Выделение предварительной стадии разрушения оснований сооружений на основе сейсмоэлектрических измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выделение предварительной стадии разрушения оснований сооружений на основе сейсмоэлектрических измерений

Введение

сейсмоэлектрический контроль сигнал

Одной из задач геотехнического мониторинга, решаемой методами малоглубинной геофизики, является обеспечения и прогнозирование геодинамической безопасности проектируемых зданий и сооружений высокого уровня ответственности (к которым, в частности, относят атомные электростанции, различные сооружения топливно-энергетического комплекса, опоры железнодорожных мостов, промышленные объекты и т.д.) [1-3]. Выполнение данной процедуры должно осуществляться не только в периоды их проектирования и строительства, но и в периоды последующей эксплуатации.

Одной из главных причин нарушения нормального состояния подземной части сооружений являются медленные во времени процессы, вызванные природными и техногенными факторами. К таким явлениям относят карстовые процессы. При этом, строительство и эксплуатация зданий и сооружений в карстоопасных районах сопряжены с активизацией экзогенных геодинамических процессов и, как следствие, возникновения в грунте под инженерно-техническими сооружениями карстовых полостей и воронок [4]. Особенность этих явлений состоит в том, что к моменту начала строительства геологические изыскания могут свидетельствовать об отсутствии карстовых полостей под сооружением, однако в процессе техногенеза возможна реализация условий для их появления и роста. Активизация карстовых процессов может привести к недопустимым деформациям грунта и, как следствие, к разрушению фундамента и самого сооружения.

Одним из самых эффективных способов, позволяющих своевременно прогнозировать начало и активизацию деформационных процессов в системе «геологическая среда - инженерно-технический объект» является использование комплекса информативных физических методов на основе использования совместной обработки геоэлектрических и сейсмоакустических сигналов [5].

1.Применение геоэлектрических и сейсмоакустических методов при проведении геодинамического мониторинга

При проведении геодинамических исследований и геотехнического мониторинга широко применяются различные геоэлектрические и сейсмоакустические геофизические методы. Причем в настоящее время в малоглубинной геофизике активно развивается направление, связанное с комплексным подходом в обработке полученной информации. При проведении сейсмоакустических исследований привлекаются данные геоэлектрических измерений или данные сейсмоакустических измерений при проведении геоэлектрических исследований [6,7]. Также большой интерес вызывают исследования на использование в мониторинговых исследованиях сейсмоакустических эффектов первого и второго рода [8].

Известно множество модификаций геоэлектрических методов, применяемых в мониторинговых исследованиях и основанных на контрастности электрических свойств сред: сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемостей, поляризуемости, поглощения, электрохимической активности и других [9]. Однако основным из них является метод сопротивлений, заключающийся в изучении геоэлектрического строения среды с помощью искусственных источников электрического поля. При исследовании изменения сопротивления в горизонтальном направлении используются многочисленные методы электропрофилирования, а в вертикальном направлении - вариации метода зондирования. При использовании электропрофилирования методика и техника наблюдений направлены на то, чтобы в каждой точке исследуемого профиля получить информацию об электромагнитных свойствах среды. В этом случае сохраняется постоянство глубинности электроразведки, зависящей от решаемых задач и геоэлектрических условий. Оно достигается обеспечением постоянных или мало изменяющихся расстояний между питающими и приемными линиями, а также постоянством мощности источников и излучаемых ими частот. При использовании различных методов электромагнитного зондирования методика и система наблюдений направлены на то, чтобы в каждой исследуемой точке получить информацию об изменении электромагнитных свойств среды при варьировании глубинности. Изменение последней реализуется, как правило, двумя способами: использованием явления скин-эффекта (увеличения глубинности исследований при уменьшении зондируемой частоты) и постепенным увеличением расстояния между питающими и приемными линиями [10].

