СТРОИТЕЛЬНЫЙ  МОНИТОРИНГ  ТЕХНИЧЕСКОГО  СОСТОЯНИЯ  ОСНОВАНИЙ  ЗДАНИЙ  И  СООРУЖЕНИЙ

Воронкова  Любовь  Сергеевна

студент  3  курса,  факультет  ПГС  СГАСУ,  РФ,  г.  Самара

E-mail: 

Мальцев  Андрей  Валентинович

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  СГАСУ,  РФ,  г.  Самара

Введение

В  настоящее  время  очень  актуально  наблюдение  за  деформациями  и  осадками  зданий  и  сооружений,  как  строящихся,  так  и  уже  существующих,  поэтому  необходимо  качественно  и  своевременно  уметь  проанализировать  и  оценить  напряжённо-деформированное  состояние  зданий  и  сооружений.

Определение  напряжений  в  массиве  грунтов  представляет  собой  сложную  задачу,  так  как  под  действием  собственного  веса  в  массивах  грунтов  всегда  формируется  начальное  напряженное  состояние  и  на  него  накладываются  напряжения,  возникающие  от  действия  сооружения.  Это  приводит  к  формированию  сложного  поля  напряжений  в  грунтовой  толще.

Для  продления  срока  службы  зданий  нам  важно  знать  не  только  фактическое  состояние  сооружения  в  конкретный  момент  времени,  изменение  состояния  в  течение  какого-то  времени  (мониторинг  сооружения),  возможный  прогноз  изменения  состояния  (диагностика).  Поэтому  помимо  исследования  напряжено-деформированного  состояния  зданий  и  сооружений,  необходимо  производить  строительный  мониторинг,  который  позволяет  следить  за  изменением  состояния  системы  сооружение-основание.

1.  Строительный  мониторинг

Строительный  мониторинг  —  это  система  целенаправленного  слежения  за  процессом  проектирования,  возведения  и  эксплуатации  сооружения.  Цель  мониторинга  —  безаварийность  построенного  нового,  расположенных  рядом  существующих  сооружений  и  накопление  базы  опытных  данных  в  результате  систематических  наблюдений.

При  мониторинге  решаются  следующие  задачи:

1.  Независимая  экспертиза  проекта  сооружения,  при  которой  определяются  и  устраняются  возможные  дефекты.

2.  Контроль  строительных  свойств  грунтов  от  момента  инженерно-геологических  изысканий  до  устройства  фундаментов. 

3.  Наблюдение  за  деформациями  зданий,  существующих  рядом  с  возводимым  и  попадающих  в  зону  действия  депрессионной  кривой  при  откачке  воды  из  котлована  и  в  пределы  воронки  оседания. 

4.  Контроль  деформаций  зданий  и  сооружений  над  прокладываемыми  тоннелями  метрополитена.

5.  Авторский  надзор  при  строительстве:  контроль  качества  материалов,  соблюдения  технологии  производства  работ,  качества  работ. 

6.  Наблюдения  за  осадками  возводимого  сооружения,  которое  рационально  организовать  сразу  после  монтажа  цоколя.  В  особых  и  уникальных  случаях  (новые  конструкции,  сложные  грунтовые  условия,  повышенная  этажность).

7.  Наблюдение  за  напряженно-деформи­рованным  состоянием  (НДС)  в  основании  сооружения  и  его  осадками  после  строительства  до  момента  стабилизации  всех  измеряемых  величин,  а  при  необходимости  учета  ползучести  грунтов  основания  и  установления  характеристик  ползучести  —  в  течение  нескольких  лет.

8.  Учет  техногенных  воздействий  на  прочность  фундаментов  и  физико-механические  свойства  грунтов  оснований.

9.  Ввод  замеренных  величин  в  компьютерную  базу  данных,  что  позволит  в  дальнейшем  снизить  стоимость  аналогичных  сооружений,  исключив  послеосадочные  и  аварийные  ремонты.

