Комплексные деформационные наблюдения на строительных и инженерных сооружениях

Работа посвящена разработке методов и аппаратных средств для анализа деформаций земной коры, конструкций жилых и промышленных зданий, целостности экологически-опасных объектов и конструкций строительных сооружений с целью определения потенциально опасных ослабленных зон.

Объекты, которые принято называть экологически-опасными — широко известны из публикаций в научной литературе и из средств массовой информации. К ним относятся и дамбы, и высотные плотины, и химические предприятия, и АЭС, и захоронения высокоактивных отходов и т. д. Каждый из такого рода объектов может под воздействием природных или техногенных аномальных процессов перейти в нештатный режим работы, последствия которого могут быть катастрофическими. Вероятность такого события мала, но отлична от нуля и для каждого конкретного типа объектов естественно существуют свои методы анализа мер безопасности, необходимых для своевременного выявления опасных тенденций и сведения к минимуму отрицательных последствий подобных ситуаций.

Земная кора представляет собой иерархично-блочную структуру, включающую систему относительно устойчивых блоков, разделенных ослабленными, обладающими большой активностью и подвижностью зонами (геодинамическими зонами). Постоянные относительные микродвижения блоков под воздействием различных факторов (тектонического, техногенного характера, метеовариаций и др.) приводят к вариациям деформаций, относительных наклонов отдельных участков земной коры, к вариациям уровня грунтовых вод в скважинах и др. Наиболее сильно указанные процессы проявляются в геодинамических зонах.

В случае размещения крупных строительных объектов и сооружений над геодинамическими зонами имеет место постепенное нарушение целостности зданий, образуется система микротрещин, а затем видимых трещин и разрывы фундаментов. Поэтому своевременное выявление ослабленных зон на площадках, отводимых под строительство крупных объектов, или в уже построенных сооружениях является важнейшим этапом предотвращения возможных катастроф, грозящих серьезными экологическими последствиями.

В соответствии с вышеизложенным, представляется весьма актуальным внедрение геофизических методов для решения задач выявления ослабленных зон в инженерных сооружениях.

Решение поставленных задач непосредственно связано с наиболее полным изучением действительного состояния исследуемых объектов. Как следствие углубленного изучения действительной работы конструкций и сооружений возникает возможность построения расчетных моделей, которые позволяют наиболее полно отобразить напряженно-деформированное состояние строительных конструкций.

Инженерные сооружения представляют собой достаточно сложные механические системы, состоящие из большого числа элементов, работающих в условиях сложных напряженно-деформируемых состояний и образующих пространственные конструкции. Несмотря на существенное развитие современной строительной механики, широкое привлечение к расчетам вычислительной техники при рассмотрении конкретных объектов, в том числе и строительных конструкций, возникает необходимость идеализации расчетных схем, которые учитывают лишь главные, основные свойства, характеризующие состояние реальной конструкции. Кроме того, поведение строительных конструкций характеризуется рядом факторов, носящих случайный характер, например прочностные характеристики конструкционных элементов. Значительной изменчивостью характеризуются нагрузки, действующие на строительные конструкции, здания и сооружения: собственный вес, ветер и снег, изменение метеорологических факторов (температуры окружающей среды и атмосферного давления), колебания уровня грунтовых вод, сейсмическая обстановка в зоне эксплуатации сооружения, факторы техногенного воздействия и др. Ошибки при выборе строительной площадки, которые являются следствием неправильной оценки геологической обстановки в зоне строительства, наличие геологических разломов и трещин земной коры могут привести к ослаблению строительных конструкций, образований микротрещин, прогибов и просадок, которые в дальнейшем могут привести к возникновению аварийных ситуаций и даже к полному разрушению строительной конструкции. Разрушение экологически-опасных объектов может привести к катастрофическим последствиям (прорывам дамб, радиационному и химическому загрязнению окружающей среды и т. п.).

Перед инженерами-строителями ставится задача оценки состояния эксплуатируемых строительных конструкций, зданий и сооружений, решения вопроса о возможности их дальнейшей эксплуатации или реконструкции и усиления. Решение поставленных задач связано с обследованием конструкций и сооружений, результаты которого позволяют подготовить соответствующие рекомендации. На их основе инженеры-проектировщики разрабатывают необходимые конструктивные решения.

Данная работа посвящена вопросам разработки методики обследования и выявления ослабленных, потенциально опасных зон в инженерных сооружениях путем размещения сети приборов для измерения разного типа деформаций, в первую очередь кварцевых деформометров, организации синхронного мониторинга термо-баро-деформационных процессов и проведения последующего анализа результатов.

Задача организации деформометрического мониторинга с использованием современных высокоточных аппаратных средств измерения и регистрации, разработки методики выявления потенциально опасных зон с целью своевременного предотвращения нарушения целостности грунтового массива и конструкции сооружении и выработки рекомендации, в соответствии с которыми будут проведены укрепительные работы, обеспечивающие стабилизацию напряженного состояния и деформаций сооружений, становятся чрезвычайно актуальными в наше время.

