CC BY
20
УДК 622.271:528.482
Р.С. Шеметов, Ю.А. Филиппов
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ НАБЛЮДАТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕОМОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИЙ СООРУЖЕНИЙ
Построена численная трехмерная геологическая модель массива и вмещаемых им сооружений. Смоделировано воздействие статических, и геодинамических нагрузок в виде сейсмического воздействия. Методом конечных элементов на основе прилагаемых нагрузок произведен расчет напряженно-деформированного состояния конструкций сооружений, а также последующий анализ изменения поля напряжений после приложения геодинамического воздействия. На основании полученных данных в результате моделирования напряженно-деформированного состояния в сооружениях произведен и обоснован выбор места расположения наблюдательной станции для проведения геомониторинга деформаций.
Ключевые слова: геодинамика, геомониторинг, напряженно-деформированное состояние, геомеханика, метод конечных элементов, моделирование, наблюдательная станция.
Введение
При проведении геомониторинга сооружений в геодинамически активных регионах России практически не принимаются во внимание современные ко-роткопериодные геодинамические движения, а основное значение придают наблюдениям за осадками и креном здания [1]. Это приводит к запоздалому обнаружению возникновения деформаций, а следовательно к непредусмотренным дополнительным финансовым затратам. В современных нормативных документах также в очень малой степени освещены методики проведения геомониторинга с учетом геодинамики региона.
Одной из основных стадий проведения геомониторинга является выбор места расположения наблюдательной станции.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-205-211
Она должна позволять проводить наблюдения как за вертикальными, так и за горизонтальными компонентами движений [2]. В этой статье произведена попытка определить наиболее верное с позиции достоверности получения результатов место заложения наблюдательной станции с учетом геодинамического воздействия в виде сейсмической активности.
Район проведения исследования находится на юге Краснодарского края, на территории г. Б. Сочи, в Адлерском районе с. Веселое, на границе с Абхазией, у подножия южного склона Главного Кавказского хребта.
Одним из неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений, проявляющихся в районе построенных зданий, следует отметить сейсмичность.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 205-211. © Р.С. Шеметов, Ю.А. Филиппов. 2017.
Высокая сейсмическая активность района обусловлена процессами, происходящими в земной коре. Современные землетрясения приурочены к тектонически активным зонам и поясам и связаны с колебательными движениями, происходящими в земной коре. Расчетная сейсмическая интенсивность в баллах шкалы MSK-64 для средних грунтовых условий (II категория грунтов по сейсмическим свойствам) и трех степеней сейсмической опасности (А — 10%, В — 5%, С — 1%) в течение 50 лет, согласно рекомендациям по применению карт общего сейсмического районирования ОСР-97, составляет для г. Адлер А — 8 баллов [3].
Построение модели и расчет
Трехмерная численная модель массива и сооружений объекта была построена с помощью программ AutoCAD и ANSYS. Все последующие расчеты и результаты распределения напряженно-деформированного состояния (НДС) в массиве и зданиях были проведены в программном комплексе ANSYS.
Для моделирования в программном комплексе ANSYS используется метод конечных элементов. В нашем случае материал зданий — бетон, считается упругим материалом, поскольку нагрузки на
него не превосходят его предел упругости, поэтому все расчеты выполнялись в упругой постановке задачи. Форма и тип конечного элемента выбраны в виде тетраэдра с десятью степенями свободы, имеющими три степени свободы перемещений в каждом узле. Элемент имеет свойства пластичности, ползучести, изменения жесткости при приложении нагрузок, больших перемещений и больших деформаций.
Построенная геологическая модель была разбита приблизительно на 736 000 конечных элементов и содержала 1 350 000 узлов (рис. 2). Модель объединяет участок застройки размером 160^180 м. Плотность конечных элементов выше в модели сооружений, так как они являются для нас более важным объектом получения изменения поля напряжений.
Для начала было рассмотрено распределение поля напряжений в сооружениях и массиве в статическом состоянии, то есть под воздействием силы гравитации в качестве нагрузки. При расчетах получили картину распределения напряжений, при которой наибольшее влияние могут оказать сжимающие напряжения по оси Z (выделены синим цветом) величиной до 7 МПа (рис. 3, 4).
Рис. 2. Сетка конечных элементов в модели
На рисунках видно, что область повышенных сжимающих напряжений на стыке двух секций доходит до уровня третьего этажа, а в остальных местах не превышает, или превышает незначительно, уровень первого этажа. Забегая вперед, стоит отметить, что этот факт сыграет особую роль в интерпретации результатов.
При рассмотрении результатов смещений по осям X и У, на рис. 5 и 6 видно,
Рис. 3. Напряжения вдоль оси Т в статике, вид с востока
Рис. 5. Смещения вдоль оси Y в статике
что наибольшим потенциальным смещениям подвержены верхние этажи секций.
Смещения в верхних этажах секций доходят до 56 мм и превышают плановые смещения первых этажей на 35— 50 мм. Полученные результаты абсолютно логичны, так как известно, что высотные здания максимально подвержены деформациям, проявляющимся в виде крена сооружения [4].
