Акустико-эмиссионный способ контроля изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива Российский патент 2022 года по МПК G01V1/00 G01N29/14 G01N3/18 G01N25/58 G01N33/24 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях с целью определения как текущего состояния, так и в рамках длительного контроля (мониторинга) и для подготовки прогноза изменения устойчивости подвергнутых искусственному упрочнению грунтовых оснований, например, производимому путем инъекций в них цементных смесей или компаунда, на которых располагаются фундаменты зданий и сооружений различного назначения, возводимых в сложных горно-геологических условиях.

Известен способ контроля качества упрочнения грунтового массива (RU2288995, опублик. 10.12.2006), для реализации которого, после окончания работ по инъектированию твердеющего раствора и набора им прочности, проводят динамическое зондирование и отбирают пробы как подвергнутого искусственному закреплению, так и исходного грунта, эти пробы используют для определения деформационных и структурных характеристик грунтового материала, а о качестве упрочнения последнего судят по результатам совместной обработки значений показателей зондирования и характеристик, получаемых на пробах, включающий в том числе расчет коэффициента, характеризующего вид и состояние грунтового массива.

Недостатками данного способа являются его высокая трудоемкость, непригодность для выполнения контроля в режиме длительного мониторинга и то, что он не устанавливает признаков, по которым возможно определить момент завершения набора раствором прочности. Как следствие этот способ не позволяет понять, через сколько времени после завершения инъектирования уже допустимо приступать к выполнению контроля и по нему невозможно проследить эволюцию напряженно-деформированного состояния грунтового основания, чтобы своевременно идентифицировать очаги развития деструктивных процессов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения изменения устойчивости мерзлых грунтовых оснований (RU 2699385, опублик. 05.09.2019), включающий отбор проб грунта из контролируемого массива, определение на них соответствия параметров акустической эмиссии стадиям деформированного состояния грунта при его нагружении по стандартизованным лабораторным методикам, размещение измерительных зондов с определенным шагом по простиранию и глубине контролируемого участка грунтового массива, осуществление посредством установленных в зондах нагревательных устройств периодической подачи в грунтовый массив температурных воздействий, создающих условия для формирования полезного отклика, причем режим и параметры этих воздействий выбирают в зависимости от исходных характеристик грунта, выполнение контроля за его тепловым состоянием с помощью установленных в зондах термометров, регистрацию с помощью зондов поступающего из массива акустико-эмиссионного отклика на указанные воздействия, определение значений информативных параметров зарегистрированной акустической эмиссии данного отклика, в качестве которых используют активность и длительность импульсов D_imp, по сравнению указанных значений с соответствующими эталонными значениями, полученными на пробах того же грунта, судят об изменении устойчивости контролируемого участка грунтового массива.

Недостатками способа-прототипа являются:

1) Применимость известного способа ограничивается исследованием мерзлых грунтов, из чего следует невозможность проведения с его помощью контроля за состоянием грунтового массива, упрочненного другими способами, в том числе путем его обработки твердеющими веществами;

Этот недостаток обусловлен тем, что используемые в известном способе информативные сигналы генерируется разрушением ледопородной матрицы при ее локальном отогреве. Соответственно, если теплового потока от размещенного в каротажном зонде нагревательного элемента недостаточно для инициирования интенсивного распада структурных связей на контролируемом участке геосреды, полезный сигнал, достаточный для реализации этого способа, будет отсутствовать. Использование более мощных нагревателей, способных создать термические напряжения, превышающие передел прочности грунтового материала, обработанного твердеющим раствором (цементным, силикатным, компаундом на основе смолы и тому подобное), нецелесообразно по причине исключительной дороговизны такого рода нагревательных устройств, крайне высоких затратах на их электропитание и сложности их изготовления в скважинном исполнении. Кроме того, применение высокоинтенсивного нагрева также сопряжено с комплексом до сих пор полностью не решенных задач по термоизоляции размещаемых в зоне действия нагревателей датчиков, предусилителей, кабелей питания и сигнальных.

2) Невозможность проведения измерений с периодичностью, достаточной для оперативного отслеживания возникновения и развития в геосреде опасных процессов и явлений;

Этот недостаток обусловлен тем, что в известном способе каждое последующее измерение допустимо проводить только после восстановления ледопородной матрицы в зоне расположения измерительного зонда, растепленной каждым предыдущим циклом термического нагружения. В свою очередь, в определенных климатических и геокриологических условиях, повторное промерзание грунта может занять достаточно длительный и не всегда заранее прогнозируемый промежуток времени. Такая прерывистость в актуализации сведений о состоянии контролируемого массива придает существенно вероятный характер решению задачи по своевременному выявлению предвестников формирования очагов развития осадок, смещений и др. относительно быстро протекающих деструктивных процессов, связанных с потерей грунтовым основанием стабильности.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения возможности определения изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива, вмещающего фундаменты, предназначенные для размещения на них зданий и сооружений, и повышение производительности контроля состояния геосреды методом акустической эмиссии.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Акустико-эмиссионный способ контроля изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива включает отбор проб грунта из контролируемого массива, определение на них соответствия параметров акустической эмиссии стадиям деформированного состояния грунта при его нагружении по стандартизованным лабораторным методикам, размещение измерительных зондов с определенным шагом по простиранию и глубине контролируемого участка грунтового массива, осуществление посредством установленных в зондах нагревательных устройств периодической подачи в грунтовый массив температурных воздействий, создающих условия для формирования полезного отклика, причем режим и параметры этих воздействий выбирают в зависимости от исходных характеристик грунта, выполнение контроля за его тепловым состоянием с помощью установленных в зондах термометров, регистрацию с помощью зондов поступающего из массива акустико-эмиссионного отклика на указанные воздействия, определение значений информативных параметров зарегистрированной акустической эмиссии данного отклика, в качестве которых используют активность и длительность импульсов D_imp, по сравнению указанных значений с соответствующими эталонными значениями, полученными на пробах того же грунта, судят об изменении устойчивости контролируемого участка грунтового массива.

