Разработка технологии геодезического обеспечения инженерной защиты зданий и сооружений

В настоящее время весьма острой становится проблема реконструкции и восстановления эксплуатационной пригодности жилого, общественного и промышленного фондов, особенно построенного в 60−80-х годах минувшего столетия. К числу таких объектов относятся и так называемые «хрущевки». На сегодняшний день, в РФ по самым скромным подсчетам насчитывается более 30 000 зданий и сооружений, требующих принятия неотложных мер по восстановлению их эксплуатационной надежности. Особо следует здесь отметить здания, получившие повреждения в период боевых действий на территории Чеченской Республики.

Современная практика реконструкции и капитального ремонта жилищного фонда все чаще сталкивается с его неоправданно быстрым физическим и моральным износом (ветхость зданий в некоторых регионах превышает 50%) [88,139,185].

Возникают новые задачи и в связи с масштабным строительством в крупных городах. Увеличивается этажность возводимых объектов, уплотняется городская застройка, все больше осваивается подземное пространство, возникает необходимость решения проблемы по определению рисков нарушения устойчивости застраиваемых территорий и вызываемых, вследствие этого, сверхнормативных деформаций, как строящихся объектов, так и близ расположенных эксплуатируемых сооружений [210, 212]. В результате в общей конструкции здания происходит перераспределение усилий, взаимное ограничение перемещений. Важное значение при этом имеют стыки конструкций. В связи с наличием вероятностного распределения нагрузок и их воздействия вариантов взаимного влияния конструкций существует очень много. Деформационные расчеты отдельных элементов не дают реальных значений напряжений и деформаций, так как все элементы в здании работают совместно. Неоднозначные результаты получаются и при использовании новейших программных средств, основанных на численных методах расчета сооружений. Поэтому в последнее время вместо деформационных расчетов отдельных элементов все более востребованной становится оценка состояния объекта по результатам натурных исследований, прежде всего — геодезических.

Причины сложившейся ситуации кроются как в просчетах на этапе проектирования и несвоевременном выполнении плановых ремонтов, так и в низком качестве строительных конструкций, некачественном выполнении строительно-монтажных работ, изменении физико-химических свойств грунтов (в том числе и на подрабатываемых территориях) [30, 34, 35, 36, 38, 39, 41, 44, 48], нарушении правил эксплуатации, значительный срок эксплуатации зданий и сооружений.

Тенденция роста предаварийных и аварийных ситуаций в эксплуатируемых зданиях и сооружениях, вызванных вышеназванными причинами, требует незамедлительной разработки и применения эффективных и надежных методов и средств защиты этих объектов, в том числе и разработки технологии геодезического сопровождения процесса реализации таких мероприятий, предполагающей использование новейших геодезических средств измерений. Для проектирования методов инженерной защиты необходимо определить реальное техническое состояние сооружения, которое характеризуется различными параметрами, важнейшими из которых являются геометрические характеристики, определяемые средствами инженерной геодезии. Рекомендуемые действующими нормативными документами методы изучения деформаций зданий, нуждаются в совершенствовании. Обычно в качестве характеристик степени деформированности сооружения рекомендуют использовать обобщенные величины кренов, осадки фундаментов, а в отдельных случаях и прогибы (выгибы) сооружения в целом, которые не могут в достаточной степени отражать реальную картину деформированного состояния основных конструкций здания. Основываясь на таких результатах невозможно достоверно отразить техническое состояние здания и составить качественный проект по восстановлению ее эксплуатационной надежности. При определении деформационных характеристик здания следует выявить, изменяются они во времени или нет. Если наблюдения за деформациями не ведутся с начала строительства или эксплуатации, а организованы только после появления признаков сверхнормативных деформаций, или же, если материалы по организации наблюдений с начала строительства не сохранились (подобная ситуация имеет место в Чеченской Республике) и наблюдения организованы заново, то методами, рекомендуемыми в нормативной литературе [100, 201, 203, 208, 211, 214, 215, 231, 232 и др.], возможно выявить только развитие деформации, то есть только ту часть деформации, которая имела место с момента организации наблюдений. При обследовании зданий определяются именно сверхнормативные отклонения, а не изменения во времени геометрических характеристик. В технической документации определены четыре группы технического состояния зданий и сооружений, в том числе: рас-четно-эксплуатационный режимдопустимый эксплуатационный режимпредаварийное состояниеаварийное состояние [155]. Если в результате проведенного обследования состояние здания отнесли к двум последним группам, то существует альтернатива: снос существующего здания или немедленное восстановление его эксплуатационной надежности, при этом критерием оптимальности при планировании реновации здания будет служить общая стоимость восстановительных работ, а также историко-архитектурная и народно-хозяйственная значимость объектов.

