Разработка методики пространственного моделирования деформаций и осадок фундаментов зданий и сооружений по результатам геодезических измерений

Одной из наиболее интересных тенденций в области геодезии и геоинформатики является вопрос внедрения геоинформационных систем и технологий в производственную деятельность человека.

Важность и актуальность этого вопроса обусловлена тем, что геоинформационные системы и технологии, позволяющие создавать, хранить, анализировать, перерабатывать и предоставлять потребителю пространственно распределенную информацию, являются важнейшей и интенсивно развивающейся составляющей жизни современного общества.

Внедрение в современную науку и производство методов моделирования и анализа геодезических данных является немаловажным фактором успешного экономического развития и конкурентоспособности территорий.

Жизнедеятельность города оказывает существенное влияние на строящиеся и уже построенные здания и сооружения, приводит к возникновению дополнительных негативных воздействий природно-техногенного характера (ускоренная коррозия, техногенная динамика, ухудшение свойств, грунтов). Для принятия эффективных решений по снижению уровня опасности проживания населения на территориях, подверженных воздействиям природно-техногенных факторов, необходима достоверная информация о реальном деформационном состоянии (остаточном ресурсе) зданий и сооружений, построенных в этих регионах. Такую информацию обеспечивают мониторинг технического состояния сооружений и пространственный анализ результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий.

На сегодняшний день задачи геодезического мониторинга объектов и пространственный анализ деформаций являются наиболее сложными в геодезической отрасли, поскольку они требуют достижения максимальной точности измерений, автоматизации самого процесса наблюдений, максимальной надежности используемых приборов и наличия чрезвычайно гибких инструментов обработки и анализа данных.

Применение пространственных методов интерполяции для результатов геодезического мониторинга сооружений позволяет упростить процессы планирования, контроля и принятия решений.

Теоретические основы исследований в области пространственно-временного анализа результатов геодезических наблюдений представлены в научных трудах Брайта П. И., Гуляева Ю. П., Панкрушина В. К., Гитиса В. Г., Мар-кузе Ю.И., Журкина И. Г., Новака В. Е., Матерона Ж., Cressie’a N., Steirf, а M.L., Goldberger’a A.S. и др. Весомый вклад в сферу геодезического мониторинга деформаций фундаментов внесли Жуков Б. Н., Уставич Г. А., Колмогоров В. Г., Асташенков Г. Г., Ганынин В. И., Федосеев Ю. Е. и др. Значительный вклад в развитие автоматизации геодезических методов измерений внесли Ямбаев Х. К., Клюшин Е. Б., Васютинский И. Ю., Зацаринный А.В.

Несмотря на то, что тема наблюдения за осадками инженерных сооружений достаточно освещена в современной геодезической литературе, все же остаются актуальными вопросы применения новых технологий для анализа и моделирования деформационных процессов.

Повысить эффективность пространственно-временного анализа возможно с помощью унифицированного хранения всей имеющейся информации по результатам геодезического мониторинга деформаций фундаментов зданий. Такую возможность обеспечивает банк геопространственных данных. В таком банке данных содержится вся актуальная информация по деформационному процессу основания здания. На основе запросов к банку данных можно выполнять пространственно-временной анализ с применением, так называемых геостатистических методов.

Области применения геостатистических методов весьма разнообразны. Они получили широкое применение в геологии, маркшейдерии, картографии при решении таких пространственных задач, как создание карты распределения температур, оценка природных рисков и т. д. Однако такие методы в инженерно-геодезической практике почти не применялись.

В инженерно-геодезической практике целесообразно использовать пространственно-временной анализ для интерполяции результатов наблюдений за осадками инженерных сооружений и создания цифровых моделей поверхностей. На основе современной измерительной техники и ГИС-технологий можно ставить вычислительные задачи итеративного характера, то есть проверять ряд альтернативных гипотез и оценивать конечные результаты.

Геостатистические методы позволяют выявить более полную информацию о техническом состоянии фундаментов и здания в целом, а также определить области неравномерных осадок, построить цифровые модели осадки сооружения, кроме того, используя различные методы интерполяции, смоделировать ошибки модели.

Однако при использовании пространственных методов интерполяции для результатов мониторинга инженерных сооружений появляются некоторые вопросы. Возникают вопросы выбора программного обеспечения, которое позволило бы наиболее эффективно использовать геостатистические методы и выполнять интерполяцию относительных и абсолютных осадок.

