Методы измерения для проверки численных моделей взаимодействия грунта и сооружения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 624.131

П. ПОПЕЛЬСКИЙ(pawel.popielski@is.pw.edu.pl), Я. ЗАЧЕК-ПЕПЛИНСКА (jzaczek@gik.pw.edu.pl), кандидаты техн. наук, М. ПАСИК(m.pasik@gik.pw.edu.pl), инженер, Варшавский политехнический университет (Республика Польша)

Методы измерения для проверки численных моделей взаимодействия грунта и сооружения

Представлены результаты исследований поведения грунта и строительных объектов в непосредственной близости от нескольких объектов различного рода воздействий, таких как глубокие котлованы, проходка туннелей метро с помощью проходческих щитов и строительство зданий. Исследования включают геодезические измерения перемещений и деформации объектов, на которых проведен мониторинг в центре Варшавы такими методами, как нивелирование, линейно-угловые измерения, лазерное сканирование. Выполнен анализ нескольких численных моделей строящихся объектов с учетом их воздействия на соседние здания, которые были проверены на основе результатов измерений до и во время строительства. Параметры грунтов уточнены с помощью поверхностного сейсмического метода. Проанализировано воздействие новых объектов на существующие здания путем сравнения результатов мониторинга с результатами численных расчетов, полученных из исследуемых моделей.

Ключевые слова: геодезические измерения, глубокий котлован, деформации объектов.

В центрах городов, в плотной, часто исторической, застройке возводятся новые сооружения, обычно с несколькими подземными этажами. Такие объекты оказывают влияние на окружающую застройку. Примером, вызвавшим серьезные последствия, стала катастрофа здания Europlex в Варшаве в 1998 г. [1]. Строительство новых объектов оказывает влияние не только на существующие здания, расположенные на поверхности, но также на условия работы городской подземной инфраструктуры и заглубленные инженерные конструкции и коммуникации [2]. На урбанизированных территориях происходят случаи, когда влияние строительства различных новых объектов на существующие здания накладываются.

Влияние устройства фундаментов глубокого заложения на окружающую застройку является сложным, и каждое новое строительство требует отдельного анализа, особенно если оно расположено в городской застройке [3]. Самое большое влияние на величину деформаций имеет вид и состояние грунта (жесткость), в котором выполнен котлован, глубина котлована и качество, точность и скорость выполнения работ.

В наиболее признанных и цитируемых работах [4] не определено никаких существенных разниц перемещений для разных типов ограждений котлована.

Отличным местом для подобного вида исследований в настоящее время является центр Варшавы с динамично развивающимся строительством высотных зданий на фундаментах глубокого заложения и строящейся второй линией варшавского метро. Определение взаимодействия возводимого объекта и прилегающих к нему зданий с подзем-

ной инфраструктурой является необходимым не только в стадии проектирования, но и в процессе получения разрешения на строительство. В сложных геологических и гидрогеологических условиях, при анализе заглубленного строительства, для учета взаимодействия ограждения котлована, фундаментной плиты и других элементов каркаса основным методом расчета является численное математическое моделирование. Уточнение модели после первого этапа возведения объекта может быть сделано путем обратного анализа (back analisys) на основе данных геодезического мониторинга [5]. Параметры грунта могут быть подтверждены с помощью поверхностного сейсмического метода [6]. При анализе воздействия вновь возводимых объектов на существующие здания проведено сравнение результатов мониторинга с результатами численных расчетов исследуемых моделей.

Рис. 1. Экспериментальные полигоны вдоль второй линии варшавского метро

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Подземное строительство

Рис. 2. План расположения здания Atrium South II

Экспериментальные полигоны

Экспериментальные полевые измерения проводились на нескольких исследовательских полигонах (рис. 1), расположенных в центре города вдоль строящейся второй линии метро в следующих районах:

- Кольцо Дашиньского (полигон «Кольцо Дашиньского») и прилегающий к нему участок ул. Простой (полигон «Марвиполь»);

- пересечение улиц Простой и Железной (полигон «Железная»);

- Кольцо ОНЗ (полигон «Кольцо ОНЗ»).

В области этих полигонов главные воздействия, последствиями которых являются наблюдаемые перемещения и деформации, происходят по причине строительства второй линии метро и выполнения фундаментов глубокого заложения в плотной городской застройке.