Рис. 4. Напряжения вдоль оси Т в статике, вид с запада
Рис. 6. Смещения вдоль оси X в статике
Рис. 7. График волнового фронта, воздействующий на исследуемую модель
Далее, для моделирования геодинамической нагрузки в виде сейсмической волны магнитудой 5 баллов, был сформирован волновой фронт [5], воздействующий на построенную модель с востока. Было выбрано именно это направление, так как в период строительства объекта с 2012 по 2014 гг., в данном районе действительно произошло 2 или 3 землетрясения магнитудой около 5 баллов с эпицентром на востоке от нашей площадки, в республике Абхазия [6].
Расстояние до эпицентра 100 км. Задняя стенка модели испытывает быстрое периодическое смещение, показанное на графике: сжатие на 15 см, затем растяжение. Период колебаний — 10 с.
По полученным результатам видно, что максимальные вертикальные сжимающие напряжения в зданиях при воздействии геодинамической нагрузки возрастают до 68 МПа, а площадь их распро-
странения увеличивается до уровня 5— 6-го этажей на стыке секций, и до уровня 2—3-го этажей в других частях зданий. Помимо этого можно заметить, что на стыках секций, в районе 1—2-го этажей, появились области растягивающих напряжений величиной до 16 МПа. Именно растягивающие напряжения несут наибольшую опасность для сооружений, так как предел прочности материала (в нашем случае — бетона) на растяжение значительно уступает величине предела прочности на сжатие. Эти напряжения могут привести к разрушению, то есть к такому деформированному состоянию здания, когда нарушатся связи между его частицами [7].
При рассмотрении результатов плановых смещений, полученных под воздействием геодинамической нагрузки, можно обнаружить, что верхние этажи зданий подвержены крену величиной
; 51
I к
к
13 ! к
к
Рис. 8. Напряжения вдоль оси Т под воздействием динамической нагрузки, вид с востока
Рис. 9. Напряжения вдоль оси Т под воздействием динамической нагрузки, вид с запада
до 300 мм (южная секция) и до 90 мм (северная секция). Смещения первых этажей увеличились до 30—40 мм.
Так как исследование проводилось постфактум, то, безусловно, имеется большое количество данных, с которыми можно было бы сопоставить полученные результаты. Одним из видов таких данных для являются известные деформации в виде раскрытых трещин, расположенных на внутренних поверхностях стен секций, примыкающих друг к другу. Трещины распространяются до 5—6-го этажей здания [8].
Как уже говорилось выше, есть возможность увязать данные деформации с повышением сжимающих и возникновением растягивающих напряжений на ближайших друг к другу стенах секций под воздействием геодинамической нагрузки в виде землетрясения магниту-дой 5 баллов, эпицентр которого располагался в республике Абхазия. Соответственно, можно сделать вывод, что для предотвращения подобных и более масштабных видов деформаций необходимо принимать дополнительные меры безопасности при проектировании и строительстве зданий в геодинамически активных регионах.
Выбор места расположения
наблюдательной станции
Для того, чтобы проводить геомониторинг деформаций более качественно и
достоверно, необходимо верно определить место расположения наблюдательной станции в виде геодезических знаков и реперов. Наиболее актуальную информацию о происходящих деформациях даст расположение и мониторинг реперов в местах, наиболее подверженным этим деформациям. Эти места были определены с помощью численного моделирования методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS.
По полученным результатам видно, что максимальным плановым смещениям подвержены верхние этажи зданий, поэтому необходимо расположить проектируемую станцию таким образом, чтобы зафиксировать крен. Однако, при воздействии геодинамической нагрузки, стало заметно, что смещения первых этажей здания также увеличились, поэтому нельзя оставлять их без внимания. К тому же, в нижних частях здания, по причине нагрузки от собственного веса, расположены зоны концентрации сжимающих напряжений, в которых также необходимо проводить мониторинг деформаций.
А после приложения геодинамической нагрузки значения напряжений в этих зонах значительно возросли, а также добавились зоны концентрации растягивающих напряжений, являющиеся наиболее опасными для деформирования конструкций.
Рис. 10. Смещения вдоль оси Y под воздействием геодинамической нагрузки
Рис. 11. Смещения вдоль оси X под воздействием геодинамической нагрузки
I
I il
Nil
к
Рис. 12. Места расположения реперов на секциях здания
Выводы
В итоге, было установлено, что для наиболее полной картины деформаций сооружения, необходимо установить 11 реперов, места расположения которых указаны на рис. 12 и 13 черными ромбами. Именно эти места концентрируют скопления наибольших напряжений, а значит, являются в первую очередь потенциально опасными местами для деформирования. Нужно отметить, что целью геомониторинга в данном случае является определение не только вертикальных, но и горизонтальных смещений. Поэтому мониторинг данных реперов предполагается проводить с помощью электронно-оптического тахеометра с точностью не менее 1", а также цифровым нивелиром — для определения осадок.
