N5, 2002

МОНИТОРИНГ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИИ СООРУЖЕНИЙ

<ГОЛЛИ А.В.

Основные принципы мониторинга

Строительный мониторинг – это система целенаправленного слежения за процессом проектирования, возведения и эксплуатации сооружения. Цель мониторинга – безаварийность построенного нового, расположенных рядом существующих сооружений и накопление базы опытных данных в результате систематических наблюдений.

При мониторинге решаются следующие задачи:

1. Независимая экспертиза проекта сооружения, при которой определяются и устраняются возможные дефекты.

2. Контроль строительных свойств грунтов от момента инженерно-геологических изысканий до устройства фундаментов. Это позволяет установить изменение физико-механичес­ких характеристик грунтов основания за счет снятия природного давления при откопке котлована и его выдержке от момента экскавации до устройства фундаментов с учетом особенностей производства работ. В случае ухудшения строительных свойств грунтов (включая промерзание) может быть принято решение о замене слоя расструктуренных грунтов, например, фиброармированным грунтом, изменении типа фундаментов или методов производства работ.

3. Наблюдение за деформациями зданий, существующих рядом с возводимым и попадающих в зону действия депрессионной кривой при откачке воды из котлована и в пределы воронки оседания. При этом могут потребоваться оперативное вмешательство в технологию производства работ, усиление основания или конструкций старого сооружения.

4. Контроль деформаций зданий и сооружений над прокладываемыми тоннелями метрополитена.

5. Авторский надзор при строительстве: контроль качества материалов, соблюдения технологии производства работ, качества работ. Но главной задачей авторского надзора является обеспечение соответствия конструкции сооружения его статической расчетной схеме, заложенной в проекте. Так, например, если в проекте предусмотрен жесткий стык между ригелем и колонной или колонной и фундаментом, то в реальной конструкции недопустим шарнир.

6. Наблюдения за осадками возводимого сооружения, которое рационально организовать сразу после монтажа цоколя. В особых и уникальных случаях (новые конструкции, сложные грунтовые условия, повышенная этажность) при необходимости – измерение послойных напряжений и деформаций грунтов основания.

7. Наблюдение за напряженно-деформи­рованным состоянием (НДС) в основании сооружения и его осадками после строительства до момента стабилизации всех измеряемых величин, а при необходимости учета ползучести грунтов основания и установления характеристик ползучести – в течение нескольких лет.

8. Учет техногенных воздействий на прочность фундаментов и физико-механические свойства грунтов оснований.

9. Ввод замеренных величин в компьютерную базу данных, что позволит в дальнейшем снизить стоимость аналогичных сооружений, исключив послеосадочные и аварийные ремонты.

10. Изучение с помощью мониторинга применимости современных технологий возведения фундаментов при реконструкции и новом строительстве в сложных грунтовых условиях.

11. Учет изменения показателей физико-механических свойств грунтов при изменении нагрузки, что даст возможность повысить точность расчетов на ЭВМ.

12. Обеспечение приборами мониторинга для экспресс–методов определения свойств грунтов и длительного наблюдения за сооружениями.

На наш взгляд, необходимо создание вневедомственной независимой службы мониторинга, которая должна финансироваться из федерального бюджета.

В эту службу необходимо привлечь специалистов по инженерно-геологическим изысканиям, проектировщиков и опытных строителей - практиков.

Основная задача данной службы – отслеживать качество «скрытых работ» при строительстве зданий и сооружений. 

Приборы, применяемые при мониторинге

1. Крыльчатка и динамический зонд позволяют экспресс-методом сопоставить показатели физико-механических характеристик грун­тов на трех этапах инженерно-геологической ситуации. Первый – обследование площадки до откопки котлована. При этом результаты стандартных (тестированных) испытаний сопоставляются с данными крыльчатки (сопротивление грунта сдвигу τ) и зонда (плотность ρ, модуль деформации E). Второй – сопоставление показаний крыльчатки и зонда сразу после экскавации грунта из котлована. Третий – перед установкой фундаментов. При ухудшении свойств грунтов производится их замена или изменяется тип фундаментов. Для свайных фундаментов такой контроль не представляется необходимым, так как глубина погружения свай значительно больше глубины заложения фундаментов на естественных основаниях. При инженерно-геологических изысканиях под сваи и тяжелые сооружения на слабых грунтах успешно применяется статическое зондирование, проводимое механическим путем с подвижных установок до глубины 20 м.

