Города по всему миру сегодня столкнулись с одновременным старением критической инфраструктуры. Опоры искусственных сооружений, подпорные стены в виду длительной эксплуатации массово достигают предельной устойчивости, что создает угрозу для безопасности людей. Для безопасного ремонта и укрепления таких конструкций требуется точная информация о состоянии подземного массива.
Традиционные методы анализа грунта (бурение скважин и лабораторные испытания) часто неприменимы в условиях плотной застройки или на сложном рельефе из-за высокой стоимости и длительности работ. При этом доступных альтернатив, которые позволяли бы быстрее и дешевле получать информацию о строении грунтов в сложных условиях, до сих пор не существовало. Инновационный способ для оценки состояния грунта под сооружениями, придуманный в ПНИПУ, позволит снизить финансовые затраты на исследования на 40% и время работ на 50% по сравнению с традиционными подходами.
Многие города по всему миру сегодня сталкиваются с проблемой старения инженерной инфраструктуры: различные опоры, насыпи, подпорные стены, построенные десятилетия назад, массово достигают предельного срока эксплуатации. Особенно остро эта проблема стоит в городах со сложным рельефом. Их старение и износ напрямую угрожают устойчивости склонов, дорог и зданий, расположенных ниже.
Чтобы безопасно ремонтировать и восстанавливать эти объекты, необходимо точно оценить состояние их оснований — грунтового массива. Если не провести такую диагностику, ремонтные работы могут оказаться неэффективными или даже опасными: усиление конструкции не сработает, если грунт под ней окажется слабее, чем предполагалось, что в итоге может привести к авариям.
Традиционным методом исследования грунтов является бурение и лабораторные испытания: из скважин извлекают образцы, определяют состав, свойства и последовательность слоёв грунта. На основе этих данных составляются инженерно-геологические отчеты, которые в дальнейшем служат для профильных специалистов основой для принятия решений о строительстве, ремонте или укреплении территорий.
Однако бурение — процесс долгий и дорогой. Он требует привлечения тяжёлой техники, организации доступа на каждый конкретный пункт, а лабораторный анализ отобранных образцов может занимать недели. К тому же физически он может быть невыполним в условиях плотной городской застройки или на неустойчивых склонах, где как раз сосредоточены наиболее уязвимые объекты. При этом до сих пор не существовало альтернативного способа получить аналогичные данные в сжатые сроки и при меньших затратах.
Ученые Пермского Политеха успешно применили и доказали эффективность другого геофизического метода — анализа поверхностных волн. Он позволит проверять грунт под городскими объектами без проведения масштабных буровых работ и нарушения его целостности, что сократит финансовые и временные затраты почти в 2 раза.
Метод работает по принципу сейсмического просвечивания: по поверхности передается вибрация, а ряд специальных датчиков улавливает, как вызванные волны проходят через подземные слои. Далее с помощью инженерных программ специалисты могут обработать сигналы и построить последовательность грунтовых слоёв. Этот способ не разрушает грунт и значительно дешевле бурения.
Ученые экспериментально подтвердили точность работы метода на реальном оползневом склоне с аварийным объектом. Они установили на участке несколько датчиков, с помощью которых «просканировали» подземные слои и получили детальную картину их последовательности.
«Этот метод позволяет быстро и без бурения определить актуальную структуру грунта — последовательность и мощность слоев. Но для полноценных инженерных расчётов, например, для проектирования усиления подпорной стены, этого недостаточно. Необходимы физико-механические характеристики каждого слоя: угол внутреннего трения и удельное сцепление, плотность, модуль деформации. Получить эти цифры напрямую из сейсмических данных сложно, для этого традиционно требуются лабораторные испытания образцов, отобранных при бурении», — объяснил Даниил Татьянников, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ.
Однако для многих стареющих объектов такие данные уже существуют — они были получены десятилетия назад при изысканиях перед строительством и хранятся в архивных отчетах. Главный вопрос для инженера сегодня: можно ли на эти старые цифры опираться? Ведь за прошедшее время свойства грунта могли измениться.
«Наше исследование предлагает использовать современный сейсмический метод, чтобы проверить, совпадает ли нынешнее строение грунтового массива с тем, что описано в архивах. Если структура слоев идентична, это значит, что и их физико-механические характеристики остались прежними. Так мы получаем возможность обоснованно использовать массив архивных данных для точных расчётов по усилению конструкции. Несовпадение результатов служит для инженера сигналом о недостоверности старых отчетов. Следовательно, для принятия решений необходимо применять иные методы исследования», — отметил Ян Офрихтер, старший преподаватель кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ.
В проведенном эксперименте сравнение показало, что строение слоев грунта после «сейсмического просвечивания» точно совпало со структурой из архивных сведений. Это значит, что теперь вместо применения дорогостоящего бурения достаточно «просканировать» участок методом поверхностных волн и сравнить последовательность слоев с архивными данными.
Новый подход позволяет сократить объем буровых работ за счет их целенаправленного планирования. Если сейсмическое исследование подтверждает актуальность архивных данных, достаточно сделать лишь контрольные скважины. Это сэкономит около 40% средств и 50% трудозатрат по сравнению с полным комплексом традиционных исследований, который потребовался бы без предварительной проверки старых отчетов. При несоответствии результатов метод сигнализирует о необходимости применения иного подхода, предотвращая проектирование на основе недостоверной информации.
Предложенное решение может применяться для обследования различных аварийных объектов: подпорных стен, мостовых опор, фундаментов исторических зданий и других сооружений, где долгие и дорогие исследования невозможны или экономически невыгодны.
Статья об исследовании опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
.jpg)