ТехЛиб

Библиотека научно-технического портала Технарь

Геотехнический мониторинг во время строительства

Геотехнический мониторинг (геомониторинг) — система слежения за параметрами, характеризующими основания зданий или сооружений (т. е. геологической среды), которая обеспечивает безопасное и эффективное осуществление строительно-технологических процессов, ввод и последующую эксплуатацию зданий и сооружений.

Если проектируемые сооружения относительно невелики, а инженерно-геологические условия благоприятны, ошибки в расчетах оснований и определении характеристик грунтов могут не иметь большого значения, поскольку малые осадки оснований, не выходящие за рамки предельных величин (s <su), не могут нанести существенного ущерба зданиям.

Актуальность проведения геомониторинга обусловлена и тем, что в современное строительство все больше внедряется новая мощная техника по производству новых типов фундаментов и укреплению оснований.

Существуют многочисленные строительные ситуации, которые требуют обязательной организации и проведения геотехнического мониторинга. К ним относятся и работы по реконструкции зданий и сооружений. При этом увеличивается влияние технологических процессов на окружающие объекты.

В соответствии с МГСН 2.07-01, геотехнический мониторинг должен проводиться в период всего срока строительства или реконструкции и не менее, чем в течение 1 года после его завершения:

  • при строительстве или реконструкции зданий и сооружений геотехнических категорий 3 и сооружений повышенного уровня ответственности при геотехнической категории 2, а также уникальных зданий и сооружений;
  • при строительстве или реконструкции зданий и сооружений с подземной частью в условиях тесной городской застройки.

Геотехнический мониторинг, также, применяется для оценки надежности системы сооружение-основание, своевременного выявления дефектов, предотвращения аварийных ситуаций, оценки правильности прогнозов и принятых методов расчета и проектных решений.

Геотехнический мониторинг должен быть увязан с системами мониторинга подземных вод, сетью геодезических и геодинамических наблюдений и в целом с системой мониторинга геологической среды.

Геотехнический мониторинг проводится в соответствии с ранее разработанным проектом и включает в себя:

  • систему наблюдений за надземными и подземными конструкциями строящегося или реконструируемого здания или сооружения, существующих зданий и сооружений, попадающих в зону его влияния, а также за массивом грунта, прилегающего к подземной части объекта, включая подземные воды;
  • прогноз изменения состояния объекта и зданий в зоне его влияния и прилегающего к его подземной части массива грунта, включая подземные воды в период строительства и эксплуатации;
  • разработку мероприятий по обеспечению сохранности существующих зданий в зоне влияния объекта.

Радиус зоны влияния на окружающую застройку вновь строящегося заглубленного сооружения или реконструируемого здания с заглубленным сооружением, в пределах которой следует проводить геотехнический мониторинг, определяется расчетом по действующим нормам, с учетом метода крепления стен котлована для заглубленного сооружения и глубины котлована.

Цели и задачи геомониторинга

Как правило, даже тщательно проработанный проект и опыт производственной организации еще не гарантируют абсолютного успеха при производстве работ. В процессе строительства, и в частности устройства оснований и фундаментов, возникает большое число дополнительных факторов, трудно поддающихся учету. К ним относятся неполное соответствие реальных геологических условий геологическому разрезу, полученному при изысканиях; технологические особенности производства работ; используемая строительная техника; нарушение технологических правил и многое другое.

Неблагоприятное влияние каждого из этих факторов или их сочетания может привести в дальнейшем к аварийным повреждениям конструкций строящегося или окружающих зданий.

Выявить развитие неблагоприятных тенденций при производстве геотехнических работ, возведении надземной части сооружения и в первый период его эксплуатации позволяют регулярные инструментальные наблюдения и оперативное управление ходом работ — геотехнический мониторинг. Результаты геомониторинга в ряде случаев позволяют обеспечить повышение достоверности расчетов оснований и массивов грунтов.

Целью геомониторинга является обеспечение высокого качества строительства и сохранности зданий и сооружений окружающей застройки.

Задача геомониторинга — регулярное отслеживание поведения основания строящегося сооружения и его конструкций, окружающих его зданий, а также принятие мер по обеспечению безопасного строительства и корректировки конструктивно-технологических решений.

