Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы эксплуатационной надежности зданий 15
1.1. Общие понятия об эксплуатационных характеристиках зданий 15
1.1.1. Здания и их элементы, основные понятия и определения 15
1.1.2. Показатели эксплуатационной надежности и механизм возникновения деформаций и повреждений 19
1.2. Факторы, отрицательно влияющие на эксплуатационную надежность здания 23
1.2.1. Техногенные факторы 24
1.2.2. Природные факторы 27
1.2.3. Изменения свойств грунтов под влиянием природно-техногенных факторов 27
1.2.4. Виды деформаций здания
1.3. Современное состояние технической диагностики зданий 39
1.4. Анализ способов инженерной защиты зданий
1.4.1. Восстановление эксплуатационной надежности зданий без изменения пространственной геометрии объекта 49
1.4.2. Анализ методов восстановления эксплуатационной надежности зданий с изменением пространственной геометрии 54
2. Разработка геодезической технологии диагностики технического состояния зданий 63
2.1. Геодезическое обследование здания 63
2.1.1. Комплекс работ при геодезическом обследовании здания 63
2.1.2. Создание высотной опорной геодезической сети 65
2.1.3. Обмеры линейно-угловых (внутренних и габаритных) параметров сооружения (продольные и поперечные размеры в нижнем сечении, угловое расположение стен, высоты объекта) 73
2.1.4. Анализ результатов геодезического обследования здания 78
2.2. Разработка метода фильтрации монтажных ошибок 105
2.3. Оценка технического состояния здания методом сравнения фактических геометрических характеристик с предельно допустимыми значениями 116
2.4. Точность и надежность измерений рекомендуемыми методами 117
2.5. Метод спутниковых измерений 121
3. Разработка технологии геодезического сопровождения восстановления эксплуатационной надежности зданий 138
3.1. Геодезические работы на подготовительном этапе подъема и выравнивания здания 141
3.1.1. Определение деформированного состояния перекрытия цоколя и рекомендуемых для устранения уклонов 141
3.1.2. Определение фактических величин кренов и величин кренов, рекомендуемых для устранения при подъеме и выравнивании здания 148
3.1.3. Проектирование вертикальных перемещений домкратных точек для ликвидации кренов (уклонов) здания 170
3.2. Геодезические работы при подъеме и выравнивании здания 179
3.2.1. Общая организация полевых геодезических работ при подъеме и выравнивании здания 179
3.2.2. Геодезический контроль пространственного положения выравниваемого здания 182
3.3. Совершенствование технологии подъема и выравнивания здания 187
4. Результаты исследований и производственного внедрения технологии геодезического обеспечения инженерной защиты зданий и сооружений 192
4.1. Геодезическая диагностика технического состояния здания сложной конфигурации на примере 9-ти этажного жилого дома в г. Белово Кемеровской области 192
4.2. Геодезическое сопровождение процесса подъема и выравнивания здания, расположенного в г. Кудепста Краснодарского края 206
5. Перспективы дальнейшего развития геодезической технологии диагностики технического состояния зданий 227
Заключение 238
Литература
- Изменения свойств грунтов под влиянием природно-техногенных факторов
- Обмеры линейно-угловых (внутренних и габаритных) параметров сооружения (продольные и поперечные размеры в нижнем сечении, угловое расположение стен, высоты объекта)
- Определение деформированного состояния перекрытия цоколя и рекомендуемых для устранения уклонов
- Общая организация полевых геодезических работ при подъеме и выравнивании здания
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время сформировалась тенденция роста предаварийных и аварийных ситуаций в эксплуатируемых зданиях, вызванных уплотнением городской застройки, освоением подземного пространства и другими природными и техногенными причинами. Более 3000 зданий в РФ требуют принятия неотложных мер по восстановлению их эксплуатационной надежности, в том числе здания, получившие повреждения в период боевых действий на территории Чеченской Республики. Жестко-пластичные здания, к которым относятся большинство из возводимых (объемно-блочные, крупноблочные и крупнопанельные здания), при развитии неравномерных осадок способны выравнивать такие осадки в результате перераспределения давлений по подошве фундаментов, вследствие чего в несущих и ограждающих конструкциях здания появляются дополнительные усилия и деформации, которые не выявляются по результатам определения фактических осадок и обобщенных величин кренов (имевших место с момента организации наблюдений), выполненных согласно действующим нормативным документам. В результате становится невозможным достоверно отразить техническое состояние здания и составить качественный проект по ее инженерной защите.