Ежегодно возрастает число задач, связанных с обработкой и интерполяцией осадок инженерных сооружений на основе ЭВМ. При этом методы интерполяции и алгоритмы обработки постоянно совершенствуются. Важными на сегодня представляются также вопросы улучшения качества алгоритмов моделирования, построение цифровых моделей осадки сооружения, выбор модели, наиболее качественно описывающей результаты мониторинга осадок и моделирование ошибок моделей.

Все это явилось отправными пунктами для выбора темы настоящей диссертации, посвященной пространственно-временному анализу результатов геодезического мониторинга инженерных сооружений.

Одной из важных проблем является методологическое обеспечение процессов сбора, обработки, интерпретации и визуализации геоданных при наблюдениях за деформациями зданий и сооружений.

Вместе с тем, это относится и к созданию цифровых моделей осадок сооружений для решения инженерных задач и информационного обеспечения для принятия обоснованных решений. Кроме того, возникает проблема оценки точности проведенной интерполяции данных для анализа качества получаемых моделей.

Целью диссертационной работы является разработка методики пространственно-временного анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий и сооружений для повышения надежности оценки технического состояния объектов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать методы пространственного анализа и 3D моделирования деформационных процессов с применением ГИС-технологий;

2) разработать методику пространственно-временного анализа деформаций фундаментов зданий и сооружений по геодезическим наблюдениям с применением цифровых моделей осадок;

3) установить принципы вариограммного и ковариационного анализа для получения интерполяционных поверхностей по результатам геодезических наблюдений за осадками основания зданий и сооружений;

4) разработать структуру банка геопространственных данных для унифицированного хранения геодезических наблюдений за деформациями и вычисления математических характеристик осадок.

Научная новизна выполненной диссертационной работы состоит в следующем:

• разработана методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений с построением цифровых моделей осадок;

• разработан комплексный метод цифрового моделирования и анализарезультатов геодезических наблюдений за осадками с учетом коэффициента водо-насыщения и плотности грунтов;

• предложена структура банка геопространственных данных для автоматизированной обработки результатов геодезических наблюдений и анализа деформационных процессов фундаментов зданий и сооружений.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке: -методики анализа результатов геодезического мониторинга деформационных процессов фундаментов зданий с учетом параметров грунтов;

— алгоритма оценки точности интерполяционных поверхностей для цифровых моделей осадок инженерных сооружений;

— трехмерного моделирования осадок фундаментов сооружений на основё пространственных методов анализа с применением экспоненциальной модели вариограммы.

Практическая значимость работы заключается в повышении точности модели деформации за счет выбора параметров функции построения интерполяционной поверхности, детализации пространственного анализа осадок фундаментов инженерных сооружений. Кроме того, в разработке цифровых моделей осадок для решения инженерных задач, а именно: для более полного анализа результатов наблюдений за осадкамимоделирования интерполяционных поверхностейвычисления значений осадок недоступных или утерянных мароканализа деформаций объектов, расположенных на больших территориях и др.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются цифровые модели осадок инженерных сооружений, предметом — методика анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями основания зданий и сооружений.

На защиту выносятся следующие положения:

• методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений с применением цифрового моделирования осадок;

• структура банка геопространственных данных для анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями;

• цифровые модели осадок, позволяющие расширить возможности анализа состояния фундаментов с учетом много факторного и статистического моделирования.

В основу исследования вышеперечисленных вопросов положены теория и практика инженерной геодезии, современные информационные и геоинформационные системы и технологии, математический аппарат 3D моделирования, теории матриц, метод наименьших квадратов, математическая статистика и теория геостатистического анализа. При этом использовались современные геодезические измерительные средства и программно-технические комплексы. ¦ Основное содержание диссертации изложено в четырех главах. В первой главе приведены возможности ГИС-технологий для построения цифровых моделей осадок, разработана концепция банка геопространственных данных, предложена новая методика построения цифровых моделей осадок для пространственно-временного анализа деформационных процессов.

Во второй главе, посвященной обработке результатов геодезических наблюдений за осадками инженерных сооружений с применением5 ГИС-приложений, приведены возможности автоматизированной компьютерной обработки и анализа геопространственных данных с помощью банка геоданных: На основе производственных материалов, сформированных в банке данных,' проанализированы основные математические характеристики вертикальной составляющей деформации фундаментов здания.

