Инструментальное исследование грунтов и геологических процессов в основании высотных зданий

Исследование поведения горных пород при различных воздействиях является одним из главных направлений геофизических исследований, при этом особое место занимает изучение грунтов основания инженерных сооружений. Это направление традиционно для Института физики Земли РАН, но обычно основное внимание уделялось изучению сейсмических свойств грунтов — это работы C.B. Медведева, Н. В. Шебалина, В. В. Штейнберга, A.B. Николаева, A.C. Алешина, Ф. Ф. Аптикаева и др.

Особое значение для целей диссертации имеет анализ вибрационных воздействий на грунты — исследования Ю. И. Васильева, A.A. Гвоздева, В. В. Кузнецова, A.C. 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 грантов (И.Г. Миндель, З.Г. Тер-Мартиросян, R. Katzenbach и др.). Особое место занимают разработки, связанные с методикой и техникой наблюдения процессов в грунтах, удачным примером является создание систем деформационного мониторинга грунтов 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 грунты, так и по требованиям к безопасности сооружений. В первую очередь, это относится к высотным зданиям, т. к. происходит значительное усложнение конструкции, особенно для фундаментов, увеличивается глубина их заложения. Тем самым поле распределения нагрузок становится достаточно сложным для применения стандартных и относительно простых методов прогноза последствий 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 грунтах еще более значимой для целостности здания. Все это определяет актуальность и практическую важность детального изучения грунтов основания высотных зданий и происходящих в них процессов для безопасности при их строительстве и эксплуатации. Исследование грунтов оснований высотных зданий опирается на проведение экспериментальных работ — создания инструментальных систем мониторинга грунтового массива, включающих и наблюдения за конструкциями.

Помимо практической значимости работы, присутствует важный фундаментальный аспект — появляется возможность детально исследовать явления в грунтах основания высотных зданий «in situ», а не на образцах. Существенно, что проведение наблюдений во время строительства, и после его завершения позволяет изучить процессы в грунтовом 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 грунт, послойной и суммарной осадки) и взаимодействия грунта со строительными конструкциями, преимущественно в нижней части высотных зданий.

Объектом исследования в данной работе являются грунты основания высотных зданий и происходящие в них процессысредства измерения, в том числе типы датчиков и схемы их расстановкирегламент проведения измерений и приемы сопоставления экспериментальных и расчетных данных.

Цель работы — разработка методики и техники инструментального мониторинга геологических процессов, происходящих в грунтах оснований и конструкциях нижней части высотных зданий, их характерных пространственно-временных размеров и вариаций.

Основные 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.

2. Провести детальный анализ результатов инженерно-геологических изысканий для конкретного объекта и разработка способов прогноза воздействия высотного здания на вмещающий грунтовый массив путем доинтерпретации стандартных данных.

3. Подобрать инструменты мониторинга (методы измерения и типы датчиков), разработать алгоритм размещения датчиков на основе анализа инженерно-геологической ситуации и конструктивного решения, провести их установку на объекте.

4. Провести режимные наблюдения в процессе строительства и выбрать оптимальный временной интервал измерений, выявление изменений в грунтах в процессе возведения здания.

5. Выполнить продолжительные и детальные по времени наблюдения путем запуска системы мониторинга в автоматическом режиме при завершении строительства, провести выявление и анализ процессов в грунтах при постоянной нагрузке.

6. Сопоставить расчетные и экспериментальные значения параметров, а также данные разных типов наблюдений, создать общую картину изменений в грунтах.

Научную новизну работы можно охарактеризовать несколькими положениями, основанными на результатах, представленных в работе:

1. Впервые проведено обобщение и систематизация, современных подходов к мониторингу высотных зданий и грунтов их оснований, а также применяемых для этих целей аппаратурных средств.

2. Разработан и запатентован способ расстановки датчиков в системе мониторинга на основе статистического анализа расчетных параметров конструкций зданий и грунтового массива основания (патент 1Ш 2 365 895).

3. Впервые в России на высотных объектах (г. Москва) реализована автоматическая система инструментального мониторинга совместно грунтов и конструкций, объединившая в едином комплексе наблюдения различных физических величин, что определило уникальность полученных результатов.

4. Получены ранее не известные данные об изменении температурного режима грунтов в основании высотного здания при его возведении.

5. Впервые получена реальная пространственно-временная картина изменения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов в основании высотных зданий, выявлены циклические годовые вариации этих параметров и скорости процессов.

6. Впервые определен и обоснован оптимальный временной регламент проведения мониторинга при строительстве зданий.

Обоснованность результатов и выводов обеспечивается применением сертифицированной аппаратуры, подтверждается статистическим анализом значительного объема накопленных данных, согласованностью результатов по данным наблюдений разных типов.

Основные результаты, полученные в ходе исследований, позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

1. Высотные здания оказывают значительные воздействия на грунты 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.

2. Для получения надежных и достоверных оценок пространственно-временной динамики напряженно-деформированного состояния (НДС) 1рунтов, 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.

3. На примере создания автоматизированных систем мониторинга конструкций и грунтов 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 интегральных трендовых изменений контролируемых параметров тонкие особенности протекания деформационных процессов, существенные для безопасности здания.

4. Экспериментально установлено, что НДС грунтов 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 нагрузок и скоростей их роста при возведении зданий. При постоянной нагрузке (в период приостановки строительства) в пространственной мозаике вариаций НДС в грунте 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 соавторстьс.

Важная часть работы защищена патентом «Способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и оснований зданий и сооружений» (1Ш 2 365 895). Результаты доложены на ряде всероссийских и международных конференций в том числе: Международной конференции «Изменяющаяся геологическая среда: пространственно-временные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов», Казань (2007 г.) — Девятой Уральской молодежной научной школе по геофизике «Современные проблемы геофизик», Екатеринбург (2008 г.) — Х конференции «Сергеевские чтения. Международный1 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.).

По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, получен патент.

Автор глубоко признателен своему научному руководителю — доктору физ.-мат. наук Капустян 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.

Выводы главы 4:

1. Грунтовый массив в основании высотных зданий представляет собой сложную динамичную систему, в которой даже при постоянной нагрузке и отсутствии возможности бокового расширения (из-за ограждающих конструкций «стены в грунте») могут развиваться различные типы геологических процессов, характеризующиеся разным временным ходом и анизотропией по площади. При отсутствии роста нагрузки наблюдаются годовые (сезонные) вариации параметров грунтов и простых конструкций нижних этажей здания. Скорости протекания процессов в разных частях грунтового массива под фундаментной плитой значительно отличаются.

2. Нарушения в технологии проведения строительных работ (например, устройства ограждающих конструкций и грунтоподготовки) вызывают яркие изменения параметров грунтов в основании зданий. Несмотря на это, грунтовая толща имеет свойство «залечивать» возникающие аномальные зоны и перераспределять растущую нагрузку от здания.

3. Принятая в строительной практике теория работы плиты в качестве «жесткого штампа» не подтверждается результатами инструментальных наблюдений. По полученным данным отдельные части конструкции фундаментной плиты испытывают значительные деформации различных знаков.

4. Формирование НДС подземной части здания определяется перераспределением нагрузки от вышележащих конструкций высотной части и процессами в грунтах основания. Фундаментная плита и стеновая система подземных этажей являются основной зоной взаимной переработки этих воздействий, поэтому здесь очень сложно предсказать места концентрации наибольших вариаций напряжений.

5. Изменение температуры в основании фундаментной плиты помимо сезонных вариаций имеет устойчивый многолетний тренд к понижению со скоростью приблизительно 0,5 °С/год.

6. Результаты наблюдений показывают, что для ряда параметров: давления на грунт, осадки и напряжений в конструкциях, для высотных зданий экспериментальные значения могут заметно превышать расчетные значения, полученные по данным компьютерного моделирования.

Заключение

.

Экспериментальные исследования параметров грунтового массива основания высотных зданий, а также происходящих в нем геологических. процессов и сравнение с расчетными моделями позволяют сделать ряд существенных выводов, отраженных в сформулированньш защищаемых положениях. Эти положения основаны на следующих результатах, полученных в работе.

1. Грунтовый массив в. основании высотного здания представляет собойсложную динамическую систему дифференцированного строенияи испытывает значительные воздействия статического и динамического характера. Существует целый ряд процессов, активизация которых непосредственно связана с влиянием строительства на вмещающий грунтовый массив. Эти процессы не относятся к «классическим» опасным геологическим процессам, не учитываются современными нормативными документами и, вследствие этого, не принимаются в расчет при проектировании.

2. При помощи достаточно простых вычислений можно до начала строительства составить прогноз последующего изменения геодинамической ситуации на стройплощадке, используя в качестве исходных данных материалы стандартных инженерно-геологических изысканий.

3. Комплексная система мониторинга высотного здания должна включать набор измерительных средств, позволяющих контролировать различные параметры грунтов и строительных конструкций (по возможности в автоматическом режиме). Совместный анализ данных различных типов наблюдений позволяет увидеть тонкие особенности протекания процессов на фоне интегральных трендовых изменений контролируемых параметров.

4. Наиболее детальные наблюдения должны проводиться для подземной части: нижних этажей здания и грунтов основания, т.к. именно взаимодействие грунтов, фундаментной плиты и конструкций стилобата представляет собой самую сложную и малоизученную проблему, и тем самым, существенную для безопасности здания.

5. Выбор схемы расстановки и типов датчиков, используемых в системе мониторинга, должен определяться исходя из конструктивных особенностей здания, инженерно-геологических условий площадки строительства и анализа результатов расчета модели здания совместно с вмещающим грунтовым массивом. Предложен авторский способ расстановки оборудования в системе инструментального мониторинга, основанный на статистическом анализе параметров расчетных моделей.

6. Опыт создания 4 реальной системы инструментального мониторинга высотного здания позволил выявить ряд существенных аспектов методики установки датчиков и влияния условий установки на достоверность получаемых результатов. Впервые был обоснован оптимальный регламент времени проведения измерений при мониторинге высотных зданий.

7. Установлено, что НДС грунтов основания испытывает яркие пространственно-временные изменения, как в процессе строительства, так и при его завершении или приостановке. При постоянной нагрузке флуктуации процессов в грунте имеют выраженную годовую цикличность, причем не происходит накопление этих флуктуаций во времени. Изменение температуры в основании фундаментной плиты имеет устойчивый тренд к понижению со скоростью ~0,5 °С/год.

8. Формирование НДС подземной части здания определяется перераспределением нагрузки от вышележащих конструкций высотной части и процессами в грунтах основания. Фундаментная плита и стеновая система подземных этажей являются основной зоной взаимной переработки этих воздействий, поэтому здесь очень сложно предсказать места концентрации наибольших вариаций напряжений.

9. По целому ряду параметров: давлению на грунт, осадке и напряжениям в конструкциях, экспериментальные значения могут существенно превышать расчетные, полученные при компьютерном моделировании.

10. Современная отечественная нормативная база, регламентирующая проведение контроля грунтов основания и конструкций высотных зданий, недостаточно отражает потребности строительства и современные возможности проведения мониторинга.