Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных представлений о динамике грунтов в основании инженерных сооружений 9
1.1. Основные черты и особенности грунтов и физико-географических условий г. Москвы и Московской области 9
1.1.1. Краткий физико-географический очерк 10
1.1.2. Стратиграфия района 11
1.2. Опасные геологические процессы на территории г. Москвы, активизация процессов во время строительства 25
1.2.1. Карстовые процессы 26
1.2.2. Оползневые процессы 28
1.2.3. Подтопление территории 28
1.2.4. Опасные процессы, связанные со строительством 32
1.2.5. Прогноз геодинамической ситуации на площадке строительства 33
1.3. Изученность процессов в грунтах оснований высотных зданий по экспериментальным данным 36
1.4. Нормативные документы по мониторингу конструкций и грунтов основания высотных зданий в г. Москве 44
Глава 2. Аппаратура и методики мониторинга высотных зданий и грунтового массива в их основании 48
2.1. Обзор методов изучения напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород 48
2.1.1. Методы изучения естественного (начального) НДС горных пород 51
2.1.2. Методы изучения изменений НДС массива горных пород в процессе строительства 55
2.1.3. Методы моделирования изменения НДС массива горных пород 56
2.1.4. Аналитические методы изучения НДС грунтового массива 60
2.2. Зарубежный и отечественный опыт создания систем инструментального мониторинга высотных зданий 63
2.3. Цели, задачи и требования к комплексной системе мониторинга высотных зданий 71
2.4. Обзор современных средств мониторинга высотных зданий 76
2.4.1. Оборудование для мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций 76
2.4.2. Оборудование для контроля изменения пространственного положения объекта и структурной целостности важнейших элементов и сочленении 78
2.4.3. Оборудование для контроля грунтового массива 84
2.4.4. Оборудование для мониторинга колебаний конструкции здания 92
2.5. Способы выбора схем расстановки датчиков в системах инструментального мониторинга высотных зданий 94
Глава 3. Опыт создания комплексной системы инструментального мониторинга высотного здания 100
3.1. Описание объекта исследований, структура системы мониторинга 100
3.1.1. Геотехнический мониторинг грунтового массива основания 104
3.1.2. Мониторинг строительных конструкций 112
3.1.3. Мониторинг собственных частот колебаний конструкции 115
3.1.4. Центральный блок системы мониторинга - автоматическая система регистрации данных l19
3.2. Методика установки датчиков. Основные ошибки 122
3.2.1. Установка датчиков давления на грунт 122
3.2.2. Установка скважинных систем контроля осадок 126
3.2.3. Установка гидрогеологической скважины 128
3.2.4. Установка тензометрических датчиков напряжений 129
3.2.5. Установка и пуско-наладка автоматических блоков регистрации 130
3.3. Методика первичной обработки результатов измерений 134
3.4. Разработка схемы наблюдений во времени 136
Глава 4. Основные процессы в грунтовом массиве основания и высотного здания 141
4.1. Результаты мониторинга и сравнение с расчетными параметрами 141
4.1.1. Результаты мониторинга давления на грунт 142
4.1.2. Результаты мониторинга осадок грунта в основании здания 156
4.1.3. Результаты мониторинга напряжений в конструктивных элементах 161
4.1.4. Результаты мониторинга собственных частот колебаний конструкции 164
4.2. Сопоставление результатов мониторинга для различных видов наблюдении 167
4.2.1. Сравнение результатов мониторинга давления на грунт и осадки грунта 167
4.2.2. Сравнение результатов мониторинга давления на грунт и напряжении в конструкциях 170
4.3. Анализ скорости развития процессов 171
Заключение 176
Список литературы 178
- Стратиграфия района
- Зарубежный и отечественный опыт создания систем инструментального мониторинга высотных зданий
- Мониторинг собственных частот колебаний конструкции
- Анализ скорости развития процессов
Введение к работе
Актуальность и практическая ценность. Исследование поведения горных пород при различных воздействиях является одним из главных направлений геофизических исследований, при этом особое место занимает изучение грунтов в основании сооружений. Данное направление традиционно для ИФЗ РАН, но основной упор обычно делается на изучение сейсмических свойств грунтов - это работы СВ. Медведева, Н.В. Шебалина, В.В. Штейнберга., А.В. Николаева, А.С. Алешина, Ф.Ф. Аптикаева и др. Особое значение для целей диссертации имеет анализ воздействия вибраций на грунты - исследования Ю.И. Васильева, А.А. Гвоздева, В.В. Кузнецова, А.С. Алешина и др. При рассмотрении техногенных явлений помимо вибрационных нагрузок существенны наблюдения более медленных процессов в верхней части разреза, в том числе в прибортовых частях водохранилищ (О.И. Силаева, А.И. Савич и др.). В строительной науке также накоплены знания о деформационных свойствах грунтов (И.Г. Миндель, З.Г. Тер-Мартиросян, R. Katzenbach и др.). Особое место занимают разработки, связанные с методикой и техникой наблюдения процессов в фунтах, удачным примером является создание систем деформационного мониторинга фунтов в Москве (В.А. Волков, В.Б. Дубовской и др.). Таким образом, диссертация продолжает важное направление геофизических исследований, но нацелена на вопросы, которые ранее не рассматривались либо изучены недостаточно.
В настоящее время произошли существенные изменения в строительстве - как по воздействиям на фунты, так и по требованиям к безопасности сооружений. Это, в первую очередь, относится к высотным зданиям, т.к. происходит значительное усложнение конструкции, особенно для фундаментов, увеличивается глубина их заложения. Тем самым поле распределения нафузок становится достаточно сложным для применения стандартных простых методов прогноза воздействий, применяемых в строительстве. Часто в крупных городах строительство высотных домов ведется на участках с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями, что делает роль геологических процессов в фунтах еще более значимой для целостности здания. Все это определяет актуальность и практическую значимость детального изучения фунтов основания высотных зданий и происходящих в них процессов для безопасности при их строительстве и эксплуатации. Исследование фунтов оснований высотных зданий опирается на проведение натурных наблюдений - создания инструментальных систем мониторинга фунтового массива, включающих и наблюдения за конструкциями.
Помимо практической значимости работы, присутствует важный фундаментальный аспект - появляется возможность детально исследовать явления в фунтах основания высотных зданий «in situ», а не на образцах. Существенно, что проведение наблюдений во время строительства и после его завершения позволяет изучить процессы в фунтовом массиве при изменениях динамики воздействия (с разными скоростями и продолжительностью).
В диссертации на основании данных, полученных с помощью разработанных и реально действующих систем мониторинга на двух высотных зданиях в Москве, представлены результаты экспериментального изучения пространственно-временных вариаций различных параметров, характеризующих грунтовый массив основания (давления на фунт, послойной и суммарной осадки) и взаимодействия фунта со строительными конструкциями, преимущественно в нижней части высотных зданий.
Объект исследования: фунты основания высотных зданий и происходящие в них процессы; средства измерения, в том числе типы датчиков и схемы их
расстановки; регламент проведения измерений и приемы сопоставления экспериментальных и расчетных данных.
Цель работы: разработка методики и техники инструментального мониторинга основных геологических процессов, происходящих в грунтах оснований и конструкциях нижней части высотных зданий, их характерных пространственно-временных размеров и вариаций.
Задачи, которые необходимо было решить для достижения поставленной цели:
1. Составление литературных обзоров:
опасных геологических процессов и их активизации при строительстве;
экспериментальной изученности процессов в основаниях высотных зданий;
методов исследования напряженно-деформированного состояния горных пород;
современных средств мониторинга грунтов и строительных конструкций;
опыта создания систем мониторинга.
-
Детальный анализ результатов инженерно-геологических изысканий для конкретного объекта и разработка способов прогноза воздействия высотного здания на вмещающий фунтовый массив путем доинтерпретации стандартных данных.
-
Выбор инструментов мониторинга (методов измерения и типов датчиков), разработка алгоритма размещения датчиков на основе анализа инженерно-геологической ситуации и конструктивного решения, их установка на объекте.
-
Проведение режимных наблюдений в процессе строительства и выбор оптимального временного интервала измерений, выявление изменений в грунтах в процессе возведения здания.
-
Выполнение продолжительных и детальных по времени наблюдений путем запуска системы мониторинга в автоматическом режиме при завершении строительства, выявление и анализ процессов в фунтах при постоянной нафузке.
-
Сопоставление расчетных и экспериментальных значений параметров, а также данных разных типов наблюдений, создание общей картины изменений в фунтах.
Научная новизна:
-
Впервые проведено обобщение и систематизация современных подходов к мониторингу высотных зданий и фунтов их оснований, а также применяемых для этих целей аппаратурных средств.
-
Разработан и запатентован способ расстановки датчиков в системе мониторинга на основе статистического анализа расчетных парамефов конструкций зданий и фунтового массива основания (патент RU 2365895 С1).
-
Впервые в России на высотных объектах (г. Москва) реализована автоматическая система инструментального мониторинга совместно фунтов и консфукций, объединившая в едином комплексе наблюдения различных физических величин, что определило уникальность полученных результатов.
-
Получены ранее не известные данные об изменении температурного режима фунтов в основании высотного здания при его возведении.
-
Впервые получена реальная пространственно-временная картина изменения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) фунтов в основании высотных зданий, выявлены циклические годовые вариации этих параметров и скорости процессов.
-
Впервые определен и обоснован оптимальный временной регламент проведения мониторинга при сфоительстве зданий.
Обоснованность результатов и выводов обеспечивается применением сертифицированной аппаратуры, подтверждается статистическим анализом значительного объема накопленных данных, согласованностью результатов по данным наблюдений разных типов. Защищаемые положения:
-
Высотные здания оказывают значительные воздействия на фунты основания, заметно превышающие (до 30% и более) нормативные величины, принятые в настоящее время в строительстве. Углубленная интерпретация материалов инженерных изысканий позволяет уточнить размеры зоны влияния зданий по глубине и по площади, а также оценить направление развития процессов в грунтах до начала строительства.
-
Для получения надежных и достоверных оценок пространственно-временной динамики напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов, а также выявления тонких особенностей регистрируемых изменений существенно сочетание инструментов и методов разных типов в единой системе. При этом наиболее важными составляющими системы являются измерения: осадки здания (послойные и суммарные) в скважинах, давления на грунт под фундаментной конструкцией, деформаций в конструкциях фундамента, выполняемые специализированными датчиками в сочетании с геодезическим мониторингом осадки здания и окружающей застройки.
-
На примере создания автоматизированных систем мониторинга конструкций и фунтов основания двух высотных зданий в Москве показаны как удачные решения, так и ошибки на этапах проектирования, установки и наладки этих систем. Комплексный анализ данных позволил выявить на фоне интефальных трендовых изменений контролируемых параметров тонкие особенности протекания деформационных процессов, существенные для безопасности здания.
-
Экспериментально установлено, что НДС фунтов основания испытывает отчетливые пространственно-временные изменения не только в процессе, но и при приостановке строительства. Помимо особенностей геологического строения и конструкции фундамента, наиболее значимыми причинами этого являются следующие: локальные изменения гидрологической ситуации, нарушения технологии строительства, изменения величин нафузок и скоростей их роста при возведении зданий. При постоянной нафузке (в период приостановки строительства) в просфанственной мозаике вариаций НДС в фунте проявляется отчетливая годовая цикличность, при которой со временем, тем не менее, не происходит локальное накопление изменений.
Личный вклад автора: присутствует на всех этапах работы: создания (разработки, установки и наладки) системы мониторинга, проведении измерений в «ручном» и автоматическом режимах, в обработке и анализе полученных результатов. Работа преимущественно экспериментальная, представленные материалы получены автором лично и в соавторстве.
Апробация. Важная часть работы защищена патентом «Способ дистанционного конфоля и диагностики состояния конструкций и оснований зданий и сооружений» (RU 2365895 С1). Результаты доложены на ряде всероссийских и международных конференций в том числе: Международной конференции «Изменяющаяся геологическая среда: просфанственно-временные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов», Казань (2007 г.); Девятой Уральской молодежной научной школе по геофизике «Современные проблемы геофизик»,
Екатеринбург (2008 г.); X конференции «Сергеевские чтения. Международный год планеты Земля», Москва (2008 г.); Научной конференции молодых ученых и аспирантов ИФЗ РАН, Москва (2009 г.); Конференции «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии», Москва (2010 г.); Международном конгрессе «Геотехнические проблемы мегаполисов», Москва (2010 г.), Первом национальном конгрессе «Комплексная безопасность», Москва (2010 г.).
Публикации: по теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, получен патент.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и содержит 145 страниц текста, а также 109 рисунков и 15 таблиц. Список литературы - 108 библиографических наименований.
Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю -доктору физ.-мат. наук Капустин Наталии Константиновне за руководство, постоянную поддержку и внимание к работе. Особую благодарность автор выражает Сухину В.В. (генеральному директору) и всем сотрудникам ООО «ГПИКО ЛТД» (Соколову В.В., Храмову И.В., Кокоеву О.В., Прокину А.Ю., Мишанову А.И. и др.) за помощь в создании системы мониторинга и проведении наблюдений. Автор благодарен сотрудникам ИФЗ РАН, ИЭПС и АНЦ УрО РАН, специалистам ОАО «ЦНИИЭП жилища» за советы при выполнении данной работы и искреннее внимание, уделяемое исследованию. За творческое общение и интересные дискуссии автор благодарен чл-корр. РАН Уткину В.И., к.т.н. Антоновской Г.Н., Климову А.Н., Вознюку А.Б., Артемову С.Л., Соколовой Т.Б. и многим другим.
Стратиграфия района
В геологическом разрезе территории г. Москвы выделяется девонские (палеозой);, верхнепротерозойские (рифей, венд), нижнепротерозойские и архейские метаморфические и магматические породы фундамента и породы осадочного чехла верхнего палеозоя-кайнозоя. Учитывая направленность нашего исследования и то, что атлас (Геологический атлас..., 2010) предназначен для обеспечения геологической основой строительства и транспорта - описание стратиграфических подразделений представлено в интервале глубин до 100-150 м, начиная с каменноугольных отложений. Залегающие глубже девонские, верхнепротерозойские, нижнепротерозойские и архейские метаморфические и магматические породы фундамента не рассматриваются.
Каменноугольная системам Каменноугольные отложения распространены повсеместно. Поверхность карбона сильно эродирована. На ней прослеживаются несколько крупных доюрских. долин, выполненных аллювиальными и ингрессивнымиг морскими отложениями средней ..юры-и имеют каньонообразную форму. (Северо-Западный; и Юго-Восточный округа) Средне-каменноугольные отложения; выходят на поверхность карбона в южной трети площади Москвы, а также в тальвегах доюрских долин. На остальной в кровле каменноугольных пород залегают отложения верхнего отдела.
Средний г отдел, Московский ярус. Верейская свита (C vr) с размывом залегает на нижнекаменноугольных отложениях, сложена пестроцветными глинами с прослоями песков и алевритов в основании. Свита является надежным региональным водоупором. Мощность отложений достигает 9-15 м. Каширская свита (Cjks) развита повсеместно, без существенных размывов залегает на верейской и представлена карбонатными породами с четко прослеживающимися по простиранию терригенно-карбонатными пачками. Мощность свиты 56-60 м. Подольская свита (C pd) развита повсеместно, согласно залегая на каширской свите. В верхней части представлена преимущественно доломитами, ниже залегают органогенно-детритовые, водорослевые и шламовые известняки; Мощность составляет 25-27 м. Мячковская свита (G2mc) развита повсеместно, согласно залегая на подольской свите, перекрывается верхнекаменноугольными отложениями в северных двух третях площади города, а в южной трети города мезозойскими и четвертичными отложениями. Свита сложена преимущественно белыми органогенными известняками с подчиненными прослоями доломитизированных известняков и доломитов. Мощность свиты 20-25 м.
Верхний отдел, Касимовский ярус. Верхнекаменноугольные отложения распространены на северных двух третях территории г. Москвы. Они залегают на среднекаменноугольньгх известняках с небольшим размывом, который в некоторых скважинах отмечается маломощным (0,2-0,5м) конгломератом карбонатных пород на глинистом и карбонатном цементе. Перекрываются в основном отложениями мезозоя и четвертичного времени, а на очень небольших участках отложениями гжельского яруса. В составе касимовского яруса присутствуют кревякинская, хамовническая свитьъ и дорогомиловская серия, состоящая из тестовской и яузской свит. Кревякинская свита, (Сзкг) залегает с небольшим размывом на белых известняках мячковской свиты. Нижняя — суворовская подсвита (Сзкгі) сложена преимущественно известняками и доломитами с подчиненными прослоями пестроцветных (зеленых и красных) глин и мергелей. Мощность подсвиты от 6,5 до 12 м. Верхняя - Воскресенская подсвита (Сз&г?) представлена пестроцветными глинами, с прослоями мергелей и, редко, с маломощными прослоями органогенно-обломочных известняков. Мощность подсвиты от 7 до 10 м. Хамовническая свита (Cjhm) залегает на кревякинской свите. Нижняя — ратмировская подсвита (ЄзИті) состоит в основном из известняков и доломитов с подчиненнылга прослоями гліш и мергелей. Мощность ее от 4,5і до 12 м: Верхняя - Неверовская подсвита (Єз/г;»г) состоит из пестроцветных глин и мергелей с маломощными прослоями органогенно-обломочных известняков. Эта подсвита является водоупором. Дорогомиловская серия, Тёстовская свита (СЗУ) делитсянадве подсвиты — нижнюю — перхуровскую, преимущественно карбонатную, и верхнюю — мещеринскую, преимущественно глинистую. Но в верхней подсвите по литологическому составу выделяются еще две пачки - нижняя с малым количеством глинистой и мергелистой составляющей и верхняя - глинистая. Мощность нижней картируемой толщи - Єз у-Єз меняется от 6 до 12 м. Для верхней толщи характерно — 3-5 м. Яузская свита (Суaz) представлена: нижней — Измайловской подсвитой (Cy azi), сложенной белыми органогенно-обломочными известняками, мощностью от 6 до 10 м, и верхней -трошковской подсвитой {Cy azj), представленной пестроцветными глинами преимущественно красными с прослоями зеленых, мощностью 5-6-м:
Верхний отдел. Гжельский ярус. Речицкая свита (Сзгс) распространена очень ограниченно в Центральном округе и на восточных окраинах Восточного округа. В ее составе выделены: нижняя — русавкинская подсвита (Сзгс/), представленная известняками с подчиненными прослоями глин (вскрытая мощность 6 м), и верхняя - щелковская подсвита (С-згсг) - глинистая, вскрытой мощностью 5 м.
Мезозойские отложения. На территории Москвы мезозой представлен юрскими и меловыми отложениями. Кровля мезозойских отложений залегает на абсолютных отметках от 80 до 242"м в значительной степени повторяя рельеф кровли четвертичных отложенийі На фоне общего погружения палеорельефа к северо-востоку, наблюдается система погребенных долин, в большинстве случаев унаследованных современными.
Юрская система, Средний отдел, Байосский-Батскии ярусы нерасчлененныс. Кудшювская толща (тгЫ) вскрыта скважинами в изолированных западинах палеозойского рельефа в районах: Преображенской площади, Проспекта Мира и Ходынки. Она представлена глинами светло-зеленовато-серыми, тугопластичными, с тонкими прослоями алевритов и песков тонкозернистых кварцевых, слюдистых с нечеткой горизонтальной и косой слоистостью. В глинах присутствуют обугленные растительные остатки. Максимальная мощность толщи -8 м. Батский ярус. Москворецкая толща Qzmr) - отложения приурочены к днищам доюрских ложбин. По литологическому составу толща подразделяется на 2 пачки: нижняя (J2/W7) русловая, фация сложена песками серыми; кварцевыми разнозернистыми; внизу с гравием карбонатных пород и кремней, с включением обугленной древесины. Мощность в главной доюрской ложбине достигает 14 м; верхняя;пачка.(. wr?) (старичнаяш; озерно-болотная фации) завершает континентальный цикл накопления осадков батского возраста. Эта пачка сложена глинамиj с подчиненными прослоями песка, с обугленными, растительными остатками. Мощность глин чаще 2-6 м, иногда достигает 9 м.
Келловейский ярус. Люблинская толща (ІгІЬ) развита в пределах погребенных доюрских ложбин, где с интенсивным размывом перекрывает батские и каменноугольные отложения. В основании ее часто фиксируется базальный конгломерат. Толща сложена алевритами и глинами, тонкослоистыми за счет прослоев тонкозернистых песков. Породы содержат обугленные древесные остатки. Мощность их З-б м, максимальная 9 м. Криушская свита (hk ) приурочена к понижениям древнего рельефа и сложена песками кварцевыми буро-серыми, глинистыми разнозернистыми с раковинным детритом,. обильными железистыми оолитами, с прослоями оолитового песчаника на глинисто-карбонатном цементе. Мощность свиты чаще 4-9 м, максимальная 17 м.
Келловейский; оксфордский и кимериджский ярусы нерасчлененные. Великодворская-ермолинская свиты, нерасчлененные (Іг-ivd-er) - отложения развиты повсеместно, за исключением тальвегов крупных дочетвертичных палеодолин Москвы и Яузы и представлены глинами черными, алевритистымитугопластичными, с карбонатным детритом, с редкими желваками глинистых фосфоритов и конкрециями пирита и марказита. Преобладающая мощность - 16-20, на юго-востоке в пределах палеодолины Москвы мощность увеличивается до 30 - 32 м, а на водоразделах палеозойского рельефа уменьшается до 5-10 м.
Верхний отдел, Титонский. ярус. Егорьевская свита (heg) сложена песками черными,, черно-зелеными глауконит-кварцевыми, мелко-, среднезернистыми, глинистыми конкрециями кварц-глауконитового песчаника на фосфоритовом цементе и конкрециями глинистых черных фосфоритов. Внизу редко встречаются алевритовые глины с фауной. Мощность свиты от 1,5-2,2 м до 3 м. Филевская свита Q$fl) развита почти повсеместно за исключением днищ крупных доледниковых долин; Она представлена алевритами глинистыми, вверху с примесью супеси, внизу переходящими в, алевритовые глины .темно-серые до черных с зеленоватым оттенком, сильно слюдистые, с включениями пирита, с фауной. Мощность колеблется от 3,5-5 м на крайнем северо-западе и юге до 11-13,5 м северо-восточнее Солнцево. Меловая система, Титонский-Бериасский ярусы нерасчлененные. Лопатинская свита (J3 — Kj/p) развита практически повсеместно, за исключением древнечетвертичных палеодолин и представлена песками зелено-черными, глауконит-кварцевыми тонко- и мелкозернистыми, реже среднезернистыми, с прослоями глинистых алевритов, преимущественно вблизи подошвы. Мощность колеблется от 4 до 7,5 м.
Нижний отдел, Бериасский-Готеривский ярусы нерасчлененные. Кунцевская-Гремячевскаячполщи нерасчлененные (K\kn-gr). Пески глауконит-кварцевые мелко- и тонкозернистые с линзами черных алевритистых глин, сильно слюдистых. В кровле толщи встречаются ржаво-бурые песчаники кварцевые на слабом железистом цементе и пески среднезернистые ржаво-бурые. Мощность толщи — 22-24 м.
Готеривский ярус. Котельниковская свита (K\kt) не имеет сплошного распространения. Наиболее выдержаны площади развития на юге и юго-западе. На остальной территории она имеет островное распространение. Свита представлена глинами темно-серыми до черных, сильно алевритистыми, слабо слюдистыми, с горизонтальными, линзовидными и кулисообразньши тонкими прослоями светлого алеврита. Вверху глины переходят в алевриты темно-серые с сиреневым оттенком, сильно глинистые. Средняя мощность - 2-3 м.
Барреімский-Аптский ярусы объединенные. Бутовская толща и икшинская свита объединенные (K\bt+ik) картируются совместно из-за сходного литологического состава и площадного распространения. Внизу толща сложена алевритами сиренево-серыми, глинистыми. Выше пески светло-серые до белых, кварцевые, тонкозернистые, сильно слюдистые с тонкими прослоями серых и сиреневых слюдистых глин, с косой слоистостью. Мощность - 14-16 м.
Аптский ярус. Ворохобинская свита (K\vrh) залегает на икшинской свите, в нижней части сложена глинистыми алевритами, переходящими в алевритовые глины, темно-серые до черных со слабым зеленоватым оттенком, с тонкими прослойками белых тонкозернистых песков. Вверху пески буровато-серые с зеленоватым оттенком, мелкозернистые, слюдистые с прослойками глин. Волгушинская свита (Kivlg) развита в пределах Тештостанской возвышенности и в районе Крылатское. На подстилающих ворохобинских отложениях свита залегает с размывом, сложена внизу глинами темно-серыми алевритовыми, с тонкими прослойками песков мелкозернистых. Вверху пески зеленовато-серые, глинистые, мелкозернистые, с прослойками глин. Мощность ее 6-9 м.
Зарубежный и отечественный опыт создания систем инструментального мониторинга высотных зданий
В настоящее время в отечественной и международной практике предложены разные варианты реализации систем мониторинга высотных зданий. Но в большинстве этих систем основное внимание исследователей приковано к изучению работы конструкции объекта и не уделяется внимания грунтовому массиву основания. Причем наблюдения в таких системах чаще всего ограничиваются контролем какого-нибудь одного выбранного параметра (чаще всего осадки по геодезическим данным) и сравнение с расчетной моделью здания. В отечественной практике можно выделить следующие работы по созданию систем мониторинга.
Попытка совместного использования данных датчиков давления на грунт, тензометрических датчиков в конструкциях фундаментной плиты и нижних этажей и стандартных геодезических наблюдений осуществлялась специалистами ООО «Мониторинг-Центр» (Неугодников и др., 2005, 2008, Егоров и др., 2007) при создании системы мониторинга многофункционального высотного комплекса «ГРАДЭКС» (рис. 2.1). Датчики, используемые в этой системе мониторинга, оснащены оптоволоконными сенсорами оригинальной конструкции и производятся ООО «Мониторинг-Центр».
Специалистами ГУП МНИИТЭП (Гурьев, Дорофеев, 2005, Дорофеев и др., 2005) была предложена система мониторинга, основанная на выявлении изменений напряженно-деформированного состояния конструкций с использованием динамических методов зондирования зданий и сооружений, основанных на измерении периодов и логарифмических декрементов собственных колебаний зданий и сооружений при возбуждении колебаний тестовым ударом небольшого груза.
(Гурьев, Дорофеев, 2005) Методика динамического зондирования и ранней диагностики деформационного состояния несущих конструкций, основана на анализе изменения передаточных функций, построенных для различных по высоте участков здания. Основываясь на этой методике, специалистами ГУП МНИИТЭП был разработан проект такой станции для 5о эт. здания ММДЦ Москва-Сити, участок № 10, блок «С» (рис. 2.2). Станция состоит из основных частей, функциональные характеристики, которых определяются их назначением -аппаратурно-измерительнои части и компьютерно-информационного центра. В аппаратурно-измерительную часть входят следующие компоненты:
- цифровых трехкомпонентных, модульного исполнения акселерометров ЦТА-СМ, предназначенных для записи ускорений колебаний несущих конструкций здания по трем взаимно ортогональным направлениям, размещенных в стационарных пунктах наблюдений. Акселерометры стационарно смонтированы и одинаково ориентированы на одной вертикальной оси ядра жесткости здания,
- на последнем верхнем уровне здания установлен цифровой трехкомпонентный сейсмометр ПРДП для определения амплитуды, периода и логарифмического декремента основного тона собственных колебаний здания в трех ортогональных направлениях.
- на фундаментной плите установлены 6 цифровых двухкомпонентных наклономеров ЦНД-1 для измерения наклонов основания здания. 4 наклономера расположены в крайних точках на взаимно перпендикулярных осях здания, остальные - в центре (рис. 2.3).
Существует также подход к мониторингу состояния конструкций здания путем регистрации собственных частот колебаний, предложенный специалистами ОАО ЦНИИЭП жилища (Николаев и др., 2005, Острецов и др., 2006, Капустин и др., 2003, 2005), в настоящее время дополненный и расширенный.
В соответствии с этим подходом была оборудована станция стационарного мониторинга - в одной точке на 44-эт. высотного жилого здания «Эдельвейс» в Москве. Выбору стационарной точки предшествовало исследование работы конструкций путем наблюдения собственных колебаний (частот, амплитуд и траекторий движения) в разных точках - на фундаментной плите, верхних этажах (рис. 2.4). Опыт мониторинга высотного жилого дома «Эдельвейс» показывает, что схема наблюдений, использующая для возбуждения колебаний здания ветровые пульсации, позволяет решать широкий круг задач мониторинга:
С учетом результатов мониторинга высотного здания «Эдельвейс» все системы мониторинга, проектируемые в дальнейшем «ОАО ЦНИИЭП жилища» и ООО «GPIKO Ltd, включают в себя набор измерительного оборудования для контроля параметров как грунтов основания, так и конструкций объекта (Капустян и др., 2010; Вознюк и др., 2008, 2010; Таракановский и др., 2008, 2010, Айме, 2005). Примером такой системы является система мониторинга высотного комплекса «Континенталь», являющаяся основным объектом изучения в данной работе (гл. 3, 4), а также все системы, описанные в п. 2.5. В общем виде, схема расстановки измерительного оборудования в таких системах мониторинга представлена на рис. 2.5.
В зарубежной практике, конструктивные решения для фундаментов высотных зданий основаны на создании свайных полей в основании здания или комбинированных плитно-свайных фундаментов (КПСФ). Поэтому основное внимание в этих системах мониторинга направлено на изучение работы свай. В качестве примера можно привести работы по созданию систем мониторинга высотных зданий в Германии (Катценбах и др., 2003, 2005). Система мониторинга 30-этажного здания Месс-Торхаус (рис. 2.6), в которой велись следующие виды наблюдений: скважинные измерения осадок, измерения давления на грунт, контроль деформаций в наборе точек по длине сваи и нагрузок на пяте свай.
Мониторинг собственных частот колебаний конструкции
Проектом (Высотный..., 2006) предусмотрена организация стационарных пунктов мониторинга собственных частот колебаний конструкции по завершении возведения здания. Так как помещения расположены не только на нижних, но и на верхних этажах и установка дорогостоящей измерительной аппаратуры в процессе строительства сопряжена со значительными рисками, а определение окончательных мест расстановки датчиков должно основываться на полученных экспериментально характеристиках колебаний конструкции, то было принято решение о проведении нескольких циклов наблюдений в «ручном» режиме на начальных этапах строительства.
Наблюдения проводились в соответствии с пространственно-временной схемой — по площади и по вертикали. Применялась следующая схема наблюдений по времени: каждый цикл измерений соответствует периоду возведения 7-8 этажей здания. Измерения колебаний выполнялись несколькими трехкомпонентными акселерометрами по схеме -один постоянно стоит на месте (корреляционный пункт), а другие перемещаются- по высоте и плану. Такая схема проведения измерений позволяет связать все точки через корреляционный пункт.
Велосиметры, которые в дальнейшем будут установлены на нижних этажах здания, не участвовали в рекогносцировочных измерениях при мониторинге в процессе строительства, так как при их эксплуатации требуется интервал времени от нескольких часов до суток, чтобы характеристики этого типа датчиков вошли в «рабочий» диапазон.
Акселерометры устанавливались на перекрытиях с соответствующей высотной отметкой. Места установки датчиков расположены вдоль вертикальной оси, проходящей через комнату мониторинга, кроме специальных экспериментов по выбору точек для размещения стационарных наблюдений и изучению воздействия колебаний высотного крана.
В соответствии с этим подходом к настоящему моменту проведено 8 сеансов мониторинга колебаний (таблица 3.1) для стадий строительства: 8, 15, 22, 31, 39, 45 этажей и после завершения монтажа всех несущих конструкций.
В сеансах наблюдений 3 и 8 было проведено обследование здания в плане, в сеансе 3 точки выбирались на отм. -4.50 и -10.70, а также на 8 этаже (рис. 3.15). По результатам этих измерений сопоставлялись параметры колебаний и уровни шумов, последнее важно для окончательного выбора точки установки велосиметра на отм. -13.80. К сожалению, на самой отм. -13.80 такие наблюдения были затруднены из-за сырости в помещениях. В сеансе 8 оценивалось влияние двух высотных башенных кранов на колебания зданий, расположение точек и кранов для сеансов 3 и 8 показано на рис. 3.15-а и 3.15-6 соответственно.
Для проведения измерений использовались трехкомпонентные акселерометры фирмы GURALP модель CMG-5T в сочетании с системой регистрации сейсмических данных GeoSig GSR-24 (направления компонент - по осям здания). Внешний вид датчика с регистратором во время проведения взаимной калибровки на постаменте в комнате мониторинга (на отметке -4.50) представлен на рис. 3.16.
Датчик CMG-5T - это трехкомпонентный аналоговый акселерометр с форс-балансной обратной связью в герметичном корпусе. Датчик требует подключения внешнего источника питания напряжением 10-36 В, которое осуществляется через тот же кабель, по которому снимаются аналоговые сигналы с выхода датчика. Датчик GMG-5T имеет дифференциальный, выход, выходное сопротивление 47 Ом. Предусмотрен отдельный выход для подключения "общего" провода сигналов.
Регистратор GSR-24 - это автономная система регистрации сейсмических данных с высоким динамическим диапазоном с разрешающей способностью 24-разряда. Регистратор GSR-24 сохраняет данные о событиях в установленной на плате либо сменной флэш-карте памяти. Частотный диапазон зависит от выбранного фильтра верхних частот. Регистратор имеет несколько типов цифровых фильтров нижних частот, которые могут быть выбраны из меню во время установки параметров. В нормальном режиме работы GSR-24 непрерывно усиливает, фильтрует и преобразовывает сигналы с выходов датчиков в цифровую форму и передает эти данные в буфер данных переменной длины. Использование тактовой частоты от высокостабильного внутреннего генератора для синхронизации работы преобразователя позволяет устранить дрейф нуля.
В регистраторе предусмотрены следующие алгоритмы:
- алгоритм выделения событий LTA/STA - выделение события по отношению среднего за короткий интервал времени STA (Short Term Average) к среднему значению сигнала за длинный интервал времени LTA (Long Term Average). Отношение STA/LTA вычисляется 50 раз в секунду (каждые 0.02 секунды). Когда STA превысит предварительно установленное значение отношения к LTA, GSR-24 начинает производить запись данных;
- пороговый алгоритм - при выделении событий по уровню входной сигнал непрерывно сравнивается с выбранным значением порога и запись включается, когда происходит превышение порога.
Параметры алгоритмов выделения событий устанавливаются при конфигурации регистратора с помощью меню управляющих программ FieldView, AUView или GeoDAS.
По расписанию записи событий предусмотрено два базовых алгоритма включения станции: включение записи в заданное время (таблица времен) и включение записи по команде оператора. Для временной привязки регистрируемых событий в формате записи данных, наряду с сейсмическими данными и информацией о режимах работы регистратора, предусмотрена запись информации с выхода часов или GPS.
Записанные данные могут быть считаны в ПК, подсоединенный к GSR-24, с помощью программного обеспечения GeoDAS или извлечены с флэш-карты, что существенно уменьшает время, необходимое пользователю для извлечения данных в полевых условиях. По нашему опыту на объекте удобно работать как по расписанию, так и в непрерывном режиме. В последнем случае на записи отчетливо видны моменты переноски оборудования, но это не портит основную запись, а дает дополнительную ориентировку в последовательности прохождения точек.
Для установки параметров регистратора GSR-24 он подсоединяется к персональному компьютеру. Использование портативного компьютера позволяет оператору непосредственно в полевых условиях как конфигурировать регистратор, так провести полную проверку регистрирующей системы от датчика до памяти. При наблюдениях мониторинга в процессе строительства данные были записаны на флеш-карту, затем переписаны в компьютер и обработаны.
Установку стационарных пунктов мониторинга колебаний конструкции планируется осуществить перед сдачей дома в эксплуатацию.
Анализ скорости развития процессов
Как уже отмечалось при анализе процессов в грунтах важно учитывать не только абсолютные значения измеряемых величин (давления на грунт, осадки, деформаций и т.д.), но и от скорости их изменения.
Для анализа скорости изменения параметров грунтов и строительных конструкций мы воспользовались анализом полученных результатов при помощи структурной функции (или, как принято в сейсмологии, АСФ - автоструктурной функции). Впервые она была введена А.Н. Колмогоровым для описания статистической теории турбулентного движения. Среди стационарных процессов U(t), характеризующих протекание явлений, особое место занимают процессы со стационарным приращением: MJ = U(t + T)-U(t) Автоструктурной функцией В(т) для этого процесса называется математическое ожидание квадрата приращений (разности сечений, соответствующих двум значениям аргумента):
Автоструктурная функция С(т) может быть выражена через корреляционную К(т):
Из последнего равенства видно, что АСФ четна, т.е. С(т) = С(—т), а при т = О из (4.2) С(г) = 0. Обозначим 1ітС(г) = С(ги) Естественно, что на практике мы не имеем реализации на бесконечном интервале. Однако в большинстве случаев автоструктурная функция довольно быстро может достигать некоторого предельного значения, начиная с которого при дальнейшем увеличении аргумента она фактически не меняется или меняется незначительно. Поэтому С(тк) часто называют насыщающим значением автоструктурной функции.
Для стационарного случайного процесса, обладающего эргодическим свойством, автоструктурную функцию можно найти по одной реализации по формуле:
Во многих случаях использование автоструктурной функции бывает предпочтительнее, чем корреляционной. Рассмотрим некоторые свойства АСФ в соответствии с (Сейсмическое просвечивание..., 1983) . Пусть где x(t) - циклическая составляющая U(t), y(t) - временные изменения непериодического характера, (/)- ошибка эксперимента. В случае статистической независимости x(t)
На рис. 4.31 представлены АСФ для каждого из типов временных изменений: 1 -характеризует ошибку эксперимента и представлен постоянной составляющей на уровне 2сг2, где а2 - дисперсия случайных ошибок. Случай 2 соответствует АСФ для большого класса случайных процессов, обычно аппроксимируется зависимостью: где 0 Л 2. Если Л 2, то это признак присутствие линейного тренда во временном ходе.
С использованием СДг) можно определить среднеквадратическое значение нециклических вариаций параметра во времени: где г„ - интервал наблюдения либо значение, при котором АСФ выходит на насыщение.
Отношение 8у = ту1 тх характеризует среднее приращение исследуемой величины в единицу времени и может быть использовано для оценки скорости изменения для процесса, вызывающего изменение параметров (Канамори и др., 1979).
Для периодической функции x(t)c периодом Т и амплитудой а соответствующие АСФ представлены на рис. 4.31: 3 - для длительных по времени сигналов и 4 - для относительно коротких. Важно, что значение первого минимума АСФ rmin « Т, что позволяет определять периоды циклических вариаций параметров.
Применение структурной функции для анализа временных рядов распространено в геофизике, особенно гидрометеорологии, где с появлением цифровой регистрации разработан ряд алгоритмов (Аргучинцева, 2007, Ерохин и др., 2005).
Для анализа сейсмических данных автоструктурная функция АСФ удачно использовалась М.В. Невским (Сейсмическое просвечивание.., 1983, Канамори и др., 1979, Итон и др., 1978).
С помощью автоструктурной функции были проанализированы изменения давления на грунт в течение года после завершения строительства (рис. 4.32 - 4.33).
По графикам АСФ видно, что скорость изменения давления на грунт сильно различается для отдельных точек наблюдения. Вместе с тем, в ряде точек даже в отсутствии роста внешней нагрузки наблюдаются значительные скорости нарастания давления на грунт. Заметим, что на правой части рис. 4.33 представлены автоструктурные функции для датчиков, которые считались неработающими, но по графикам видно, что эти датчики «дышат» и имеют некоторые общие закономерности изменения давления на фоне «шума», поэтому могут быть приняты в обработку.
Для пространственной характеристики скоростей изменения давления на грунт были построены поля изменения скоростей, для двух временных интервалов: 50 и 100 дней после завершения строительства (рис. 4.34).
Анализ полей показывает, что наибольшими скоростями изменения показателей давления на грунт характеризуется все та же диагональная зона, а по прошествии 100 дней после завершения строительства активное изменение давления происходит и в пределах контура высотной части.
