Деформационные изменения строительных конструкций — проблема далеко не новая. Ее изучению посвящено множество работ, связанных с описанием, прогнозированием, а также предотвращением дальнейшего развития деформаций. Практика работ по оценке деформации высотных зданий сводится к проведению комплекса геодезических работ, которые позволяют получить трехмерную модель здания и отслеживать изменения в динамике. Применение данных технических средств составляет основу процесса оценки деформационных параметров и параметров преобразования конструкций.
Деформационные процессы, которые приводят к нарушению высотных конструкций, могут быть вызваны различными факторами. Например, при строительстве сооружения были допущены неточности при учете природных факторов, что в дальнейшем привело к неспособности материала сохранять свои свойства в условиях повышенных температур. В качестве примера можно также привести свойства грунтов, которые под весом высотной конструкции приходят в движения, нарушая тем самым свою целостность и целостность высотной конструкции. для каждого региона такие факторы различны. Поскольку не все факторы проявляют себя в момент проектирования и строительства, их идентификация представляет собой довольно сложный процесс. Таким образом, для оперативного принятия мер по сохранению целостности конструкции необходимо проводить мониторинговые исследования параметров зданий и сооружений.
Значение рассматриваемых факторов велико как в практическом, так и теоретическом направлениях развития данной проблематики. Безусловно, основу для развития подобных научных тенденций заложили прецеденты разрушения конструкций в различной степени необратимости. развитие данной проблематики в разрезе научных работ позволит создать расширенное нормативно-методическое обеспечение. Кроме того, проведение исследований в данной области позволит стандартизировать и классифицировать характер проводимых работ в зависимости от объекта, что позволит серьезно развить теоретическую сторону вопроса.
Практическая значимость рассматриваемого вопроса заключается в расширении области применения геодезического мониторинга к объектам специфической типологии, например, телебашен, которые имеют узкоспециализированные параметры и характеристики. Наглядным примером являются высотные здания и сооружения на территории Узбекистана. Данный регион характеризуется засушливым климатом, сильными ветрами, перепадом температур в течение суток, что приводит к деформации высотных конструкций, особенно на металлическом каркасе. во-первых, после замачивания засоленных грунтов резко изменяются их деформационные и прочностные характеристики. Так, например, засоленные суглинки при естественной влажности (твердая и полутвердая консистенция) характеризуются модулем общей деформации 28,0 МПа, а после замачивания и полного водонасыщения в течение нескольких суток модуль общей деформации оказался равным 2,54 МПа.
Угол внутреннего трения до замачивания равен 39°, а после замачивания — 5°. Одна из причин разрушения фундаментов на засоленных грунтах обусловлена солевой коррозией строительных материалов в связи с наличием сильноминерализованных агрессивных подземных вод. Во многих местах наблюдается солевая коррозия фундаментов жилых и промышленных зданий в виде разрушения поверхности цоколей и стен выше отметки поверхности грунта на 40-60 см. Часто встречаются полностью разрушенные фундаменты из бетона, железобетона, красного и силикатного кирпича.
Процесс разрушения протекает следующим образом. Подземные воды, содержащие в своем составе соли, из грунта поднимаются по капиллярам строительных конструкций и насыщают поры этих материалов. в условиях жаркого климата влага испаряется, а соль остается в порах сначала как концентрированный раствор, а при дальнейшем испарении — в виде кристаллов. При росте кристаллов солей возникает давление до 1-10 МПа, в результате чего происходит разрушение низкомарочных бетонов, кирпича и т.д. Следует также отметить, что после роста кристаллов солей в теле железобетонных элементов, кирпиче и бетонных подвальных блоках в результате сезонных колебаний температуры и изменения влажности воздуха кристаллы солей могут вторично впитывать влагу и образовывать кристаллогидраты. При образовании кристаллогидратов возникает давление до 10-50 МПа, в результате чего разрушаются даже очень прочные бетонные и железобетонные конструкции.
Многочисленные деформации зданий и сооружений наблюдаются в результате консервации строительства при перерывах в работе. Из-за отсутствия защиты основания зданий от попадания атмосферных вод происходит вынос солей и повышается минерализация подземных вод в результате чего развиваются процессы интенсивной солевой коррозии. Это приводит к разрушению конструкций подземных и цокольной частей сооружений, временных и постоянных сетей трубопроводов. известны случаи, когда из-за перерывов в работе приходилось заново строить фундаменты, увеличивая их глубину заложения и размеры, предпринимая меры по защите и укреплению основания, в результате чего возрастала стоимость работ и повышалась их трудоемкость.
Анализ деформаций промышленных и гражданских сооружений показал, что осадки фундаментов, особенно при строительстве на водонасыщенных грунтах существенно отличаются от расчетных значений. Многие фундаменты промышленных и гражданских сооружений на засоленных грунтах имеют трещины, что свидетельствует о неправильном расчете и конструировании жестких железобетонных фундаментов. При взаимодействии засоленных грунтов с материалами конструкций наблюдается физическая коррозия подземных конструкций и цокольных частей промышленных и гражданских сооружений.
Научная новизна работы заключается в том, что для изучения объекта планируются к применению наиболее передовые средства геодезического мониторинга — мобильное лазерное сканирование, результаты которого будут подкреплены измерением степени просадки грунта. Наиболее масштабными в отношении деформационного исследования являются плотины гидроэлектростанций, фасады памятников архитектуры, а также мосты, но ни один из данных объектов не обладает схожими характеристиками. Таким образом, исключается возможность проведения работ по аналогии. Единственный аспект, который можно отметить, проводя анализ структуры геодезического мониторинга названных объектов, это необходимость применения принципиально новой схемы работ и инструментария в отношении каждого объекта.
Для проведения исследований с наибольшей вероятностью на практике будет использоваться комплекс мобильного лазерного сканирования. Технически он представляет собой лазерный сканер, закрепленный на автомобиле, который движется по окружности, проводя съемку не только объекта изучения, но и расположенные в непосредственной близости здания и сооружения. Также его использование целесообразно с финансовой точки зрения. определяя координаты контрольных точек и сопоставляя результаты измерений в отдельных точках, получают изменение пространственного положения здания в целом и перемещение конструктивных элементов относительно друг друга. Данный метод является недостаточно эффективным в рассматриваемой ситуации, поскольку сложно зафиксировать перемещение грунтов и конструктивных элементов, вследствие неравномерности размывания грунтов.
Суть технологии мобильного лазерного сканирования заключается в определении пространственных координат точек поверхности объекта посредством измерения расстояния до всех точек с помощью лазерного безотражательного дальномера. При каждом измерении луч дальномера отклоняется от своего предыдущего положения так, чтобы пройти через узел некой мнимой нормальной сети, называемой сканирующей матрицей. Количество строк и столбцов матрицы может регулироваться.
Чем выше плотность точек матрицы, тем выше плотность точек на поверхности объекта. Результатом измерений является некое множество точек с трехмерными координатами. Работы по сканированию будут проводиться в один сеанс, но объезд объекта будет совершаться как минимум 8 раз, так как все поверхности объекта не видны с одной точки наблюдения. Затем сканы, полученные с каждой точки наблюдений, совмещаются в единое пространство в специальном программном модуле. Для составления общей поверхности здания на стадии полевых работ необходимо предусмотреть получение сканов с зонами взаимного перекрытия. При этом перед началом сканирования в этих зонах нужно разместить специальные мишени, по координатам которых и будет происходить процесс соединения изображений. Можно совмещать облака точек, используя лишь характерные точки снимаемого объекта, но при этом неизбежна существенная потеря точности съемки.
В дальнейшем при систематическом проведении циклов сканирования объекта можно получить смещения каждой точки скана или некоторого массива точек, отвечающего определенному конструктивному элементу. Это позволяет анализировать перемещения конструкции в целом, отдельных элементов относительно друг друга, а также контролировать раскрытие трещин, важных стыков и сочленений. В то же время появляется необходимость проводить постоянные измерения, что с учетом стоимости амортизации оборудования делает данный метод одним из самых дорогостоящих. Это ставит под сомнение целесообразность применения данного метода, не смотря на его высокую эффективность.
Альтернативой геодезическим методикам контроля пространственных характеристик здания служат инструментальные средства мониторинга, которые также позволяют отслеживать изменения пространственного состояния и геометрических параметров конструкции. Инструментальный мониторинг является более распространенным, но практически не применялся в условиях жаркого климата, что приводит к вопросу о надёжности датчиков в любых погодных условиях. Для измерения отклонения здания от вертикали используются датчики наклона поверхности (наклономеры). Существуют одноосные и двухосные модификации наклономеров, которые оснащаются различными типами сенсоров: твердотельным акселерометром, компенсированным сервоакселерометром, электрическим преобразователем DTE и др.
Поскольку рассматриваются высотные объекты, где существует проблема вспучивания грунтов, недостаточно будет лазерного сканирования, поскольку данный метод не позволит оценить перемещение грунта. Принимая это во внимания, нами выдвигается гипотеза о возможности сочетания инструментальных средств мониторинга с исследованием изменения грунта. Одним из важнейших показателей нарушения нормальной работы конструкции (или изменения состояния грунтов основания) является неравномерность распределения осадок конструкции здания по площади. Возникновение неравномерных осадок может привести к развитию деформаций, как отдельных элементов, так и конструкции в целом. Инструментальный контроль неравномерной дифференциальной осадки или подъема конструкции высотных зданий осуществляется при помощи систем типа DSM (Synology diskStation Manager).
Система DSM состоит из цепочки датчиков уровня, устанавливаемых на поверхность конструктивных элементов по некоторому выбранному контуру (чаще всего — по внутреннему или внешнему периметру здания). Датчики соединены трубкой с контрольной емкостью, которая расположена на твердом грунте вне зоны влияния здания, образуя замкнутую гидравлическую систему с заданными начальными значениями давления жидкости для каждого датчика. Вся система заполняется специальной деаэрированной смесью (50% глицерина и 50% воды). Для получения полноценной картины деформационного состояния конструкции высотного здания необходимо дополнительно контролировать смещения по наиболее деформируемым сочленениям и стыкам, перемещения элементов конструкции относительно друг друга и раскрытие трещин, так как эта информация напрямую отражает нарушение структурной целостности конструкции.
Грунтовый массив в основании высотных сооружений в большинстве случаев представляет собой сложную динамическую систему, характеризующуюся дифференцированным строением. Параметры этой системы в процессе строительства и эксплуатации здания меняются достаточно интенсивно, а иногда и непредсказуемо. Такой грунтовый массив представлен пористыми песчаниками, ракушечником и известняками, а также засоленными грунтами, которые обладают минимальной устойчивостью к внешним воздействиям. Это приводит к тому, что предполагаемые (расчётные) и реальные изменения свойств грунтов у основания зданий отличаются. Возникновение расхождений свидетельствует о низком качестве проведенных инженерно-геологических изысканий. Причина возникновения ошибок может также заключаться в недостатках самих расчетных моделей и методик, поэтому при создании полноценной системы мониторинга высотного объекта очень важно, чтобы контроль параметров грунта (например, осадки) производился непосредственно в среде. То есть, при проведении работ на территориях с жарким климатом в первую очередь необходимо обратить внимание на свойства грунта. К основным параметрам состояния рассматриваемого грунтового массива относятся: вертикальные (осадки) и горизонтальные деформации грунтовой толщи, распределение давления на грунт в основании сооружения, распространение трещин по телу массива, размывание грунтов.
Таким образом, предлагаемая технология сочетает в себе комплексные исследования, основанные на измерении осадок грунта и GPS-мониторинга, что значительно повышает качество получаемых результатов. Измерение оседания грунтов можно проводить дифференцировано (послойно) или получая общее значение осадки. Контроль горизонтальных перемещений грунтов очень важен для участков со сложным геологическим строением и потенциальной опасностью развития оползневых процессов. Технологические решения, разрабатываемые в ходе исследования, направлены на создание комплекса работ по мониторингу деформационных процессов, то есть объект исследования описывается по всем направлениям воздействия и существования, поскольку точность геодезических методов может быть значительно повышена именно за счет исследования всего спектра объектов.
Контроль горизонтальных перемещений грунтов может осуществляться с поверхности с использованием геодезических (в том числе спутниковых) методов. Специфика проведения этих работ для рассматриваемой территории аналогична геодезическому контролю изменения осадок и пространственного положения объекта, с той лишь разницей, что деформационные марки (GPS-приемники) закрепляются на поверхности грунта или на торцевом конце анкера, который закладывают на интересующую исследователя глубину. Для выяснения полной картины состояния исследуемого объекта в одно и то же время с наблюдениями просадки его основания производится визуальный контроль (визуальное обследование) состояния стен и наружных поверхностей здания или сооружения. При визуальном осмотре фиксируются все имеющиеся трещины. На обнаруженных трещинах устанавливаются маяки, предназначенные для фиксации их дальнейшего развития. Визуальное обследование выполняется в те же периоды, что и измерения по осадочным маркам.
В целом мониторинг деформационных процессов зданий и сооружений предполагает выполнение следующих видов работ:
- проведение мониторинга осадки грунтового массива вследствие размывания грунта или возникновения трещин;
- создание исходного высотного обоснования (не менее чем из трёх реперов);
- нахождение исходных реперов в районе производства работ, обследование их состояния на возможность использования в качестве исходной основы;
- изготовление и закладка осадочных (деформационных) марок;
- плановая привязка осадочных марок;
- привязка исходных реперов к знакам существующей геодезической основы и приведение высотной исходной основы в единую систему высот с точностью, необходимой для обеспечения наблюдений за осадками фундаментов сооружения (нивелированием I класса);
- рекогносцировка мест установки инструмента для обеспечения измерений между реперами и осадочными марками с целью создания стандартной схемы измерений, повторяющейся в каждом цикле с минимальными изменениями;
- непосредственное выполнение измерений по реперам;
- контроль устойчивости исходных реперов;
- камеральная обработка выполненных измерений;
- подготовка и выпуск отчётной документации.
Систематическое проведение геодезического мониторинга высотных зданий имеет первостепенное значение для обеспечения их безопасной эксплуатации, предотвращения техногенных аварий, экологических катастроф и связанных с ними человеческих жертв. Особенность рассмотренных в работе факторов, таких как климатические условия, перепады температур, неустойчивость рельефа и других, заключается в том, что они оказывают наиболее сильное и продолжительное воздействие на конструкцию зданий и влияют быстроту их изнашиваемости. Для наблюдения за деформациями сооружений целесообразно применять геодезические, наклономерные и геодинамические методы наблюдений. При этом между ними должна быть установлена самая тесная связь, т.е. для оценки смещений оснований инженерных сооружений следует использовать комплексный подход.