10.                Изучение  с  помощью  мониторинга  применимости  современных  технологий  возведения  фундаментов  при  реконструкции  и  новом  строительстве  в  сложных  грунтовых  условиях.

11.                Учет  изменения  показателей  физико-механических  свойств  грунтов  при  изменении  нагрузки,  что  даст  возможность  повысить  точность  расчетов  на  ЭВМ.

12.                Обеспечение  приборами  мониторинга  для  экспресс–методов  определения  свойств  грунтов  и  длительного  наблюдения  за  сооружениями  [2].

2.  Экспериментальные  исследования  распределения  напряжений  в  основании  жестких  штампов  и  фундаментов

Сложность  определения  напряженно-деформированного  состояния  обусловлена  сложностью  измерений  напряжений  и  деформаций  в  отдельных  точках  основания.  Эту  проблему  можно  решать  с  помощью  датчиков  для  измерения  напряжений  внутри  грунтового  массива  и  методики  определения  достоверности  их  измерений.  В  первую  очередь  следует  отметить  мессдозы,  разработанные  в  ЦНИИСКе  (Д.С.  Баранов),  Новочеркасском  политехническом  институте  (Ю.Н.  Мурзенко),  Гидропроекте  (В.П.  Бомбчинский  и  др.),  в  ДИИТ  (М.Н.  Гольдштейн  и  др.),  в  НИИСК  УССР  (Е.Ю.  Лабезник)  и  т.  п.  Большие  исследования,  проведенные  в  Союзморниипроекте,  НИС  Гидропроекта  (В.З.  Хейфец  и  др.),  а  также  в  МИСИ  (А.А.  Крыжановский),  позволили  более  точно  тарировать  и  более  обоснованно  учитывать  величину  искажений  при  измерениях  Напряжений  и  порового  давления,  возникающих  в  связи  с  внесением  жесткого  элемента  (мессдозы)  в  среду  с  другими  деформативными  характеристиками.

Наиболее  просто  проводится  измерение  вертикальных  напряжений,  так  как  глубинные  марки  уже  давно  широко  применяются  при  различных  исследованиях  в  механике  грунтов.  Многие  из  глубинных  марок  применялись  и  при  исследовании  просадочных  грунтов  (Ю.М.  Абелев,  В.И.  Крутов,  1960—1967  гг.),  которые  могут  быть  отнесены  к  слабым  водонасыщенным  глинистым  грунтам.  Методика  же  измерения,  горизонтальных  смещений  практически  не  разработана,  что  мешает  определять  деформативное  состояние  в  грунтовом  массиве.  Известны  лишь  отдельные  опыты  измерения  горизонтальных  напряжений,  выполненные  за  рубежом,  однако  точность  измерения  в  этих  опытах  весьма  низкая  [3].

3.  Конструкции  и  приборы,  применяемые  для  строительного  мониторинга

3.1.  Мессдозы  с  гидравлическим  преобразователем  конструкции  ЦНИИСК

Для  ряда  задач  механики  грунтов  необходимо  знать  распределение  напряжений  и  деформаций  непосредственно  под  подошвой  фундамента  —  так  называемые  контактные  напряжения  и  деформации.  Впервые  эти  измерения  были  выполнены  в  1965—1971  гг.  на  илах  оз.  Сиваш.

Измерения  напряжений  на  контакте  и  в  глубине  основания  жесткого  штампа  площадью  10  тыс.  см²  были  проведены  Н.С.  Рязановым,  Н.Ф.  Ариповым  по  следующей  методике:  была  выбрана  площадка,  где  илы  залегали  на  глубину  до  6  м  и  имели  примерно  постоянные  характеристики  прочности  и  сжимаемости  по  глубине  (что  обусловлено  большим  содержанием  солей  в  грунте).  Так  как  верхний  слой  илов  (до  глубины  0,7  м)  имел  отличные  от  пласта  характеристики,  опыты  проводились  в  шурфах,  отрытых  на  глубину  0,8—0,9  м.