Выводы.

1. Бародеформационный комплекс показал высокую надежность, долговременную стабильность функционирования и обеспечил регистрацию деформационных процессов в характерных точках (трещина, целостная часть) фасадной стены цеха № 4.

2. Реальный диапазон вариаций деформаций на трещине, обусловленных метеорологическими процессами в периоды весналетоосень, по наблюдениям за два года составил 420 мкм. Тренд вариаций имеет знакопеременный характер (расширение, сужение) в пределах 300 мкм., процесс развивался со скоростью 1 мкм/сутки во всех периодах наблюдений, независимо от времени года.

3. Скорость изменения деформаций составляла не более 2 мкм/час в диапазоне ±100 мкм во все анализируемые периоды наблюдений.

4. Вариации деформаций целостной части стены за анализируемые периоды 1995, 1996 г, 1997 гг. практически одинаковы и не превышали 25 мкм.

Диапазон вариаций деформаций 420 мкм и знакопеременный характер тренда деформационного процесса фасадной стены здания цеха N4 в периоды регистрации в течение двух лет свидетельствует о том, что деформационный процесс в рамках периодов наблюдения практически не развивается, что свидетельствует об устойчивости здания и не требуется проведения мероприятий по укреплению фасадной стены.

В адрес ИФЗ РАН от Администрации завода по окончании работ было направлено письмо с выражением благодарности за проведенные исследования и анализ деформационных процессов в здании цеха № 4, позволившие не проводить дополнительных мероприятий по укреплению здания.

3.7. Распространение методики обнаружения ослабленных зон на поиск активных разломов в земной коре.

Предложенная методика поиска ослабленных зон в строительных сооружениях может быть использована для поиска активных разломов в земной коре с привлечением современных методов спутниковой геодезии.

Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System) предназначена для обеспечения навигации на всей территории Земного шара. Используя навигационные сигналы системы GPS, любой пользователь может определить свое текущее местоположение с высокой точностью. В состав системы GPS входят космический и наземные сегменты. Космический сегмент системы GPS состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20 000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/с. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли. Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций и главной станции управления, расположенных на военных базах США — на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесенья, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс. В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбит и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.

Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников GPS для вычисления текущей позиции, скорости и времени. В навигации большее распространение получило деление GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов. Точность измерения для данного типа приемников не превышает 3−10 метров. Вторая категория навигационных GPS приемников использует не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. В большинстве случаев это дорогостоящие однои двухчастотные геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTK режиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовой станции.

Принцип действия спутниковой GPS навигации основан на определении расстояния от текущего положения до группы спутников. Точное местоположение GPS спутников известно из данных, передаваемых в навигационных сообщениях. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечение трех окружностей. Данные четвертого спутника используются для определения ошибки хода часов GPS-приемника по сравнению с атомными часами спутника. Фактически, получается задача с 4-мя неизвестными — координатами X, Y, Z и временем Т. В настоящее время, многоканальные GPS навигаторы одновременно отслеживают до 8−10 спутников, что позволяет быстро разрешить большинство неоднозначностей, связанных точным определением координат и ошибкой хода часов.

Выявление потенциально опасных зон, приуроченных как правило к активным разломам в земной коре, с использованием разработанной методики связано с решением целого ряда проблем. Последовательность операций при проведении таких работ в идеальном случае представляется следующей.

A. Сбор материала и изучение геологических особенностей заданного района;

Б. Сбор и дешифрирование аэрокосмических снимков;

B. Проведение геодезических работ с использованием GPS-технологии на выбранных по результатам исследований по пунктам, А и Б линейных базах с одновременным измерением вариаций атмосферного давления и температуры. Выполнение данного пункта связано с выбором мест для установки приемников GPS и подготовкой в этих местах специальных оснований: выравнивание площадки 1 кв. м, если это скальные породы, либо установка бетонного основания, заглубленного на 1 метр (это может быть забетонированная вертикальная металлическая или асбоцементная труба, заглубленная на 1 — 2 метра и на 0.5 метра выступающая над поверхностью. Измерения должны вестись минимально тремя приемниками одновременно, чтобы получить информацию о деформациях по крайней мере двух баз, в непрерывном режиме. По предварительным оценкам, измерения могут начаться уже на третьи сутки после создания фундаментов и должны вестись непрерывно с частотой не менее двух измерений в час. Данные о вариациях температуры, давления и деформациях баз для каждого пункта должны регистрироваться с той же частотой.

Г. Разработка моделей деформаций заданного района под действием вариаций атмосферного давления и температуры с учетом особенностей рельефа.

Д. Анализ материалов, полученных после выполнения работ по пункту В, с помощью специально разработанных программ обработки многомерных рядов наблюдений, с учетом результатов выполнения п.Г.

Е. Картирование предполагаемых разломов и определение мест установки деформометрической аппаратуры.