В зависимости от грунтовых и гидрогеологических условий площадки, массы и сложности возводимого сооружения, состояния конструкций окружающих зданий, применяемой технологии производства геотехнических работ определяется зона действия геомониторинга и намечается программа его проведения.

Программа мониторинга включает в себя методику, периодичность и сроки наблюдений, формы представления материалов мониторинга и возможные действия при возникновении неблагоприятных строительных ситуаций.

В состав геотехнического мониторинга в зависимости от инженерно-геологических условий площадки, размеров (массы) возводимых сооружений, наличия природных и техногенных геодинамических процессов в толще грунтов, специфических требований, вытекающих из особенностей проектируемых зданий и сооружений, включаются следующие виды измерений:

1) высотных отметок частей зданий и сооружений, позволяющих судить о величинах осадок оснований, кренов, прогибов, перекосов строительных конструкций;

2) оседания поверхности массивов грунтов в результате приложения нагрузки (подъем территории насыпным или намытым грунтом), просадки грунтов, вибрационных нагрузок от транспорта и строительных механизмов;

3) изменения напряженного состояния в массиве грунтов и конструкциях зданий и сооружений;

4) горизонтальных перемещений массивов грунтов, ограниченных склонами или откосами;

5) оседания и сдвигов поверхности массивов грунтов, подверженных подработке (строительство тоннелей, добыча полезных ископаемых «закрытым способом»);

6) уровня и степени минерализации подземных вод и состава веществ, растворенных в подземных водах;

7) оседания поверхности массивов горных пород, подвергающихся воздействию карстовых процессов, химической и механической суффозии дисперсных пород;

8) параметров колебаний сооружений при работе механизмов для погружения шпунтов, свай, рыхления мерзлых и скальных грунтов;

9) просадок, обусловленных оттаиванием массивов мерзлых пород.

Геотехнический мониторинг используется при внедрении новых технологических процессов, машин и механизмов, применяемых при устройстве оснований, апробации новых конструктивных схем зданий и сооружений. Он стал обязательным элементом организации и осуществления строительства при уплотнении городской застройки, являясь эффективным средством обеспечения экологической безопасности среды обитания, которая подвергается воздействию ряда производств, связанных с химической, нефтехимической, атомной промышленностью, свалками бытовых и технологических отходов, сточных вод, попадающих в геологическую среду.

Таким образом, в практике современного строительства и эксплуатации застроенных территорий геотехнический мониторинг позволяет разрешать частные и общие задачи прикладной механики грунтов, непосредственно связанные с фундаментостроением. При этом существуют многочисленные строительные ситуации, которые требуют обязательного осуществления геотехнического мониторинга.

Организация и проведение геотехнического мониторинга

При строительстве уникальных и ответственных сооружений, таких как плотины, дамбы, гидро-, тепло- и атомные электростанции, сооружения башенного типа и др., относящихся к I и II классу ответственности, оборудование их оснований и конструкций контрольно-измерительной аппаратурой (КИА) является необходимым и обязательным мероприятием (Бугров А.К., 1999). В этих случаях используется контрольно-измерительная аппаратура механического и дистанционного типа.

К первому типу аппаратуры относятся деформационные марки и реперы для измерения осадок оснований и грунтовых сооружений, позволяющие измерять вертикальные и горизонтальные перемещения сооружений, поверхности основания около них, послойные перемещения грунтов. Для измерения положения кривой депрессии в теле земляных сооружений и толще оснований используются механические пьезометры.

Ко второму типу относится контрольно-измерительная электроаппаратура, состоящая из набора датчиков, соединительных и регистрационных устройств. В основании или на конструкциях сооружения размещаются датчики для измерения параметров контролируемых величин. К ним относятся датчики, динамометры и датчики для измерения напряжений в грунте и элементах конструкций, датчики порового давления в грунте, сейсмодатчики, тензометрические деформометры для измерения линейных деформаций, инклинометры для измерения осадок и горизонтальных перемещений грунтов и конструкций.

Оборудование для проведения геотехнического мониторинга

  • оборудование для контроля горизонтальных смещений грунта (инклинометры, обсадные инклинометрические трубы, автоматические инклинометрические системы, регистраторы, и пр.)


  • оборудование для контроля осадок грунта (скважинные магнитные экстенсометры (ручной режим измерений), анкерные экстенсометры (автоматический режим измерений), и пр.)


  • гидрогеологическое оборудование (автоматические пьезометры, пьезометры CASAGRANDE для измерений в ручном режиме, индикаторы уровня воды, скважинные пробоотборники, и пр.)


  • датчики нагрузки ( на грунт, на оголовок сваи, на анкерное крепление, и пр.)


  • оборудование для мониторинга строительных конструкций
    фундамента (струнные тензометры, датчики контроля перемещений, датчики контроля кренов сооружения и пр.)


Следует отметить, что деформации в грунте, как правило, представляют собой вторичное явление и развиваются далеко не сразу после приложения нагрузкок. Поэтому в ряде случаев их измерения (в том числе измерение давления в поровой воде) позволяют принимать решения до того, как сооружение и его основание получили значительные перемещения (осадки, сдвиги, крены и т. п.).

В промышленном и гражданском строительстве наиболее широко проводятся наблюдения за развитием осадки зданий и сооружений, поверхности массивов грунтов, слежением за возникновением повреждений (трещин) в конструкциях, вызванных неравномерным развитием деформаций оснований, и т. п.

Основой мониторинга в указанных случаях служит наблюдательная сеть. Она включает опорные (неподвижные) реперы, а также деформационные марки, которые устанавливают на объектах строительства и в грунте (у поверхности массива или на разных глубинах).

При долговременных наблюдениях опорные реперы устраивают в буровых скважинах, которые пробуривают до коренных (плотных) грунтов и снабжают реперной трубой со сферической головкой. Грунтовые марки устраивают в шурфах, которые должны быть откопаны глубже уровня сезонного промерзания грунта. На дне шурфа устраивают железобетонную подушку (якорь), в которую заделывают реперную трубу (рис. 1).

Организация мониторинга выполняется по специальному проекту, проведение его осуществляется по программе. В проекте в зависимости от преследуемых задач определяются сеть деформационных марок, положение опорных реперов, в программе — периодичность наблюдений, форма представления результатов.

При проведении наблюдений за развитием осадки используют высокоточное оптическое нивелирование или системы гидравлических нивелиров.


Рис. 1. Схемы реперов и деформационных марок для мониторинга на площадках и объектах строительства: а — глубинный репер; б — грунтовый репер; в — скрытая деформационная марка; г — открытая марка; д — поверхностная марка; е— глубинная фунтовая марка: I — головка марки; 2,3- реперная и защитные трубы; 4 — «якорь»; 5 — сальник; 6 — люк; 7 — резьбовая втулка в стене; 8 – винтовая съемная марка

 

Исходя из потребной точности измерений осадки (обычно ± 1 мм) наблюдения проводят по первому или второму классу, используя высокоточные приборы — самоустанавливающиеся прецизионные нивелиры и рейки со штриховой инвар-ной полосой.

По результатам оптического нивелирования в каждом цикле измерений устанавливают абсолютную отметку деформационных марок, разность отметок марок между циклами, которая позволяет получить величину осадки; полную осадку каждой деформационной марки нарастающим итогом.

При обработке полученных данных устанавливают следующие характеристики: j — осадку отдельных точек; и smm — максимальную и минимальную осадки объекта (соответственно);

Для решения практических задач результаты наблюдений представляют в форме графиков развития осадки во времени, на которых показывают величины и осадки отдельных стен, рядов колонн, сооружения в целом.

Результаты наблюдений за развитием осадки позволяют:

а) принимать оперативное решение, которое направлено на предотвращение опасного развития осадки зданий (изменение технологии и организации строительства, изменение типа фундаментов, устройство усиления поврежденных конструкций, своевременное расселение аварийных жилых зданий и т. п.);

б) вносить коррективы в характеристики механических свойств грунтов, определенные при выполнении инженерно-геологических изысканий;

в) вносить коррективы в расчетные схемы оснований (например, назначение реальных размеров активной зоны);

г) получать параметры, позволяющие прогнозировать развитие осадки во времени, устанавливать время стабилизации осадки;

д) устанавливать предельно допустимые величины осадки зданий определенных типов;

е) уточнять влияние геодинамических процессов на развитие осадки оснований и повреждение конструкций зданий.