В области полигона «Кольцо ОНЗ» во внимание принимается взаимодействие высотного здания с заглубленной подземной частью - Skanska Atrium South II (рис. 2) на пересечении улиц Теплой и Переца и строительство станции метро. В ближайшем будущем - снос соседнего пятиэтажного дома на ул. Простой и выполнение проходки туннеля метро. На рис. 2 символом I обозначено здание, построенное несколько лет назад, для которого были выполнены численные расчеты и уточнены параметры грунтов в основании; символом III обозначена проектируемая самая высокая часть здания Atrium South. В области полигона проводятся точные линейно-угловые измерения, точное нивелирование, инклинометрические измерения и лазерное сканирование. В зоне измерений находятся здания по улицам Теплая, 3; Переца, 1А; Простая, 12/14, на которых установлены контролируемые настенные реперы и настенные светоотражающие знаки. Для линейно-угловых измерений, точного нивелирования и инклинометрического зондирования измерения проводятся в интервале, зависящем от стадии строительства, влияние которого изучается. Выполнение лазерного сканирования предусмотрено с двухмесячным интервалом.

Численное моделирование фундаментов глубокого заложения

Известно, что разброс точности результатов моделирования является очень большим и превышает диапазон от -50 до +100% по сравнению с измеренными значениями, принятыми за основу для оценки точности определения перемещений [7]. Это подчеркивает важность знаний и опыта авторов расчетов в области применения и выбора параметров конкретной модели. Прежде всего это относится к жесткостным параметрам, изменяющимся совместно с деформациями грунтового массива, и в меньшей степени к параметрам прочности грунта.

Решающим критерием для выбора расчетной модели является наличие параметров материалов соответствующего качества, возможность их определения как с технической точки зрения, так и с экономической (финансирование соответствующих исследований инвестором). Очень важным является выбор методов определения параметров. Обычно при отсутствии достаточного количества параметров, необходимых для применения в сложных моделях грунта (что по-прежнему встречается в расчете реальных объектов), проектировщик принимает решение провести расчеты, основанные на условиях Кулона - Мора или Друкера - Прагера.

В течение многих лет для проверки величин, характеризующих свойства грунта, используется обратный анализ [3]. Это проверенный, эффективный инструмент, который позволяет повысить точность определения параметров материалов, использованных в расчетах. К недостаткам этого метода можно отнести то, что он может быть использован только после завершения части строительных работ и сопоставления перемещений построенной части конструкции, полученных при мониторинге иногда слишком поздно. Полученные таким образом значения параметров могут быть использованы только в аналогичных конструкциях, расположенных в грунтах с аналогичными свойствами и на такой же глубине. Однако обратный анализ является удобным

Рис. 3. Расчетный разрез с выделенными точками для анализа осадок

Рис. 4. Численная модель с напластованием слоев для поперечного разреза С—С с указанием номеров зданий согласно рис. 2

Подземное строительство

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

Таблица 1

Таблица 2

Этап Дата измерения Относительные перемещения реперов, мм

A B C

14/03/2008 0 0 0

5-4 16/07/2008 -1,8 -6,4 -2,4

Из модели -2,8 -7,2 -2,6

Погрешность модели 55,5% 12,5% 8,3%

6-4 19/01/2009 сбит -12,2 -3,8

Из модели -4,8 -14,4 -4,1

Погрешность модели - 18% 7,9%

при определении причины необычного поведения объекта (разрушение, катастрофа), особенно в процессе моделирования аварии и определения значений чрезмерных нагрузок, которые вызывают необычное поведение строительного объекта.

Пренебрежение проверкой модели при наличии измеренных перемещений - это распространенная ошибка, которая часто происходит при использовании численного моделирования. Результаты численных расчетов должны быть основой для разработки мониторинга объекта, с указанием ожидаемых значений перемещений на разных этапах строительства и допускаемых отклонений, рассматриваемых как сигнальные значения. Это особенно важно для объектов, строящихся в плотной городской застройке.

На рис. 2 показан ориентировочный план соседних зданий: Atrium City и Atrium South II с обозначенными тремя расчетными сечениями. Модель Atrium City (сечение А-А), представленная на рис. 3, сделана во время завершения строительства здания [3]. Модель, отмеченная символами B-B и C-C, - сделана для реализуемого на данный момент здания Atrium South II (рис. 4) [3]. Расчеты для первой модели проводились во время строительства здания Atrium City (сечение А-А) и на основе мониторинга, проведена верификация параметров материала и рассчитана полная осадка здания. Расчеты выполнены в шесть этапов, которые со-

Грунт Отметка кровли слоя ниже поверхности земли Модуль E (по отчету), МПа Модуль E (расчетный), МПа

Насыпной песчано-глинистый, перемешанный со строительным мусором* 0 15 15

Пески озерно-ледниковые* 2 70 70

Пески озерно-ледниковые ниже уровня воды* 4 70 70

Глины верхней морены неконсолидированные* 2 37 37

Глины верхней морены неконсолидированные, ниже уровня воды* 4 37 37

Глины моренного отложения раннего оледенения консолидированные, ниже уровня воды 7,5 100 160

Пески, водно-ледникового происхождения(мелкие и пылевые) 21,5 100 200

Пески с гравием до отметки 6 м выше уровня «0» р. Вислы 23,5 140 300

Пески с гравием ниже отметки 6 м уровня «0» р. Вислы 30 140 400

Глина 45 44 300

* Параметры без модификации. Модифицированы значения параметров материалов, находящихся ниже 5 м уровня земли.

П поста Я 1 4 Рис' 5- Контролируемые объек-i _ ты пол1

ты полигона «Кольцо ОНЗ»

ЖИЛИЩНОЕ

Научно-технический и производственный журнал

Л

Подземное строительство

Рис. 6. Относительные вертикальные перемещения для выбранных контрольных реперов полигона «Кольцо ОНЗ» с делением на области влияний объекта Atrium South II (первая область — синий цвет, вторая — зеленый, третья — желтый, четвертая — оранжевый, пятая — красный, шестая — коричневый, седьмая — голубой)

ответствовали графику строительства объекта и проводимому мониторингу [3].

Вычисленные на этапах строительства вертикальные перемещения модели точек А, В, С (рис. 3) представлены на этапе 4 моделирования (начало измерений осадок фундаментной плиты) и сопоставлены с фактическими перемещениями, полученными на основе геодезического мониторинга (табл. 1).

На основе относительных перемещений, полученных из моделирования и фактически измеренных для времени между выполнением этапов 4 и 5, откорректирована модель. Уточняющие расчеты завершены при полученной разнице измеренных и расчетных значений не более чем 1 мм. Далее определены перемещения, которые образовались после завершения строительства. После окончания строительства сопоставлены рассчитанные перемещения с результатами мониторинга.

Полученные результаты признаны удовлетворительными. Рассчитанные перемещения получились больше измеренных примерно на 20%.

Проведенный анализ подтвердил, что для моделирования воздействий строящегося в настоящее время здания Atrium South II на соседние объекты можно принять параметры материалов, определенные на основе обратного анализа. В табл. 2 представлены параметры грунтов из документации, подготовленной на основе архивного стандарта (PN-81/B-03020 «Grunty budowlane. Posadowienie bezposrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie»).

Подготовленная численная модель для разрезa C-C (рис. 4) для реализованного строительства будет проверена во время выполнения фундаментной плиты на основе текущего мониторинга.

Перемещения объектов на испытательном полигоне «Кольцо ОНЗ» при реализации первых этапов подземного строительства

На упомянутом экспериментальном полигоне «Кольцо ОНЗ» контролируемые марки, расположенные на фасадах и конструктивных элементах прилегающих объектов строительства, были зафиксированы с помощью высокоточной светоотражающей фольги и инженерных призм. Наблюдения за ними производились в очередных циклах в соответствии с исходными точками, находящимися вне зоны воздействия объектов и расположенными на стабильных объектах. Относительные точки были установлены в ходе подготовки мониторинга, проведенного в период от трех до шести месяцев до начала строительства.

Проанализированы величины вертикальных и горизонтальных перемещений контрольных точек полигона «Кольцо ОНЗ», размещенных на домах по адресу улицы Теплая, 3 и Пере-ца, 1А (рис. 5), находящихся в зоне влияния строительства заглубленной части высотного дома Atrium South II.

Основанием для получения перемещений во всех измерительных циклах являются высоты и отметки, полученные для каждого цикла в процессе независимого свободного измерения. Расчеты выполнены отдельно для высотной (нивелирной) и плановой (линейно-угловой) сетей.

До настоящего момента в процессе реализации инвестиции Atrium South II, а также станции II линии метро на полигоне «Кольцо ОНЗ» выполнено четыре измерительных цикла для высотной и плановой сетей.

Лазерное сканирование выполнено соответственно за четыре цикла.