Отличие способа заключается в том, что рядом с измерительными зондами с определенным шагом по простиранию и глубине контролируемого участка грунтов размещают излучатели упругих волн, частотные и другие параметры которых выбирают в зависимости от исходного состояния геосреды в массиве и расстояний от измерительных зондов до излучателей, с помощью которых проводят прозвучивание грунта до первого и при каждом последующем цикле его нагрева, во время работы излучателей регистрируют установленным в каждом измерительном зонде преобразователем значения параметров акустической эмиссии прошедших через грунт сигналов: амплитуду A_imp, число выбросов в импульсе V_imp и энергию источника E_sour, температурные воздействия производят циклически, через интервалы времени, достаточные для остывания грунта после отключения нагревателей до установившейся температуры T_min, когда скорость ее изменения не превышает ΔT, величину которой определяют по результатам статистических наблюдений на исследуемом или схожем участке грунтового массива как равную величине естественных колебаний температур в нем, значения и D_imp усредняют по двум временным областям, первая из которых M[D^I_imp(x)] соответствует прогреву грунта с T_min до рабочей температуры T_max, которую считают достигнутой, когда скорость возрастания температуры грунта не превышает ΔT при работающих в постоянном режиме нагревателях, вторая область M[D^II_imp(x)] соответствует интервалу с момента прогрева грунта до T_max по момент начала его прозвучивания упругими волнами, при этом длительность интервала не менее 15 мин., каждый этап прозвучивания проводят в течение времени, достаточного для стабилизации E_sour и V_imp на уровне, при котором отклонение всех измеряемых за не менее чем 5 мин. значений данных параметров от своих средних для данного этапа значений не превышает ±3%, излучатели включают последовательно, при условии поступления в каждый момент времени на каждый зонд упругой волны только от одного излучателя, определяют M[A_imp^ref(0)], M[V_imp^ref(0)], M[E_sour^ref(0)] и M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)] (где x=1,2,3,…,n - порядковый номер цикла нагрева) путем усреднения зарегистрированных величин A_imp, V_imp, E_sour соответственно по временной области прозвучивания грунтов, проводимого до первого включения нагревателей, и по временным областям прозвучивания тех же грунтов, когда их температура соответствовала T_max, для каждого цикла нагрева рассчитывают показатель R^tgr_neu(x):

сравнивают рассчитанные по измерениям в массиве значения R^tgr_neu(x) со значениями R^tgr_neu(* - 1), R^tgr_neu(x -2), R^tgr_neu(x - п), полученными по предыдущим сериям измерений в тех же точках геосреды, и со значениями R^tgr_neu(Z,), полученными по результатам предварительных лабораторных испытаний соответствующих образцов грунта в отвержденном состоянии, и по разнице R^tgr_neu(x) и R^tgr_neu(x - 1), R^tgr_neu(x - 2), …, R^tgr_neu(jc - п) и R^tgr_neu(L) судят об изменении устойчивости грунтового массива.

Технический результат изобретения достигается за счет учета особенностей влияния изменений прочностных характеристик грунтового основания на всех стадиях его искусственного упрочнения вне зависимости от типа отвердителя на параметры акустической эмиссии в грунтах, возникающей как при пассивных измерениях, состоящих в регистрации акустической эмиссии, испускаемой структурными связями объекта контроля при воздействии на них термических напряжений ниже их предела прочности, так и при измерениях активных, выполняемых по схеме прозвучивания, когда применяют искусственный источник зондирующего сигнала с заранее установленными параметрами и о состоянии объекта контроля судят по изменению параметров этого сигнала после его прохождения через данный объект.

Описываемый акустико-эмиссионный способ повышает производительность контроля состояния геосреды путем увеличения частоты сбора измерительных данных, так как исключается потребность в ожидании перед проведением каждой последующей серии измерений до момента полного промерзания грунта после его растепления, осуществляемого в рамках каждой предыдущей серии измерений.

Также описываемый акустико-эмиссионный способ расширяет свои функциональные возможности за счет определения изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива, вмещающего фундаменты, предназначенные для размещения на них зданий и сооружений путем применения новых подходов к организации измерительной сети и к получению полезной информации, которые позволяют проводить контроль грунтового массива, подвергнутого любому способу химико-физического закрепления, не ограничиваясь только контролем устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений в условиях криолитозоны и (или) исследованием качества и процесса формирования искусственно создаваемых ледопородных ограждений.

Изобретение поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 приведен пример R^tgr_neu(x)(P) - изменения зависимости структурной устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива, полученной при испытании грунтовых материалов возрастающей нагрузкой Р после завершения процесса набора прочности инъектированных в них твердеющих растворов;

на фиг. 2 приведен пример R^tgr_neu(x)(t) - изменения зависимости структурной устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива, где t - время с начала испытаний по способу, которые проводились на находящихся в сложном напряженном состоянии грунтах после схватывания инъектированного в них отвердителя, но до завершения набора им прочности;

на фиг. 3 приведена конструкция измерительного зонда, размещаемого в исследуемом грунтовом массиве, и схема организации измерительной сети, позволяющей реализовать способ.