Третья глава содержит методику построения и анализа пространственно-временных геодезических данных для интерполяции деформационных процессов и принципы геостатистических методов моделирования, в инженерно-геодезической практике.

В четвертой главе приведено решение задач, возникающих при анализе и моделировании результатов наблюдений за деформациями фундаментов, на основе цифровой модели осадок и геостатистических методов интерполяции. Результаты, полученные в данной главе, апробированы автором на реальном объекте в г. Новосибирске.

Исследование задач, поставленных в настоящей работе, позволит осуществить дальнейшее развитие методов построения цифровых моделей осадок и решения инженерных задач в области изыскания, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.

Основные результаты геодезических и геологических наблюдений у здания по ул. Орджоникидзе были заложены в банк данных. С помощью структурированных (SQL) запросов к банку данных рассчитаны математические характеристики вертикальной деформаций фундамента. Некоторые из запросов представлены в приложении 3.

В таблице 1 представлены вычисленные значения математических характеристик деформации фундамента данного здания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе были рассмотрены принципы пространственно-временного анализа осадок инженерных сооружений на основе современных информационных и геоинформационных систем и технологии.

На основе исследований, выполненных автором диссертации, получены следующие результаты:

1. Разработана методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений, которая позволяет по геодезическим наблюдениям и параметрам грунтов оценивать особенности поведения деформационного процесса в трехмерном пространстве, связанного с неоднородностью осадки фундамента.

2. Предложены архитектура и структура банка геопространственпых данных, система запросов и отчетов, обеспечивающие пространственно-временной анализ для принятия инженерных решений и оценки технического состояния фундаментов зданий и сооружений. В созданном банке данных размещены результаты геодезического мониторинга деформаций фундаментов, полученные при непосредственном участии автора диссертационных исследований.

3. Разработана и апробирована методика пространственно-временного анализа осадок фундамен гов инженерных сооружений с применением пространственных методов интерполяции. При этом установлено, что применение геостатистических методов анализа имеет преимущества за счет наглядной визуализации и расширенной интерпретации геопространственных данных.

4. Выполнен анализ основных функций вариограмм и ковариации и подбор адекватной модели для интерполяции результатов геодезических наблюдений.

I 1 * за осадкой фундаментов инженерного сооружения. Для данного сооружения получена цифровая модель осадок на основе экспоненциальной модели вариограммы с учетом параметров грунтов, карты распределения ошибок интерполяции и взаимной и перекрестной проверки, со средней квадратической ошибкой 0,7 мм. Установленная модель вариограммы и ковариации, применительно к.

123 анализу осадок фундаментов реального инженерного сооружения, может быть использована и при анализе’деформаций промышленных объектов.

5. На основе разработанной методики цифрового моделирования деформаций и тренд-анализа геодезических данных выполнено определение направления крена фундамента. Данная методика, основанная на применении тренд-анализа, позволяет по-новому интерпретировать определение крена фундамента за счет повышения информационной емкости, трехмерной визуализации и наглядном представлении всей площади фундамен та.

Сочетание математических характеристик осадки фундаментов и геостатистических методов анализа позволяет представить более полную и качественную картину пространственно-временного состояния, как фундаментов, так и самого сооружения в целом.

Основными результатами, полученными в данной работе, являются: • методика пространственно-временного анализа осадок фундаментов инженерных сооружений с применением крйгйнг методов интерполяцииметодика оценки точности построенных интерполяционных моделей осадокI цифровые модели осадок, позволяющие расширить возможности анализа деформационных процессов за счет:

— использования параметров вариограммного анализа, позволяющего установить адекватную цифровую модель осадок;

— карты распределения ошибок интерполяции, характеризующей качество построенной моделивзаимной и перекрестной проверки достоверности полученных цифровых моделей осадок с учетом многовариантной оценки. Результаты исследования, полученные в данной работе, апробированы и внедрены на реальном объекте, а также используются в учебном процессе СГГА. ! г ! i Полученные автором результаты могут найти применение в инженерногеодезической практике при строительстве и эксплуатации зданий и решении.

124 научно-тсхничсских задач, связанных с анализом геодезических наблюдений за деформациями фундаментов инженерных сооружений.

Основные теоретические и практические положения данной диссертационной работы опубликованы и обсуждались на международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» в период 2006;2009 гг.