В  испытаниях  применялись  круглые  металлические  штампы,  усиленные  ребрами  жесткости.  В  днище  каждого  штампа  заподлицо  с  поверхностью  были  установлены  13—15  мессдоз  с  гидравлическим  преобразователем  конструкции  ЦНИИСК.  Для  повышения  точности  измерения  напряжений  мессдозы  конструкции  Д.С.  Баранова  были  несколько  модифицированы  —  уменьшена  толщина  мембраны,  усилена  гидроизоляция.  Кроме  того,  мессдозы  были  защищены  от  быстрой  коррозии  в  засоленных  илах.  Точность  измерения  напряжений  на  контакте  с  грунтом  этих  мессдоз  составляла  10—20  гс/см².

Мессдоза  с  гидравлическим  преобразователем  имеет  ряд  преимуществ  по  сравнению  с  мембранной  мессдозой.

Суть  преимуществ  заключается  в  том,  что  давление  грунта  первоначально  передается  на  элемент,  который  через  жидкую  прослойку  распределяет  давление  на  соответствующую  измерительную  систему.  Если  пространство  между  приемной  и  рабочей  мембранами  заполнить  несжимаемой  жидкостью  (ртутью,  силиконовой  жидкостью  и  т.  п.),  то  деформации  верхней  приемной  мембраны  будут  меньше  деформаций  рабочей  мембраны  во  столько  раз,  во  сколько  площадь  второй  будет  меньше  площади  первой.  К  преимуществам  мессдоз  с  гидравлическим  преобразователем  относится  и  то,  что  измерительное  устройство  такой  мессдозы  реагирует  на  все  давление,  которое  действует  на  приемную  мессдозу,  независимо  от  характера  распределения  этого  давления  по  площади  мессдозы.

Основным  чувствительным  элементом  мембранной  мессдозы  является  рабочая  мембрана  толщиной  0,15—0,2  мм.  На  нижнюю  часть  рабочей  мембраны  наклеен  фольговый  тензодатчик  мембранного  типа.  В  торцовой  части  корпуса  мессдозы  имеется  отверстие  для  штуцера  и  отдельно  просверленные  отверстия  для  размещения  соединительных  проводов.  Эти  провода  припаивают  к  выводным  проводникам  датчика.  С  противоположной  стороны  предусмотрено  отверстие  для  заполнения  мессдозы  жидкостью,  прослойка  которой  в  датчике  носит  название  гидропреобразователя.

Приемная  кольцевая  мембрана  изготовляется  из  того  же  материала,  что  и  корпус,  и  имеет  кольцеобразный  вырез,  в  который  уложено  резиновое  кольцо.  Это  конструктивное  приспособление  позволяет  передавать  давление  на  гидропреобразователь  сразу  по  всей  площади  приемной  мембраны  и  обеспечивает  ее  поступательное  движение  при  нагружении  независимо  от  краевого  эффекта.

Внешне  мессдоза  представляет  собой  металлический  диск  диаметром  70  и  высотой  16  мм.  Небольшие  габариты  прибора  позволяют  использовать  его  для  измерения  напряжений  на  контакте  штампов  и  внутри  грунтового  основания.

Для  измерения  контактного  давления  в  плите  металлического  штампа  были  сделаны  круглые  углубления  диаметром  каждое  74  мм  и  вырезы  для  укладки  и  вывода  соединительного  кабеля.  Эти  углубления  были  необходимы  для  установки  мессдозы  заподлицо  с  поверхностью  штампа.

В  углубление  штампа  заливали  жидкий  цементный  раствор  и  устанавливали  мессдозу  на  место  легким  прижатием.  Затем  с  помощью  шаблона,  который  гарантировал  правильность  постановки  и  исключал  перекосы  мессдозы,  ее  выравнивали  с  поверхностью  штампа.  После  этого  в  вырез  укладывали  кабель  и  через  отверстие  продергивали  его  на  противоположную  сторону  плиты  (штампа).  Штамп  с  установленными  в  него  мессдозами  выдерживали  некоторое  время  для  «схватывания»  цементного  раствора,  а  затем  снова  проверяли  правильность  установки  мессдоз  тем  же  шаблоном.