Работы по диагностике технического состояния и восстановлении эксплуатационной надежности здания могут выполняться и в условиях активно развивающихся интенсивных деформационных процессов, что требует проведения экспресс-диагностики деформированного состояния здания, в том числе и в условиях отсутствия прямой видимости, связанной с тесной застройкой, и в любое время суток. Для решения такой задачи при условии достижения соответствующей точности измерений представляется перспективным использовать спутниковые технологии. Если вопрос точного определения плановых координат X и Y не вызывает сомнений, то определение высотного положение точек требует проведения специальных исследований.
Диагностика технического состояния здания предполагает также и оперативное определение деформаций здания на основе результатов одного цикла геодезических измерений, что приводит к необходимости фильтрации монтажных ошибок.
Остаются не решенными и вопросы достоверного и детального определения напряженно-деформированного состояния уникальных объектов.
Восстановление эксплуатационной надежности зданий является комплексной проблемой, связанной с кругом самых разнообразных не до конца решенных задач, важнейшей из которых является геодезическое обеспечение процесса восстановления, позволяющее определять полное и достоверное деформированное состояние здания в целом, так и отдельных конструкций, тем самым предотвращать возникновение зон сверхнормативных деформаций. Это относится и к геодезическому обеспечению восстановления наиболее управляемым и точным методом - гидравлической системой с плоскими домкратами, с использованием которой за последние 15 лет проведено выравнивание более 70 зданий и сооружений в России, Казахстане, Грузии, Украине и в Польше.
Таким образом, разработка технологии геодезического обеспечения инженерной защиты зданий и сооружений путем оперативного детального определения реальных деформационных характеристик при оценке их технического состояния и оперативного контроля геометрии по комплексу деформационных характеристик при реконструкции зданий и сооружений методом подъема и выравнивания является своевременной и актуальной проблемой, решение которой повышает роль геодезического обслуживания инженерной защиты зданий и сооружений.
Цель выполненных исследований состояла в разработке технологии геодезического обеспечения инженерной защиты зданий.
Задачи исследований:
разработка геодезической технологии диагностики технического состояния зданий и сооружений;
обоснование методики спутникового нивелирования при геодезическом обеспечении инженерной защиты зданий и сооружений;
разработка технологии геодезического обеспечения подъема и выравнивания зданий и сооружений.
Основные научные положения, выносимые на защиту: - геодезическая технология диагностики технического состояния деформированных зданий и сооружений;
метод фильтрации монтажных ошибок при определении деформированное состояния здания по одному циклу измерений;
метод моделирования устойчивости исходной геодезической высотной основы и метод оценки точности параметров модели;
- обоснование методики спутникового нивелирования при геодезической
диагностике технического состояния зданий и сооружений и геодезиче
ском обеспечении подъема и выравнивания таких объектов;
метод определения аномальных деформированных зон горизонтально и вертикально-ориентированных частей здания;
технология геодезического обеспечения подъема и выравнивания здания;
способы определения составляющих частных кренов при проектировании мероприятий по подъему и выравниванию зданий и сооружений;
метод геодезической диагностики деформированного состояния защитной оболочки реактора АЭС при ее испытании;
- технические решения по подъему и выравниванию зданий.
Новизна научных результатов заключается в следующем:
разработанная геодезическая технология диагностики технического состояния зданий и сооружений отличается тем, что обоснована необходимость определения дополнительных деформационных параметров, позволяющих более полно характеризовать деформированное состояние здания и сооружения в целом и отдельных их конструкций;
разработанный метод фильтрации монтажных ошибок из результатов измерений позволяет проводить оперативную оценку деформированного состояния здания и сооружений, в том числе и по данным одного цикла геодезических измерений;
разработанная математическая модель устойчивости исходной геодезической высотной основы и метод оценки точности параметров модели более приспособлены к компьютерному анализу устойчивости реперов исходной основы;
разработанные способы определения составляющих частных кренов здания позволяют определить величины частных кренов, характеризующих наклон, скручивание и иные деформации здания;
- разработанная технология геодезического обеспечения подъема и вырав
нивания зданий и сооружений позволяет проводить полный контроль над измене
нием деформированного состояния и предотвратить возникновение дополнитель
ных деформаций и разрушений в процессе подъема и выравнивания зданий и со
оружений, в том числе и в случаях задавливания фундаментов;
разработанные технические решения по подъему и выравниванию способствуют расширению диапазона работы системы и уменьшению времени подъема и выравнивания зданий и сооружений;
обоснована методика спутникового нивелирования при геодезической диагностике технического состояния и геодезическом сопровождении инженерной защиты зданий и сооружений в условиях ограниченной возможности использования метода электронной тахеометрии;
разработанный метод определения аномальных деформированных зон горизонтально и вертикально-ориентированных частей здания и сооружения позволяет выделить наиболее опасные участки их конструкций, что учитывается при проектировании мероприятий по подъему и выравниванию и тем самым исключается возможность образования дополнительных деформаций, трещин и разломов в таких зонах в процессе выравнивания;
метод геодезической диагностики деформированного состояния гермообо-лочки (ГО) реакторного отделения АЭС при ее испытании позволяет получить более полную информацию о деформациях ГО по сравнению с регламентированным методом определения деформаций контрольно-измерительной аппаратурой, состоящей из струнных датчиков, встроенных в тело ГО.
