Способ прогнозирования начала разрушения оснований фундаментов зданий и сооружений и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к прогнозированию критических состояний оснований фундаментов зданий и сооружений, расположенных в зоне вечной мерзлоты. Способ состоит в том, что измеряют температуру грунта и определяют параметры акустической эмиссии (амплитуду, интенсивность и спектр) при температуре перехода грунта из твердомерзлого состояния в пластичномерзлое, момент начала разрушения в основаниях фундаментов определяют по резкому снижению амплитудно-частотных параметров. Устройство прогнозирования начала разрушения оснований фундаментов снабжено температурным датчиком с предусилителем сигнала температуры, выполненным в одном блоке с пьезодатчиком, причем выход предусилителя соединен с одним из выходов предусилителя сигнала акустической эмиссии. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Разработанный способ и система контроля относятся к прогнозированию критических состояний оснований фундаментов зданий и сооружений, расположенных в зоне вечной мерзлоты.

В период расширения жилого и промышленного строительства все чаще возникает необходимость проведения работ в районах сомнительной устойчивости грунта. В этой связи важной задачей становится определение степени сбалансированности естественного или искусственного массива до и после строительных работ, выяснение эффективности противооползневых мероприятий.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ прогнозирования начала разрушения оснований зданий и сооружений, представляющий собой акусто-эмиссионный способ для исследования подвижки грунтов и определению критических состояний оснований фундаментов зданий и сооружений. Он состоит в том, что измеряют параметры акустической эмиссии (амплитуду или энергию отдельных импульсов, их активность, интервал между событиями, спектр и мощность излучения), по которым определяют момент начала процесса разрушения в основаниях фундаментов.

Для реализации этого способа служит устройство, состоящее из следующих основных элементов: волновода c пьезодатчиком, предусилителя, фильтра усилителя, блока цифровой обработки информации, компьютера, гибкого диска, дисплея, самописца.

Данная система прогнозирования имеет адаптивную связь с компьютером, который осуществляет многофункциональный анализ параметров акустической эмиссии, классифицирует их на основании банка данных, идентифицирует механизм разрушения.

Информативными параметрами акустической эмиссии является амплитуда или энергия отдельных импульсов, их активность, интервал между событиями, спектр и мощность излучения.

Данный способ может быть использован для изучения устойчивости склонов, оценки состояния бортов карьеров, эффективности противооползневых мероприятий, для изучения состояния искусственных земляных сооружений (дамб, насыпей), оценки критических состояний оснований фундаментов.

В данном способе не рассматривается возможность использования его для прогнозирования начала разрушения оснований фундаментов зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах.

Недостатком способа подобного типа является фиксация и обработка сигналов акустической эмиссии вне зависимости от температурного диапазона. Это приводит к избыточной информации, что значительно снижает точность оценки критических состояний оснований фундаментов зданий и сооружений.

Как известно, около половины территории России, Аляска и Канада находятся в зоне распространения вечномерзлых грунтов. Фундаменты сооружений жилого и промышленного строительства часто закладываются в вечномерзлом грунте с сохранением его состояния (1 принцип). Вследствие локального протаивания оснований значительная часть зданий и сооружений претерпевает большие деформации (вплоть до аварийных).

Ввиду прогнозируемого потепления климата в ближайшие 30 50 лет, следует ожидать значительной аварийности многих сооружений Севера.

Прогнозирование и фиксация начала разрушения оснований фундаментов зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах различного гранулометрического состава и влажности является актуальной задачей.

Предлагается способ, позволяющий производить оценку критических состояний оснований фундаментов зданий и сооружений на вечномерзлом грунте. Он отличается от известного тем, что измеряют температуру грунта и определяют параметры акустической эмиссии (амплитуду, интенсивность и спектр) при температуре перехода грунта из твердомерзлого состояния в пластичномерзлое состояние.

Для реализации данного способа предлагается устройство, отличающееся от известного тем, что для повышения точности и экономичности процесса диагностики волновод с пьезодатчиком снабжен температурным датчиком и конструктивно объединен в один блок.

Экспериментально установлено, что процесс деструкции, конкретно для каждого типа грунта, активизируется в определенной температурной зоне, лежащей в диапазоне температур -2^oC 0^oC, устанавливаемой при взятии проб. Так, температура перехода из твердомерзлого состояния грунта в пластичномерзлое состояние для: 1. Крупнообломочного грунта 0^oC 2. Песков от -0,1 до -0,3^oC 3. Супесей -0,6^oC 4. Суглинков -1^oC 5. Глины -1,5^oC Следовательно, для повышения надежности и автоматизации процесса контроля начала разрушения, целесообразно прогнозировать начало процесса разрушения именно в определенном температурном диапазоне, зависящем от типа грунта, содержанием в нем жидкой и кристаллической фазы.