При  установке  мессдоз  заподлицо  с  днищем  штампа  особое  внимание  обращали  на  дублирование  измеряемых  точек.  Все  основные  точки  (центр,  край  и  середина  радиуса  штампа)  имели  по  две  измерительных  мессдозы.  Это  исключало  ошибки  при  измерениях  и  гарантировало  возможность  измерений  в  процессе  всего  эксперимента,  если  даже  одна  из  мессдоз  во  время  опытов  выходила  из  строя.

Штамп  устанавливали  на  тщательно  выровненную  поверхность  и  замеряли  показания  мессдоз.  После  этого  штампы  нагружали  малыми  ступенями  давления  (по  0,05  кгс/см²).  Замеры  проводились  через  каждый  час  в  течение  всего  времени  нагружения  данной  ступенью  давления.

В  1966—1968  гг.  было  проведено  три  опыта  продолжительностью  около  трех  месяцев.  Каждый  раз  в  течение  всех  опытов  показания  мессдозы  были  стабильны,  и  приборы  сохраняли  высокую  чувствительность.

3.2. Крыльчатка  и  динамический  зонд

Позволяют  экспресс-методом  сопоставить  показатели  физико-механических  характеристик  грун­тов  на  трех  этапах  инженерно-геологической  ситуации.  Первый  —  обследование  площадки  до  откопки  котлована.  Второй  —  сопоставление  показаний  крыльчатки  и  зонда  сразу  после  экскавации  грунта  из  котлована.  Третий  —  перед  установкой  фундаментов.  При  ухудшении  свойств  грунтов  производится  их  замена  или  изменяется  тип  фундаментов.  Для  свайных  фундаментов  такой  контроль  не  представляется  необходимым,  так  как  глубина  погружения  свай  значительно  больше  глубины  заложения  фундаментов  на  естественных  основаниях.  При  инженерно-геологических  изысканиях  под  сваи  и  тяжелые  сооружения  на  слабых  грунтах  успешно  применяется  статическое  зондирование,  проводимое  механическим  путем  с  подвижных  установок  до  глубины  20  м.

Ручной  динамический  зонд  может  проходить  слабые  грунты  до  глубины  5...6  м,  главной  задачей  при  этом  является  определение  количества  ударов  молота  n  на  отрезке  штанги  длиной  100  мм.  Сопоставление  величины  n,  плотности  и  модуля  деформации,  найденных  в  лаборатории  для  исследуемых  грунтов,  дает  корреляцию  между  этими  величинами  и  графики  их  изменения  с  глубиной.

Четырехлопастная  крыльчатка  предназначена  для  определения  физико-механических  характеристик  грунтов  экспресс-методом.  При  испытаниях  крыльчатка  вдавливается  в  грунт,  после  чего  производится  равномерный  поворот  ее  рукояти  с  одновременным  снятием  показаний  индикатора  часового  типа,  установленного  на  динамометре.  Лабораторная  тарировка  крыльчатки  позволяет  по  величине  момента  вращения  определить  сопротивление  грунта  сдвигу  на  исследуемой  глубине.  Кроме  этого,  проведение  испытаний  основания  до  экскавации  котлована,  сразу  после  нее  и  после  выдержки,  непосредственно  перед  установкой  фундаментов,  дает  возможность  оценить  изменение  прочностных  параметров  грунтов  и  принять  необходимые  конструктивные  меры.

3.3. Трехступенчатая  мессдоза

Трехступенчатая  мессдоза  дает  возможность:  измерять  давление  в  поровой  воде  и  тотальное  горизонтальное  давление  грунта  в  массиве;  исключать  погрешность,  вызванную  внедрением  в  массив  грунта  измерительного  датчика,  зависящую  от  толщины  этого  датчика.