Сейсмоакустические методы основаны на оценке скорости распространения и результатов физических преобразований (отражения, преломления, рефракции, дифракции и других) упругих сейсмических волн в изучаемой геологической среде. В практике геофизических исследований наибольшее распространение получили методы анализа отраженных и преломленных сейсмических волн [11]. Первый из них позволяет изучать рельеф и границы раздела различных сред с отличными значениями скорости распространения упругих волн, второй - дает возможность изучать горизонтальную неоднородность среды, выделять тектонические нарушения и основывается на регистрации преломленных волн сейсмического происхождения.

Основным недостатком использования рассмотренных методов при геодинамическом мониторинге по отдельности является неоднозначность решения обратных задач по определению геологической природы, формы, геометрии и состояния изучаемых сред с их помощью. Кроме того, разнообразные элементы геологического строения сред и их состояние с разной степенью проявляются и отражаются в результатах, полученных с помощью различных геофизических методов. Поэтому в рекомендациях по их применению говорится, в каких конкретно случаях предпочтителен тот или иной метод [12]. В связи с этим актуальным представляется проведение комплексного анализа результатов геоэлектрических и сейсмоакустических исследований, что позволит снизить неоднозначность оценки геофизических данных и обеспечить их качественную интерпретацию.

В основе принципа комплексирования геоэлектрических и сейсмоакустических методов геодинамического мониторинга лежат сейсмоэлектрические эффекты первого и второго рода. Сейсмоэлектрический эффект первого рода обусловлен изменением электрического сопротивления среды под влиянием упругих колебаний. На характер и степень его проявления влияют такие параметры среды, как минеральный состав твердого скелета осадочной горной породы и его структура, пористость, проницаемость и структура поровых каналов, состав и объем минерального цемента, состав и минерализация жидкости, насыщающей поры и т.д. Сейсмоэлектрический эффект второго рода представляет собой явление возбуждения электромагнитного поля, возникающего при распространении упругих сейсмоакустических колебаний в среде. Электромагнитные сигналы, полученные в результате проявления данного эффекта, несут информацию о глубинном строении геологической среды, ее пористости, проницаемости и других петрофизических параметрах.

2.Алгоритм выделения начальной фазы разрушения на основе сейсмоэлектрических измерений

В соответствии с данной моделью, предлагаемый алгоритм основан на эффекте изменения электрического сопротивления среды при воздействии на нее упругих колебаний и нелинейности проявления сейсмоэлектрического эффекта. Установлено, что изменение электрического сопротивления сред под влиянием упругого воздействия (сейсмоэлектрический эффект первого рода) связано с наличием в них микротрещин, что соответствует начальной фазе разрушения конструкций и/или грунтовых оснований зданий и сооружений. На рисунке 1 приведена зависимость электрического сопротивления R среды от приложенной механической нагрузки P, которая на линейном участке характеристики (участок от начала координат до точки 2) прямо пропорциональна приложенному упругому воздействию, что соответствует фазе упругой деформации (0).

Рисунок 1 - Теоретическая зависимость электрического сопротивления среды от приложенной механической нагрузки

В этом случае отклик среды во временной области на гармоническое упругое воздействие не содержит искажений, а в его спектре присутствует только одна спектральная компонента с частотой сейсмоакустического воздействия (рис. 2а). Это свидетельствует о том, что среда имеет нормальное удельное сопротивление, и деформация уплотнения грунта отсутствует. С увеличением уровня приложенной к среде механической нагрузки до предельно допустимой рабочая точка на рис.1 переходит на нелинейный участок (между точками 2-3), что соответствует деформации уплотнения.

Вследствие этого сигнал отклика среды на упругое воздействие искажается, а в его спектре появляются дополнительные гармонические составляющие с частотами, кратными частоте сейсмоакустического воздействия - рис. 2б. Дальнейшее увеличение приложенной механической нагрузки к среде приводит к разрушению состояний фундамента, подземных конструкций и/или грунтовых оснований зданий. Данный процесс в частотной области сопровождается наличием гармоники основной частоты сейсмоакустического воздействия и ее второй гармоники значительного уровня - рис. 2 (в-г).