Ручной динамический зонд может проходить слабые грунты до глубины 5...6 м, главной задачей при этом является определение количества ударов молота n на отрезке штанги длиной 100 мм. Сопоставление величины n, плотности и модуля деформации, найденных в лаборатории для исследуемых грунтов, дает корреляцию между этими величинами и графики их изменения с глубиной.

Четырехлопастная крыльчатка предназначена для определения физико-механических характеристик грунтов экспресс-методом. При испытаниях крыльчатка вдавливается в грунт, после чего производится равномерный поворот ее рукояти с одновременным снятием показаний индикатора часового типа, установленного на динамометре. Как поворот, так и фиксация показаний возможны в автоматическом режиме.

Лабораторная тарировка крыльчатки позволяет по величине момента вращения определить сопротивление грунта сдвигу на исследуемой глубине. Кроме этого, проведение испытаний основания до экскавации котлована, сразу после нее и после выдержки, непосредственно перед установкой фундаментов, дает возможность оценить изменение прочностных параметров грунтов и принять необходимые конструктивные меры.

2. Прибор для экспресс-определения параметров напряженного состояния грунта в массиве – трехступенчатая мессдоза.

Трехступенчатая мессдоза дает возможность:

Трехступенчатая мессдоза (рис. 1) состоит из ступенчатого корпуса, в гнёзда которого вмонтированы мембраны датчиков тотального давления и мембраны, защищенные фильтрующим элементом датчиков измерения давления в поровой жидкости. На мембраны по схеме полумоста наклеены тензорезисторы. Корпус выполнен со ступенями толщиной 8, 12 и 16 мм с их уменьшением в направлении внедрения мессдозы.

 

Рис. 1. Трехступенчатая мессдоза: 1 – тензорезисторы; 2 – мембрана датчика тотальных давлений; 3 – ступенчатый корпус; 4 – элементы крепления; 5 ‑ выводящий кабель; 6 – штанга зондировочной установки; 7 – мембрана датчика порового давления; 8 – фильтрующий элемент

 Принцип работы устройства состоит в непосредственном измерении тотального давления грунта на мембраны каждой ступени внедренной в грунт мессдозы и расшифровке показаний по градуировочным графикам как суммы горизонтального напряжения (давления в поровой жидкости) на данной глубине и погрешности, вносимой при внедрении мессдозы в грунт, зависящей от толщины ступени мессдозы. Погрешность исключается аппроксимацией расшифрованных показаний давлений на ступенях в зависимости от толщины ступени и определением напряжений при "нулевой" толщине ступени мессдозы.

Внедрение трехступенчатой мессдозы в массив грунта осуществляют с помощью стандартной зондировочной установки непосредственно с поверхности грунта, либо, при измерении на больших глубинах, в забой скважины на глубину более 1 м за нижний обрез обсадной трубы, т. е. за зону влияния скважины.

3. Устройство для измерения напряжений и деформаций в грунтах применяется для контроля напряженно-деформированного состояния основания на глубинах до 25–30 м. Измерение напряжений производится мессдозами, деформаций – глубинными марками.

Общая схема устройства для измерения напряжений в грунте (рис. 2) включает мессдозы для измерения вертикального и горизонтального давления, механизм внедрения мессдоз и измерительную аппаратуру.

Мессдоза для измерения вертикального давления представляет собой пластину, заостренную в передней части. В пластине выточена мембрана, на которую наклеены тензодатчики. Провода от тензодатчиков выведены в хвостовую часть мессдозы и соединены с измерительным мостом сопротивлений. Мессдоза для измерения горизонтального давления состоит из вертикальной пластины с мембраной, закрепленной на горизонтальной базе. Тензодатчики защищены крышкой, залитой герметиком. Наклейка датчиков и градуировка мессдоз производятся по стандартной методике.