На фиг. 3 показаны следующие элементы измерительного зонда и измерительной сети: стальной корпус 1, с одной стороны которого размещен стальной конус 2, а с другой стороны расположена заглушка 3 с кабельным вводом для сигнальных и питающих цепей, внутри корпуса 1 размещены нагреватель 4 (высокотемпературный нагревательный кабель), датчик 5 температуры (термочувствительный элемент, терморезистор), датчик 6 давления грунта, первичный предусилитель 7, приемные акустические преобразователи 8, сопряженные с прижимными устройствами 9, волноводы 10, перегородки 11, изолирующие отсек нагревательного кабеля 4 от остального внутреннего объема корпуса 1, металлический каркас 12 для фиксации нагревателя 4, зонд 13, скважина 14 для размещения зонда 13, излучатели 15 упругих волн, сигнальные и питающие цепи 16 зондов 13, устройство 17 связи и управления, модуль 18 беспроводного интернета, комплектно-распределительное устройство 19 электропитания, участок 20 контролируемой геосреды.

Способ базируется на экспериментально установленных авторами закономерностях акустической эмиссии при измерениях по изложенному выше алгоритму на грунтах, обработанных растворами цементным или на основе полимерных смол, нагружаемых по схеме Кармана со ступенчато изменяющейся квазистатической нагрузкой, имитирующей влияние на грунт веса от возводимого на нем инженерного сооружения.

Суть этих закономерностей заключается во взаимосвязи между изменениями взаимного соотношения информативных параметров акустической эмиссии, определяемых как при прозвучивании отверждаемого грунтового материала упругими волнами, совмещенном с локальной термической обработкой размещенными в контакте с грунтом нагревателями, так и при его термической обработке без прозвучивания, с одной стороны, и развитием деформированного состояния данного грунтово-тампонажного материала под действием ступенчато изменяющейся квазистатической механической нагрузки величиной Р - с другой.

В качестве объектов испытаний использовались грунты, соответствующие по своему составу и свойствам (в т.ч. влажности) грунтам, характерным для опасных по провальной осадке и (или) сдвижению геоподосновы объектов строительства. В целях обеспечения возможности обработки результатов всех экспериментов как единой генеральной совокупности, во всех случаях процентное содержание отвердителей относительно общего объема закрепляемого грунта подбиралось таким образом, чтобы полученные в результате упрочнения грунтово-тампонажные агломерации имели сопоставимый предел прочности на сжатие (σ_сж). Выполнение этого условия подтверждалось путем испытания контрольных образцов тех же грунтово-тампонажных материалов по ГОСТ 21153.2.

При установлении указанных закономерностей использовались следующие параметры акустической эмиссии:

1) Активность - число зарегистрированных событий акустической эмиссии (АЭ) за единицу времени. Физический смысл - интенсивность деструкции и перестройки структурных связей в геоматериале.

Использование только не является достаточным, так как на величину данного параметра влияет как, например, эволюция слабых водно-коллоидных связей, что почти не сказываются на несущей способности грунта, так и разрушение прочных химических и кристаллических связей, исчерпание запаса которых собственно и определяет динамику прочностных свойств грунтового материала. Причем поток АЭ событий от слабых связей, по причине их на порядки большего чем устойчивых связей количества, зачастую замусоривает акустограмму и значительно осложняет прослеживаемость хода более высокоуровневых процессов.

2) Длительность импульса D_imp - средний интервал времени между началом и концом регистрации импульса акустической эмиссии за единицу времени. Физический смысл D_imp - время, в течение которого структурная связь сохраняет свою целостность, пребывая в напряженном состоянии под действием внешних нагрузок.

Поскольку устойчивые связи дольше выдерживают нагрузку, сохраняя целостность, они характеризуются пропорционально большими величинами D_imp. Соответственно этот параметр пригоден для целей вычленения в потоке событий ТАЭ тех из них, которые относятся к переходу в напряженное состояние и (или) деструкции более прочных структурных связей.

3) Параметр «амплитуда сигнала» A_imp рассматривается как мера объема энергии, которую каждая предыдущая структурная связь способна передать каждой последующей, сопряженной с ней связи и так далее вплоть до поступления сигнала на измерительный преобразователь. Данная мера выступает своего рода аналогом D_imp при акустико-эмиссионных измерениях, проводимых на этапе пропускания через контролируемый участок грунтового массива упругих волн, поскольку более стабильные структурные связи способны с пропорционально меньшими потерями принимать и далее передавать полезный сигнал. Совместная оценка с применением D_imp и A_imp минимизирует риски промаха.

4) Параметр «число выбросов в импульсе» V_imp показывает количество превышений сигналом АЭ порогового уровня, отделяющего полезный сигнал от фоновых шумов. Соответственно V_imp позволяет численно определить повторяемость зарегистрированного пакета событий АЭ для того, чтобы отбросить те из них, которые не представительны и с наибольшей вероятностью являются единичными случайными всплесками.

5) Параметр «энергия источника» E_sour согласно ГОСТ Р 55045 характеризует величину акустической энергии, выделяемой в месте локальной перестройки структуры грунтового материала. Однако это определение не в полной мере отражает физический смысл E_sour применительно к акустико-эмиссионным измерениям в грунтовых материалах. Перестройка структуры последних, например, эффект переориентации зерен грунта в направлении, перпендикулярном оси превалирующей нагрузки, происходит с поглощением энергии. Поэтому записанные в ГОСТ Р 55045 «структурные изменения» в грунтовом материале как раз сопровождаются релаксацией действующих в нем напряжений и снижением E_sour. Однако параллельно с процессами релаксации идет формирование концентраторов напряжений, которые даже при относительно малых нагрузках со временем способны аккумулировать напряжения, достаточные для деструкции твердых элементов грунта и генерации высокоэнергетических всплесков. На начальных стадиях деформированного состояния материала число таких концентраторов не велико и преобладают релаксационные процессы. На стадии потери грунтом устойчивости наблюдается обратная картина.

Таким образом физический смысл E_sour определяется как мера сохраненной в зондирующей упругой волне энергии после ее затрат на формирование концентраторов напряжений и структурную перестройку грунтового материала на пути указанной волны от ее излучателя через геосреду до измерительного преобразователя.

Для численной оценки указанных параметров рассчитывались их средние значения относительно следующих временных областей, которые последовательно располагаются друг за другом в том же порядке, в котором перечислены ниже; они не пересекаются между собой, каждая последующая область наступает только после завершения каждой предыдущей:

- M[A_imp^ref(0)], M[V_imp^ref(0)], M[E_sour^ref(0)]: величины A_imp, V_imp, E_sour, зарегистрированные и усредненные за период включения на не менее чем на 15 мин. излучателей 15 упругих волн, производимого до начала первого цикла прогрева исследуемого участка 20 грунтового массива;

- величины D_imp, зарегистрированные и усредненные за период от начал каждого цикла прогрева исследуемого участка 20 грунтового массива до достижения им установившейся рабочей температуры T_max, когда скорость ее возрастания не превышает "4T при работающих в постоянном режиме нагревателях. Регистрация значений D_imp, используемых для расчета М(D^I_imp) и M(D^II_imp) выполняется только при отключенных излучателях 15 упругих волн;

- величины D_imp, зарегистрированные и усредненные за период, начинающийся с момента достижения исследуемым участком грунтового массива температуры T_max и завершающийся в момент начала его прозвучивания упругими волнами, излучатели 15 которых включают не ранее чем через 15 мин. после прогрева грунта до T_max;

- M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)]: величины A_imp, V_imp, E_sour, зарегистрированные и усредненные за период включения на не менее чем 15 мин. излучателей 15 упругих волн, производимого при нахождении исследуемого участка 20 грунтового массива в состоянии прогрева до установившейся рабочей температуры T_max (где х=1,2,3,…,n - порядковый номер серии измерений).

Каждый последующий цикл прогрева грунта выполняют при его остывании после отключения нагревателей 4 до установившейся естественной температуры, когда скорость ее убывания не превышает ΔT.

Величину ΔT определяют по результатам статистических наблюдений на исследуемом участке 20 грунтового массива или схожем с ним участке грунтового массива как равную величине естественных колебаний температур в нем.

Грунт поддерживают на установившейся рабочей температуре T_max в течении времени, как минимум достаточного для сбора измерительных данных, позволяющих определить величины M(D^II_imp), M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)]. После чего производят отключение нагревателей 4. Контроль за тепловым состоянием исследуемого грунтового материала выполняют с помощью установленных в измерительных зондах 13 датчиков 5 (термометров).

С учетом изложенных выше физических предпосылок для обработки измерительной информации используют показатели:

1) который в данном случае характеризует средне-взвешенную интенсивность структурных перестановок в обработанном твердеющим раствором грунтовом материале. Значения M(D_imp) у мало влияющих на несущую способность грунта слабых структурных связей значительно ниже, чем величина этого параметра у прочных связей. Поэтому показатель является мерой потери стабильности наиболее устойчивыми структурными связями грунта, определяющими его несущую способность в целом. Однако такие связи могут дестабилизироваться как по причине их разрушения, что дает уменьшение устойчивости грунта, так и в связи с их переориентацией и образованием новых связей, что наоборот приводит к улучшению устойчивости геосреды. Последнее характерно для этапа отвердевания тампонажного раствора в течение некоторого времени после его закачки в грунт. Поэтому показатель не является исчерпывающим для оценки изменения устойчивости геосреды.

- величины показывает интенсивность перестройки структурных связей на этапе прогрева грунтового материала, когда за счет наличия значительного термического градиента температурные напряжения достигают пиковых величин. Эта величина характеризует количество структурных связей всех типов (ослабленных, устойчивых и промежуточно-переходного типа: которые за счет накопления дефектов, пребывают в процессе перехода из категории «устойчивые» в категорию «ослабленные» или наоборот упрочняются, за счет отверждения вступившего с ним в контакт тампонажного раствора), переходящих в напряженное состояние под действием данной термомеханической нагрузки;

- величины показывают интенсивность перестройки структурных связей на этапе равномерного нагрева грунта. После достижения им установившейся рабочей температуры T_max, напряженное состояние устойчивых связей стабилизируется, по причине чего генерация ими импульсов акустической эмиссии снижается на порядки. Также снижается активность испускания импульсов акустической эмиссии слабыми связями, поскольку значительная их доля полностью разрушается на предыдущей стадии прогрева под действием термического градиента. Поэтому служит относительной мерой количества связей промежуточно-переходного типа, эволюция которых (накопление дефектов или отверждение тампонажным раствором) продолжается вне зависимости от наличия или отсутствия температурного градиента. Подчеркнем, эти связи являются источниками акустической эмиссии при определении одновременно и а устойчивые и слабые связи генерируют акустико-эмиссионный отклик на стимулирующее температурное воздействие преимущественно только на стадии, по которой определяют

2) M[A_imp]xM[V_imp]xM[E_sour], который в данном случае характеризует потери энергии в искусственно создаваемой с определенными параметрами упругой волне на ее пути от излучателя через контролируемый участок массива грунтов на расположенный в зонде измеряющий преобразователь. Чем выше нарушенность структурных связей на этом участке, тем пропорционально больше потери энергии в прозвучивающей его упругой волне.

- - величина M[A_imp^ref(0)]xM[V_imp^ref(0)]xM[E_sour^ref(0)] служит эталонным значением, показывающим потери энергии в зондирующей упругой волне, вызванные естественной структурной неоднородностью прозвучивае-мой геосреды;

- - величины M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)] показывают снижение или приращение указанных потерь в x-ом цикле измерений, производимых, соответственно, на стадиях отвердевания инъектированного в грунт тампонажного раствора и последующей деструкции застывших грунтово-тампонажных агломераций при воздействии на них нагрузок сопоставимых с пределом прочности или превышающих предел прочности данных агломераций.

Способ по данному изобретению, основанный на определении M[A_imp]×M[V_imp]×М[E_sour^mes], характеризуется повышенной чувствительностью к изменению состояния геосреды и отсутствием необходимости в определении диаграммы направленности каждого излучателя в отдельности и обеспечении стабильности измерительного тракта, что не всегда возможно на объектах строительства.

В изобретении следующим образом определяют комплексный показатель R^tgr_neu(х):

Физический смысл R^tgr_neu(x) - мера изменения структурной устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива, учитывающая как эволюцию его деформированного состояния, определяемую по отношениям между значениями A_imp, V_imp, E_sour, полученными в нулевом и каждом последующем цикле измерений, так и принимающая во внимание интенсивность структурных перестановок и преобладающий тип задействованных в них структурных связей, потерявших стабильность под действием приложенных к геоматериалу нагрузок, что достигается путем совместного рассмотрения значений D_imp, зарегистрированных на различных стадиях термомеханического нагружения грунтово-тампонажного материала. Таким образом, R^tgr_neu(x) позволяет судить о ходе процессов упрочнения и разуплотнения этого материала, в том числе о накоплении необратимых деформаций в структуре грунтово-тампонажной агломерации, и численно оценивать степень приближения устойчивости геосреды к пороговому уровню, за которым происходит лавинообразное нарастание скорости разрушения структурных связей, сопровождающееся формированием обширных просадок, сдвижений, оползней и других опасных явлений, связанных с терминальной потерей грунтом несущей способности.

Из фиг. 1 следует спад значений R^tgr_neu(x), пропорциональный снижению устойчивости грунтов, предварительно укрепленных инъекциями растворов на основе цементов и смолосодержащих компаундов, при возрастании приложенной к ним механической нагрузки, что подтверждается результатами испытаний контрольных, таким же образом отвержденных проб, проводимых согласно ГОСТ 21153.2;

Из фиг. 2 следует применимость R^tgr_neu(x) для идентификации достижения обработанного твердеющими веществами грунтового массива состояния максимальной устойчивости, что также подтверждается путем испытаний соответствующих контрольных проб по ГОСТ 21153.2.

На фиг. 2 показаны следующие области функции R^tgr_neu(x):

- Область I - возрастание значений R^tgr_neu(x). Соответствует стадии развития деформированного состояния, на которой структурные нарушения образуются с интенсивностью меньшей, чем за счет физического удаления свободной воды (отжима) или ее химического поглощения стойкими комплексами тампонажного раствора формируются новые структурные связи. Также свой вклад в повышение устойчивости геоматериала на данной стадии привносит релаксационная структурная перестройка грунтового материала, заключающаяся в снятии концентраторов напряжений за счет закрытия трещин, пор и других несплошностей, переориентации структурных связей различного масштабного уровня.

- Область II - стабилизация значений R^tgr_neu(x). Соответствует стадии развития деформированного состояния, на которой инъектированный в грунт тампонажный раствор завершает набор прочности и, одновременно, действующие в геосреде напряжений еще недостаточны для создания в грунтово-тампонажном агломерате значимых деформаций. Во время пребывания на этой стадии грунт характеризуется наибольшей устойчивостью по отношению к действию внешних нагрузок.

- Область III - спад значений R^tgr_neu(x). Соответствует стадии развития деформированного состояния, на которой происходит утрата структурными связями грунтово-тампонажного материала упругих свойств и исчерпываются возможности для обжатия отвержденной матрицы. Это создает условия для развития концентраторов напряжений и перехода геоматериала в область хрупкого разрушения. Последнее сопровождается накоплением дефектов и снижением устойчивости обработанного твердеющими веществами грунта при дальнейшем воздействии на него механических нагрузок.

Показанные на фиг. 1 и фиг. 2 распределения значений R^tgr_neu(x) согласуются с известными теоретическими предпосылками.

Акустико-эмиссионный способ контроля изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива реализуют следующим образом (фиг.3).

По глубине и простиранию обследуемого участка 20 геосреды методом проталкивания или в скважинах размещают излучатели 15 упругих волн и измерительные зонды 13. Каждый из зондов выполнен в корпусе 1, например, из нержавеющей стали толщиной не менее 3 мм, с одной стороны которого размещен стальной конус 2, облегчающий продавливание зонда в грунт, а с другой стороны - расположена заглушка 3 с кабельным вводом для цепей питания и сигнальных в специальной оплетке, стойкой к коррозии и механическим повреждениям. Внутри корпуса размещены нагреватель 4 (высокотемпературный нагревательный кабель типа ВНС / ВНСЭ или аналог) и датчик 5 температуры (термочувствительный элемент, термометр, терморезистор). Опционально, в версии зонда не предназначенной для проталкивания, может использоваться датчик 6 давления грунта, например, типа SJ-8000. Регистрация измерительных данных производится через первичный предусилитель 7, например, типа ПАЭФ и приемные акустические преобразователи 8, например, типа GT (Интерюнис), сопряженные с прижимными устройствами 9, обеспечивающими долговременное сохранение контактных условий преобразователей 8 с волноводами 10 из дюралюминия или схожего по акустическим и прочностным свойствами материала. Первичный предусилитель 7 и приемные акустические преобразователи 8 также размещают внутри корпуса 1 зонда 13.

