Акустический способ контроля качества жидкой колонны в процессе ее образования

 

Назначение: контроль формообразования свай и других фундаментов, создаваемых нагнетанием вяжущих материалов в грунт. Контроль характеристик жидкой колонны, преимущественно формы и наличия дефектов в теле, осуществляют посредством зондирования тела колонны акустическими видеоимпульсами (без несущей частоты) в направлении от оси колонны к образующей с последующей регистрацией акустических импульсов, отраженных от границы раздела "тело жидкой колонны - массив грунта" и (или) рассеянных при их распространении. Об искомых характеристиках судят по спектрам принятых акустических импульсов при сканировании тела жидкой колонны в радиальном и осевом направлениях. Изобретение повышает качество жидких колонн и достоверность контроля в процессе формирования колонны. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии строительства, может быть использовано при контроле формообразования свай и других фундаментов, создаваемых нагнетанием вяжущих материалов в грунт.

При строительстве платформ на сыпучих, зыбких болотистых грунтах и в акватории сваи и другие элементы формируют непосредственно в упомянутых грунтах путем нагнетания вяжущих средств под высоким давлением. Частицы почвы (ил) и связующее после отвердевания формируемой жидкой колонны образуют сваю. Жидкую колонну формирует средство в виде штанги, снабженной форсунками для подачи раствора и перемещаемой как в осевом, так и в радиальном направлении. В зависимости от условий образования колонн и вида грунтов в качестве агентов, подаваемых под давлением, могут быть цемент, вода, цементно- и водовоздушные смеси.

Известен акустический способ контроля характеристик жидкой колонны в процессе ее образования, при котором тело жидкой колонны образуют нагнетанием вяжущих средств непосредственно в массив грунта под давлением через раздаточное устройство при его перемещении в массиве, а контроль характеристик жидкой колонны, преимущественно формы и наличия дефектов в теле, осуществляют посредством зондирования тела колонны акустическими волнами в направлении от оси колонны к образующей с регистрацией сигналов от границы раздела "тело жидкой колонны - массив грунта" при сканировании тела жидкой колонны в радиальном и осевом направлении (см. WO 87/03319, E 02 D 3/12, 04.06.82), который является наиболее близким аналогом к предложенному способу.

Однако в процессе формообразования колонн в реальных условиях из-за непредсказуемости и сложности геологической обстановки форма колонн может отличаться от заданной преимущественно за счет искажения формы, наличия пустот, неоднородностей состава и других дефектов в теле колонны. Указанные дефекты в дальнейшем могут повлечь за собой потерю прочности и устойчивости как отдельных свай, так и конструкций в целом, что является недопустимым.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества жидкости колонн, достоверности контроля в процессе формирования колонны.

Технический результат обеспечивается тем, что в акустическом способе контроля характеристик жидкой колонны в процессе ее образования, при котором тело жидкой колонны образуют нагнетанием вяжущих средств непосредственно в массив грунта под давлением через раздаточное устройство при его перемещении в массиве, контроль характеристик жидкой колонны, преимущественно формы и наличия дефектов в теле, осуществляют посредством зондирования тела колонны акустическими волнами в направлении от оси колонны к образующей с последующей регистрацией сигналов, отраженных от границы раздела "тело жидкой колонны - массив грунта" при сканировании тела жидкой колонны в радиальном и осевом направлениях, согласно предложенному изобретению зондирование осуществляют акустическими видеоимпульсами, регистрируют отраженные и/или рассеянные импульсы, а об искомых характеристиках судят по спектрам принятых акустических импульсов. Средства контроля могут быть совмещены со средствами перемещения раздаточного устройства.

Для возбуждения акустических видеоимпульсов может быть использован импульсный электромагнитный излучатель.

Для регистрации акустических импульсов использован по меньшей мере один пьезоэлектрический приемник.

Суть способа состоит в том, чтобы использовать принципы известного метода акустической спектроскопии твердого вещества (см., например, Дефектоскопия бетона ультразвуком в энергетическом строительстве./ Почтовик Г.Я., Липник В. Г., Филонидов А.М. - М.: Энергия, 1977, с. 48-41 [2]) для решения новой задачи - контроля формы и дефектности тела жидкой колонны. Этот метод предусматривает излучение в среду короткого акустического импульса без несущей частоты (иногда называемого "видеоимпульсом") и регистрацию изменения его характеристик. Взаимодействие акустических импульсов со средой вызывает вследствие частотной зависимости затухания акустических волн в среде изменение его характеристик (например, спектра), которое и регистрируется.

Знание недостатков выполнения колонны, находящейся в жидком состоянии ограниченное время, позволяет произвести их исправление до того момента, когда колонна замонолитится и превратится в конструкцию. Особенность же объекта контроля состоит в том, что тело жидкой колонны по своим физическим характеристикам практически не отличимо от физических характеристик донных осадков (ила), в котором эта колонна образуется. Так, акустический импеданс (произведение плотности среды на скорость распространения в ней акустических колебаний) разнится не более чем на 10%, в силу чего невозможно использовать дистанционные методы контроля размеров, основанные на измерении времени пробега импульсов при отражении (Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы измерений расстояний и управления. -М.: Энергоиздат, 1981, с. 7 [4]), поскольку отражение от границы практически отсутствует. Кроме того, жидкая смесь, из которой формируется тело колонны, характеризуется большим затуханием акустических волн, характерным для донных осадков, в силу чего измерения с использованием традиционных временных методов становятся сильно затрудненными.