При обследовании возникает проблема определения (выявления) собственно деформационных характеристик здания или сооружения на основе результатов одного цикла измерений, так как в параметрах, характеризующих отклонение реальной геометрии (формы и размеров) здания от проектной, могут содержаться и монтажные ошибки. Для решения этой проблемы нами разработана геодезическая технология диагностики технического состояния объектов, позволяющая получить более полную картину реального напряженно-деформированного состояния всего тела здания или сооружения и предполагающая фильтрацию собственно монтажных ошибок. В результате реализации такой технологии определяются крены ребер здания, крены по отдельным характерным сечениям, деформированное состояние отдельных поверхностей, путем составления на основе результатов измерений картограмм стрел прогибов (амплитуд) отдельных поверхностей, углы кручения, скручивания здания и другие характеристики. В работе доказывается, что в измеренных частных кренах ребер зданий могут содержаться и составляющие, характеризующие не наклон здания, а его кручение. Приводятся способы фильтрации составляющих таких величин для зданий разной конфигурации, а именно вычисления поправок в частные крены ребер здания за его скручивание, что является важным при планировании мероприятий по инженерной защите здания.

Определение технического состояния деформированных зданий и сооружений является первым этапом комплекса мер по инженерной защите объекта, по результатам которого принимается решение о необходимых мерах по восстановлению их эксплуатационной надежности.

Наиболее передовым методом восстановления эксплуатационной надежности зданий, применение которого регламентировано нормативными документами (СНиП), является способ подъема и выравнивания зданий дистанционно управляемой гидравлической системой с плоскими домкратами. Развитие и совершенствование таких способов является перспективным и представляет интерес, как в научном, так и в экономическом плане (172, 173). С использованием такой технологии за последние 15 лет проведено выравнивание 70 зданий и сооружений в России, Казахстане, Грузии, на Украине и в Польше. Геодезическое сопровождение в наиболее сложных случаях подъема и выравнивания объектов производилось по разработанной нами технологии. Подъем велся без отселения жильцов в 21 здании. Максимальная высота подъема составляла 70 см, а величина выравнивания отклонения от вертикали (9-ти этажного здания) составила 115 см. Реконструкция зданий и сооружений на основе подъеме и выравнивания обходится в два-три раза дешевле возведения новых зданий. Контроль геометрии выравниваемого объекта является важной составляющей рассматриваемого метода инженерной защиты. Система внутреннего контроля, состоящая из датчиков линейных перемещений, не дает полной и достоверной информации об изменяющейся геометрии выравниваемого здания и, прежде всего, не может дать информацию о неравномерном задавливании фундамента в различных местах его подошвы. Традиционные методы геодезического сопровождения подъема и выравнивания здания также не могут в достаточной степени обеспечить контроль геометрии выравниваемого здания, что может в результате привести к появлению очагов сверхнормативных деформаций и напряжений в конструкциях здания и, как следствие, повреждение и даже разрушение объекта.

Для решения рассматриваемых проблем нами разработана технология геодезического обеспечения подъема и выравнивания здания, согласно которой по разности координат, определенным до и в процессе выравнивания, вычисляют комплекс геометрических параметров, характеризующих в полном объеме деформированное состояние здания. Такая технология контроля геометрии позволяет оценить процесс выравнивания, в частности судить о вертикальности основных несущих конструкций сооружения и, кроме того, судить о степени деформированности сооружения и о зонах напряжений, возникающих в строительных конструкциях. Как следствие этого в процессе подъема локализуются и устраняются зоны сверхнормативных напряжений, что делает возможным выполнять выравнивание сооружений без дополнительных деформаций и разломов.

