Геодезические наблюдения за деформациями зданий и сооружений

Общие сведения о деформациях и причинах их возникновения

Наблюдение за деформациями зданий и сооружений представляют собой одну из важных и ответственных задач в практической геодезии. С абсолютной уверенностью можно констатировать, что ни одно строительство крупных зданий или сооружений не обходится без деформационных измерений, а для сооружений, где от величины происходящих деформаций зависит их устойчивость и особенно нормальный режим технологического процесса, наблюдения, начатые в период строительства, могут продолжаться и весь период эксплуатации. При этом объем и сложность наблюдений, а также требования к точности их производства из года в год возрастают.

Так, например, если при строительстве допустимые ошибки при монтаже конструкций измеряются единицами миллиметров, то при монтаже технологического оборудования они могут быть ограничены десятыми и даже сотыми долями миллиметра.

Для обеспечения современных требований разрабатываются специальные методы и средства измерений, основанные на последних достижениях науки и техники. Специфика наблюдений за деформациями позволяет, а в некоторых случаях и требует применения автоматизированных систем и приборов.

Для оценки результатов наблюдений за деформациями применяются методы математической статистики. В настоящее время накоплен большой опыт в области теории и практики геодезических измерений деформаций зданий и сооружений.

Деформации оснований зданий и сооружений происходят за счет взаимного перемещения частиц грунта и их сжимаемости. Основными факторами, оказывающих влияние на сжимаемость грунтов являются:

• — пористость и глубина сжимаемой толщи;
• — вес, размеры, форма и конструктивная жесткость фундамента;
• — конструктивная жесткость, распределение давления по подошве фундаментов;
• — природные факторы (способность грунта к просадкам, пучению, влажность, уровень грунтовых вод и т.д.).

Грунты оснований (для жилых зданий) по степени сжимаемости условно можно разделить на три вида:

• — слабо сжимаемые (модуль упругости Е > 2 кПа, или когда средняя измеренная осадка здания S 15 см).

Для наглядного представления процесса осадки можно предположить, что все фундаменты здания или сооружения заложены на одной и той же проектной отметке. В результате сжатия частицы грунта, лежащие на этой плоскости, могут смещаться от начального положения и образовывать некоторую деформируемую поверхность. При этом частицы грунта могут перемещаться как вниз — вверх в вертикальной плоскости, так и в стороны (выдавливание грунта). Поэтому, различают следующие виды деформаций:

• — перемещение фундаментов и всего сооружения вниз называют осадкой (равномерно или неравномерно);
• — набухание и усадка — деформации, связанные с изменением объема некоторых глинистых грунтов при изменении влажности и температуры;
• — оседания земной поверхности — деформации, вызванные разработкой полезных ископаемых или изменением гидрогеологических условий (осадочные грунты);
• — перемещение фундаментов вверх — выпучивание (пучинистые грунты);
• — перемещение в сторону — горизонтальные смещения или сдвиг здания или сооружения.

Математически характеристика осадок выражается величинами перпендикуляров, опущенных с начальной горизонтальной плоскости, образованной подошвой фундамента, до пересечения с деформированной поверхностью. В тех случаях, когда отрезки этих перпендикуляров равны, осадки называются равномерными, когда отрезки не равны, осадки называют неравномерными.

Равномерные осадки могут происходить лишь в тех случаях, когда давление, вызываемое весом сооружения, и сжимаемость грунтов основания под фундаментом одинаковы. Неравномерные осадки происходят в результате различного давления частей сооружения и неодинаковой сжимаемости грунтов под фундаментом, что в свою очередь вызывает разного рода перемещения и деформации в надземных конструкциях.

Рис. 2.51. Схема работы грунта основания фундаментов под нагрузкой:

а) равномерные осадки; б) неравномерные осадки

Следует заметить, что равномерные осадки на сжимаемых грунтах явление достаточно редкое в силу неоднородности геологического строения оснований, так как геологическое строение грунтов, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, даже на незначительных площадях неоднородно.

Равномерные осадки не снижают прочности и устойчивости зданий или сооружений, но большие по величине равномерные осадки могут вызвать при эксплуатации сооружения осложнения и способствовать появлению новых нежелательных деформаций.