Ж. Обоснование состава необходимой деформометрической аппаратуры, выполнение подготовительных работ и установка аппаратуры. Выбор вида деформометрической аппаратуры зависит от предварительных экспериментальных результатов — размеров выявленных аномалий, а также от конкретных условий. Предпочтение должно отдаваться длиннобазисным системам — гидростатическому нивелиру и кварцевому деформометру, как наиболее помехозащшценным. Их установка не требует создания дорогостоящих подземных сооружений, но простая защита от чрезмерно большого влияния вариаций метеопараметров требуется. По-видимому, наиболее простым и дешевым будет прокладка неглубоких траншей (0.5 — 1м) для установки в них, например, жидкостных шлангов гидростатического нивелира в защитных трубах. Измерительные станции должны устанавливаться на бетонных фундаментах площадью 0.25 кв. м, заглубленных на 0.5 м по отнощению к дну траншеи. Над фундаментом должна быть сооружена небольшая будка площадью не менее 2 кв.м. На этом же фундаменте могут быть установлены и наклономеры и метеодатчики.

3. Проведение измерений, обработка результатов и получение в итоге карты наиболее опасных мест с точностью до нескольких единиц или десятков метров. Измерения должны вестись в непрерывном режиме с частотой опроса датчиков не менее двух измерений в час одновременно на всех базах. При необходимости, для более точного выявления опасной зоны, измерительные станции устанавливаются на меньших расстояниях, для чего заранее следует предусмотреть изготовление промежуточных фундаментов. При наличии достаточного числа приборов для экономии времени можно сразу расставить достаточно густую сеть промежуточных станций и за один цикл измерений выявить потенциально опасную зону с пространственной ошибкой, определяемой величиной промежуточной базы.

И. При необходимости, разработка проекта геофизического мониторинга в выявленных местах, изготовление и установка аппаратуры, обучение персонала объекта и организация работ по долговременному непрерывному мониторингу деформационных процессов.

Методика выявления активных разломов земной коры аналогична методике локализации потенциально опасных, ослабленных зон в строительных сооружениях.

Методика предполагает размещение сети наблюдательных пунктов на нескольких участках в пределах анализируемого участка поверхности Земли, выбранных на основе анализа геологических условий и гидрогеологического режима в районе его размещения. Поскольку участки могут быть весьма протяженными (десятки километров), необходимо синхронно измерять вариации температуры и атмосферного давления в каждом наблюдательном пункте.

Одновременная регистрация деформационных процессов в пределах выбранных участков, термобаровариаций в атмосфере и проведение кросспектрального анализа результатов, аналогично выше изложенному, позволяют выявить участки с аномальным ходом деформационных процессов. Выявленные участки могут разбиваться на ряд более коротких, где описанным выше способом проводится анализ, в результате которого уточняется местоположение аномальных участков. Процедура прекращается, когда дальнейшее разбиение на более короткие участки не дает значительного различия между ходом деформационных процессов на этих участках.

Заключение

.

Диссертационная работа посвящена чрезвычайно актуальной темеразработке методов и аппаратных средств для анализа деформаций земной коры, конструкций жилых и промышленных зданий, целостности экологически-опасных объектов и конструкций строительных сооружений с целью определения потенциально опасных ослабленных зон.

Наиболее важные результаты, полученные в ходе выполнения работы:

1. Предложен метод проведения анализа целостности и выявления ослабленных зон в инженерных сооружениях, основанный на измерении деформаций одновременно на нескольких линейных базах при параллельной регистрации вариаций температуры и атмосферного давления. Вариации метеопараметров выступают как зондирующий сигнал и используются для последующего кросспектрального анализа результатов измерений, включающего оценки когерентности деформаций с термобаровариациями в атмосфере и сравнение когерентности деформационных процессов пар соседних участков. Аномальный ход спектра когерентности деформаций с вариациями температуры и разрушение синхронности хода деформаций любого отдельного участка изучаемой линейной базы с остальными свидетельствует о наличии нарушения механической целостности объекта в пределах анализируемой зоны.

2. Реализована процедура совместной математической обработки результатов долговременных деформационных измерений с параллельным измерением вариаций метеопараметров, позволившая формализовать контроль за аномальными проявлениями развития деформационных процессов на анализируемой базе. Это дает возможность прогнозировать возникновение опасных ситуаций на ранней стадии их зарождения в режиме реального времени и принять соответствующие мероприятия для уменьшения возможных негативных последствий.

3. На примере конкретных объектов показана возможность успешной реализации предложенного метода с помощью разработанных методик и комплекса измерительной аппаратуры, обеспечивающего высокие технические и эксплуатационные характеристики в широком диапазоне внешних условий, долговременную стабильность и надежность функционирования.

4. Предложена и успешно реализована методика учета нелинейности емкостных частотных преобразователей, позволившая существенно повысить достоверность получаемой информации о деформационных процессах.

5. Обосновано применение предложенного метода не только для выявления потенциально опасных, ослабленных зон в строительных сооружениях, но и для локализации активных разломов земной коры и на значительных по протяженности базах (в десятки и сотни километров) с привлечением геодезических методов измерения деформаций — спутниковой геодезии.