Если в процессе подъема одновременно с измерением координат углов здания брать отсчеты по часам, то, обработав полученные данные, можно получить дополнительную информацию о процессах, происходящих со зданием в процессе подъема. Для этого строят графики зависимости кренов, величин сжатия стен, углов скручивания стен и величин подъема от времени.

Рассматриваемая технология позволяет определить и предполагаемое пространственное положение наблюдаемых точек, т. е. априорно установить их координаты. По вычисленным значениям скоростей подъема вводятся управляющие воздействия на режим подъема сооружения и тем самым избегают возможности образования зон аномальных напряжений в отдельных частях поднимаемого здания.

Рассмотренная в диссертации геодезическая диагностика технического состояния деформированных зданий предполагает получение детальной информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) зданий, а именно определение значительного количества деформационных параметров и, прежде всего, кренов ребер и кренов по отдельным вертикальным сечениям. Для решения такой задачи методом электронной тахеометрии важным условием является наличие прямой видимости. Такое требование не всегда выполняется. Кроме того работы по подготовке мер инженерной защиты в сложных геологических условиях может выполняться и в условиях активно развивающихся интенсивных деформационных процессов, что требует проведения экспресс-диагностики НДС здания, причем не только в дневное время. Для решения этих проблем при условии достижения соответствующей точности измерений представляется перспективным использовать для оценки устойчивости застроенных территорий спутниковые технологии. Если вопрос точного определения плановых координат X и У не вызывает сомнений, то определение высотного положение точек требует проведения специальных исследований.

В рамках перспектив дальнейшего развития геодезической технологии диагностики технического состояния зданий показана необходимость использования данной технологии не только для оценки напряженно-деформированного состояния объектов гражданского строительства, но и при испытании уникальных ответственных сооружений, таких как защитная оболочка (гермооболочка) реактора АЭС. В нормативной литературе представлены отдельные общие рекомендации проведения геодезических работ только на этапах строительства и эксплуатации гермооболочки (ГО). Однако, на таких ответственных этапах, как преднапряжение и испытание на прочность ГО до ввода энергоблока АЭС в эксплуатацию после строительства или при продлении срока его эксплуатации геодезические работы нормативной базой не предусмотрены.

Проведенные нами исследования процесса деформирования ГО при преднапряжении и испытании на прочность с использованием современных электронных геодезических средств измерений выявили некоторые недостатки контрольно-измерительной аппаратуры ГО (состоящей из струнных датчиков, встроенных в тело ГО), рекомендованной соответствующими нормативными документами и используемой для контроля напряженно-деформированного состояния ГО. Гермооболочка является важным звеном в системе безопасности АЭС и разработка геодезической технологии получения более полной информации о ее напряженно-деформированном состоянии на всех этапах функционирования ГО является актуальной задачей.

Таким образом, разработка технологии геодезического обеспечения защиты зданий и сооружений путем оперативного детального определения реального деформационного состояния здания при оценке его технического состояния и оперативного контроля геометрии по комплексу деформационных параметров при реконструкции здания методом подъема и выравнивания является своевременной и актуальной проблемой.

Цель работы.

Разработка технологии геодезического обеспечения инженерной защиты зданий.

Новизна научных результатов.

Новым в работе является совокупность разработанных методов и рекомендаций, которые легли в основу разработки технологии геодезического обеспечения инженерной защиты зданий и сооружений:

— разработанная геодезическая технология диагностики технического состояния зданий и сооружений в отличие от известных методов позволяет оперативно, более полно и достоверно определить деформированное состояние объектов в целом и отдельных их конструкций;

— новизной разработанного метода фильтрации монтажных ошибок является возможность оперативной оценки деформированного состояния зданий и сооружений по результатам одного цикла геодезических измерений;

— разработанная математическая модель устойчивости реперов исходной геодезической высотной основы в отличие от известных методов более приспособлена к компьютерному анализу;

— разработанные способы определения составляющих частных кренов, характеризующих наклон, скручивание и другие деформации зданий и сооружений, позволяют оперативно определить деформированное состояние объектов и вычислить проектные значения вертикальных перемещений точек фундаментов при подготовкемероприятий по подъему и выравниванию зданий и сооружений;