Неравномерные осадки являются более опасными по вызываемым ими последствиям для зданий и сооружений. Например, даже незначительный наклон высокого сооружения может вызвать нарушения при эксплуатации лифта или привести к перенапряжениям в несущих конструкциях. Опасность тем больше, чем значительнее разность осадок частей сооружений и чем чувствительнее к ним его конструкции.

В том случае, когда сжимаемость грунтов под фундаментом неодинаковая или нагрузка, приходящаяся на грунт, различная, возникают деформации смещения или кручения, которые внешне могут проявляться в виде трещин и даже разломов.

При расчете осадок следует различать конечную или стабилизированную осадку, соответствующую полному уплотнению грунта основания, и нестабилизированную — осадку, изменяющуюся во времени и соответствующую незавершенному процессу уплотнения грунтам основания.

Просадки — деформации, носящие провальный характер и вызываемые коренным изменением сложения грунта (например, уплотнением мелкопористого грунта при его замачивании, уплотнение рыхлых песчаных грунтов вследствие сотрясения, оттаиванием мерзлых грунтов, выпиранием грунта из-под сооружения и т.д.).

Деформации основания характеризуются:

— Абсолютной (полной) осадкой отдельных точек фундамента, определяемой измерениями. Абсолютная осадка S каждой отдельной точки сооружения вычисляется как разность отметок начального Н и текущего //, циклов измерений, определенных относительно отметки исходной, неподвижной точки:

— Средней осадкой здания или сооружения S_cp, определяемой вычислением по данным фактических осадок не менее чем трех отдельных фундаментов расположенных в пределах здания или сооружения (вычисляется только при мало изменяемой сжимаемости основания):

где п — кол-во точек. Одновременно со средней осадкой для полноты общей характеристики указывают наибольшую S_max и наименьшую S_mi_n осадки точек сооружения.

— Разности осадок AS двух точек i и j или двух циклов наблюдений вычисляются соответственно по формулам:

— Послойная деформация AS грунтов основания или толщи тела сооружения мощностью z определяется как разность осадок точек, закрепленных в кровле и подошве слоя грунта сооружения:

• — Перекосом конструкций (для относительно жестких зданий и сооружений), измеряемым максимальной разностью неравномерных осадок двух соседних опор, отнесенной к расстоянию между ними.
• — Креном (для абсолютно жестких зданий и сооружений), представляющим наклон или поворот основных плоскостей всего сооружения в результате неравномерных осадок, без нарушения его цельности и геометрических форм. В строительной практике различают крен сооружения, который характеризуется отклонением его вертикальной оси от отвесной линии и выражается в угловой, линейной или относительной мере, и крен фундамента, понимаемый как отклонение плоскости его подошвы от горизонта и выражаемый в линейной или относительной мере. Для оценки устойчивости сооружений более наглядной является характеристика крена, отнесенная к расстоянию L между точками i и j . Относительный крен К (соответственно — завал и перекос) вычисляется по формуле:

— Относительным прогибом фундамента, представляющим частное от деления величины стрелы прогиба на длину изогнувшейся части здания или сооружения. Симметричный относительный прогиб/отдельных частей сооружения вычисляется по формуле:

где Sj и Sj — осадки точек i и/ фиксированных по краям прямолинейного участка сооружения длиной L; — осадка точки К, расположенной в середине между точками i и/ Направление прогиба определяется знаками: плюс — выпуклая чаша, минус — вогнутая чаша.

• — Кручением здания, представляющим собой сложную деформацию, поворот его параллельных поперечных сечений вокруг продольной оси в разные стороны и на разные углы.
• — Горизонтальное смещение Q отдельной точки сооружения характеризуется разностью ее координат X_n, Y_n, X_m, Y_m соответственно в я-ном и m-ом циклах наблюдений. Положение осей координат, как правило, совпадает с главными осями сооружений. В общем случае смещения вычисляют по формулам:

— Трещинами, представляющих собой разрывы в отдельных элементах конструкций здания или сооружения и возникающих вследствие неравномерных осадок и дополнительных напряжений, вызванных этими осадками.

Основные причины осадок и деформаций можно условно разделить на две группы: общие причины и частные причины.

Общие причины обусловлены особенностями инженерно-геологическими и гидрологическими условиями, а также физико-механическими свойствами грунтов. К ним относятся:

• — способность грунтов к упругим и пластическим деформациям (просадкам, оползням, карстовым явлениям и т.п.) под влиянием приложенных нагрузок;
• — неоднородное геологическое строение основания, приводящее к неравномерному сжатию и перемещениям грунтов под воздействием нагрузок от собственного веса сооружения;
• — пучение при замерзании грунтов насыщенных влагой и оттаивании мерзлых насыщенных льдом грунтов;
• — изменение гидротермических условий, связанных с сезонными и многолетними колебаниями температуры и уровня грунтовых вод.

Частные причины обусловлены погрешностями, возникающими при изысканиях и проектировании, особенностями при производстве строительных работ, эксплуатации зданий и сооружений. К ним относятся:

• — недостаточно правильная планировка участка, плохой дренаж атмосферных и паводковых вод;
• — неточности, допущенные при проведении инженерногеологических и гидрогеологических изысканий;
• — искусственное понижение или повышение уровня грунтовых вод при проведении строительных работ;
• — увлажнение лессовидных и оттаивание мерзлых грунтов;
• — ослабление основания подземными разработками, приводящее к смещению всей толщи напластований над выработками или к выносу частиц грунта в выработанное пространство;
• — возведение (в непосредственной близости) новых крупных сооружений;
• — изменение давления, вызванное надстройкой, переменной загрузкой и т.п.;
• — неравномерное распределение давления сооружения по подошве фундамента (ступенчатые надземные конструкции);
• — форма, размеры и конструктивная жесткость фундамента;
• — вибрация фундаментов, вызываемая интенсивным движением транспорта (особенно рельсового), работой всевозможных машин и оборудования.

Проведение геодезических наблюдений за деформациями зданий и сооружений необходимо не только в отношении строящихся объектов, но и тех, которые оказались в зоне влияния данного строительства. Основная задача проведения таких работ – своевременное выявление критичных по своей величине деформаций с установлением причин их возникновения. Также специалистами составляется прогноз на их возможное развитие, разрабатывается комплекс мер по предотвращению нежелательных процессов.

Как проводится мониторинг

В область проведения работ входят наблюдения как за вертикальными, так и за горизонтальными смещениями. В первом случае речь идёт об осадке здания или сооружения, которые встречаются на практике особенно часто. Процесс мониторинга в данном случае заключается в закладывании по периметру здания деформационных марок, позволяющих впоследствии выполнить геометрическое нивелирование при помощи специализированной аппаратуры с достаточно высокой точностью измерения.

По итогам выполнения работ специалистами будет получена разность высотных отметок на каждом из циклов измерений, что позволит проанализировать величину деформации, скорость её изменения. Для полноты картины обязательно мониторится состояние трещин на фасаде такого здания, появление которых приводит к снижению общей жёсткости конструкции, иногда даже к разбивке стен на отдельные блоки. Решением вопроса может стать усиление фасада при помощи металлических конструкций, перекладка или восстановление проблемных участков.

Наблюдения за объектами башенного типа

Горизонтальные смещения (сдвиги и крены) имеют место чаще всего там, где здания были изначально построены в потенциально опасном с геологической точки зрения районе или относятся к сооружениям башенного типа. В данном случае специалистами по выполнению геодезических работ для обеспечения высокой точности проводимых измерений используются роботизированные станции высокой точности.

При этом может быть использовано несколько методов наблюдений чаще всего производится нивелирование марок, которые расположены по периметру (их количество не должно быть менее 4). Также может быть использована методика проектирования верха сооружения теодолитом, который установлен на опорной точке, к его основанию. Все операции в данном случае проводятся с двух точек, которые расположены на взаимно-перпендикулярных плоскостях по отношению друг к другу. Вектор смещения в данном случае определяется исходя из величины смещения вертикальной плоскости, пересекающей ось сооружения.

Результатом проведенных геодезистами работ становится формирование технического заключения о состоянии сооружения, прогнозах на развитие каждой из выявленных деформаций, а также перечень рекомендаций, выполнение которых позволит предотвратить возможные критические последствия.