Трехступенчатая  мессдоза  состоит  из  ступенчатого  корпуса,  в  гнёзда  которого  вмонтированы  мембраны  датчиков  тотального  давления  и  мембраны,  защищенные  фильтрующим  элементом  датчиков  измерения  давления  в  поровой  жидкости.  На  мембраны  по  схеме  полумоста  наклеены  тензорезисторы.  Корпус  выполнен  со  ступенями  толщиной  8,  12  и  16  мм  с  их  уменьшением  в  направлении  внедрения  мессдозы

Внедрение  трехступенчатой  мессдозы  в  массив  грунта  осуществляют  с  помощью  стандартной  зондировочной  установки  непосредственно  с  поверхности  грунта,  либо,  при  измерении  на  больших  глубинах,  в  забой  скважины  на  глубину  более  1  м  за  нижний  обрез  обсадной  трубы,  т.  е.  за  зону  влияния  скважины  [1].

Заключение

Проблема  исследования  напряженно-деформированного  состояния  оснований  зданий  и  сооружений  решается  с  давних  пор.  Современные  методы  исследования  напряженно-деформированного  состояния  оснований  зданий  и  сооружений  позволяют: 

·     проводить  измерения  послойных  деформаций,  тотальных  и  поровых  давлений  в  песках  рыхлых  и  средней  плотности  и  глинистых  грунтах  с  консистенцией  от  текучей  до  тугопластичной; 

·     производить  замер  послойных  деформаций  на  глубинах  до  25  м  с  помощью  глубинных  марок  с  точностью  ±1,0  мм;  устанавливать  на  одной  вертикали  неограниченное  число  марок,  определяемое  потребностью  исследований,  поскольку  конструкция  марки  основана  на  бесконтактном  способе  измерения  смещений  и  обеспечивает  заанкеривание  марки  в  грунте  ненарушенной  структуры;

·     измерять  тотальные  напряжения  с  помощью  мембранных  мессдоз  и  поровые  давления  с  помощью  струнных  пьезодинамометров;  размещать  мессдозы  и  датчики  в  грунте  с  минимальным  нарушением  его  структуры;  устанавливать  на  одной  вертикали  мессдозы  вертикальных  и  горизонтальных  напряжений  и  датчики  перового  давления  на  глубинах  до  20  м  в  нескольких  уровнях;

·     проводить  экспресс-определение  горизонтального  тотального  и  порового  давлений  с  помощью  трехступенчатой  мембранной  мес­сдозы,  а  также  определять  прочностные  харак­теристики  грунта  посредством  испытаний  на  лопастной  сдвиг.

Выводы  и  рекомендации

Анализ  и  оценка  современных  исследований  напряженно-деформированного  состояния  оснований  зданий  и  сооружений  на  физических  моделях  выполнены.  Хочется  отметить  высокую  технологичность  современных  методов:  оборудование  одной  вертикали  с  марками  или  мессдозами  занимает  2—3  часа;  снятие  показаний  —  не  более  одной  минуты  на  каждую  измерительную  точку.

Работа  адресована  исследователям,  которые  будут  изучать  исследование  напряженно-деформированного  состояния  зданий  и  сооружений  с  целью  прогноза  «поведения»  сооружения.

Проведённый  анализ  материалов  позволил  сделать  выводы,  что  для  наиболее  правильного  и  полного  прогноза  «поведения»  сооружения  необходимо  комплексное  исследование  напряженно-деформированного  состояния  представленными  выше  приборами.

Список  литературы:

1. Голли  А.В.  Методика  измерения  напряжений  и  деформаций  в  грунтах:  учеб.пособие.  Л.:  ЛИСИ,  1984.  —  53  с.
2. ГОСТ  Р  53778-2010  «Мониторинг  технического  состояния  зданий  и  сооружений».
3. Экспериментальные  исследования  распределения  напряжений  в  основании  жестких  штампов  и  фундаментов.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://prosvai.ru/vodonasischennie-glinistie-grunti/eksperimentalnie-issledovaniya-raspredeleniya-napryazheniy-v-osnovanii-zhestkich-shtampov-i-fundamentov  (дата  обращения:  01.03.2015).