— разработанная технология геодезического обеспечения подъема и выравнивания зданий и сооружений в отличие от известных методов позволяет обеспечить полный контроль над изменением формы и пространственного положения восстанавливаемого объекта и отдельных его конструкций и предотвратить возникновение зон сверхнормативных деформаций в процессе подъема и выравнивания;

— разработанные способы подъема и выравнивания зданий сокращают время выравнивания по сравнению с известными способами;

— результаты анализа точности спутникового нивелирования доказывают возможность его использования при геодезической диагностике технического состояния и геодезическом обеспечении подъема и выравнивания зданий и сооружений, в том числе и в условиях ограниченной возможности использования метода электронной тахеометрии. При этом должно соблюдаться условие — горизонтальные расстояния между точками стояния спутниковых приемников не должны превышать величину, примерно равную 200 м;

— в рамках перспектив дальнейшего развития геодезической технологии диагностики технического состояния впервые разработан геодезический метод определения деформированного состояния гермооболочки реакторного отделения АЭС в процессе ее преднапряжения и испытания. В результате реализации данного метода получают более детальную и полную характеристику деформаций ГО по сравнению с регламентированным методом определения деформаций с использованием струнных датчиков.

На защиту выносятся:

— геодезическая технология диагностики технического состояния деформированных зданий;

— метод фильтрации монтажных ошибок, включающий в себя комплекс геодезических измерений и анализ результатов измерений;

— метод моделирования устойчивости исходной геодезической высотной основы, создаваемой при геодезическом обеспечении инженерной защиты зданий;

— способ выявления аномальных напряженно-деформированных зон стен и перекрытий зданий;

— технология геодезического обеспечения подъема и выравнивания зданий;

— способы выявления составляющих частных кренов здания, в том числе и компоненты, характеризующей его скручивание, как для зданий простой, так и сложной конфигурации (в плане);

— метод определения деформированного состояния криволинейных объектов (на примере гермооболочки реакторного отделения АЭС);

— технические решения по совершенствованию методов непрерывного подъема и выравнивания зданий;

— результаты производственных испытаний и внедрения.

Практическое значение:

— разработанная геодезическая технология диагностики технического состояния здания позволяет более полно и достоверно определить его напряженно-деформированное состояние, отметить наиболее узкие места и указать, как ведут себя конструкции в том или ином случае. Предложенный метод фильтрации монтажных ошибок способствует решению важной задачи оперативной оценки деформированного состояния здания, в том числе и по данным одного цикла геодезических измерений;

— предложенный метод геодезического обеспечения диагностики технического состояния криволинейных объектов (на примере гермооболочки реакторного отделения атомных станций) позволяют получать практически значимую для безопасной эксплуатации АЭС, независимую, более детальную и достоверную информацию о деформациях ГО;

— способы выявления составляющих частных кренов здания, в том числе и компоненты, характеризующей его скручивание, позволяют определять составляющие частных кренов, характеризующих собственно наклон здания, что имеет важное значение при вычислении рекомендуемых вертикальных перемещений (при подъеме и выравнивании) надфундаментных конструкций здания;

— разработанная технология геодезического обеспечения подъема и выравнивания зданий позволяет составить качественный проект и реализовать мероприятия по инженерной защите зданий с использованием наиболее прогрессивного метода восстановления эксплуатационной надежности зданий путем полного контроля параметров геометрии восстанавливаемого здания с учетом задавливания фундаментов, тем самым избегая возникновения дополнительных деформаций и разрушений в процессе подъема;

— разработанные технические решения позволяют повысить эффективность метода подъема и выравнивания за счет расширения диапазона работы системы подъема и выравнивания здания, уменьшения времени выравнивания зданий;

— результаты теоретических исследований точности спутникового нивелирования позволяют использовать данный метод для решения важнейших практических задач по оценке устойчивости территорий застройки, определении деформированного состояния объектов, геодезическом обеспечении подъема и выравнивания зданий и сооружений.

Внедрение результатов работы.

Разработанные методы и рекомендации прошли апробацию и внедрены для практического применения в ОАО «Интербиотех», ГУЛ «Стройинвести-ции» 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», «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-й, 2-й, 3-й 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 44 работах, 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.