Устройство для осуществления способа прогнозирования начала разрушения оснований фундаментов зданий и сооружений изображено на чертеже.

Оно состоит из температурного датчика (термопары) 1, находящегося в вечномерзлом грунте 2 и соединенного с предусилителем термопары 3, волновода 4 с пьезодатчиком 5, соединенного с предусилителем сигнала акустической эмиссии 8, выход 6 соединен с полосовым фильтром со встроенным усилителем 7, соединенным с блоком аналого-цифровой обработки сигнала 8 и затем с запоминающим устройством 9. Процессор 1 соединен с запоминающим устройством 9, с дисплеем 11, с гибким диском 12 и с сигнальным устройством 13.

Способ прогнозирования реализуется следующим образом: сигнал с температурного датчика 1 постоянно поступает на предварительный усилитель 3 и при приближения температуры грунта к границе, при которой он из твердомерзлого состояния переходит в пластичное, пороговое устройство, входящее в состав предусилителя 6, подает питание на элементы 6 13 схемы (черт. 1), которая включается в работу. При этом наличие двух предусилителей 3 и 6 оправдано. Предусилитель 3 усиливает постоянный ток, снимаемый с термопары, предусилитель 6 усиливает высокочастотный сигнал с пьезоэлемента 5. Сигнал акустической эмиссии с пьезодатчика 5, усиленный близкорасположенным к нему предусилителем 6, по линии связи поступает в полосовой фильтр со встроенным усилителем 7, где происходит выборка сигналов, лежащих в диапазоне частот 0,02 0,2 мГц. Далее сигнал поступает в блок аналого-цифровой обработки 8, где происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой и последний записывается в запоминающее устройство 9, соединенное по каналу прямого доступа с 8. Записанные в память 9 сигналы акустической эмиссии в дальнейшем обрабатываются при помощи процессора 10, в котором, осуществляется многофункциональный анализ параметров акустической эмиссии, при необходимости на экране дисплея 11 могут быть отображены необходимые параметры, графические зависимости, характеризующие процесс разрушения. При определении момента начала процесса разрушения передается сигнал тревоги на сигнальное устройство 13, срабатывает аварийная сигнализация. Полученные результаты хранятся на гибком диске 12.

Данный способ опробовался на конкретных грунтах.

Полученные результаты сведены в таблицу.

Реализация системы во многом зависит от расстояния, на которое необходимо передать полученную информацию (тип 1, тип 2, тип 3).

ТИП 1.

Передача информации на несколько десятков метров, т.е. от фундамента здания на пульт управления, находящийся в этом же здании.

В этом случае, усиленный акустический сигнал в виде электрического импульса достигает по проводу пульта управления, где обрабатывается на персональном компьютере и включает аварийную звуковую сигнализацию.

ТИП 2.

Расстояние составляет несколько километров, контрольный пункт обработки находится в центре города и информация поступает от большого числа периферийных объектов.

Усиленный акустический сигнал необходимо трансформировать и перевести в радиочастотный диапазон. Этот сигнал (слабочастотная разводка по типу охранной сигнализации) поступает на контрольный пульт.

ТИП 3.

Расстояние любое. Помимо трансформатора акустического сигнала в радиосигнал необходим передатчик и антенна. Контрольный пульт включает в себя многоканальный приемник.

Формула изобретения

1. Способ прогнозирования начала разрушения оснований фундаментов зданий и сооружений в зоне вечной мерзлоты, основанный на измерении амплитуды, интенсивности и спектра акустического излучения и по резкому снижению амплитудно-частотных параметров акустической эмиссии, определении момента начала процесса разрушения в основаниях фундаментов, отличающийся тем, что измеряют температуры грунта, а измерения амплитуды, интенсивности и спектра акустического излучения на вечномерзлых грунтах производят при температуре перехода грунта из твердомерзлого в пластично-мерзлое состояние.

2. Устройство прогнозирования начала разрушения оснований фундаментов зданий и сооружений в зоне вечной мерзлоты, содержащее последовательно включенные волновод с пьезодатчиком, предусилитель сигнала акустической эмиссии, полосовой фильтр со встроенным усилителем, блок аналого-цифровой обработки сигнала, запоминающий узел и процессор, связанный выходами с дисплеем, гибким диском и сигнальным узлом, отличающееся тем, что в него введены температурный датчик с предусилителем сигнала температуры, выполненные в одном блоке с пьезодатчиком, причем выход предусилителя сигнала температуры соединен с одним из входов предусилителя сигнала акустической эмиссии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2