Таким образом, инструментальные наблюдения за развитием осадки позволяют обоснованно решать практические и теоретические вопросы, совершенствовать методы исследований свойств грунтов, расчета и проектирования фундаментов, технологию и организацию геотехнических работ.


На схеме представлен пример размещения контрольно-измерительного оборудования для геотехнического мониторинга:

  • Струнный датчик деформации, устанавливаемый на поверхность. Датчик установлен на распорных конструкциях для контроля за возникающими в них деформациями.

    Разнообразие вариантов крепления датчика позволяет устанавливать его на:

    • металлических конструкциях (с помощью сварки, с помощью болтовых соединений);
    • бетонных или каменных поверхностях (с помощью эпоксидного клея, забуриваемых анкеров, либо с помощью омоноличивания анкеров в бетоне).
  • Струнный датчик деформации арматурный. Датчик выполнен в виде полого арматурного стержня, с установленным внутри струнным тензодатчиком. Датчик установлен в качестве парных рабочих стержней в арматурный каркас стен в грунте на стадии их возведения, для контроля за возникающими в них деформациями.
  • Тензометрический анкерный датчик силы. Чувствительный элемент датчика представлен катушкой из высокопрочной закаленной стали или алюминия, которая способна выдерживать высокие нагрузки. По периферии катушки наклеены электрические тензорезисторы. Тензорезисторы собраны в полный мост, который компенсирует неравномерное распределение нагрузки. Высокое сопротивление тензорезисторов позволяет минимизировать эффекты кабеля. Датчик подходит для установки в грунтовых анкерах, а также, между распорными и ограждающими конструкциями котлованов.
  • Инклинометрическая система. Двухосевая инклинометрическая система включает в себя: зонд (датчик), катушку с кабелем и карманный компьютер (КПК). Зонд оснащен направляющими роликами и 2-мя акселерометрами (микроэлектронные цифровые акселерометры), измеряющими в двух плоскостях. От зонда идет размеченный кабель, который наматывается на катушку. Процесс проведения измерений/считываний и запись результатов полностью управляется с КПК. На КПК данные передаются посредством беспроводной связи (Bluetooth). Современная цифровая инклинометрическая система DIS-500 позволяет проводить измерения горизонтальных перемещений/отклонений с высокой точностью. Система производит измерения в предварительно пробуренной скважине, с установленными в ней инклинометрическими трубками.
  • Струнный датчик порового давления воды (пьезометр). Пьезометр состоит из струнного тензометрического элемента, заключенного в защитный корпус из нержавеющей стали. Струнный элемент представляет собой стальную проволоку, закрепленную с обеих концов полого цилиндрического корпуса. Для возбуждения провода и измерения его колебательных характеристик используются электромагнитные катушки. Датчик устанавливается путем закапывания в грунте, либо помещения его в предварительно пробуренные скважины с трубками небольшого диаметра. Наконечник датчика оснащен фильтром, предотвращающим попадание твердых частиц внутрь датчика, во избежание повреждения чувствительного элемента.
  • Скважинный экстензометр. Датчик позволяет контролировать просадки грунтов. Установка датчика представляет собой сборку всех необходимых компонентов и погружение экстензометра в предварительно пробуренную скважину. Датчик подходит для наблюдения за состоянием насыпей, природных склонов, откосов котлованов.
  • Скважинный инклинометр. Датчик позволяет производить автоматизированный контроль за горизонтальными перемещениями грунта. Установка датчика производится в заранее пробуренную скважину, с установленными в ней инклинометрическими трубками. Инклинометр может использоваться для мониторинга оползневых перемещений грунта, перемещения свай при горизонтальных нагрузках, деформаций шпунтового ограждения и стен в грунте.
  • Автоматизированная система сбора данных. Система сбора данных позволяет осуществить сбор показаний со всех датчиков и осуществить их передачу на диспетчерский пульт для отображения в реальном времени.