← Остались вопросы? Напишите в форму слева или позвоните по телефону +7 (495) 673-73-30 .

Основной целью наблюдений является определение величин деформации для оценки устойчивости сооружения и принятия своевременных профилактических мер, обеспечивающих его нормальную работу.

Кроме того, по результатам наблюдений проверяется пра­вильность проектных расчетов и выявляются закономерности, позволяющие прогнозировать процесс деформации.

Наблюдения за деформациями сооружений представляют собой комплекс измерительных и описательных мероприятий по выявлению величин деформаций и причин их возникновения.

Для сложных и ответственных сооружений наблюдения на­чинают одновременно с проектированием. На площадке буду­щего строительства изучают влияние природных факторов и в этот же период создают систему опорных знаков с тем, чтобы заранее определить степень их устойчивости.

Наблюдения непосредственно за сооружением начинают с момента начала его возведения и продолжают в течение всего строительного периода. Для большинства крупных сооружений наблюдения проводятся и в период их эксплуатации. В зависи­мости от характера сооружения, природных условий и т. д. на­блюдения могут быть закончены при прекращении деформаций, а могут продолжаться и весь период эксплуатации.

На каждом этапе возведения или эксплуатации сооружения наблюдения за его деформациями производят через определен­ные промежутки времени. Такие наблюдения, проводимые по календарному плану, называются систематическими.

В случае появления фактора, приводящего к резкому изме­нению обычного хода деформации (изменение нагрузки на ос­нование, температуры окружающей среды и самого сооружения, уровня грунтовых вод, землетрясение и др.), выполняют сроч­ные наблюдения.

Параллельно с измерением деформаций для выявления при­чин их возникновения организуют специальные наблюде­ния за изменением состояния и температуры грунтов и подзем­ных вод, температурой тела сооружения, за изменением метео­условий и т. п. Ведется учет изменения строительной нагрузки и нагрузки от установленного оборудования.

Для производства наблюдений составляют специальный про­ект, который в общем случае включает в себя:

техническое задание на производство работ;

общие сведения о сооружении, природных условиях и режи­ме его работы;

схему размещения опорных и деформационных знаков;

принципиальную схему наблюдений;

расчет необходимой точности измерений;

методы и средства измерений;

рекомендации по методике обработки результатов измерений и оценке состояния сооружения;

календарный план (график) наблюдений;

состав исполнителей, объемы работ и смету.

От правильного выбора точности и периодичности зависят методы и средства измерений, затраты на их производство и достоверность получаемых результатов.

Точность и периодичность измерений указываются в техни­ческом задании на производство работ или в нормативных до­кументах. В особых случаях эти требования могут быть полу­чены путем специальных расчетов.

В нормативных документах требования к точности опреде­ления осадок или горизонтальных смещений характеризуются средней квадратической ошибкой:

1 мм — для зданий и сооружений, возводимых на скальных или полускальных грунтах;

3 мм — для зданий и сооружений, возводимых на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах;

10 мм — для зданий и сооружений, возводимых на насып­ных, просадочных и других сильно сжимаемых грунтах;

15 мм — для земляных сооружений.

На оползневых участках осадки измеряются со средней квадратической ошибкой 30 мм, а горизонтальные смещения -10 мм.

Крены дымовых труб, мачт, высоких башен и т. п. измеря­ются с точностью, зависящей от высоты Н сооружения и харак­теризуемой величиной 0.0005Я.

Установить необходимую точность измерения деформаций расчетным путем довольно сложно, однако для многих практи­ческих задач можно пользоваться формулой m_ф£0,2DФ, где m_ф — средняя квадратическая ошибка измерения деформа­ции; DФ — величина деформации за промежуток времени меж­ду циклами измерений.

Выбор времени между циклами измерений зависит от вида сооружения, периода его работы, скорости изменения деформа­ции и других факторов. В среднем в строительный период сис­тематические наблюдения выполняют 1-2 раза в квартал, в период эксплуатации – 1-2 раза в год. При срочных наблю­дениях их выполняют до и после появления фактора, резко из­меняющего обычный ход деформации.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8460 — | 7349 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно