Деформационные процессы высотных зданий и сооружений вызываются несколькими причинами: ошибки при проектировании; неправильный расчет основания здания; нарушение технологи строительства; внешние факторы. К сожалению, отследить первопричину возникновения деформационных преобразований можно лишь в том случае, когда конструкция требует срочного ремонта, а возможно, и сноса.
В связи с этим активно развивается практика постоянного наблюдения за высотными объектами при помощи пространственно-измерительных методов оценки и анализа. Подбор методики наблюдения осуществляется исходя из качественных характеристик самого объекта, его расположения, грунтового основания, а также на основании практики аналогичных работ на данной территории, что представляет собой достаточно прочную базу для создания эффективной системы наблюдений, а также получения качественных результатов.
Но в большинстве случаев деятельность данной направленности никогда не проводилась на конкретной территории. В таком случае организация системы мониторинговых исследований сводится к выделению групп факторов, которые могут привести к снижению качества измерений. К таким факторам относятся природные особенности региона, в особенности температура и влажность.
Рассматриваемая проблема отличается не только незначительной практической реализацией, но и полным отсутствием нормативно-правовой базы. Таким образом, данное исследование носит актуальный характер с практической и теоретической точек зрения, поскольку полученный результат позволит сформировать представление о теоретическом подходе к исследованию, а также расширить практическую базу исследований.
Анализ литературы позволил подтвердить, что геодезический мониторинг деформаций имеет достаточно ограниченный спектр объектов исследования, в основном данные объекты отличаются расширенной пространственной ориентацией, что делает их удобными для геодезической съемки. Таким образом, в решаемой задаче инновационным является первоисточник — сам объект исследования, что предопределяет новизну решаемой задачи, так как новые объекты требуют принципиально новых решений.
Анализ литературы по данной теме указывает на выбор способа исследования исходя скорее из удобства и возможностей, а не для конкретного объекта, что даже с учетом применения высокоточного инструментария, существенно влияет на точность исследования. Кроме того, исследования обычно проводились в отношении монолитных объектов, что делает их непригодными для объектов специфической структуры.
Например, основным аспектом, который необходимо учитывать при строительстве на территории Узбекистана — это наличие засоленных грунтов, а также песчаников, то есть таких разновидностей грунта, которые относятся к категории структурно-неустойчивых. При эксплуатации высотных зданий и сооружений на структурно-неустойчивых грунтах при определенных инженерно-геологических условиях зафиксированы многочисленные случаи образования резко выраженных неравномерных осадок, которые часто приводили к деформационным процессам.
В первую очередь необходимо определить степень и характер просадки грунта, поскольку речь идет о набухающих песчаниках. Данный тип грунтов отличается достаточной сложностью в изучении с применением лабораторных средств, которые являются традиционными, но, даже при условии учета всех факторов, которые могут привести к обводнению грунтов, воспроизвести совокупность их влияния невозможно.
В связи с этим возможно применение расчетных методов изучения деформации грунта. Подробно изучив каждый из таких методов, было принято решение обратиться к методу эквивалентного грунта. Данный метод не только наиболее полно описывает направления расширения грунта, характерного для данной территории, но и на любом этапе исследования позволяет перейти к непосредственной работе с природными грунтами.
Эквивалентным называется такой слой грунта толщиной hэ, осадка которого при сплошной нагрузке на поверхности p0 будет равна осадке грунтового полупространства под воздействием местной нагрузки той же интенсивности. Эквивалентный слой моделируется исходя из одномерного его сжатия без возможности бокового расширения, что отражает естественные условия преобразования грунта на исследуемой территории. Так как нагрузка является сплошной, то для исследования свойств грунта предполагается применять следующие зависимости:
- где s — осадка поверхности слоя грунта при сплошной нагрузке, мм;
- p0 — собственный вес грунта до приложения нагрузки, кН/м3;
- hэ — толщина сжимаемого слоя, мм;
- Е — модуль деформации грунта, кПа;
- ν — коэффициент Пуассона;
- b — ширина штампа (поверхности воздействия), мм.
Вместе с тем отметим, что данные формулы носят линейный характер, что отрицательно сказывается на процессе моделирования, так как позволяют получить лишь двумерное графическое описание без построения поверхности решений, что не дает возможности оценить весь диапазон изменения пространственных характеристик объекта во времени.
В условии моделирования функциональных зависимостей пространственных преобразований характеристических точек конструкции необходимо понимать, что точное определение их расположения должно происходить так, чтобы была возможность проведения дальнейшего прогноза. 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.
Прогноз по полученным результатам изменения пространственного положения конструктивных элементов не может быть выполнен достоверно, если не учитывается специфика грунтов. Сложно зафиксировать общее перемещение конструктивных элементов вследствие неравномерности размывания грунтов. Но его объединение с методом расчета изменения грунтов позволяет не только получить необходимую картину единовременных изменений, но и составить прогноз данных изменений, а также возможных или уже происходящих разрушений.
Одной из важнейших задач проводимого исследования является получение пространственных характеристик здания относительно контрольных точек, которые необходимо выбрать с учетом всех указанных выше условий. Использование временных знаков не является эффективным вследствие возможности безвозвратной потери такого знака, что полностью разрушает результаты уже проделанной работы, поскольку даже с учетом возможности применения программ по моделированию данные, полученные на практике, играют немаловажную роль в подтверждении и корректировании результатов. В такой ситуации вопрос о расположении знаков остается открытым.
В качестве решения предлагается закрепление меток в основании сооружения, а также использование постоянных знаков, установленных на устойчивом грунтовом основании. Метки, установленные в основании самого здания, позволят геометрически оценить их погружение в грунт, а постоянные метки будут служить основой для геодезических измерений. Наблюдения
Работы по сканированию будут проводиться в несколько сеансов, 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. Но в то же время появляется необходимость проводить постоянные измерения, что, с учетом стоимости амортизации оборудования, делает данный метод одним из самых дорогостоящих и естественно ставит вопрос о его применении, даже несмотря на столь высокую эффективность. К тому же, данный метод не позволяет определить причину деформации, что в комплексе работ снижает эффективность результатов и не соответствует задачам исследования.
Систематическое проведение геодезического мониторинга высотных зданий имеет первостепенное значение в процессе обеспечения их безопасного использования, предотвращения техногенных аварий, экологических катастроф и связанных с ними человеческих жертв. Поскольку факторы, обозначенные как температурные воздействия и неустойчивое основание, имеют отличительные особенности, с достаточно длительным характером воздействия и резким переходом к пределу усталости материала, а значит, разрушению конструкции.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- При оценке деформационных характеристик рассматриваемого объекта необходимо учитывать совокупность факторов, действующих на объект;
- Применение лазерного сканирования возможно при проведении замеров по всему периметру здания с проведением нескольких сеансов и исключением повторяющихся или ошибочных измерений;
- Точная оценка деформационных измерений возможна лишь в случае комплексного подхода, результатом которого является получение массива данных, которые охватывают пространственные характеристики объекта.
А.Р. Валиева, «Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка», Выпуск №3 от 2016 года.