41. Наблюдения за осадками и деформациями зданий и сооружений. Причины деформаций оснований сооружений.
Наблюдения за осадками и деформациями зданий и сооружений – это комплекс геодезических и инженерных измерений, направленных на контроль за изменением положения и формы строительных объектов во времени. Эти наблюдения позволяют своевременно выявлять отклонения от проектных значений и принимать меры по предотвращению аварийных ситуаций.
Причины деформаций оснований сооружений могут быть разнообразными:
- Природные факторы:
- Неравномерная сжимаемость грунтов: Различные слои грунта под фундаментом могут иметь разную несущую способность и сжимаемость, что приводит к неравномерным осадкам.
- Изменение уровня грунтовых вод: Повышение или понижение уровня грунтовых вод может вызывать разуплотнение или уплотнение грунтов, а также их вымывание.
- Пучинистые грунты: Замерзание воды в порах грунта приводит к его увеличению в объеме (пучению), что может вызывать подъем фундаментов.
- Карстовые явления: Образование пустот в растворимых породах (известняк, гипс) может привести к провалам грунта и деформациям сооружений.
- Сейсмическая активность: Землетрясения вызывают динамические нагрузки, которые могут привести к разрушению или деформации оснований.
- Техногенные факторы:
- Нарушение технологии строительства: Неправильное устройство фундаментов, некачественное уплотнение грунта, превышение допустимых нагрузок.
- Дополнительные нагрузки: Возведение пристроек, установка тяжелого оборудования, складирование материалов, не предусмотренные проектом.
- Динамические воздействия: Вибрации от транспорта, работающего оборудования, взрывных работ.
- Утечки из инженерных коммуникаций: Прорывы водопровода или канализации могут вымывать грунт из-под фундамента.
- Изменение гидрогеологических условий: Строительство соседних объектов, дренажные работы, которые влияют на уровень грунтовых вод.
42. Классификация деформаций оснований и сооружений.
Деформации оснований и сооружений можно классифицировать по различным признакам:
По характеру проявления:
- Осадки: Вертикальное перемещение сооружения вниз под действием собственного веса и внешних нагрузок.
- Равномерная осадка: Все точки сооружения опускаются примерно на одинаковую величину. Обычно не опасна, если не превышает допустимых значений.
- Неравномерная осадка: Различные части сооружения опускаются на разную величину, что приводит к наклонам, перекосам, трещинам. Наиболее опасный вид осадки.
- Подъемы (пучение): Вертикальное перемещение сооружения вверх, чаще всего вызванное замерзанием воды в пучинистых грунтах.
- Крены: Наклон сооружения относительно вертикальной оси.
- Горизонтальные смещения: Перемещение сооружения в горизонтальной плоскости, вызванное, например, давлением грунта, оползнями.
- Деформации формы: Изменение геометрических размеров и формы отдельных элементов сооружения (прогибы балок, выгибы стен, кручение).
По причинам возникновения:
- Консолидационные деформации: Вызваны уплотнением грунта под нагрузкой с вытеснением воды из пор.
- Деформации от пучения: Вызваны замерзанием воды в грунте.
- Деформации от просадки: Вызваны увлажнением просадочных грунтов (например, лёссовых).
- Деформации от набухания: Вызваны увлажнением набухающих грунтов (например, глин).
- Деформации от суффозии: Вызваны вымыванием мелких частиц грунта подземными водами.
- Деформации от динамических воздействий: Вызваны вибрациями, сейсмической активностью.
По скорости развития:
- Быстроразвивающиеся: Происходят за короткий промежуток времени (например, при просадке лёссовых грунтов).
- Медленноразвивающиеся: Происходят постепенно в течение длительного времени (например, консолидационные осадки).
43. Методы и точность измерений осадок и деформаций.
Для измерения осадок и деформаций применяются различные методы, выбор которых зависит от требуемой точности, типа сооружения, условий проведения работ и доступного оборудования.
Основные методы измерений:
- Геометрическое нивелирование:
- Суть метода: Измерение разности высот между реперами (неподвижными опорными точками) и деформационными марками, установленными на сооружении.
- Оборудование: Высокоточные нивелиры (цифровые, оптические), инварные рейки.
- Точность: Высокая, до 0,1-0,5 мм на 1 км двойного хода для высокоточного нивелирования. Позволяет определять вертикальные перемещения с точностью до 0,1-1 мм.
- Применение: Основной метод для измерения осадок фундаментов, стен, колонн.
- Тригонометрическое нивелирование:
- Суть метода: Определение высот точек по измеренным углам наклона и расстояниям.
- Оборудование: Электронные тахеометры.
- Точность: Ниже, чем у геометрического нивелирования, обычно 1-5 мм.
- Применение: Для измерения осадок и деформаций на больших расстояниях, в труднодоступных местах, на высотных сооружениях.
- Гидростатическое нивелирование:
- Суть метода: Основан на принципе сообщающихся сосудов. Измерение разности уровней жидкости в системе трубок, соединенных между собой.
- Оборудование: Гидростатические нивелиры.
- Точность: Очень высокая, до 0,01-0,1 мм.
- Применение: Для измерения относительных осадок в пределах одного сооружения, особенно на больших площадях, где требуется высокая точность.
- Створные наблюдения:
- Суть метода: Контроль прямолинейности и горизонтальности элементов сооружения с помощью оптических приборов (теодолитов, лазерных систем).
- Оборудование: Теодолиты, лазерные нивелиры.
- Точность: Зависит от длины створа, обычно 1-5 мм.
- Применение: Для контроля прямолинейности плотин, мостов, тоннелей.
- Метод обратной засечки:
- Суть метода: Определение координат деформационных марок по измеренным углам и расстояниям с нескольких известных точек.
- Оборудование: Электронные тахеометры.
- Точность: 1-5 мм.
- Применение: Для определения горизонтальных смещений и деформаций.
- GPS/ГЛОНАСС измерения:
- Суть метода: Использование спутниковых систем для определения координат деформационных марок.
- Оборудование: GPS/ГЛОНАСС приемники.
- Точность: От нескольких миллиметров до сантиметров, в зависимости от типа оборудования и методики измерений.
- Применение: Для мониторинга крупномасштабных деформаций, смещений больших объектов, оползней.
- Инклинометрические измерения:
- Суть метода: Измерение углов наклона скважин или элементов сооружения с помощью инклинометров.
- Оборудование: Инклинометры.
- Точность: Зависит от прибора, обычно 0,1-1 мм/м.
- Применение: Для контроля горизонтальных смещений грунтов и фундаментов на глубине, деформаций свай.
- Тензометрические измерения:
- Суть метода: Измерение деформаций (относительных удлинений/укорочений) материалов с помощью тензодатчиков.
- Оборудование: Тензодатчики, измерительные приборы.
- Точность: Высокая, до 10-6.
- Применение: Для контроля напряженно-деформированного состояния отдельных элементов конструкций.
Точность измерений определяется классом используемого оборудования, методикой проведения работ, квалификацией исполнителей и условиями окружающей среды. Для ответственных сооружений (АЭС, ГЭС, высотные здания) требуются измерения с высокой точностью (до 0,1-0,5 мм), для менее ответственных – допустима точность 1-5 мм.
44. Организация наблюдений за осадками методом геометрического нивелирования.
Организация наблюдений за осадками методом геометрического нивелирования – это комплекс мероприятий, включающий подготовительные работы, полевые измерения и камеральную обработку данных.
1. Подготовительные работы:
- Изучение проектной документации: Ознакомление с проектом сооружения, геологическими и гидрогеологическими условиями площадки, прогнозируемыми осадками.
- Разработка программы наблюдений:
- Определение мест установки деформационных марок на сооружении (на углах, по периметру, в местах изменения нагрузок, на стыках блоков).
- Выбор мест установки глубинных и поверхностных реперов (неподвижных опорных точек) за пределами зоны влияния сооружения. Реперы должны быть надежно закреплены и защищены от внешних воздействий.
- Определение периодичности измерений (например, после каждого этапа строительства, ежегодно, после значительных нагрузок).
- Выбор метода и класса точности нивелирования.
- Установка деформационных марок и реперов:
- Деформационные марки: Металлические стержни, пластины или болты, надежно закрепленные в несущих конструкциях сооружения. Их головки должны быть доступны для установки нивелирной рейки.
- Реперы: Глубинные (закладываются на глубину ниже зоны промерзания и зоны влияния сооружения) или стенные (закрепляются на стенах соседних, стабильных зданий).
- Составление схемы нивелирной сети: Разработка схемы расположения марок и реперов, а также маршрутов нивелирных ходов.
- Подготовка оборудования: Проверка и юстировка нивелиров и реек. Использование инварных реек для высокоточных измерений.
2. Полевые измерения (геометрическое нивелирование):
- Прокладка нивелирных ходов:
- Нивелирные ходы прокладываются от исходных реперов к деформационным маркам и обратно, образуя замкнутые или висячие ходы.
- Измерения выполняются методом "из середины" для компенсации ошибок нивелира.
- На каждой станции измеряются отсчеты по черной и красной сторонам рейки.
- Обязательно проводятся контрольные измерения (например, двойное нивелирование) для повышения надежности.
- Фиксация условий измерений: Запись даты, времени, температуры воздуха, погодных условий, типа прибора и реек.
- Ведение полевого журнала: Аккуратная запись всех отсчетов, высот, расстояний и другой необходимой информации.
3. Камеральная обработка данных:
- Вычисление превышений: По разности отсчетов на рейках вычисляются превышения между точками.
- Уравнивание нивелирных ходов: Распределение невязок в замкнутых ходах для получения наиболее вероятных значений высот.
- Вычисление абсолютных и относительных осадок:
- Абсолютная осадка: Разность между начальной высотой марки (при первом цикле измерений) и ее текущей высотой.
- Относительная осадка: Разность осадок между двумя соседними марками.
- Построение графиков и эпюр:
- Графики "осадка-время": Показывают динамику осадок каждой марки.
- Эпюры осадок: Отображают распределение осадок по длине или ширине сооружения.
- Карты изогипс осадок: Для больших сооружений показывают зоны с одинаковыми осадками.
- Анализ результатов: Сравнение полученных осадок с проектными значениями и допустимыми нормами. Выявление зон повышенных деформаций.
- Составление технического отчета: Описание методики, приведение результатов измерений, графиков, выводов и рекомендаций.
Формулы, используемые при геометрическом нивелировании:
Превышение \(h_{AB}\) между двумя точками \(A\) и \(B\) определяется как разность отсчетов по рейкам, установленным на этих точках:
\[h_{AB} = a - b\]где \(a\) – отсчет по рейке на задней точке (A), \(b\) – отсчет по рейке на передней точке (B).
Высота точки \(H_B\) вычисляется как:
\[H_B = H_A + h_{AB}\]где \(H_A\) – известная высота точки A.
Осадка марки \(S_i\) за период времени \(t\) вычисляется как:
\[S_i(t) = H_{i,0} - H_{i,t}\]где \(H_{i,0}\) – начальная высота марки \(i\) (при первом цикле измерений), \(H_{i,t}\) – высота марки \(i\) в момент времени \(t\).
Относительная осадка между двумя марками \(i\) и \(j\) вычисляется как:
\[\Delta S_{ij} = S_i - S_j\]или как:
\[\Delta S_{ij} = (H_{i,0} - H_{i,t}) - (H_{j,0} - H_{j,t})\]Эти данные позволяют контролировать состояние сооружения и своевременно принимать необходимые меры.