Процесс измерения характеристик колонны непосредственно в процессе изготовления по параметрам акустических колебаний ориентирован на использование той же самой штанги с форсунками, которая и создает колонну. Для этого штанга снабжена измерительной системой, содержащей излучатель акустических импульсов и несколько акустических приемников, подключенных к системе регистрации и обработки сигналов.

На чертеже показана блок-схема реализации способа контроля. Жидкая колонна 10 образована в массиве грунта 12 посредством раздаточного устройства 14. Это устройство представляет собой перекладину 16, на которой расположены форсунки 17 для подачи цементной смеси вглубь массива. Через штангу 18 передается перемещение и вращение перекладины 16 в грунте 12.

На штанге 18 установлены излучатель 20 акустических импульсов с диаграммой излучения, направленной в радиальном направлении от оси колонны (штанги 18) к периферии. Приемники 21, 22 (их может быть несколько) также размещены на штанге 18 таким образом, что их диаграммы направленности пересекаются с диаграммой излучения излучателя 20 и находятся в зоне 24 раздела "тело жидкой колонны - массив грунта". Излучатель 20 и приемники 21, 22 подключены к блоку управления и блоку спектрального анализа принятых импульсов (не показаны).

Способ контроля формы и качества жидкой колонны может проводиться как после изготовления колонны при обратном ходе штанги - выеме раздаточного устройства, так и при его перемещении вглубь массива. Штанга поднимается и вращается вокруг своей оси, так что датчики имеют возможность просканировать практически весь объем колонны.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования указанного способа. Полученные результаты позволяют сделать заключение о том, что энергии акустического импульса около 3 Дж, полученного с помощью электромагнитного импульсного излучателя достаточно для осуществления уверенной регистрации акустических импульсов, отраженных от границы раздела "тело жидкой колонны - массив грунта" или рассеянных при распространении. Регистрация осуществлялась посредством пьезоэлектрических приемников таким образом, чтобы диаграммы направленности излучателя и приемников перекрывались. Сканирование измерительной системы в осевом и(или) радиальном направлениях по телу жидкой колонны при подъеме и вращении штанги вокруг своей оси и последующий спектральный анализ позволяют при предварительной тарировке на моделях выявить аномалии формы и структуры жидкой колонны. Так, с увеличением несплошности материала в теле жидкой колонны происходит смещение преобладающей частоты в область низких частот; из-за линейной частотной зависимости коэффициента затухания высокочастные компоненты, которые делают импульс резким, затухают сильнее, чем медленные компоненты; чем с большей дальности приходит отраженный (рассеянный) сигнал, тем он больше по длительности. Как уже отмечалось, при наличии подозрения на дефектность может быть проведена повторная инжекция связующего в тело колонны или другие технологические мероприятия.

В качестве импульсных акустических излучателей могут быть использованы электромагнитные, электродинамические или другие излучатели известных конструкций (см. , например, Акустические подводные низкочастотные излучатели./ Римский-Корсаков А.В., Ямщиков В.С. и др. - Л.: Судостроение, 1984). В качестве приемников удобно использовать пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи в соответствующем исполнении по типу глубоководного или скважинного, предназначенные для работы в экстремальных условиях (см., например, Справочник по гидроакустике. /Евтютов А.П., Колесников А.Е. и др. - Л. : Судостроение, 1982). Для снижения уровня помех на приемниках, вызванных непосредственным воздействием вибрации от излучателя, целесообразно использовать акустические развязки, а для защиты от кавитационного разрушения вследствие мощного гидроакустического поля, возникающего при работе форсунок раздаточного устройства, - другие известные средства защиты.

Формула изобретения

1. Акустический способ контроля характеристик жидкой колонны в процессе ее образования, при котором тело жидкой колонны образуют нагнетанием вяжущих средств непосредственно в массив грунта под давлением через раздаточное устройство при его перемещении в массиве, а контроль характеристик жидкой колонны, преимущественно формы и наличия дефектов в теле, осуществляют посредством зондирования тела колонны акустическими волнами в направлении от оси колонны к образующей с регистрацией сигналов от границы раздела "тело жидкой колонны - массив грунта" при сканировании тела жидкой колонны в радиальном и осевом направлениях, отличающийся тем, что зондирование осуществляют акустическими видеоимпульсами, регистрируют отраженные и/или рассеянные импульсы, а об искомых характеристиках судят по спектрам принятых акустических импульсов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что средства контроля совмещены со средствами перемещения раздаточного устройства.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для возбуждения акустических видеоимпульсов использован импульсный электромагнитный излучатель.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для регистрации акустических импульсов использован по меньшей мере один пьезоэлектрический приемник.

РИСУНКИ

Рисунок 1