Примеры использования геотехнического мониторинга

Геотехнический мониторинг сыграл большую историческую роль в развитии теории и практики механики грунтов и фунда-ментостроения. Благодаря натурным наблюдениям была доказана возможность использования теории упругости в расчетах оснований и фундаментов, уточнены методы расчета осадок и доказана их применимость на практике, уточнены методы определения характеристик механических свойств грунтов, проверены новые типы фундаментов и технологии их реализации и др.

В 1934 г. проф. Н.А. Цытовичем был разработан метод эквивалентного слоя расчета осадок оснований зданий и сооружений. Для проверки правильности основных предпосылок в Ленинграде были организованы натурные наблюдения за осадкой нескольких однотипных зданий — четырехэтажных школ, которые в конце 30-х годов XX в. были построены в нескольких районах города на песчаных и глинистых грунтах. Одновременно были выполнены детальные инженерно-геологические изыскания, компрессионные испытания образцов грунтов, расчеты осадок фундаментов продольных несущих стен зданий разными методами. Полученные результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты расчетов и наблюдений за развитием осадки четырех однотипных зданий — средних школ в Ленинграде в период 1939-1957 гг. (по Н.А. Цытовичу, А.Т. Иовчуку, С.Н. Сотникову)

 

№ объекта Осадка, см, рассчетная Осадка по результатам измерений см. на период Конечная осадка, см, (прогноз) Коэффициент достоверности Вид фунтов основания
Количество Суммирования, Jp.2 1939-1940 гг. 1939-1965 гг. 1 2
1 31,3 18,5 14,6 28,3 33,0 1,06 0.56 Глинистые
2 37,3 25,4 16,8 29,0 32,0 0,86 1,3 Глинистые
3 2,1 1.4 1,1 1,6 2,0 0,95 1,4 Песчаные
4 2.4 1,9 1,5 1,6 2,1 0,87 1,1 Песчаные

 

Специалисты ЛИСИ вернулись к указанным объектам в 50-е годы и дополнили данные Н.А. Цытовича. Наблюдения показали, что метод эквивалентного слоя дает удовлетворительную сходимость для фундаментов площадью до 50 м2.

В эти же годы возникли проблемы, связанные с переходом на сборные железобетонные фундаменты и строительством пятиэтажных крупнопанельных домов в районах Ленинграда, в которых широко распространены слабые грунты-торф, ленточные глины и т. п.

Б.И. Далматовым, А.Т. Иовчуком (ЛИСИ) и другими специалистами были выполнены наблюдения за осадками крупнопанельных домов на сборных фундаментах мелкого заложения. Эти наблюдения показали, что крупнопанельные дома с продольными несущими стенами при средней осадке от 20…30 см не получают опасных деформаций, а сборные ленточные фундаменты достаточно надежны, если они дополнены железобетонными поясами жесткости.

В начале 60-х годов массовое жилищное строительство в Ленинграде развивалось в периферийных районах городской территории, многие из которых обладали весьма неблагоприятными инженерно-геологическими условиями: имели низкие отметки, были подняты свалкой и намытым грунтом, суммарная величина толщи слабых грунтов превышала 30 м. Для застройки одного из таких районов северо-западной части Васильевского острова были специально спроектированы 9-12-этажные жилые крупнопанельные дома серии БС. Ожидая большие осадки, проектировщики института ЛенНИИпроект в проектах применили замену верхней толщи насыпного и намывного грунта песчаной подушкой, а также монолитные балки-стенки в подземном этаже, повышающие продольную жесткость зданий.

В этом строительном районе была организована опытная площадка, оборудованная сетью деформационных марок, позволивших выполнить в течение 15 лет наблюдения за осадкой поверхности территории, домов разной этажности, глубинных марок под зданиями и на удалении от них.

