Введение к работе
Актуальность работы
Строительство и эксплуатация зданий и сооружений
в карстовых районах сопряжены с возможностями возникновения в грунте под зданием карстовых полостей и воронок. Особенность этих явлений состоит в том, что к моменту начала строительства геологические изыскания могут свидетельствовать об отсутствии карстовых полостей под сооружением, однако в процессе эксплуатации возможна реализация условий для их появления и роста. Активизация карстовых процессов может привести к недопустимым деформациям грунта и, как следствие, к разрушению фундамента и самого сооружения.
Одним из самых эффективных способов, позволяющих своевременно зарегистрировать начало и активизацию деформационных процессов в элементах сооружений от воздействия карста, является использование автоматизированных систем деформационного мониторинга. Эти системы должны обеспечивать автоматическое измерение деформационных параметров в режиме on-line с последующей математической обработкой и представлением данных в доступном виде. На основе анализа результатов обработки данных об эволюции измеренных параметров и математического моделирования деформационных процессов в комплексе «грунтовое основание – фундамент – сооружение» системы мониторинга должны позволять делать заключение о закономерностях деформационных состояний сооружения, а также прогнозировать его дальнейшее поведение.
Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка и создание автоматизированных систем деформационного мониторинга инженерных сооружений в карстовых районах.
Целью работы является разработка и создание автоматизированной системы мониторинга деформационного состояния сооружений, находящихся в карстовых районах.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выбор структуры систем первичных датчиков и их эксплуатационных параметров (диапазон измерений, точность, дискретность расположения) с использованием математического моделирования деформационного поведения объекта.
-
Оценка (в автоматическом режиме) деформационных процессов во всех элементах конструкции на основе показаний дискретно расположенных первичных датчиков с использованием математической модели деформационного поведения объекта.
-
Оценка критического и предкритического состояния объекта на основе анализа эволюции деформационных параметров конструкции.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана и численно реализована математическая модель деформационных процессов в системе «карст – грунтовое основание – фундамент – сооружение», которая позволила определить структуру совокупности первичных датчиков деформационного мониторинга сооружения.
-
Разработана и внедрена в аналитический блок системы мониторинга математическая модель, позволяющая в автоматическом режиме по результатам измерений с дискретно распределенных первичных датчиков оценивать деформационные процессы в любом элементе сооружения.
-
Разработана система датчиков, которая позволяет в автоматическом режиме осуществлять измерения осадок зданий и сооружений.
-
Получены эволюционные зависимости параметров деформационного состояния элементов сооружения. Эти зависимости являются основой для оценки остаточного временного ресурса безопасной эксплуатации сооружений.
Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Разработана и создана автоматизированная система мониторинга деформационного состояния 5–этажного кирпичного дома в карстовом районе (г. Кунгур, Пермский край), которая продемонстрировала свою эффективность и надежность практически бесперебойной работой в течение 2.5 лет. На основании результатов работы системы мониторинга обоснована возможность инженерных мероприятий по укреплению фундамента дома.
-
Разработанная система мониторинга может быть успешно растиражирована для широкого многообразия инженерных сооружений.
Подходы, развиваемые в диссертации, реализованы при выполнении ИМСС УрО РАН работ по программе Президиума РАН №11 «Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах, работ по грантам РФФИ №06-08-00696-а, № 09-08-99135-р_офи. Внедрение подтверждено справкой об использовании результатов работы в МУ «Кунгурское городское муниципальное управление гражданской защиты».
Личный вклад автора состоит:
– в проведении исследований по численному моделированию деформационных процессов 5–этажного кирпичного дома в карстовом районе (г. Кунгур, Пермский край) с целью получения наиболее информативной структурной схемы совокупности первичных датчиков для автоматизированной системы мониторинга, в обобщении и оценке полученных результатов;
– во внедрении численной реализации математической модели деформационных процессов в аналитический блок автоматизированной системы мониторинга, что позволило организовать автоматизацию численной реализации математической модели на каждом этапе поступления данных с систем первичных датчиков, а также оценивать распределение деформационных процессов во всех элементах дома;
– в разработке и создании систем первичных датчиков, позволивших осуществлять автоматическую регистрацию осадок фундаментов дома;
– в непосредственном участии в разработке и в практическом создании автоматизированной системы деформационного мониторинга 5–этажного кирпичного здания, находящегося в карстовом районе.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
– результаты численных экспериментов на основе математической модели деформационных процессов в системе «карст – грунтовое основание – фундамент – сооружение», которые позволили определить структуру первичных датчиков деформационного мониторинга сооружения;
– система первичных датчиков измерения неравномерных осадок зданий и инженерных сооружений;
– результаты эволюционных зависимостей параметров деформационного состояния элементов сооружения, полученные с использованием автоматизированной системы мониторинга.
Достоверность численных результатов математического моделирования деформационных процессов достигалась за счет корректных постановок краевых задач и анализа процесса практической сходимости численных решений. Достоверность результатов экспериментальных измерений параметров деформационных процессов, получаемых с систем первичных датчиков, устанавливалась путем экспериментального тестирования и сравнения с результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на следующих конференциях: Всероссийской конференции по волоконной оптике (Пермь, 2007); на XV и XVI «Зимних школах» по механике сплошных сред (Пермь, 2007 и 2009); Всероссийской конференции «Безопасность критичных структур и территорий» (Екатеринбург, 2008); конференции молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» (Пермь, 2008 и 2009); конференции «Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий. Проблемы инженерной геологии карста урбанизированных территорий и водохранилищ» (Пермь, 2008); конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2008); конференции «Актуальные проблемы математики, механики, информатики» (Ижевск, 2010). Диссертация в целом обсуждена на научном семинаре кафедры математического моделирования систем и процессов ПГТУ (руководитель д.ф.-м.н, проф. П.В. Трусов, 2011); научном семинаре ИМСС УрО РАН (руководитель акад. РАН В.П. Матвеенко, 2011); научном семинаре кафедры вычислительной математики и механики ПГТУ (руководитель д.т.н, проф. Н.А. Труфанов, 2011).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 научных работах (10 – в соавторстве, 3 – опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК). В числе научных работ – 1 патент на изобретение (в соавторстве).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 119 страниц текста, в том числе 52 рисунка, 8 таблиц. Список литературы включает 194 наименования.
