аспирант
Perm, Пермский край, Россия
сотрудник
Пермь, Пермский край, Россия
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ББК 38 Строительство
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
ТБК 54 Строительство
Целью статьи является обзор современных неразрушающих методов сейсморазведки с анализом применимости получаемых характеристик в качестве исходных данных для геотехнических расчетов в верхней части разреза. Рассмотренные методы отличаются не только неинвазивным характером работ, но и их высокой производительностью, поэтому они представляют особый интерес для геотехнических целей.
сейсморазведка, неразрушающий метод, волновой анализ, метод преломленных волн, КМПВ, многоканальный анализ поверхностных волн, МАПВ, метод с одиночным источником и приемником
Введение
Расчеты оснований в геотехнике на сегодняшний день производятся на базе исходных данных, полученных в результате проведения инженерно-геологических изысканий, в которых преобладают методы изучения разреза разрушающего проникающего характера. Эти методы отличаются высокими экономическими, временными и трудовыми затратами, поэтому особый интерес для геотехники представляет использование оперативных неразрушающих методов изучения верхней части разреза (ВЧР), в особенности при проведении предварительного геотехнического прогнозирования в условиях малых трудозатрат. Целью данной статьи является обзор возможностей и краткой методики современных оперативных неразрушающих методов сейсморазведки, основанных на волновом анализе зоны малых скоростей (ЗМС) ВЧР.
Основные возможности сейсморазведки
Методы сейсморазведки основаны на наблюдении за распространением волн различного типа в грунтовой толще от источника (или группы источников). Результатом наблюдения являются данные о распределении скоростей объемных волн: продольной (сжатия) (Vp) и/или поперечной (сдвига) (Vs) волны - в слоистой грунтовой толще и данные о напластовании грунтовых слоев разреза.
Скорости продольной и поперечной волн определяются либо напрямую, либо с помощью перехода от скорости поверхностной волны Рэлея. Помимо Рэлеевских волн также выделяют поверхностные волны Лява, но они представляют меньший интерес при определении скоростей объемных волн, так как волны Рэлея оказывают большее влияние на процесс колебания грунтовых частиц как при обычных, так и при малых деформациях оснований сооружений (10-4 м) [1].
По полученным скоростным профилям ВЧР определяют следующие физико-механические характеристики [2]:
- удельный вес грунтового массива g;
- модуль упругости (модуль Юнга) E;
- начальный модуль сдвига G0 при малых деформациях;
- коэффициент Пуассона n для упругой стадии работы.
Приведенные параметры можно с достаточной степенью точности использовать в качестве исходных данных для решения динамических геотехнических задач [3].
Также полученные скорости поперечных волн Vs понадобятся при проектировании зданий и сооружений в сейсмических районах для получения средней скорости поперечной волны на глубине до 30 м (Vs30). По данному параметру осуществляется классификация грунтов по условиям сейсмичности в международном строительном кодексе (International Building Code - IBC).
Более того для проведения статических расчетов могут быть использованы эмпирические и с некоторыми условиями теоретические зависимости, приведенные в [4], для определения таких физико-механических характеристик, как:
- модуль общей деформации Eo;
- удельное сцепление c;
- угол внутреннего трения φ;
- плотность r;
- пористость n;
- влажность W.
На данном этапе развития сейсморазведки насчитывается уже немалое количество различных геофизических неразрушающих методов волнового анализа ЗМС ВЧР, например:
- Метод общей глубинной точки (МОГТ) и метод общей средней точки (МОСТ) на основе метода отраженных волн;
- Метод преломленных волн (МПВ) и его модификация корреляционный метод преломленных волн (КМПВ);
- Методы спектрального и многоканального анализа поверхностных волн (САПВ и МАПВ);
- Методы с одним источником и одним источником;
- Методы высокопроизводительной вибросейсмики построения 3D профиля участка большой площади и др.
Из указанных методов повышенный интерес для геотехнических целей представляют КМПВ, МАПВ и методы с одним источником и одним приемником. Эти методы рассмотрены в данной статье. Остальные методы не рассматривались, так как они либо обладают малой производительностью выполнения работ, либо предназначены для обследования участков огромной площади на большой глубине (более 30 м) для целей нефтегазовой промышленности.
Многоканальный анализ поверхностных волн
Метод многоканального анализа поверхностных волн (МАПВ) основан на регистрации поверхностных колебаний волн Рэлея от различных источников и последующем анализе собранных данных для построения профиля скоростей поперечных (Vs) волн [5].