 



Рис. 2. Эпюры осадки продольных стен 12-этажных домов. Средние осадки зданий к началу 90-х годов — 100 см, т. е. допустимые осадки по СНиП 2.02.01-83* превышены в пять раз


Рис. 3. График развития во времени грунтовых марок, установленных под плитой 12-этажного здания на глубинах 4.6; 11: 13: 20; 27 м ниже подошвы фундаментной плиты

 

Отметим некоторые из полученных результатов, имевшие большое практическое значение:

1. Осадки 9-этажных домов достигли 60…70 см, 12-этажных 90… 100 см. Таких больших осадок до сих пор нигде не фиксировали.

2. Расчетная средняя осадка фундаментов домов, определенная при проектировании по методу суммирования, составила для

9-этажных домов 15 см, 12-этажных — 22 см, т. е. осадка была в 3 раза меньше фактической.

3. Ошибки в расчетах были вызваны тем, что активная зона основания по СНиП была назначена ошибочно. Фактически она была в три раза больше и достигала 30 м.

4. На развитие осадки оказало влияние давление от массы слоя намытого грунта.

Эти результаты показали, что строительство на такой территории и в аналогичных по инженерно-геологическим условиях районах города 9-этажных и более высоких домов на фундаментах мелкого заложения недопустимо. Этот вывод дал мощный импульс для развития свайных технологий. В 70-е годы стали использовать стыкованные забивные призматические сваи длиной до 32 м, позднее появились машины, позволяющие изготовлять буровые сваи различных длины и диаметра.

Довольно часто мониторинг организуют в тех случаях, когда здания получают недопустимые деформации из-за неравномерных осадок. Так, в 1959 г. в Ленинграде было закончено строительство

10-этажного здания гостиницы «Россия» с четырьмя 2-этажными пристройками.

Деформационные марки были установлены по всему периметру основного здания и пристроек, одновременно была выполнена высотная съемка. Результаты наблюдений показали, что поперечные стены пристроек получили крен до 0,05 в сторону высокой части здания за счет разности осадки, достигшей 35 см. Осадка развивалась в течение последующих 20 лет, достигнув (у высокого здания) 50 см. Этот случай потребовал детально решить вопрос о конструировании легких пристроек и их примыканий к высотным сооружениям.

Пример проведения мониторинга на промышленном объекте -наблюдения за опытным цилиндрическим резервуаром для хранения жидких нефтепродуктов объемом 20 тыс. м3, возводившимся на одной из нефтепромысловых площадок в Западной Сибири (Мангушев Р.А., Сотников С.Н., 1981). Характерной особенностью данной строительной площадки было наличие в основании большой толщи слабых водонасыщенных грунтов — заторфованных супесей и суглинков, залегающих до глубины 20 м и более.

Целью эксперимента являлось измерение напряжений и деформаций основания резервуара при его заполнении и опорожнении. Оборудование опытного резервуара включало три связки термопар 1 для измерения послойного распределения температуры грунта в зимний период; тензодатчики 2 для измерения контактных напряжений под днищем резервуара; деформационные марки 3, установленные на стенках резервуара;


Рис. 4. Схема оборудования опытного резервуара измерительной аппаратурой и системами: 1 — термопары; 2 — i ензодатчики; 3 — деформационные марки; 4 — поверхностные грунтовые марки: 5 — нивелировочные марки на днище резервуара; б — устройство для измерения деформаций днища; 7 — прогибомеры и отвесы. 8 — глубинные реперы

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

  • Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты. J1.: Стройиз-дат, 1988.
  • Далматов Б.И и др. Механика грунтов. Основы геотехники. Ч. 1. М.; СПб., 2000.
  • Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов. М., 1991.
  • Ухов С.Б. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Изд-во АСВ, 1994.
  • Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс). М.: Высшая школа, 1973.
  • Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений: Учеб. пособие / Под ред. Б.И. Далматова. М.: АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 1999, 2001.
  • Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83*). М.: Стройиздаг, 1986.
  • Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика / Под ред. Е.А. Сорочана. М.: Стройиздат, 1985.
  • Улицкий В М, Шашкин А Г Геотехническое сопровождение реконструкции городов М Изд-во АСВ, 1999
  • Материалы сайта ООО «Мониторинг Солюшнс»
  • Геотехническое оборудование (оборудование для мониторинга)

21700bbc7bc07346f4999d2098b14395