Для более точного определения плановых смещений верхних этажей здания необходимо расположить репера на кровле сооружения для определения смещений методом спутникового позицио-
Рис. 13. Места расположения реперов на секциях здания
нирования. Этот метод позволит определить плановые смещения с точностью до 1—2 мм, при этом точностью смещений по высоте можно пренебречь, так как данные по осадке будут получены по результатам нивелирования реперов, расположенных на уровне первого этажа.
Таким образом, была получена наблюдательная станция, состоящая из двух групп реперов. По данным мониторинга станции будут получены совершенно независимые друг от друга результаты. Это будут результаты нивелирования, результаты тахеометрической съемки, а также результаты съемки с помощью GPS. В данном комплексе все результаты указанных видов съемок при правильном расположении реперов дадут достоверные данные о происходящих в здании деформациях под влиянием возможных геодинамических движений, а значит, позволят вовремя принять актуальные меры для безопасности людей и сохранности конструкций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СП 11-104-97 Инженерно-геодезические изыскания для строительства. — 1998.
2. Шеметов Р. С. Результаты мониторинга деформационных процессов в геодинамически активном регионе России / Геомеханика в горном деле: сборник научных статей. — Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2014. — С. 86—96.
3. ООО «Росгеостройпроект». Инженерно-геологические изыскания. Жилой квартал в микрорайоне «Веселое-Псоу», квартал 15 Адлерского района города Сочи. — Ростов-на-Дону, 2011.
4. СНиП 3.01.03-84 Геодезические работы в строительстве. — 1984.
5. Захаров В. Н., Малинникова О. Н., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А. Оценка устойчивости оползневого склона и развития его деформаций во времени // ФТПРПИ. — 2014. — № 6. — С. 11—12.
6. SCAPP онлайн-издание о городе Сочи // Как трясло Сочи: история землетрясений в городе-курорте, URL: http://sochi.scapp.ru/scapp-gorod/istoriya-zemletryasenij-sochi/ (дата обращения 20.01.2017).
7. Казикаев Д. М. Геомеханика подземной разработки руд. — М.: Изд-во МГГУ, 2009. — 542 с.
8. Шеметов Р.С. Интерпретация результатов проведения мониторинга деформационных процессов сложноконструктивных объектов в предгорье Северного // Маркшейдерия и недропользование — 2015. — № 1 (75). — С. 54—58. firm
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шеметов Роман Сергеевич — инженер, ООО «Полюс Проект», e-mail: [email protected],
Филиппов Юрий Алексеевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ИПКОН РАН.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 205-211.
UDC 622.271:528.482
R.S. Shemetov, Yu.A. Filippov
VALIDATION OF SELECTED OBSERVATION STATION LOCATION FOR GEOMONITORING DEFORMATION OF STRUCTURES
In the article a numerical three-dimensional geological model of the array with buildings. Modeled static and geodynamic loads in the form of seismic influence. The method of Finite elements based on the applied loads calculated stress-strain state of building structures, and subsequent analysis of changes in stress field after application of geodynamic impact. On the basis of the data obtained in the result of modelling of stress-strain state in the structures produced and the choice of locations of observation stations for conducting Geomonitoring deformations.
Key words: geodynamics, geo-monitoring, stress-strain state, geomechanics, finite element method, modeling, monitoring station.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-205-211
AUTHORS
Shemetov R.S., Engineer, e-mail: [email protected],
«Polyus Project», 660028, Krasnoyarsk, Russia,
Filippov Yu.A., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher,
Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources
of Russian Academy of Sciences, 111020, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Inzhenerno-geodezicheskie izyskaniya dlya stroitel'stva. SP 11-104-97 (Engineering investigations and surveying for construction purposes. Building Regulations SP 11-104-97), 1998.
2. Shemetov R. S. Geomekhanika v gornom dele: sbornik nauchnykh statey (Geomechanics in mining: Collection of scientific papers), Ekaterinburg, IGD UrO RAN, 2014, pp. 86-96.
3. 000 «Rosgeostroyproekt». Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya. Zhiloy kvartal v mikrorayone «Veseloe-Psou», kvartal 15 Adlerskogo rayona goroda Sochi, Rostov-on-Don, 2011.
4. Geodezicheskie raboty v stroitel'stve. SNiP 3.01.03-84 (Surveying in building activities. Construction Norms and Regulations SNiP 3.01.03-84), 1984.
5. Zakharov V. N., Malinnikova O. N., Trofimov V. A., Filippov Yu. A. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2014, no 6, pp. 11—12.
6. SCAPP onlayn-izdanie o gorode Sochi. Kak tryaslo Sochi: istoriya zemletryaseniy v gorode-kurorte, available at: http://sochi.scapp.ru/scapp-gorod/istoriya-zemletryasenij-sochi/ (accessed 20.01.2017).
7. Kazikaev D. M. Geomekhanika podzemnoy razrabotki rud (Geomechanics of underground ore mining), Moscow, Izd-vo MGGU, 2009, 542 p.
8. Shemetov R. S. Marksheyderiya i nedropol'zovanie. 2015, no 1 (75), pp. 54—58.