а) б)

в) г)

Рисунок 2 - Теоретические спектральные характеристики при монохроматическом воздействии

Таким образом, представленную на рис. 2 зависимость электрического сопротивления среды от приложенной механической нагрузки можно считать ее амплитудной характеристикой, а спектр отклика на данное сейсмоакустическое воздействие - индикатором развития деформационных процессов контролируемой зоны в основании сооружений.

Результаты эксперимента на модели карстообразования

Для оценки эффективности предлагаемого метода разработана экспериментальная установка (рис. 3), состоящая из резервуара с песком и искусственной неоднородностью, моделирующую карстовый процесс, источников электромагнитных и упругих колебаний с различными частотами, а также передающей АВ и приемной NM линий.

Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки

На рисунке 4 представлены спектры выходных сигналов исследуемой среды при наличии и отсутствии упругого воздействия с частотой 70 Гц. При этом частота электрического сигнала соответствовала значению в 40 Гц.

Рисунок 4- Спектры выходных сигналов исследуемой среды при наличии и отсутствии упругого воздействия

Из представленных спектрограмм видно, что электрические параметры среды изменяют свои характеристики в зависимости от приложенных внешних упругих воздействий. Дальнейшая обработка сигналов, спектры которых представлены на рис. 4, в соответствии с предложенным алгоритмом позволяет определить наличие в среде неоднородности, глубину ее залегания и деформационное состояние.

Заключение

Таким образом, рассматриваемый метод и результаты его экспериментальной апробации показали, что начальная фаза разрушения грунтовых оснований зданий и состояние их подземных конструкций могут быть выявлены на ранней стадии возникновения. Как следствие, его применение позволит повысить безопасность жизнедеятельности человека, снизить уровень риска возникновения техногенных аварий и катастроф за счет повышения достоверности и оперативности получаемой информации о текущих изменениях в контролируемых геологических средах при осуществлении геодинамического мониторинга.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 18-48-310025p_a

Список литературы

1. . Korolev V.A. /The monitoring of the geological environment. - M .: MGU, 1995. - 272 p.

2. Sharapov R., Kuzichkin O. Monitoring of Karst-Suffusion Formation in Area of Nuclear Power Plant // Proceedings of the 7th 2013 IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS), 12-14 September 2013, Berlin, Germany. Vol. 2, 2013. P. 810-813.

3. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании // М.: АЭН, 1999. - 220 с.

4. Kuzichkin, O., Grecheneva, A., Bykov, A., Dorofeev, N., Romanov, R. Optimization of an equipotential method of electroinvestigation for a research of karst processes // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. Volume 17, Issue 52, 2017, Pages 681-688.

5. Sharapov R., Kuzichkin O. Geodynamic Monitoring in Area of Nuclear Power Plant // Applied Mechanic and Materials. Vol. 492, 2013. pp. 556-560

6. Долгаль А.С. Комплексирование геофизических методов: учеб. пособие /А.С. Долгаль; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. - Пермь, 2012. - 167 с.

7. Никитин А.А., Хмелевской В.К. Комплексирование геофизических методов : учебник для вузов. - 2-е изд. испр. и доп. - М. : ВНИИгеосистем, 2012. - 346 с.

8. Bykov A.A., Kuzichkin O.R. Seismoelectric Control of Geodynamic Processes in Natural-Technical Systems. Proceedings of the thе 2013 IEEE 7-th International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS) IDAACS'2013. September 12-14, 2013. Berlin, Germany. volume 2. pp. 840-843.

9. Электроразведка. Справочник геофизика в двух книгах. Под ред. В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. - 2-е издание. - М.: Недра, 1989.

10. Bykov A.A., Kuzichkin O.R. Regression prediction algoritm of suffusion processes development during geoelectric monitoring. // Advances in Environmental Biology. 2014. № 8. P. 1404-1410.

11. Гурвич И.И. Сейсморазведка. Справочник геофизика. Под ред. И.И. Гурвича, В.П. Номоконова. - М.: Недра, 1981. - 464 с.

12. Хмелевской В.К., Костицын В.И.. Основы геофизических методов: учебник для вузов. Перм. ун-т. - Пермь, 2010. - 400 с.

Размещено на Allbest.ru