Научная значимость работы заключается в том, что выполненные разработки обеспечивают развитие геодезических методов диагностики технического состояния здания и геодезического сопровождения реализации мероприятий по восстановлению формы и пространственного положения деформированных объектов с использованием новейших средств измерений.
Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается экспериментальными исследованиями, проведением расчетов с использованием методов теории погрешностей измерений и математической статистики.
Основные положения диссертации опубликованы в открытой печати, обсуждались и были одобрены на международных, всероссийских, региональных и межвузовских конференциях и симпозиумах. Все основные положения диссертации прошли широкую проверку в производстве и были опробованы при подъеме и выравнивания зданий и в настоящее время являются неотъемлемой частью общей технологии инженерной защиты зданий и сооружений.
Практическое значение работы состоит в возможности проводить оперативную геодезическую экспресс-диагностику технического состояния зданий, проектировать мероприятия по восстановлению эксплуатационной надежности, обеспечить геодезический контроль процесса подъема и выравнивания без дополнительных напряжений и деформаций всех конструкций зданий, обеспечить безопасность при подъеме и выравнивании зданий и сооружений.
Личный вклад автора. Соискателем разработаны:
геодезическая технология диагностики технического состояния зданий;
методы моделирования устойчивости исходной геодезической высотной основы и метод оценки точности коэффициентов модели, создаваемой при геодезическом обеспечении инженерной защиты зданий;
метод фильтрации монтажных ошибок из результатов определения деформационных характеристик здания;
способ выявления аномальных напряженно-деформированных участков вертикально и горизонтально-ориентированных конструкций зданий и сооружений;
обоснование методики спутникового нивелирования при геодезической диагностике технического состояния и геодезическом обеспечении восстановления эксплуатационной надежности зданий и сооружений;
способы определения составляющих кренов, характеризующих наклон, скручивание и иные деформации здания;
метод проектирования вертикальных перемещений точек фундаментов с учетом их задавливания;
метод повышения диапазона работы системы подъема и выравнивания здания и уменьшения времени выравнивания зданий и метод непрерывного подъема зданий;
технология геодезического обеспечения подъема и выравнивания здания и сооружения, позволяющая выравнивать объекты без дополнительных сверхнормативных деформаций;
метод контроля деформированного состояния гермооболочки реакторного отделения АЭС при ее испытании.
Внедрение результатов работы. Разработанные методы и рекомендации прошли апробацию и внедрены для практического применения в ОАО «Интербио-тех», ГУЛ «Стройинвестиции» ЧР, МОСГОРГЕОТРЕСТ. Результаты работы использовались при реализации Федеральных целевых программ: «Восстановление Чеченской Республики на 2002 и последующие годы» и «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики на 2008-2011 годы». Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных и лабораторных исследований и практического внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям «Прикладная геодезия» в Ростовском государственном строительном университете и «Экспертиза и управление недвижимостью» в Грозненском государственном нефтяном техническом университете.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных, всероссийских и межвузовских конференциях и симпозиумах, в том числе таких как: Всероссийская научно-практическая конференция «Наука, образование и производство» (Грозный, 2003); Региональная межвузовская научно-практическая конференция, посвященная 85-летию ГГНИ (Грозный, 2005); 1-я, 2-я, 3-я межрегиональные научно-практические конференции «Состояние и перспективы строительства и безопасной эксплуатации Волгодонской АЭС (Волгодонск, 2005, 2006, 2008); 1-я, 2-я и 3-я конференции «Союза геодезистов» Юга России (Ростов-на-Дону, 2007, 2008, 2009); Международная научно-практическая конференция «Строительство-2006» (Ростов-на-Дону, 2006); Всероссийская научно-практическая конференция «Экологическая ситуация на Северном Кавказе: проблемы и пути их разрешения» (Грозный 2007); Всероссийская научно-практическая конференция «Наука, образование и производство» (Грозный, 2008); Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 100-летию академика М.Д. Миллионщикова (Грозный, 2009); Международная научно-
практическая конференция, посвященная 90-летию Грозненского государственного нефтяного института.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 41 работе, в том числе в 12 статьях научных журналов по списку ВАК России и защищены 2 патентами.
Структура. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 255 наименований, приложения, содержит 271 страницу машинописного текста.
Изменения свойств грунтов под влиянием природно-техногенных факторов
Воздействия не силового характера: атмосферные осадки; потоки тепла и влаги, вызванные разностями температур или разностями потенциалов влажности наружного и внутреннего воздуха; шум и вибрация, идущие извне или от соседних помещений, или вызванные работой инженерного оборудования; инфильтрация воздуха через стыки или швы и т.п.
Назначение несущих конструкций - воспринимать все виды нагрузок и воздействий силового характера, которые могут возникать в здании и передавать их через фундаменты на грунт.
Назначение ограждающих конструкций - изолировать пространство здания от внешней среды, разделять это пространство на отдельные помещения и защищать («ограждать») эти помещения и пространство здания в целом от всех видов воздействий не силового характера.
К несущим конструкциям относятся: фундаменты, колонны, балки и т.п. К ограждающим - перегородки, кровли, окна, двери и т.п. Многие конструктивные элементы являются одновременно и несущими и ограждающими -в них несущие и ограждающие функции совмещаются.
Наиболее характерным примером такого совмещения функций являют ся наружные и внутренние несущие стены, которые одновременно могут являться и ограждающими конструкциями и вертикальными опорами для размещаемых на них горизонтальных конструктивных элементов. Если стены выполняют только ограждающие функции, их называют самонесущими.
Фундаменты - подземные конструктивные элементы зданий, воспринимающие все нагрузки от выше расположенных вертикальных элементов несущего остова и передающие эти нагрузки на основание.
Основанием называется грунт, непосредственно воспринимающий нагрузки. Оно может быть естественным (грунты в природном состоянии) и искусственным (грунты с искусственно измененными свойствами за счет уплотнения, укрепления и т. п.).
Перекрытия - горизонтальные конструкции, разделяющие здание на этажи. Эти конструкции одновременно выполняют несущие и ограждающие функции, так как предназначены для размещения людей, оборудования, мебели, нагрузку от которых перекрытия воспринимают и передают на вертикальные опоры. Кроме того, эти же перекрытия являются горизонтальными диафрагмами, воспринимающими в своей плоскости изгибающие и сдвигающие усилия от горизонтальных нагрузок, обеспечивая геометрическую неизменяемость здания в каждом из горизонтальных уровней, совместную работу вертикальных опор при таких нагрузках, перераспределение усилий между ними и т. п.
Перегородки - вертикальные ограждающие конструкции, отделяющие одно помещение от другого. Они опираются на междуэтажные перекрытия или на пол первых этажей.
Лестницы - наклонные ступенчатые конструктивные элементы, предназначенные для вертикальных коммуникаций в зданиях и сооружениях. Объемно-планировочный элемент здания, включающий лестничную клетку, примыкающие к ней шахты лифтов (стены, в которых расположен лифт) и обслуживающие их площадки, называют лестнично-лифтовым узлом.
Крыша - верхняя конструкция, отделяющая помещения здания от внешней среды и защищающая их от атмосферных осадков и других внешних воздействий. Состоит из несущей части (стропил) и изолирующих (ограждающих) частей, в том числе - наружной водонепроницаемой оболочки -кровли.
К конструктивным элементам зданий относятся также ряд дополнительных, а именно: эркеры, лоджии, балконы, веранды, трибуны, фонари и т. п.; к ним относятся также санитарно-технические устройства и инженерное оборудование зданий.
Основные конструктивные элементы здания - горизонтальные (перекрытия, покрытия), вертикальные (стены, колонны) и фундаменты, взятые вместе, составляют единую пространственную систему - несущий остов здания, надежно обеспечивающую восприятие и передачу на основание всех видов нагрузок и механических (силовых) воздействий, возникающих в процессе эксплуатации здания.
По виду несущего остова зданий различают три основных типа: каркасный, стеновой (бескаркасный) и комбинированный (или смешанный) - состоит из различных сочетаний стержневых и плоскостных вертикальных элементов (стоек каркаса и стен). Необходимо отметить и существование таких несущих остовов, в которых вертикальные опоры вообще отсутствуют, а наклонная конструкция покрытия опирается непосредственно на фундамент (арки, треугольные рамы и т. п.). Такие сооружения, применяемые в строительстве складов, ангаров и т. п., называют шатровыми.
При каркасном несущем остове вертикальные опоры выполнены в виде колон или стоек каркаса (стержневые вертикальные опоры). Каркасный несущий остов применяется для зданий с большими, не разгороженными перегородками помещениями. Каркасный остов является основным для производственных, общественных зданий и сооружений, независимо от их этажности, а в последнее время завоевывает большую популярность в жилищном строительстве.
При бескаркасном несущем остове вертикальные опоры выполнены в виде несущих стен или пилонов. Этот самый распространенный вид несущего остова в жилищном строительстве. Размеры жилых ячеек, необходимость членений стенами и перегородками с обеспечением звукоизоляции квартир и другие особенности обусловливают техническую целесообразность и экономическую оправданность применения бескаркасных зданий при строительстве жилища, а также тех гражданских зданий, в которых преобладает многоячейковая планировочная структура (гостиницы, санатории, больницы и т.п.).
При комбинированном несущем остове среди большого разнообразия сочетаний стержневых и плоскостных вертикальных опор наиболее часто встречаются системы, в которых каркас расположен в пределах нижних 1...3 этажей, а выше - бескаркасный несущий остов. Расположение стен - по периферии, а стоек каркаса - внутри здания («неполный каркас»).
Вся совокупность конструктивных элементов несущего остова многоэтажных зданий в каждом отдельном случае объединена между собой вполне определенным образом, образуя в пространстве единство закономерно расположенных частей, т. е. систему, которую называют конструктивной. Так называют способ размещения несущих горизонтальных и вертикальных конструкций в пространстве, их взаимное расположение и способ передачи усилий.
Обмеры линейно-угловых (внутренних и габаритных) параметров сооружения (продольные и поперечные размеры в нижнем сечении, угловое расположение стен, высоты объекта)
Таким образом, грунты основания, которые дали наибольшую осадку, получат дополнительное уплотнение за счет возрастающего давления на основание по мере увеличения крена. И, кроме того, в здании формируется горизонтальная сила, совпадающая по направлению действия с направлением крена.
Рассмотрим перераспределение напряжений в строительных конструкциях, свойственных ситуации наклоненного здания. На схеме, приведенной на рис. 1.8, проведем линию параллельную перекрытию цоколя и проходящую через центр масс центральной зоны здания. Рассмотрим получившиеся
Схема распределения нагрузок в здании, имеющем крен фигуры АВСЕ и D\C\E\. Разложим массы этих фрагментов на составляющие, и отметим, что они опираются на равные площади {ЕС = Е\С\), однако масса фрагмента АВСЕ будет больше D\C\E{, т.е. Pz\ Pzi. Поэтому в зоне ЕС будут действовать силы сжатия, а в зоне Е\С\, наоборот, будет регистрироваться зона растяжения. Деформации растяжения в зоне Е\С\ могут проявляться в виде горизонтально распределенных трещин.
Кроме того, длительное действие составляющих Рх\ и Рх2 для многоэтажных и высотных зданий, имеющих конечную вертикальную жесткость, приведет к искривлению вертикально направленных элементов в сторону крена. Такое искривление здания было нами выявлено при обследовании 12-этажного жилого дома в г. Белово Кемеровской области. Будем называть такую форму деформаций релаксацией этажей. Отметим, что релаксация этажей увеличивает крен здания.
Таким образом, следует сделать вывод о том, что даже равномерный односторонний крен здания приводит к серьезным изменениям его напряженно-деформированного состояния и требует принятия мер по устранению возникших негативных последствий. Неравномерное распределение даже малых по значению кренов по зданию, как правило, приводит к разрушению его строительных конструкций и, безусловно, требует детального обследования и принятия адекватных мер.
В результате неравномерных осадок основания фундаменты и надфун-даментные конструкции здания могут подвергаться различным видам деформаций. Представляет интерес вопрос влияния жесткости здания на деформации надфундаментных конструкций, в том числе и перекрытия верхнего этажа, при неравномерных осадках грунтов основания и (или) подошвы фундамента (рис. 1.9).
Предположим, что в результате неравномерных осадок основание (подошва) фундамента подверглась деформации в форме осадок (уклонов) по направлению вертикальных сечений КХЕХК2Е2 (уклон Р,) и PXFXP2F2 (уклон а,), причем а, р\. Рассмотрим, какая величина этих осадок передается на перекрытие технического этажа (крыши). Полной передачи величин уклонов основания (цоколя) на перекрытие технического этажа не произойдет из-за поперечной жесткости здания, т. е., а2 а,, Р2 Р,, так как поперечная жесткость по параллельным сечениям одинакова а2 Р2. Вычислим разности
Так как а2 Р2 продольная жесткость здания будет способствовать уравниванию значений уклонов: увеличению значения уклона р2 и уменьшению значения уклона а2. Таким образом, происходит некоторая компенсация (уменьшение) разности уклонов А2, то есть А, А2. Такого рода компенсация на уровне основания не происходит из-за жесткой связи, например, между фундаментной плитой на сваях и основанием, или между перекрытием цоколя и фундаментом. Впрочем, картина деформированного состояния здания может иметь разные виды в зависимости от конструктивных особенностей здания и, прежде всего, фундамента.
Для решения вышеназванных проблем необходимо разработать геодезическую технологию диагностики зданий, включающую в себя комплекс геодезических работ, выполняемый при обследовании здания, с целью определения ее реального напряженно-деформированного состояния и методы анализа результатов таких работ. Ставится задача по определению полной геометрии здания, включающую в себя определение пространственной геометрии геометрических параметров, характеризующих пространственное положение всего здания в топоцентрическои системе координат, и внутренней геометрии - геометрических параметров, характеризующих взаимное расположение строительных конструкций и элементов здания. При этом определяются две группы геометрических параметров, первая из которых характеризует пространственное положение всего здания в топоцентрическои системе координат (рис. 1.10, а), вторая - взаимное расположение его строительных элементов (рис. 1.10, б).
Определение формы и пространственного положения здания и положения отдельных его частей, в том числе и определение размеров труднодоступных участков сооружения, целесообразно выполнять электронным тахеометром с функцией безотражательных измерений [4, 23, 24, 53, 114]. 1.4. Анализ способов инженерной защиты зданий
Восстановление зданий и сооружений является комплексной проблемой, связанной с большим кругом самых разнообразных не до конца решенных задач строительной науки: во-первых, еще недостаточно разработана инструктивно-нормативная литература по этой проблеме; во-вторых, при восстановлении зданий приходится усиливать конструкции, изготовленные ранее, механические свойства и типоразмеры которых могут отличаться от применяемых в период проведения работ; в-третьих, следует учитывать стесненность выполнения работ, а также необходимость как можно меньших остановок эксплуатации объекта; в-четвертых, при выполнении ремонтно-восстановительных работ требуется специальный набор механизмов, инструментов, приспособлений, особые технологические приемы и методы, аналогов которым до этого не существовало [91, 131, 132, 235, 244].
Все известные методы восстановления эксплуатационной надежности зданий можно разделить на две основные группы (рис. 1.11): без изменения пространственной геометрии (формы) и с изменением пространственной геометрии (формы) [80, 83, 156, 205, 218, 233]. Методы восстановления экс ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Классификация методов восстановления здания плуатационной надежности без изменения пространственной геометрии -это усиление строительных конструкций сооружения, увеличение полезной площади фундаментов, увеличение несущей способности основания. Но, используя только эти методы, нельзя решить основную проблему накренившегося здания - устранить напряжения в строительных конструкциях. Несмотря на то, что строительные конструкции усилены, напряжения в них сохраняются и даже незначительное приращение деформационных нагрузок может привести к их разрушению.
Устранить же возникшие напряжения можно лишь, восстановив его пространственную геометрию, устранив крен здания. Это можно сделать следующими способами: 1) выравнивание здания за счет регулирования осадок основания (выбуривание, замачивание); 2) применение специальных выравнивающих устройств и регулируемых фундаментов (гидравлические системы, песочницы, термопластичные опоры и т. д.). Рассмотрим случаи восстановления эксплуатационной надежности более детально.
Определение деформированного состояния перекрытия цоколя и рекомендуемых для устранения уклонов
При геодезическом обследовании целесообразно классифицировать здания по их конфигурации в плане: к зданиям простой конфигурации следует отнести здания прямоугольной формы в плане, у которых продольные размеры не существенно отличаются от поперечных. Здания не соответствующие вышеназванным геометрическим формам следует отнести к зданиям сложной конфигурации в плане. В зависимости от конфигурации здания выбирается определенный комплекс геодезических работ при их обследовании. Например, при обследовании зданий сложной конфигурации параметры кренов, как характеристики деформированного состояния здания, являются менее информативными, чем при обследовании зданий простой конфигурации.
Геодезическое обеспечение диагностики технического состояния здания включает в себя комплекс работ по геодезическому обследованию деформированных зданий, фильтрацию монтажных ошибок и оценку технического состояния таких зданий путем сравнения фактических геометрических характеристик и их предельных значений [52, 55, 57, 67, 70, 72, 73, 81, 84].
При выполнении предварительного обследования оценивается общее техническое состояние объекта, определяется наличие трещин и разломов, определяются величины уменьшения площадок опирання строительных конструкций, их взаимные сдвиги и перекосы. По виду трещин предварительно выявляют вид деформаций сооружения. По результатам обследований сооружения формируют первоначальное представление о его техническом состоянии и составляют проект объема выполнения геодезических исследований. Состав и объем работ по обследованию могут уточняться исполнителем на основе технического задания заказчика, с учетом результатов анализа материалов общего обследования, конфигурации объекта, поставленных задач, намеченных сроков и возможностей исполнителей и заказчика. Геодезические работы по детальному обследованию здания подразделяются на следующие этапы: 1) создание высотной опорной геодезической сети; 2) обмеры линейно-угловых как внутренних, так и габаритных параметров сооружения (продольные и поперечные размеры в нижнем сечении, угловое расположение стен, высоты объекта); 3) выявление и наблюдение за трещинами; 4) определение частных кренов ребер сооружения; 5) определение кренов стен по заданным сечениям; 6) определение прямолинейности стен в нижнем сечении; 7) определение горизонтального сдвига сооружения; 8) определение принадлежности исследуемых точек характерного сечения (или сечений) некоторой горизонтальной плоскости (или многоцикловые наблюдения за осадками сооружения).
Одной из наиболее информативных деформационных характеристик является крен сооружения. В нормативной и технической литературе даются следующие определения кренам: - крен фундамента или сооружения в целом - отношение разности осадок крайних точек фундамента к его ширине или длине; - крен фундамента - деформация, происходящая в результате неравномерной осадки, просадки, подъема и т. п. и характеризующаяся разностью вертикальных перемещений точек, отнесенной к расстоянию между ними; - крен сооружения может быть выражен в линейной, угловой и относительной мере. Под линейной величиной абсолютного крена в /-м цикле наблюдений понимается отрезок между проекциями центра подошвы фундамента и центра верхнего сечения сооружения на горизонтальную плоскость. Приращение крена в линейной мере представляет собой расстояние (отрезок) между проекциями центра верхнего сечения сооружения в двух циклах наблюдений на горизонталь ной плоскости. Абсолютный крен в угловой мере определяется острым углом между отвесной линией в центре подошвы фундамента и положением оси сооружения в г -м цикле. Относительным креном называется отношение абсолютного крена сооружения в і-м цикле к высоте сооружения. - крен, определенный в некоторой координатной плоскости, называет ся частным креном.
Для удобства дальнейшего изложения примем следующие обозначения: - абсолютные линейные крены, определенные в координатных плоскостях X и Y, обозначим через qx,qy и будем называть либо «приращением координат» (так как, по сути, линейная величина абсолютного крена и является приращением координат), либо для простоты изложения будем пользовать термином «крен»; - относительный крен, определенный в координатных плоскостях X и Y, будем обозначать через Qx, Qy. Далее рассмотрим выполняемые работы при геодезическом обследовании в указанном выше порядке [84].
При наблюдениях за деформациями инженерных сооружений особое внимание уделяется стабильности высотной опорной сети. С целью повышения надежности опорной сети в районе наблюдений за осадками, как правило, закладывают несколько опорных реперов, конструкция которых может обеспечить высокую стабильность положения. На стабильность высотной основы значительное влияние оказывают деформационные характеристики грунтов, на которые опираются репера. При этом опорные репера желательно располагать недалеко от наблюдаемых объектов, подверженных осадкам. Обычно в таких случаях закладывают не менее трех реперов. Для большей надежности и для контроля опорной сети между опорными реперами регулярно прокладьшают высокоточные нивелирные хода. Так как по относительным измерениям пре вышений между реперами невозможно судить об абсолютной стабильности реперов, ставится дополнительное условие: количество нестабильных реперов должно быть менее половины, только в этом случае возможно выявление нестабильного репера. Дополнительное условие обосновано использованием конструкций опорных реперов повышенной стабильности и стремлением заложить опорные репера в наиболее стабильные грунты.
К настоящему времени разработано достаточно много методов анализа устойчивости реперов [86, 89, 226 и др.], но все они обладают одним существенным недостатком: они плохо приспособлены к компьютерному анализу. С целью устранения этого недостатка целесообразно получить математическую модель наблюдаемого объекта.
Представим возможную осадку между опорными реперами как разность между уравненными значениями превышений А. в цикле с номером / и превышением в нулевом цикле:
Общая организация полевых геодезических работ при подъеме и выравнивании здания
Вопросам точности и надежности определения деформаций посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов [18, 31, 40, 45, 51, 53, 54, 74, 167, 222, 225, 243 и др.]. Изложенный в настоящей главе метод геодезического обследования здания предполагает использование новейших высокоточных геодезических средств измерений, таких как электронный тахеометр EITA S10, электронных нивелиры и рейки с Rab-кодовыми шкалами. В нашем случае точность выполняемых при геодезической диагностике геодезических работ может регламентироваться нормативным документом СНиП 3.01-03-84.
Определение напряженно-деформированного (НДС) состояния зданий изложенным в данной главе методом предполагает получение большого массива информации о НДС обследуемого здания, а именно кренов ребер, кренов по заданным вертикальным сечениям, параметров деформаций горизонтально-ориентированных конструкций и т.д.
Особенно это важно при сборе информации о НДС объекта для проектирования мероприятий по его подъему и выравниванию. Безусловно, многие такие задачи решаются методами тахеометрии и нивелированием. Однако, зачастую в условиях плотной городской застройки (что характерно для центров многих современных городов) получение детальной информации о НДС может быть затруднено отсутствием прямой видимости точек предполагаемого съема информации. Более того, возможны случаи, когда объект находится в предаварийной или в аварийной ситуации в условиях активно развивающихся деформационных процессов и требующего принятия оперативных и адекватных мер по его инженерной защите, что требует проведения экспресс-диагностики его деформированного состояния, в том числе и в неблагоприятных погодных условиях в любое время суток. В таких случаях для решения обозначенных задач предполагается целесообразным использование спутниковых средств геодезических измерений. Отметим также необходимость использования таких средств для оценки устойчивости застроенной территории при сплошном обследовании (например, после землетрясений), а именно для выявления зон тектонических нарушений, как участков аномальных коротко-периодических колебаний земной поверхности, приводящих зачастую к деформациям и разрушению зданий и сооружений.
Если высокая точность определения приращений координат не вызывает сомнений, то точность определения приращения отметок точек, получаемые спутниковым нивелированием, на наш взгляд, нуждается в дополнительном изучении. С этой целью нами была проведена оценка точности спутникового нивелирования.
Контроль горизонтальности горизонтально ориентированных конструкций решается методом геометрического нивелирования. Однако возникают трудности, связанные с несоответствием технических возможностей и особенностей электронных нивелиров и реек с Rab-кодовыми шкалами и традиционных методик выполнения названных работ. Недостатком традиционого способа геометрического нивелирования является то, что в процессе нивелирования не контролируется изменение главного условия нивелира.
В случае использования электронных нивелиров на каждой рейке имеется лишь одна Rab-шкала, поэтому по каждой рейке берут по одному отсчету, второй отсчет может быть лишь повторен, но он не является независимым, реализация же для контроля получения отсчетов и превышений методики с изменением высоты инструмента трудоемка, поэтому в случае использования при геометрическом нивелировании электронных нивелиров не обеспечивается надежный контроль измерения превышений.
Нами разработан способ геометрического нивелирования, учитывающий особенности электронных нивелиров и реек с Rab-кодовыми шкалами [73]. Способ заключается в том, что последовательно по точкам нивелирного хода устанавливают рейки I, II (с Rab-кодовой шкалой), между которыми устанавливают электронный нивелир III, приводят его в рабочее положение. Затем по рейкам I, II берут отсчеты, по которым вычисляют превышения путем вычитания отсчетов, полученных по задней рейке, из соответствующих отсчетов, полученных по передней рейке. При этом пару реек I, II устанавливают с одной стороны относительно станции установки нивелира III, и по ним выполняют отсчитывание с двух смежных станций установки нивелира (рис. 2.30).
На начальной и конечной точках секции нивелирного хода рейки I, II устанавливают последовательно и при каждой их установке берут по ним отсчеты. Затем для каждой пары смежных станций установки нивелира III определяют параметр і, характеризующий его главное условие / = tg((3); ,= (п.-щьсуз.) (Sh-SU2)-(Sh-Sn ) где Пі и Пг - отсчеты соответственно по первой и второй рейкам на предыдущей смежной станции установки нивелира; Зі и Зг - отсчеты соответственно по первой и второй рейкам на последующей смежной станции установки нивелира; Sn и Sn - расстояния от инструмента до первой и второй реек на предыдущей смежной станции нивелира; S3 , S3 - расстояния от инструмента до первой и второй реек на последующей смежной станции нивелира. Рисунок 2.30. Схема реализации способа геометрического нивелирования Поэтому (2.90) М] = М2 p"cos4P; М2 = А2 (М2П + М\г + Ml) + A2i\Ml + M2Sn2 + Ml + М2щ), где А = (sh-sn2)-(s3]-sny Mn , Mn , M3 , M3 - средние квадратические ошибки отсчитывания по рейкам; Мп , Мп , М3 , М3 - средние квадратические ошибки измерения расстояний. Исправляют значения отсчетов и затем вычисляют превышения соответственно отдельно по каждой рейке I, II и, кроме того, по неисправленным отсчетам, вычисляют превышения между горизонтами инструмента на смежных станциях: /г = (п2-з2)(53, -sUi)-(п, -з.х -П2). (s3t-sni)-(sh-sU2) M A iAStMl+ASlM + A fe+h M +A tf+hlW2 , (2.91) 120 где AS, = Sh - 5П); AS2 = Sh - SUi; hx = П, - Зь A2 = П2- 32. В качестве окончательного превышения по секции нивелирного хода принимают среднее из трех превышений, полученных соответственно по первой, второй рейкам и по горизонту инструмента. В результате для каждых двух смежных станций вычисляется и, следовательно, контролируется главное условие нивелира, кроме того, по секции одновременно прокладываются три независимых хода соответственно по первой и второй рейкам и по горизонту инструмента, тем самым по каждой секции обеспечивается вычисление трех превышений и, как следствие этого, их надежный контроль [73].