Прижимные устройства 9 позволяют временно утопить волноводы 10 с фиксацией, отключаемой по команде с поверхности, внутри корпуса 1 при размещении зонда 13 на участке 20 геомассива методом проталкивания. Перегородки 11 из термоизоляционного материала, расположенные между нагревателем 4 и акустическими преобразователями 8, защищают последние от термической деструкции во время температурной стимуляции в грунтовом материале информативного акустико-эмиссионного отклика. Фиксация нагревателя 4 (нагревательного кабеля) в полости зонда, в том числе сохранение шага и равномерности его намотки, обеспечивается обжимом с помощью металлического каркаса 12 и дополнительным нанесением поверх каркаса 12 слоя термостойкой клейкой ленты или аналогичного уплотнителя.

Возможная схема размещения зондов 13 в скважинах 14, расположенных в зоне размещения излучателей 15 упругих волн на обследуемом участке грунтового массива, представлена на фиг. 3. Перед началом проведения измерений зонды 13 и излучатели 15 засыпают грунтом с того же участка массива или заливают смесью этого грунта с тампонажным раствором. Сигнальные и питающие цепи 16 зондов 13 выводят на поверхность и подключают к устройству 17 связи и управления. Составляют карту расположения зондов 13 и излучателей 15, в которой указывают глубины их размещения и пространственные координаты с привязкой к системе GPS или ГЛОНАС. Удаленная передача измерительной информации и отправка команд управления между устройством 17 связи и управления и нагревателями 4, излучателями 15, преобразователями 8, датчиками 5 температуры и датчиками 6 давления (при наличии) выполняется, например, через модуль 18 беспроводного интернета. Электропитание осуществляется через комплектно-распределительное устройство 19, которое может быть размещено как вблизи от устройства 17, так и в отдельном помещении.

Параллельно с размещением зондов 13 и излучателей 15 выполняют отбор и консервацию проб грунта. Эти пробы отверждают по той же технологии, которая применяется для отверждения обследуемого участка грунтового массива. Далее их используют для сравнительных испытаний по стандартизованным методикам, например, по ГОСТ 21153.2 и по описываемому способу. Последний предполагает их ступенчатое термомеханическое нагружение со ступенчато возрастающей механической нагрузкой и одновременную регистрацию данных по всем событиям акустической эмиссии, происшедшим в образце при определенной нагрузке Р за полный цикл термического воздействия.

Каждая ступень нагружения выдерживается в течение времени, достаточного для определения на испытуемых пробах значений параметров акустической эмиссии: М[D^I_imp(х)], M[D^II_imp(x)] и M[A_imp^ref(0)],M[V_imp^ref(0)], M[E_sour^ref(0)] или M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)]. При этом каждый цикл испытания, выполняемого на одной ступени нагружения проб, включает следующие этапы:

1) Прозвучивание пробы под действием первичного механического пригруза (обычно 200…300 кг) до ее первого нагрева, производимое упругими волнами, характеристики которых подбираются так, чтобы выполнялось условие их подобия характеристикам волн, выбранным для прозвучивания натурного грунтового массива. На этом этапе регистрируют A_imp, V_imp, E_sour, по которым определяют M[A_imp^ref(0)], M[V_imp^ref(0)], M[E_sour^ref(0)]. Прозвучивание проводят в течение времени, достаточного для стабилизации E_sour и V_imp на уровне, при котором отклонение всех измеряемых за не менее чем 5 мин. значений данных параметров от своих средних для данного этапа значений не превышает ±3%.

2) Прогрев пробы от комнатной температуры вплоть до достижения ею рабочей температуры T_max, когда скорость ее возрастания не превышает ΔT при работающих в постоянном режиме нагревателях (здесь и далее в схожих случаях - контролируется по данным термометрических измерений). Нагрев производится с тем же тепловым потоком и температурой, которые сообщает грунтовому массиву скважинный нагреватель 4. На этом этапе регистрируют D_imp, по которым определяют M[D^I_imp(x)].

3) Выдержка разогретой до T_max пробы при работающих в постоянном (таком же, как на этапе 2) режиме нагревателях. На этом этапе регистрируют D_imp, по которым определяют M[D^II_imp(x)], и после завершения измерений D_imp, производят прозвучивание пробы по методике и схеме, идентичным примененным на этапе 1, во время которого регистрируют A_imp, V_imp, E_sour, по которым определяют M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)]. После завершения измерений по всем трем перечисленным выше этапам, отключают нагреватели и дают пробе остыть естественным образом, вплоть до достижения ее температурой величины T_min, когда скорость ее изменения не превышает ΔT. При лабораторных испытания величину ΔT определяют как флуктуацию температуры пробы, размещенной в испытательной установке, обусловленную естественными колебаниями температуры воздуха в помещении, где проводятся испытания. При этом не допускается проводить испытания во время воздействия на испытательную установку прямых солнечных лучей (при измерениях в натурном грунтовом массиве влияние солнечной радиации нивелируется слоем грунта, под которым размещены измерительные зонды). Обычно при испытании проб ΔT не превышает 2 К/ч. Остывшей пробе сообщают следующую механическую нагрузку и снова последовательно проводят измерения по этапам 2 и 3. Измерения по этапу 1 производятся единожды для каждой пробы.

По значениям полученных на пробах параметров акустической эмиссии рассчитывают величины R^tgr_neu(L). Находят зависимость R^tgr_neu(L){P}, показывающую взаимосвязи между значениями R^tgr_neu(L) и величинами нагрузок Р, на которых получены соответствующие значения R^tgr_neu(L). Характерные примеры вида таких зависимостей показаны на фиг. 1, фиг. 2. Испытания проб проводят таким образом, чтобы R^tgr_neu(L){P} включала значения R^tgr_neu(L), полученные в интервале нагрузкок, достижение грунтом которых, в зависимости от возможного разброса содержаний в нем тампонажного раствора, инициирует процесс лавинообразного снижения устойчивости у испытуемого геоматериала.

После размещения зондов 13 и излучателей 15 в геосреде и завершения монтажа наземной части измерительной сети, грунтовый массив прозвучивают упругими волнами. Их излучатели 15 включают и отключают последовательно, так, чтобы в каждый момент времени, на каждый зонд 13 поступала упругая волна только от одного излучателя 15. Каждый акт прозвучивания выполняют в течение времени, достаточного для стабилизации E_sour и V_imp на уровне, при котором отклонение всех измеряемых за не менее чем 5 мин. значений данных параметров от своих средних для данного этапа значений не превышает ±3%. С каждого приемного акустического преобразователя 8 в отдельности регистрируют значения A_imp, V_imp, Е_sour и усредняя их по временной области прозвучивания, определяют величины M[A_imp^ref(0)], M[V_imp^ref(0)], M[E_sour^ref(0)]. Параллельно прозвучиванию с помощью установленных в зондах 13 датчиков 5 определяют естественные для данного массива диапазоны колебания температур, которые принимают за величину ΔТ.

По факту сбора достаточных для определения ΔТ статистических сведений и/или получив ΔТ из результатов наблюдений, выполненных на объекте-аналоге, включают нагреватели 4, размещенные в зондах 13. С начала прогрева грунта с помощью каждого из зондов 13 регистрируют значения D_imp. Значения этих параметров усредняют по временной области прогрева грунта с естественно установившейся в массиве температуры Т_min до рабочей температуры Т_mах, когда скорость возрастания температуры грунта не превышает АТ при работающих в постоянном режиме нагревателях 4, получая тем самым М^упр^)], М[Л^(x)], и по временной области с момента прогрева грунта до Т_mах по начало его прозвучивания упругими волнами, излучатели 15 которых включают не ранее чем через 15 мин. после прогрева грунта до Т_max, получая тем самым M[Z)niinp (*)ь

При прозвучивании нагретого до Т_mах грунта упругими волнами, осуществляемого после завершения измерений N^, D_imp, используемых для определения M[D^II_imp(x)], с каждого приемного акустического преобразователя 8 в отдельности регистрируют значения A_imp, V_imp, E_sour в течение времени, достаточного для стабилизации E_sour и V_imp на уровне, при котором отклонение всех измеряемых за не менее чем 5 мин. значений данных параметров от своих средних для данного этапа значений не превышает ±3%. Усреднив зарегистрированные значения A_imp, V_imp, E_sour по временной области прозвучивания разогретого грунта определяют М[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)], где x=1,2, 3,…,n - порядковый номер цикла нагрева.

После сбора измерительных данных, достаточных для определения величин M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)], нагреватели 4 отключают. Дают грунту остыть естественным образом до температуры T_min, когда скорость ее изменения, измеряемая размещенными в зондах датчиками 5, не превышает ΔT. Далее выполняют следующий цикл нагрева и измерений параметров акустической эмиссии, позволяющих определить новые значения M[D^I_imp(x)], M[D^II_imp(x)], M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)]. Значения параметров акустической эмиссии, используемых для определения M[A_imp^ref(0)], M[V_imp^ref(0)], M[E_sour^ref(0)], повторно не измеряют. Затем рассчитывают показатель R^tgr_neu(x)

который характеризует динамику деформированного состояния и степени структурной стабильности, а, следовательно, и изменение устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива.

Снижение R^tgr_neu(x) показывает ухудшение прочностных свойств грунтово-тампонажного материала, возрастание R^tgr_neu(x) - наоборот, свидетельствует о наборе геоматериалом прочности по мере его уплотнения и отвердевании инъектированного в грунт тампонажного раствора. Сопоставляя полученные в натурных условиях значения R^tgr_neu(x) с зависимостью R^tgr_neu(L){P}, результатами испытаний по стандартизованным методикам, например, по ГОСТ 21153.2, и по местоположению излучателей 15 и зондов 13, с использованием которых получены соответствующие значения R^tgr_neu(x), судят как о состоянии обследуемого грунтового основания в целом, так и о наличие и расположение в нем зон, опасных по развитию деструктивных процессов и потере устойчивости. Кроме того, по скорости прироста разницы между значениями R^tgr_neu(x-1), R^tgr_neu(x-2), …, R^tgr_neu(x-n), полученными в результате проведения n последовательных серий измерений, судят о кинематике протекания в геосреде процессов, определяющих ее устойчивость. Последнее имеет решающее значение для составления предиктивных оценок и идентификации, в условиях ведения работ с ограниченными материальными и временными ресурсами, первоочередных участков геосреды для дополнительного упрочнения.

Таким образом в данном акустико-эмиссионном способе контроля изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива за счет применения новых подходов к организации измерительной сети и к получению полезной информации достигается возможность проведения контроля грунтового массива, подвергнутого любому способу химико-физического закрепления, не ограничиваясь только контролем устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений в условиях криолитозоны и (или) исследованием качества и процесса формирования искусственно создаваемых ледопородных ограждений, а также, за счет обеспечения повышения частоты сбора измерительных данных, достигается возрастание производительности контроля состояния геосреды методом акустической эмиссии и создается возможность снижения рисков, связанных с пропуском или запоздалой идентификацией предвестников формирования оползневых явлений, просадок оснований и фундаментов, разрушения несущих конструкций инженерных сооружений, например, по причине выпирания локального участка расположенного под ними грунтового массива, затоплений в связи с разрушением оснований гидротехнических сооружений и других такого рода чрезвычайных ситуаций, обусловленных потерей грунтовым массивом стабильности.

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям, в частности к способам определения изменения устойчивости грунтовых оснований, подвергнутых химико-физическому закреплению. В заявленном способе в грунтовом основании размещают излучатели упругих волн и зонды, каждый из которых содержит нагревательный элемент, приемный акустический преобразователь и термометр. Дополнительно в зондах могут размещаться другие датчики, например давления. Отбирают образцы грунта с обследуемого массива и отверждают их по той же технологии, которая применена для упрочнения массива. На таких образцах устанавливают соответствие параметров АЭ стадиям деформированного состояния грунта и его характеристикам по стандартизованным методикам, например по ГОСТ 21153.2. С помощью зондов циклически прогревают грунтовый массив и регистрируют акустическую эмиссию (АЭ) как стимулированную в геосреде нагревом, так и при ее прозвучивании упругими волнами. Определяют значения активности и длительности импульсов D_imp АЭ, усредненные за время прогрева грунта до рабочей температуры М[D^I_imp(х)] и за часть интервала выдержки на этой температуре М[D^II_imp(x)]. Определяют значения амплитуды A_imp, числа выбросов в импульсе V_imp, энергии источника E_sour прошедших через грунт сигналов, усредненные за время прозвучивания M[A_imp^ref(0)], M[V_imp^ref(0)], М[E_sour^ref(0)] грунта упругими волнами до его первого прогрева и за интервал прозвучивания M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], М[E_sour^mes(х)], производимого в каждом цикле выдержки грунта на рабочей температуре после завершения регистрации значений D_imp, используемых для определения M[D^II_imp(x)]. Рассчитывают показатель R^tgr_neu(x):

Сопоставляя натурные значения R^tgr_neu(x) между собой и с полученными на образцах значениями R^tgr_neu(L) и соответствующими результатами их испытаний по стандартизованным методикам судят о изменении устойчивости грунтового массива. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения возможности определения изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива, вмещающего фундаменты, предназначенные для размещения на них зданий и сооружений, и повышение производительности контроля состояния геосреды методом акустической эмиссии. 3 ил.

Акустико-эмиссионный способ контроля изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива, включающий отбор проб грунта из контролируемого массива, определение на них соответствия параметров акустической эмиссии стадиям деформированного состояния грунта при его нагружении по стандартизованным лабораторным методикам, размещение измерительных зондов с определенным шагом по простиранию и глубине контролируемого участка грунтового массива, осуществление посредством установленных в зондах нагревательных устройств периодической подачи в грунтовый массив температурных воздействий, создающих условия для формирования полезного отклика, причем режим и параметры этих воздействий выбирают в зависимости от исходных характеристик грунта, выполнение контроля за его тепловым состоянием с помощью установленных в зондах термометров, регистрацию с помощью зондов поступающего из массива акустико-эмиссионного отклика на указанные воздействия, определение значений информативных параметров зарегистрированной акустической эмиссии данного отклика, в качестве которых используют активность и длительность импульсов D_imp, по сравнению указанных значений с соответствующими эталонными значениями, полученными на пробах того же грунта, судят об изменении устойчивости контролируемого участка грунтового массива, отличающийся тем, что рядом с измерительными зондами с определенным шагом по простиранию и глубине контролируемого участка грунтов размещают излучатели упругих волн, частотные и другие параметры которых выбирают в зависимости от исходного состояния геосреды в массиве и расстояний от измерительных зондов до излучателей, с помощью которых проводят прозвучивание грунта до первого и при каждом последующем цикле его нагрева, во время работы излучателей регистрируют установленным в каждом измерительном зонде преобразователем значения следующих параметров акустической эмиссии прошедших через грунт сигналов: амплитуду A_imp, число выбросов в импульсе V_imp и энергию источника E_sour, температурные воздействия производят циклически, через интервалы времени, достаточные для остывания грунта после отключения нагревателей до установившейся температуры T_min, когда скорость ее изменения не превышает ΔT, величину которой определяют по результатам статистических наблюдений на исследуемом или схожем участке грунтового массива как равную величине естественных колебаний температур в нем, значения и D_imp усредняют по двум временным областям, первая из которых соответствует прогреву грунта с T_min до рабочей температуры T_max, которую считают достигнутой, когда скорость возрастания температуры грунта не превышает ΔТ при работающих в постоянном режиме нагревателях, вторая область соответствует интервалу с момента прогрева грунта до T_max по момент начала его прозвучивания упругими волнами, при этом длительность интервала не менее 15 мин, каждый этап прозвучивания проводят в течение времени, достаточного для стабилизации E_sour и V_imp на уровне, при котором отклонение всех измеряемых за не менее чем 5 мин значений данных параметров от своих средних для данного этапа значений не превышает ±3%, излучатели включают последовательно, при условии поступления в каждый момент времени на каждый зонд упругой волны только от одного излучателя, определяют M[A_imp^ref(0)], M[V_imp^ref(0)], M[E_sour^ref(0)] и M[A_imp^mes(x)], M[V_imp^mes(x)], M[E_sour^mes(x)] (где x=1, 2, 3, …, n - порядковый номер цикла нагрева) путем усреднения зарегистрированных величин A_imp, V_imp, E_sour соответственно по временной области прозвучивания грунтов, проводимого до первого включения нагревателей, и по временным областям прозвучивания тех же грунтов, когда их температура соответствовала T_max, для каждого цикла нагрева рассчитывают показатель R^tgr_neu(x):

сравнивают рассчитанные по измерениям в массиве значения R^tgr_neu(x) со значениями R^tgr_neu(x - 1), R^tgr_neu(x - 2), …, R^tgr_neu(x - n), полученными по предыдущим сериям измерений в тех же точках геосреды, и со значениями R^tgr_neu(L), полученными по результатам предварительных лабораторных испытаний соответствующих образцов грунта в отвержденном состоянии, и по разнице R^tgr_neu(x) и R^tgr_neu(x - 1), R^tgr_neu(x - 2), …, R^tgr_neu(x - n) и R^tgr_neu(L) судят об изменении устойчивости грунтового массива.