Система наблюдения применяется фланговая или в виде двухмерного массива и состоит из 24 или 48 приемников поверхностных колебаний (вертикальных низкочастотных геофонов), соединенных c телеметрическим модулем и компьютером, а также источника колебаний. В зависимости от типа используемого источника применяется активный, пассивный или комбинированный тип МАПВ. В активном типе используется контролируемый источник (например, кувалда или вибрационная машина), в пассивном типе - нерегулируемый источник (например, погодные явления или так называемая инертная микросейсмика). Комбинированный тип использует преимуществ обоих типов, повышая точность измерений. Пример системы наблюдения с 24-мя приемниками представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схема 24-канальной телеметрической системы при активном методе [6]
zmax - максимальная глубина распространеия поверностной волны; xi - расстояние от источника до первого приемника; dx - шаг приемников; D - длина сейсмокосы
Методика полевых исследований, подбор оптимальных параметров и анализ данных подробно разобраны в статье [6]. Наиболее оптимальные параметры системы наблюдения на линейном участке: шаг приемников 2 м, общая длина приемной линии 46 м, удаление источника 10 м, шаг смещения приемной линии 8 м (для получения двухмерного профиля разреза), период дискретизации 0,5 мс, общее время записи 1 с, глубина исследования 23 м. Имеющиеся данные проведения полевых работ на территории РФ [7] доказывают эффективность применения МАПВ в стесненных условиях урбанизированных территорий [7]. Помимо этого, с помощью этих данных выполнено моделирование динамического воздействия от колесного транспорта на основание и фундамент существующего здания [3; 8].
Корреляционный метод преломленных волн
Корреляционный метод преломленных волн (КМПВ) является модификацией традиционного метода преломленных волн (МПВ) и в настоящее время используется как стандартный вариант МПВ, а понятия КМПВ и МПВ зачастую принимаются тождественными друг другу. Метод основан на регистрации первых и последующих поступлений преломлённых волн [9], из которых происходит выделение головных преломленных волн. По результатам измерений получают скорости продольных (Vp) волн. Метод вполне подходит и для изучения сдвиговых волн, но из-за существенного различия скоростей продольной и поперечной волн КМПВ используется только для изучения волн сжатия.
При падении волны на границу раздела слоев под углом, меньшем критического значения, падающая волна образует скользящую волну вдоль границы между слоями, которая в свою очередь вызывает головную (вторичную) волну, возвращающуюся к поверхности земли (рис. 2). Корреляция данных МПВ осуществляется за счет использования данных последующих поступлений головных волн на приемники [10].
Рис. 2. Сущность метода преломленных волн [1]
yc - угол падения волны к нормали границы двух сред; H - толщина слоя; V1, V2 - средние скорости распространения волны соответственно в верхнем и нижнем слоях
Система наблюдения аналогична активному типу МАПВ, но дополнительно требуется несколько точек на исследуемой линии для проведения корреляции головных волн и построении профиля. В общем случае потребуется как минимум 5 пунктов возбуждения (ПВ) на одном пикете: 2 ПВ вне приемной линии, 1 ПВ рядом с первым приемником, 1 ПВ рядом с последним приемником, 1 ПВ в центре сейсмокосы. Выделяют встречную фланговую систему наблюдения (источник колебаний располагается поочередно с разных концов линии) и нагоняющую систему наблюдения (источник располагается только с одной стороны линии и в процессе замеров смещается) [10]. Параметры системы наблюдения аналогичны параметрам при активном типе МАПВ и могут быть взяты из [5].
Методы с одиночным источником и приемником
В книге [11] на основе моделирования и опытных работы сделаны выводы, что в некоторых случаях (а именно при небольшой глубине исследования и стесненных условиях) предпочтительно отказаться от группирования приемников в целые линии и оставить несколько одиночных приемников также с одним активным источником. Такой переход на одиночные приемники позволит избежать статических сдвигов внутри групп, которые ослабляют высокочастотную составляющую активного сигнала и препятствуют построению высокоразрешающих изображений среды.
Основными преимуществами отказа от группирования являются повышение производительности работ и сохранение высоких частот (повышение разрешения изображения). При этом шаг наблюдения (смещение линии между пунктами возбуждения) должен быть уменьшен в 2-3 раза для снижения помех в сигнале [11]. Для уменьшения посторонних шумов в качестве одиночных приемников можно также использовать малые группы геофонов, расположенных в виде круга с радиусом не более 1 м вокруг исследуемой точки на пункте возбуждения.
Оборудование для проведения волнового анализа
Для проведения полевых работ, как уже ясно из вышеприведенного обзора современных методов необходимы такие основные компоненты системы наблюдения как приемники колебаний, линии передачи данных, приемный телеметрический модуль, портативный компьютер и источник.
В качестве приемников обычно для геотехнических целей применяются вертикальные низкочастотные геофоны (до 5 Гц), регистрирующие импульс колебательного процесса. Такой же малой частоты могут также быть использованы горизонтальные и трехнаправленные геофоны.
В кабельных системах в настоящее время применяются сеймокосы из оптоволоконного поперечного кабеля, которые позволяют осуществлять подключение большого числа приемников (до 100 000 шт. и более) [12]. Эта линия подключается к телеметрическому модулю, позволяющему располагать систему наблюдения в положение, необходимое для получения 3D профиля исследуемого участка.
Имеют место также бескабельные системы с автономными модулями на основе высокочувствительных GPS-приемников, которые используются в основном для синхронизации отсчетов сейсмотрасс, нежели для определения координат (GPS уже обеспечивает достаточную точность координатных измерений) [12]. Однако у такой системы имеется ряд недостатков: необходимость бесперебойного обеспечения питанием большого количества автономных модулей; отсутствие информации о состоянии автономных модулей в процессе полевой съемки - так называемая съемка «вслепую». Для уменьшения этих недостатков применяются системы кабельно-бескабельного типа.
Более того современные уровень автоматизации и роботизации позволяет применять беспилотные летательные аппараты - БПЛА (беспилотники, дроны) (рис. 3), и самоходные модули-роботы. Первые позволяют осуществлять доставку сейсмоприемников до точки их установки и контроля их положения. Они представляют собой «сейсмические дроны» - аппараты, спаренные с геофонами. Вторые позволяют осуществлять передвижение с точки на точку системы одиночный приемник-источник на небольшие расстояния без участия оператора [13].
Рис. 3. Сейсмический квадрокоптер [13]
Заключение
В статье рассмотрено несколько современных неразрушающие методы сейсморазведки в ЗМС ВЧР, которые могут представлять интерес их использования в качестве оперативных методов получения исходных данных для предварительных геотехнических расчетов. Кроме того, данные методы могут быть использованы для контроля однородности интересующих слоев разреза и обнаружения различных аномальных включений в толще грунта. Большинство из приведенных методов уже опробовано в натурных испытаниях и имеет экспериментальное подтверждение достоверности получаемых результатов. Методы с одиночным приемником и источником еще требуют экспериментальных исследований в полевых условиях. Особый интерес представляют дроны для повышения производительности выполнения работ в полевых условиях.
1. Ишихара, К. Поведение грунтов при землетрясениях / К. Ишихара; пер. с англ. под ред. А. Б Фадеева, М. Б. Лисюка. - СПб.: НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект», 2006. - 384 с. Перевод изд.: Ishihara, K. Soil behaviour in earthquake geotechnics / K. Ishihara. - Oxford: Clarendon Press, 1996. - ISBN 5-9900771-1-4 (в пер.).
2. Mayne, P. W. Stress-strain-strength-flow parameters from enhanced in-situ tests & Case Histories / P. W. Mayne // Proceedings, International Conference on In-Situ Measurement of Soil Properties, May 21-24, 2001. - Bali, Indonesia: Parahyangan Catholic University, 2001. - P. 27-48.
3. Антипов, В. В. Численное моделирование динамического воздействия от одиночного транспортного средства на существующее здание / В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер, А. Б. Пономарев и др.// Известия КГАСУ. - Казань: Изд-во КГАСУ, 2017. - № 3. - С. 131-138.
4. Аникин, О. П. Методические рекомендации по определению состава, состояния и свойств грунтов сейсмоакустическими методами / О. П. Аникин, Ю. В. Горшенин. - М.: Минтранстроитльства, 1985. - 65 с.
5. Park, C. B., Miller R. D., Xia J. Multichannel analysis of surface waves / C. B. Park, R. D. Miller, J. Xia // Geophysics. - Tulsa, USA: SEG, 1999. - Vol. 64. - No. 3. - P. 800-808.
6. Антипов, В. В. Современные неразрушающие методы изучения инженерно-геологического разреза / В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2016. - Т. 7, № 2. - С. 37-49.
7. Антипов, В. В. Исследование верхней части разреза грунтовой толщи экспресс-методами волнового анализа / В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер, О. А. Шутова // Вестник МГСУ. - М.: Изд-во МГСУ, 2016. - № 12. - С. 44-60.
8. Шутова, О. А. Применение неразрушающих методов определения механических характеристик грунта при численном моделировании динамических воздействий на существующее здание / О. А. Шутова, А. Б. Пономарев, В. В. Офрихтер и др. // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. - Екатеринбург: УралНИИпроект РААСН, 2017. - № 1 (32). - С. 74-78.
9. Гамбургцев, Г. А. Корреляционный метод преломленных волн / Г. А. Гамбургцев, Ю. В. Ризниченко, И. С. Берзон и др. - М.: Издательство академии наук СССР, 1952. - 238 с.
10. Епинатьева, А. М. Метод преломленных волн / А. М. Епинатьева, Г. М. Голобушин, А. Л. Литвин и др.; под ред. А. М. Епинатьевой. - М.: Недра, 1990. - 297 с.
11. Череповский, А. В. Наземная сейсморазведка нового технологического уровня / А. В. Череповский // Геофизика. - М.: МОО ЕАГО, 2014. - № 2. - С. 75-83.
12. Череповский, А. В. Беспилотники и роботы в наземной сейсморазведке / А. В. Череповский // Материалы научно-практической конференции «СЕЙСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ-2017», г. Москва, 18-20 апреля 2017 г. - М.: ООО «Издательство Полипресс», 2017. - С. 55-58.