Рис. 2. Устройство для измерения напряжений в грунтах: 1 – баллон для сжатого воздуха; 2 – система управляющих клапанов; 3 – подающие штанги; 4 – трос; 5 – вертикальный гидроцилиндр; 6 – обсадная труба; 7 – клин; 8 – горизонтальный гидроцилиндр; 9 – марка-мессдоза; 10 – обойма; 11 – направляющие; 12 – провода; 13 – измерительный прибор; 14 – лебедка

Установка мессдоз производится с минимальным нарушением структуры грунта (см. рис. 2). В массиве грунта под обсадными трубами на 0,5 м глубже проектной отметки нижней мессдозы пробуривается скважина, затем 1,0... 1,5 м скважины заполняют тиксотропным раствором бентонитовой глины, и обсадные трубы извлекают на эту же высоту. Далее с помощью лебеки на тросах в скважину опускают механизм внедрения, основными элементами которого являются вертикальный гидроцилиндр с закрепленным на его штоке выталкивающим клином, горизонтальный гидроцилиндр, расположенный на нижнем торце клина, и направляющие. В направляющие устанавливается обойма с мессдозой горизонтального давления. После этого подается давление в нижнюю камеру вертикального гидроцилиндра, подключенного через распределитель давлений посредством шлангов к насосной станции. При этом клин перемещается вверх, внедряя мессдозу с обоймой в стенку скважины. По выработке хода горизонтальный цилиндр оказывается в створе направляющих механизма внедрения. При подаче давления в нижний гидроцилиндр его шток выталкивает мессдозу из обоймы, которая служит направляющей для мессдозы. Процесс установки мессдозы в грунт контролируется по расходу жидкости в гидравлической системе. По окончании внедрения шток затягивают в цилиндр и механизм внедрения извлекают на поверхность для зарядки мессдозы вертикального давления. Последнюю устанавливают в противоположную стенку скважины выше мессдозы горизонтального давления на 10... 15 см аналогичным образом. Затем операции повторяют для установки следующей пары мессдоз на другой отметке. Устройство позволяет повысить точность определения напряжений в грунте за счет удаления измерительной мембраны мессдозы от стенки скважины, т. е. за счет выведения мессдозы из зоны максимальных разуплотнений грунта, вызванных бурением.

Устройство включает глубинные марки, выполненные в виде тонких металлических колец с лапками из пружинной стали, диэлектрическую трубку с якорем и измерительную аппаратуру. При размещении марок и трубки с якорем в грунте используют тяжелый полый снаряд с лебедкой.

Рис. 3. Устройство для измерения деформаций в грунтах: 1 – лебедка; 2 – трос; 3 – обсадная труба; 4 – диэлектрическая трубка; 5 – полый снаряд; 6 – якорь; 7 – глубинные марки; 9 – реперная марка

 Для установки глубинных марок в грунте под защитой обсадных труб пробуривают скважину до слоя, который может считаться недеформирующимся при ожидаемых нагрузках. Скважину заглубляют в этот слой на 1 м ниже обреза обсадной трубы. Затем в скважину опускают диэлектрическую трубку с закрепленным на ней якорем и реперной маркой, не имеющей возможности перемещаться относительно трубки. После установки якоря на дне скважины ударом полого цилиндра его расклинивают в грунте, обеспечивая жесткое закрепление трубки в скважине. Скважину заполняют тиксотропным раствором до проектной глубины установки марки. На эту же высоту поднимают нижний обрез колонны обсадных труб. Марку с согнутыми лапками вставляют в обсадную трубу и весом снаряда опускают на проектную отметку. При этом при выходе за обрез обсадной трубы пружинные лапки марки распрямляются, внедряясь в стенки скважины, чем и обеспечивается совместная работа марки и грунта основания. Далее внедряющий снаряд извлекают, и операции по установке марки повторяют на следующей проектной глубине.

Благодаря выполнению лапок из пружинной стали и простейшей системе погружения возможна установка марок на глубинах в несколько десятков метров с минимальными затратами труда.

Для измерения послойных деформаций грунта необходимо определить положение каждой из марок относительно реперной марки, для чего в диэлектрическую трубку на мерной ленте опускают датчик, выводы которого соединены со вторичным прибором. Изменение положения марок во времени будет свидетельствовать о послойных деформациях грунта.

Опробование данных методик на глубинах до 30 м на экспериментальных полигонах на дамбе сооружений по защите Санкт-Петербурга от наводнений выявило достаточную надежность созданного оборудования и достоверность полученных результатов измерений.

Разработанная контрольно-измерительная аппаратура позволяет:

При этом следует отметить высокую технологичность разработанной методики: