CC BY
146
УДК 528.4:004
А.А. Рожков
ООО «ЯГД», Н. Уренгой
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСАДОК И ДЕФОРМАЦИЙ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
Многие участки трубопроводов, здания и сооружения нефтегазового комплекса не всегда находятся в стабильном состоянии из-за постоянных деформаций свайных фундаментов, что делает эту проблему весьма актуальной. По результатам наблюдений за осадками свайных фундаментов, предприятие ведет работы по подрезке и наращиванию металлических свай, подвергшихся деформациям. Также, есть проблема по наращиванию металлических свай попадающих в зону растепления самой скважины (в радиусе 2 - 3м.).
По данным наблюдений за осадками приустьевой обвязки кустов газовых скважин (КГС), проводимых маркшейдерско-геодезической службой предприятия, в зоне растепления на большинстве КГС Заполярного ГНКМ, наращивание происходит в среднем на 100мм/год. (Исполнительные схемы по ремонту свайных оснований в приустьевой обвязке КГС).
Действие сил морозного пучения на свайные основания сложное и многофакторное, неравномерное в плане, закономерно развивающееся во времени. Оно определяется широким комплексом геотехнических параметров: природных (климатических, ландшафтных и мерзлотно-геологических условий места заложения сваи) и конструктивных (длина, диаметр, материал и конфигурация сваи, а для металлической трубы - чем она заполнена, обработана снаружи и т.д.).
Для наглядности можно привести трехслойную модель сил (так называемую «модель домкрата») выпучивания свай при промерзании грунта. Верхний слой представлен мерзлым грунтом, образовавшимся за период, предшествующий данному моменту. Следующий, весьма тонкий слой, промерзающий в данный момент, увеличивает свой объём из-за расширения замерзающей воды и стремится поднять верхний слой, то есть работает как домкрат. Нижний, талый слой служит основанием домкрата. Единственной физической причиной поднятия мерзлого слоя является нормальное давление на него со стороны слоя-домкрата. Если через мерзлый слой проходит свая, то она, естественно, увлекается вверх вместе с ним за счет сил сцепления (смерзания) грунта с боковой поверхностью. Эти силы называются касательными силами пучения.
Совершенно ясно, что касательная сила пучения не может быть больше силы смерзания грунта с боковой поверхностью сваи (если сила, удерживающая сваю, больше этого предела, то происходит отрыв и проскальзывание мерзлого грунта - мерзлый слой поднимается, а свая остается на месте). С другой стороны, сила пучения может быть меньше силы смерзания за счет пластичности талого слоя - основания домкрата; благодаря сжимаемости талого грунта происходит релаксация напряжений. Именно по
этой причине касательные силы пучения оказываются меньше сил смерзания, соответствующих температуре в слое сезонного промерзания.
Все измерения деформаций свайных фундаментов можно разделить на две самостоятельные группы.
В первую группу входят сопутствующие измерениям осадок исследования физико-механических свойств грунтов основания, измерения напряжения под подошвой фундамента, измерения температуры фундамента, колебаний уровня грунтовых вод и т.п. Все эти виды измерений можно объединить названием «физико-механические наблюдения».
Во вторую группу входят собственно измерения осадок и деформаций сооружений. Эти измерения проводятся как геодезическими, так и другими методами.
Совершенно ясно, что результаты измерений этих двух групп должны рассматриваться совместно.
Измерения осадок и деформаций сооружений можно, в свою очередь, разделить на две подгруппы. К одной из них относятся все измерения, связанные с установкой приборов непосредственно на сооружении или внутри него, при этом приборы сами будут перемещаться вместе с сооружением и указывать величину относительной осадки или деформации. Сюда можно отнести измерения при помощи всевозможных маятников, клинометров, деформетров, щелеметров, микрокренометров и всякого рода других чувствительных приборов. [3]
Ко второй подгруппе относятся все измерения, при помощи которых определяют величины абсолютных вертикальных и горизонтальных смещений сооружений по отношению к точкам, расположенным на некотором расстоянии от них и считаемым практически недвижимыми.
Сюда можно отнести все основные геодезические методы измерений, а именно:
- Геометрическое нивелирование, применяемое для определения вертикальных смещений значительного количества доступных точек сооружений;
- Гидростатическое нивелирование, применяемое для одновременного определения вертикальных смещений большого числа закрытых труднодоступных точек сооружения, расположенных примерно на одинаковом уровне;
- Триангуляционный метод, применяемый для определения горизонтальных и вертикальных смещений открытых труднодоступных точек;
- Створный метод для наблюдений за сдвигами сооружений;
- Фотограмметрический и стереофотограмметрический методы, применяемые для определения смещения точек сооружений в двух и трех координатах.
Такое разделение методов измерений имеет определенное значение, так как результаты измерений первой подгруппы характеризуют только смещение одних частей сооружения относительно других; геодезические же измерения характеризуют величину и направление смещений сооружений относительно неподвижных точек - знаков геодезической основы. Эти знаки закладывают с учетом ряда специальных требований и вне влияния давления сооружения на их основание. Кроме того, современные методы измерений и уравновешиваний их результатов дают возможность до некоторой степени контролировать и выявлять элементы сдвига геодезической основы как исходных данных. [4]
Наиболее распространенный метод определения осадок - это периодическое, точное геометрическое нивелирование. В этом случае осадки выявляют сравнением высот осадочных марок, закрепленных на сооружениях. Указанные марки размещают так, чтобы можно было выяснить особенности осадок в разных частях сооружения: вдоль осей фундаментов, в участках, где возможны наибольшие осадки, около трещин в стенах здания, вблизи деформационных и температурных швов, в местах большого давления и ненадежных грунтов. Высотной основой для определения осадок служит сеть реперов, закладываемых так, чтобы обеспечивалась стабильность их положения по высоте на весь период наблюдений. Необходимая точность определения осадок составляет ±1мм. При этом в отдельных случаях (например, для уникальных сооружений) точность нивелирования повышается до десятых долей миллиметра.
Наблюдение за крупными сооружениями начинают сразу после закладки фундамента, а последующие циклы выполняют по мере возведения сооружения и после завершения строительства, в процессе его эксплуатации.
По материалам наблюдений за осадками сооружений, во-первых, определяют абсолютные величины осадок для отдельных частей и во-вторых, выявляют общий характер затухания осадок, чтобы в случае необходимости провести профилактические мероприятия для устранения активного хода осадок, способных вызвать катастрофические последствия. [5].
Таким образом, геодезические методы измерений являются основными и в большинстве случаев незаменимыми.
Сегодняшние требования к геодезическим инструментам определяют нивелир как комплексную эргономическую измерительную систему, которая не только является полностью автоматизированной системой для сбора и обработки данных в цифровом виде, но и обеспечивает исключительную эффективность выполнения работ при использовании самых современных технологий.
Третье поколение цифровых нивелиров DiNi 12, 12Т, 22 компании Trimble включает новые особенности, которые были обусловлены требованиями пользователей:
- Удобство при транспортировке (совмещенная рукоятка);
- Эффективность в эксплуатации (юстируемый круглый уровень;
- 4 метода исправления ошибки положения визирной оси нивелира; поиск строк данных и их редактирование по номеру точки, по коду точки, по адресу, по номеру хода;
- Удобные функции интерфейса: непосредственная передача данных из инструмента в пк (или принтер) и наоборот, обновление по;
- Повтор последнего измерения или последней станции; измерение по перевернутой рейке (пяткой вверх); взятие и ввод визуальных отчетов;
- Дополнительное программное обеспечение (дополнительные эффективные методы разбивки сооружений);
- Новый дизайн (эргономическая форма и контрастный цвет).
В DiNi обмен данными выполняется с помощью единого формата или с использованием карт PCMCIA. На РС карте объемом 1 МБ можно записать около 10000 строк с данными. [6].
Камеральная обработка полевых измерений выполняется на ПК в прикладных программных продуктах Microsoft Office.
Технические данные электронного нивелира DiNi 12,показаны в табл. 1.
Таблица 1. Технические данные электронного нивелира DiNi 12
Точность
Средняя квадратическая ошибка на 1км двойного хода
Электронные измерения:
- инварная прецизионная штрих-кодовая рейка 0.3мм
- складная штрих-кодовая рейка 1.0мм
Визуальные измерения:
- складная рейка, метрическая оцифровка 1,5мм
Диапазон измеряемых расстояний
Электронные измерения:
- инварная прецизионная штрих-кодовая рейка 1.5-100м
- складная штрих-кодовая рейка 1.5-100м
Визуальные измерения
-складная рейка, метрическая оцифровка от 1.3м
Точность измерения расстояния
Электронные измерения:
- инварная прецизионная штрих-кодовая рейка 20мм
Зрительная труба
Увеличение 32х
Компенсатор
Рабочий диапазон ±15
Точность установки ±0,2
Окончание табл. 1
Горизонтирование
Круглый уровень 872мм
Дисплей
4 строки по 21 символов в каждой, графический режим
Клавиатура
22-х символьная клавиатура с пятью функциональными клавишами различного назначения (в зависимости от программы)
1. Нивелирование на отдельные точки 2. Повторные измерения 3. Нивелирные ходы с и без нивелирования на промежуточные точки 4. Нивелирование площадей и разбивка 5. Уравнивание ходов
Методы нивелирования
BF(Задняя рейка-Передняя рейка), BFFB(ЗППЗ), BFBF(ЗПЗП), BBFF(ЗЗПП)
Часы реального времени
Запись времени измерений
Запись
Извлекаемая SRAM РМС1А карта, 256К.. .8МВ Интерфейс RS232С для подсоединения к внешним устройствам
Источник питания
Внутренний аккумулятор №МН.1,1Ач,зарядки хватает на неделю работы
Диапазон рабочих температур
-20оС - +50оС
Размеры
Инструмент Футляр 125*176*295мм 220*255*420мм
Вес
Помимо геодезических наблюдений исполнителям уже интересно не просто дать фактическую цифру осадки, но ещё и объяснить, почему эта цифра появилась? Т.к. плотность (или др. физические свойства) грунтов и уровень воды в них разные, то и просадка будет тоже разная. При совместном рассмотрении результатов измерений: геодезических, инженерно -
геокриологических (измерение температуры грунта), гидрологических (измерение уровня грунтовых вод) и других наблюдений, которые выполняют соответствующие службы, можно получить наиболее оптимальную модель прогноза осадок и деформаций зданий и сооружений. Связь всех этих наблюдений должна будет ответить на вопрос: - А что же будет в дальнейшем? Какой прогноз о состоянии всех наблюдаемых объектов можно будет сделать на ближайшее будущее?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов / Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР. - М.: Недра, 1990. - 167 с.
2. ГОСТ 24846-81 Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений.
3. Николаев С.А. Статистические исследования осадок инженерных сооружений. М., Недра, 1983, 112 с.
4. Брайт П.И., Медвецкий Е.Н. Измерение осадок и деформаций сооружений геодезическими методами. - Издательство геодезической литературы, М. 1959 - 199с.
5. Калинин А. Вопросы хранения и использования топографо-геодезических данных для САПР и ГИС. Спецвыпуск “Геоинформационные системы”. “САПР и графика” 3'2001.Йт.
6. Руководство пользователя “Цифровые нивелиры серий DiNi 12,12Т,22”
©А.А. Рожков, 2007
