Прибор диагностики свай ПДС-МГ4, особенности применения и примеры использования

При проведении строительных работ с использованием свай одним из интересующих строителей вопросов является вопрос о длине и состоянии сваи находящейся в грунте.

Прибор диагностики свай ПДС-МГ4 предназначен для определения длины свай (забивных, буронабивных, буроинъекционных и др.) и локализации дефектов (деформации профиля поперечного сечения сваи, трещины) сейсмоакустическим методом.

Прибор может использоваться в качестве двухканальной сейсмостанции, а так же при обследовании других подземных строительных конструкций акустическими методами. Общий вид прибора представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Прибор диагностики свай ПДС-МГ4

Сейсмоакустический метод неразрушающего контроля сплошности бетона свай (акустический метод, «СОНИК», SONIC, PET, PIT, SIT, Low Strain Impact Integrity Testing) позволяет производить контроль качества свай – выполнять анализ сплошности и определять длину сваи (рисунок 2). Метод предназначен для испытаний отдельно стоящих свай всех типов, независимо от технологии их устройства (забивных, буронабивных, буроинъекционных и др.).

Возбуждение упругой волны происходит в результате механического удара специального молотка по оголовку сваи, параллельно оси сваи. Возникающее при ударе возмущение распространяется по стволу сваи. От подошвы сваи и дефектов, имеющихся в ней (неоднородностей поперечного сечения, разрывов или включений инородного материала), в стволе возникает отраженная волна, распространяющаяся в обратном направлении к источнику исходной волны.

Отраженные волны регистрируются сейсмоприемником (акселерометром или велосиметром), устанавливаемым на оголовке сваи, и передаются в электронный блок для дальнейшей обработки и визуализации в виде набора рефлектограмм.

Рисунок 2 – Сейсмоакустический метод неразрушающего контроля сплошности бетона свай.

Вычисление длины сваи (L) проводится в следующей последовательности:

• измеряется промежуток времени между начальным воздействием по оголовку сваи и откликом, полученным от нижней границы;
• длина сваи вычисляется по формуле:

где Δt - промежуток времени между начальным воздействием и откликом, полученным от нижней границы в первом канале, с; V - скорость распространения в среде, м/с (табличное значение скорости в железобетоне (3400 – 4500) м/с, в металле 5900 м/с).

Скорость распространения в среде задается оператором или определяется по формуле:

где S − расстояние между сейсмоприемниками, м; |t₂ – t₁ | - модуль разности времени начала воздействия между двумя каналами, с.

Скорость распространения продольной волны упругих колебаний в свае определяется по времени распространения сигнала между двумя сейсмоприемниками установленными на известном расстоянии, с помощью молотка с пьезодатчиком и одного сейсмоприемника или по показаниям ультразвукового прибора УКС-МГ4.

При ударном воздействии в свае возникают собственные колебания, частота которых зависит от геометрических размеров сваи и глубины залегания дефектов. В приборе предусмотрен режим спектральной обработки сигнала, при помощи которого можно проводить диагностику сваи по спектру колебаний.

Неразрушающий экспресс контроль сплошности свай методом «СОНИК» позволяет определять длину и дефекты в свае только на основе анализа рефлектограммы. Чтобы расширить возможности этого метода полученную рефлектограмму обрабатывают с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). По полученному спектру сигнала получаем дополнительную информацию, как по длине сваи так и по глубине расположения дефектов (рисунок3).

Рисунок 3 – Рефлектограмма (верхний график) и спектр сигнала (нижний график).

На основе приведенной рефлектограммы, зная скорость звука в бетоне сваи, можно определить длину сваи (в данном примере L = 5,38 м).

На рефлектограмме так же хорошо виден всплеск сигнала расположенный между донным откликом и сигналом от удара молотка на основе чего определяется глубина расположения дефекта 2,5 м.

На спектре рефлектограммы хорошо видно увеличение спектральной плотности связанной с дефектом сваи (максимум сигнала) и с длиной сваи.

Классическое преобразование Фурье имеет дело со спектром сигнала, взятым во всем диапазоне существования переменной. Нередко интерес представляет только локальное распределение частот, в то время как требуется сохранить изначальную переменную (обычно время). В этом случае используется оконное преобразование Фурье.

Использование скользящего оконного преобразования Фурье (спектрально-временной анализ) позволяет получать, исследовать и строить в виде спектрограмм динамические спектры и анализировать их поведение во времени. Спектрограмма строится в трёх координатах — частота, время и амплитуда. При этом амплитуда задаётся цветом или оттенком цвета каждого прямоугольника спектрограммы. Зная скорость распространения звука в бетоне можно преобразовать частоту колебаний в глубину.

Использование спектрально временного анализа позволяет выделить частоты собственных колебаний элементов сваи, соответственно расстояние до расположения дефектов и длину сваи:

где f – частота колебаний.

На рисунке 6 приведен пример спектрограммы, на которой хорошо прослеживается частоты связанные как с длиной сваи, так и с дефектом расположенном на свае.

При спектрально-временном анализе следует учитывать, что данный способ является вспомогательным и его следует применять, если нет расхождений с основным методом (рефлектограмма). Кроме того из-за специфики БПФ первые 6..10 гармоник сигнала не всегда соответствуют действительности (рисунок 4, область L*).

Рисунок 4 – Спекторограмма.

При нажатии кнопки «Отчет» программа формирует отчет, который можно сохранить в графическом формате *jpg либо напечатать на принтере.

При необходимости, для увеличения контрастности в отчете, спектрограмму можно обработать в любом графическом редакторе.

Особенности применения прибора

При проведении измерений необходимо обеспечить режим тишины. Работа техники на строительной площадке может существенно исказить результаты измерений, так как акустические колебания через грунт будут передаваться на сваю и соответственно через сейсмоприемники в прибор.

Возбуждение упругой волны в свае происходит в результате удара молотка имеющего демпфер из упругого материала. Удар молотка должен быть коротким, не допускать повторного удара молотка после его отскока. Длительность и энергия удара подбирается в зависимости от предполагаемой длины сваи. Если свая короткая, то при использовании тяжелого молотка длительность удара может получиться соизмеримой со временем прихода отраженного сигнала.

При установке сейсмоприемников на сваю в качестве акустической контактной смазки можно использовать пластилин, обойный клей, разведенный в воде до желеобразного состояния (в зимнее время применять 40 % водный раствор спирта), литол и т.д.

Запуск измерения происходит по любому из каналов при превышении сигнала установленного порога компаратора. Если после удара молотка процесс измерения не начался, то необходимо настроить порог компаратора требуемого канала и повторить измерение.

Коррекция усиления. При прохождении по свае амплитуда сигнала уменьшается по экспоненциальному закону. Для того, чтобы амплитуда отраженного сигнала была соизмерима с сигналом при начальном возбуждении, в приборе применена экспоненциальная коррекция усиления. Коррекция усиления сигнала производится в соответствии со следующей формулой:

где Ku – коэффициент задаваемый пользователем (Ku = 0..9); β – коэффициент (β = 0,001); n – номер выборки. При Ku = 0 z = 1.

Каждый канал прибора имеет независимый усилитель. Регулировка коэффициента усиления производится с шагом в 5 дБ. Максимальное усиление 25 дБ. При проведении измерений на длинных сваях можно использовать два датчика. Первый датчик с нулевым коэффициентом усиления будет фиксировать начало удара, а второй датчик с применением усилителя будет фиксировать отраженный сигнал. Сигнал от удара по второму датчику в этом случае будет в насыщении, а отраженный усиленный сигнал надежно регистрироваться.

Прибор может работать как с пьезоэлектрическими сейсмоприемниками так и с велосиметрами (геофонами).

Примеры диагностики свай

Свая забивная, длина шесть метров. Отраженный от подошвы сваи сигнал (донный сигнал) достаточно слабый, что говорит о хорошем сцеплении сваи с грунтом. Свая не имеет дефектов. Длина сваи, измеренная по рефлектограмме, соответствует её действительной длине.

Рисунок 5 – Рефлектограмма и спектр сигнала при диагностике забивной сваи.

Спектральный анализ из-за большой дискретности отсчетов дает большую погрешность, нежели прямое измерение времени по рефлектограмме (рисунок 5).

Рисунок 6 – Спектрограмма при диагностике забивной сваи.

Спектрально временной анализ позволяет выявить резонансную частоту продольных акустических колебаний, возникающих в свае после удара, и определить ее длину по частоте колебаний (рисунок 6).

Свая забивная длиной 6 метров. На глубине 2,02 метра свая сломана, наблюдаются затухающие гармонические колебания (рисунок 7). По периоду колебаний и по скорости звука определяется расстояние до дефекта сваи.

Рисунок 7 – Рефлектограмма и спектр сигнала забивной сваи имеющей излом на глубине 2,02 метра.

При спектральном и спектрально-временном (рисунок 8) анализе сигнала наблюдается максимумы спектральной плотности сигнала соответствующие этой глубине.

Рисунок 8 – Спектрограмма сваи имеющей излом на глубине 2,02 метра.

Буронабивная свая с нерегулярным профилем. Длина сваи 7,87 м. Донный сигнал хорошо виден, но размывается высокочастотной составляющей, связанной с многократными отражениями сигнала от локального уширения сваи на глубине 1,16 м (рисунок 9).

Рисунок 9 - Рефлектограмма и спектр сигнала буронабивной сваи с нерегулярным профилем. Длина сваи 7,87 м.

По спектру сигнала длина сваи 8,46 м, а при спектрально временном анализе 7,74 м (рисунок 10).

Рисунок 10 – Спектрограмма буронабивной сваи.

Все публикации
Архив по годам: 2006; 2008; 2013; 2015; 2016; 2018; 2019; 2020; 2021; 2022; 2023;