Высотная съемка выполнялась нивелиром Leica DNA03, а линейно-угловые измерения выполнены тахеометром Leica TCRP 1201+ и TCRP1202. В процессе измерений обе-

Подземное строительство

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

их сетей приняты следующие допустимые отклонения: средняя погрешность превышения одного пункта равна 0,09 мм, средние погрешности при измерении углов и расстояний находятся в границах 1,5" и 1,5 мм соответственно.

Для правильного анализа подходит определение объема и сложности земляных работ в процессе реализации оставшихся циклов измерений. Измерения для цикла 2 выполнены в процессе откопки траншеи для стены в грунте на глубину 25 м вдоль северной стены на расстоянии 4 м от фасада каменного дома по ул. Теплая, 3. В процессе выполнения цикла 3 была выполнена стена в грунте и начата разработка котлована до уровня -1-го этажа (4,5 м ниже уровня площадки). Цикл 4 реализован на начальном этапе разработки котлована до уровня -3-го этажа (11,4 м ниже поверхности площадки), после откопки котлована и выполнения перекрытия -1-го этажа.

Цикл 3

Анализ полученных вертикальных перемещений

Из анализа полученных величин вертикальных перемещений высотных пунктов для циклов 2, 3 и 4, отнесенных к исходному циклу 1, отмечено значительное влияние строительства подземной части здания Atrium South II. Главной причиной воздействия является разгрузка основания, вызванная откопкой котлована, которая привела к подъему окружающих зданий. На рис. 6 представлены перемещения выбранных контрольных марок.

На рис. 6 можно выделить несколько областей воздействия (выделенных разными цветами), влияние которых зависит в основном от расстояния до земляных работ на объекте. Для выбранных пунктов данных областей представлены графики величин вертикальных относительных перемещений (последовательно от левой к правой стороне для циклов 2, 3, и 4). На этих графиках размещены горизонтальные линии с интервалом 0,2 мм. Допустимая величина погрешности измерений вертикальных перемещений для всех циклов составляет 0,26 мм.

Принципиальное сравнение в поведении выделенных выше областей, вероятно, происходит от разных осадок в процессе фазы разработки траншеи для стены в грунте (цикл 2).

На основании полученных результатов можно утверждать, что действие подъема поверхности котлована имеет определенно большую интенсивность и радиус действия в сравнении с влиянием разработки стены в грунте, ограниченного непосредственным соседним строительством.

Анализ полученных горизонтальных перемещений

На рис. 7 представлены горизонтальные перемещения контрольных пунктов на северных стенах зданий по ули-

Цикл 4

Рис. 7. Расположение и относительные перемещения контрольных пунктов на стенах зданий улицам Теплая, 3 и Переца, 1А. Пункты, расположенные в вертикальных линиях 3000—3002, 3003—3005, 3006—3008, 3009—3011, находятся над краем котлована. Интервал горизонтальных линий на графике — 1 мм

цам Теплая, 3 и Переца 1А, расположенных по соседству с подземной частью здания Atrium South II. Пункты, локализованные в вертикальных линиях 3000-3002, 3003-3005, 3006-3008, 3009-3011, находятся непосредственно над краем котлована.

Величины перемещений представлены независимо для трех уровней расположения пунктов в голубом (верхний уровень), зеленом (средний уровень) и фиолетовом (нижний уровень) цветах (рис. 7). Перемещения сопоставлены с выходным циклом 1. Для большей наглядности перемещений в направлении, перпендикулярном к стене, размещены горизонтальные линии в миллиметровом интервале.

Из анализа графиков (рис. 7) следует, что земляные работы, связанные с подземным строительством, значительно влияют только на контрольные пункты на здании Теплая, 3 (по левой стороне), которое находится в непосредственной близости от строительства. Отчетливо видны перемещения, ориентированные в направлении области влияния земляных работ.

Интересно сопоставление величин перемещений с видом земляных работ и стадийностью их выполнения. Графики для цикла 2 наблюдений, проводимых во время откопки котлована и траншей стены в грунте, показывают

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Подземное строительство

ЧЦШЛИГ"^"—™1—

0 1 2 1 4 5 [им]

Рис. 8. Разница в положении пунктов северной стены дома по ул. Теплая, 3 на основании сканирований, выполненных в декабре 2011 г. (цикл 1) и июне 2012 г. (цикл 4)

большую разницу перемещений на разных уровнях, развитием до 4 мм, с заметной тенденцией развития больших перемещений в направлении котлована. Графики для цикла 3, выполненного уже после изготовления стены в грунте и в процессе разработки котлована до уровня -1-го этажа, отражают похожие тенденции предыдущего цикла, однако характеризуются большей сходимостью. Графики цикла 4, полученные после выполнения перекрытия в уровне -1-го этажа и в процессе выполнения котлована до уровня -3-го этажа, показывают большую степень воздействий (перемещения до 7 мм), особенно верхней части стены ограждения котлована по отношению к ее нижней части.

Средняя величина погрешности горизонтального перемещения для анализируемых пунктов (во всех циклах) составляет 1,3 мм.

Результаты лазерного сканирования

Точность регистрируемых изменений объекта зависит от используемого оборудования (сканера) и расстояния до исследуемого объекта и изменяется в границах 0,5-1 см [8, 9] для характерных пунктов объекта на основании разниц модели, созданной на основании большого количества пунктов, полученных в процессе единичных измерительных циклов. Четыре цикла измерений для полигона «Кольцо ОНЗ» выполнены сканером Z+F Imager 5010.

Лазерным сканированием, выполненным между циклами 1 и 3, в области полигона «Кольцо ОНЗ» не зарегистрировано значительных перемещений контрольных пунктов на исследуемых объектах.

Наибольшее отклонение стены (рис. 8), определенное этим методом, соответствует расположению пунктов 3003 и 3006 и составляет около 5 мм между циклами 1 и 4 (для линейно-угловых измерений соответственно около 4 и 7 мм).

Выводы

По мнению авторов, следует стремиться к созданию интегрированной системы геодезического мониторинга, дающей возможность предупреждать опасность, основанную на четких, подтвержденных научными исследованиями измерительных методах, подобранных по характеру воздействий и техническому состоянию зданий соседней застройки, а также на специфике возводимых объектов и параметров основания. Описанные выше исследования в области воздействия нового строительства на поведение грунта и деформации строительных объектов будут служить для создания системы контроля возникновения опасных ситуаций.

Принято предположение, что каждая из измерительных методик будет системой, которая сможет автоматически находить данные, накапливать их и передавать информацию о состоянии исследуемого объекта и его основания. Те же данные будут служить информацией для создания модели грунта и исследуемой конструции и их проверки методом обратного анализа.

Авторы выражают благодарность за помощь в обработке данных сотруднику кафедры инженерной геодезии и точных измерений А. Адамку (Варшавский политехнический университет) и К. Братусю (ASTRAGIS).

Список литературы

1. Prоszynski W, Wonniak M. Geodezyjny monitoring przemieszczen obudowy wykopu i obiektow s^siadujqpych (Doswiadczenia z obiektu EUROPLEX w Warszawie). Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej. 1999, 64 p.

2. Домбска А., Попельский П., Городнова Е.В. Влияние нового строительства на подземные сооружения // Жилищное строительство. 2012. № 9. С. 15-20.

3. Popielski P. Oddzialywanie gl^bokich posadowien na otoczenie w srodowisku zurbanizowanym. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Seria Srodowisko. Z. 61. OWPW. Warszawa. 2012. 168 p.

4. Long M. Database for retaining wall and ground movements due to deep excavations // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2001. Vol. 127. № 3. 22 p.

5. Zaczek-Peplinska J., Popielski P. Utilisation of Geodetic Monitoring for Verification of the Numerical Model of Impact of a Building under Construction on Surrounding Structures // Proceedings of FIG Working Week 2012. Roma. 6-10.05.2012. 13 p.

6. Baranski M., Dqbska A., Popielski P., Szczepanski T. Numerical model verification on the basis of the measurements and investigation carried out during the objects realization // Proceedings of the International Geotechnical Conference: "Development of Urban Areas and Geotechnical Engineering". Vol. 1. St Petersburg 2008. 7 p.

7. Schweiger H.F. Benchmarking in geotechnics 1 // Computational Geotechnics Group. CGG 1R006 2002. Graz University of Technology. Austria. March 2002. 10 p.

8. Bohler, W, Bordas, V., Marbs, A. Investigating Laser Scanner Accuracy // The International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Antalya. 2003. Vol. XXXIV. Part 5/C15. Pp. 696-701.

9. Kaminski W., Bojarowski K., Dumalski A., Mroczkowski K., Trystula J.: Ocena mozliwosci wykorzystania skanera lasero-wego ScanStation firmy Leica w badaniu deformacji obiektow budowlanych, Czasopismo Techniczne z. 2-S. 2008. 8 p.