от типа волн для наиболее представительной компоненты (как правило, Z) определяют среднее значение амплитуды для каждой точки измерения путем расчета стандартного отклонения отфильтрованной записи. Полученное значение принимают за значение амплитуды для данной точки измерения в пространственной сетке.

Используя результаты сейсмометрической регистрации в соседних точках, производят объединение данных в единую систему, рассчитывая отношение амплитуд при двух замерах к амплитуде в общей для них точке. По совокупности средних значений амплитуд колебаний на резонансной частоте проводят анализ полученного пространственного распределения амплитуд. При этом в соответствии с типом волн, определенным ранее, из полученного пространственного распределения вычитают составляющую, характерную для закона изменения амплитуды с расстоянием для волн данного типа. Для объемных волн (продольных или поперечных) распределение амплитуд для модели однородного слоя будет иметь тренд ослабления амплитуд, пропорциональный 1/R, для поверхностных - 1/, где R - расстояние от источника или от границы площадки, R изменяется от 0 до L.

Пространственное распределение амплитуд, полученное в результате вычитания тренда, анализируют, объединяя в пятна-кластеры, близкие по величине и по местоположению на сетке значения амплитуд. По плотности, размеру, форме и расположению кластеров выявляют зоны, не соответствующие требованиям, предъявляемым к участкам территории для возведения проектируемого сооружения, оценивая тем самым пригодность участка для строительства и выбирая участок территории, отвечающий установленным для объекта требованиям. Если площадку анализируют на присутствие разрывных нарушений геодинамической природы, то в пространственном распределении амплитуд отмечают протяженные линейные зоны, в которых получены пониженные значения амплитуд по сравнению с соседними участками.

КОНКРЕТНЫЕ ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1. Была обследована территория в виде полосы с размерами примерно 50×10 км с целью оценки и выбора участка для размещения планируемой к строительству АЭС. Нормативными документами по размещению АЭС требуется удаленность станции от разломов. Анализ и дешифровка космоснимков предположили возможность присутствия разлома на площади внутри обследуемой полосы.

Была задана сетка точек сейсмометрических измерений по линиям вдоль предполагаемого разлома и вкрест него. Расстояние между соседними точками на линиях 3-5 км.

В качестве источника сейсмических колебаний, просвечивающих участок территории, использовались ветровые колебания системы портальных кранов, показанных на фиг.5 и 6 звездочкой; точки измерений показаны треугольниками.

На фиг.1 представлены спектры мощности микросейсм, в которых видны резонансные максимумы на частотах 5,2 Гц и 10,4 Гц - первая и вторая гармоники собственных колебаний системы. На этих двух частотах велось просвечивание территории.

На фиг.2 - участки сейсмограмм по компонентам X, Y, Z.

На фиг.3 - результаты определения поляризации в виде траекторий движения точки. Приведенные графики указывают, что система портальных кранов на частоте 5,2 Гц излучает в среду объемные поперечные волны.

На фиг.4 приведены для амплитуд по компонентам X, Y, Z на частоте 5,2 Гц экспериментальные зависимости от расстояния между точками измерений и источником в виде системы портальных кранов. Сейсмические колебания, возбуждаемые ветровыми колебаниями портальных кранов, регистрировались до удалений 15 км, т.е. этот источник просвечивал всю обследуемую территорию. Кривые на фиг.4 имеют вид, типичный для ослабления амплитуд объемных волн с расстоянием (пропорционально 1/R), осложненный максимумом на расстоянии 5 км, характерным для двухслойного разреза участка. Полученный профиль ослабления амплитуд по мере удаления от источника использован ниже для вычитания из карты пространственного распределения амплитуд.

На фиг.5 и 6 можно сравнить карты пространственного распределения амплитуд колебаний на Z компоненте для частоты 5,2 Гц, построенные по сетке точек сейсмометрических измерений - по экспериментальным данным и с учетом тренда, определяемого законом ослабления амплитуды с расстоянием. Объединение в кластеры проведено по логарифмической шкале амплитуд, интервалы разбиения представлены тоновой палеткой на фиг.5 и 6. Картина для частот 10,4 Гц близка к таковой для 5,2 Гц. Учет тренда амплитуд для объемных волн дает более равномерную картину пространственного среднего значения распределения амплитуд, на которой еще более отчетливо выделяется темная полоса, соответствующая повышенному поглощению просвечивающих среду колебаний. Форма пятна - достаточно протяженная и узкая полоса, и расположение полосы на карте указывает, что данный участок соответствует ослабленной зоне, совпадающей с зоной предполагаемого разлома. Таким образом, территория вблизи разлома не пригодна для возведения АЭС.

Пример 2. Проводилось обследование площадки для возведения комплекса высотных зданий. Участок территории относительно небольшой, длиной около 500 м. Точек измерений микросейсм были заданы примерно по квадратной сетке со средним расстоянием между соседними точками 40 м (на фиг.7 и 8 показаны треугольниками). В качестве просвечивающего сигнала использованы собственные колебания стоящего рядом с площадкой здания, собственная частота 2,7 Гц. Была проведена обработка полученных записей с фильтрацией записей в каждой точке, определением среднего значения амплитуд и типа волн. Получены параметры поляризации, типичные для поверхностных волн, что, с учетом малого размера площадки при низкочастотном просвечивающем сигнале, позволяет не учитывать тренд в распределении амплитуд.

На фиг.7 и 8 показаны карты пространственного распределения амплитуд. Так же, как и в предыдущем примере, кластеры составлены с использованием логарифмической палетки. Для удобства анализа карты она представлена в виде фотографии соответствующей поверхности логарифма амплитуд. Пятна представляют разрозненные неоднородности поверхности в виде отдельных бугорков и впадин. Учет рельефа поверхности меловых отложений по данным бурения на площадке позволил скорректировать карту, на которой осталась единственная неоднородность в виде центрального пятна. Доразведка показала, что пятно соответствует заглубленному коллектору.

На фиг.9 показана карта геодинамически активных зон, полученных для данной площадки на основании эманационной радоновой съемки. Темные зоны соответствуют участкам повышенной геодинамической активности, т.е. для эманации газов это должны быть зоны повышенной трещиноватости или в терминах амплитуд - пониженных значений амплитуд. Ничего подобного по форме пятен и их расположению на картах амплитуд фиг.7 и 8 не обнаружено. Таким образом, площадка оценена как пригодная для строительства.

Таким образом, использование заявленного способа позволяет повысить точность выявления местоположения зон ослабленной прочности среды исследуемых участков территории вследствие геодинамических процессов (зон повышенного поглощения сейсмических сигналов), расширить области применения при снижении трудоемкости его осуществления.

Изобретение относится к строительству и предназначено для инструментального обследования участков территории планируемого строительства для оценки физических параметров основания сооружения (грунтов, верхних слоев земной коры), определяющих пригодность участка для его строительства. Способ оценки и выбора участков территории для возведения сооружений различного назначения включает задание сетки точек измерений, одновременную сейсмическую регистрацию по координатам Х, Y, Z, по крайней мере, в двух заданных точках собственных колебаний, возбуждаемых воздействием пульсаций атмосферного давления и ветровых колебаний на выступающие в рельефе природные и/или техногенные объекты. Построение на плане обследуемой территории карты значений параметров. Анализ распределения по сетке заданных точек измерения средних по времени значений амплитуд регистрируемых собственных колебаний на резонансной частоте в каждой из точек измерений. Выявление зон, не соответствующих требованиям, предъявляемым к участкам территории для возведения проектируемого сооружения. Технический результат: повышение точности определения местоположения зон ослабления прочности среды исследуемых участков территории вследствие геодинамических процессов. 9 ил.

Способ оценки и выбора участков территории для возведения сооружений различного назначения, включающий задание сети точек измерений, установку в заданных точках измерений сейсмометров, одновременную сейсмическую регистрацию, по крайней мере, в двух заданных точках измерений колебаний, возбуждаемых источником, просвечивающим участок, последовательно проходя все заданные точки измерений, одна из которых является общей при замерах, определяя при этом расчетным путем в заданных точках измерений амплитуды сейсмических колебаний с последующим построением на плане обследуемой территории карты значений параметров, отличающийся тем, что в качестве просвечивающего источника сейсмических колебаний используют возбуждаемые пульсациями атмосферного давления или ветровых колебаний собственные колебания выступающих в рельефе природных и/или техногенных объектов, регистрируемые сейсмометрами по координатам Х, Y, Z, применяемыми для определения через параметры поляризации типа сейсмических волн регистрируемых собственных колебаний, в зависимости от типа волн для наиболее представительной компоненты определяют среднее значение амплитуды для каждой точки измерения путем расчета стандартного отклонения отфильтрованной записи, используя результаты сейсмометрической регистрации в соседних точках, производят объединение данных в единую систему, рассчитывая отношения амплитуд при двух замерах к амплитуде в общей для них точке, проводят анализ пространственного распределения по сетке заданных точек измерения средних за время измерений значений амплитуд регистрируемых собственных колебаний на резонансной частоте для каждой из точек измерений, объединяя при этом полученные средние значения амплитуд в кластеры на карте обследуемой территории, и по форме и расположению кластеров на карте, а также по величинам отклонений значений амплитуд от пространственного распределения амплитуд, соответствующего осредненной модели для типа волн, определяемого поляризационным анализом по компонентам Х, Y, Z, выявляют зоны, непригодные для строительства, при этом точки измерения задают по линиям профилей, секущим территорию, с расстоянием между соседними точками измерений на профилях, составляющим не более 0,1 от наибольшего из размеров L территории, а расположение профилей и расстояние между ними задают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к участкам территории для возведения проектируемого сооружения, при этом сейсмическую регистрацию производят в полосе частот от 0,2 Гц и выше в течение не менее 1 ч в каждой из точек измерения.