CC BY
85
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ
A COMPARATIVE ANALYSIS OF THE METHODS OF MONITORING OF THE FOUNDATION-SOIL SYSTEM STATE
A.B. Кухта, A.M. Галушко
A.V. Kuhta, A.M. Galushko
ФГБОУ ВПО "МГСУ"
В работе производится сравнительный анализ особенностей использования существующих методик контроля технического состояния системы фундамент-основание и рассматриваются перспективы применения для этой цели метода собственных колебаний. Приведены данные расчетов для условного плитного фундамент. Сделаны предположения относительно параметров, которые могли бы стать предметом контроля при использовании рассматриваемых методов. Изложены подходы к построению соответствующих систем мониторинга.
In this paper the comparative analysis of the features of using the existing methods for control the technical state of the foundation-soil system is made and the prospect of applying the method of natural vibrations for this purpose are considered. Data of calculations for conventional foundation plate are given. Assumptions about parameters, which could become a subject of control in the process of using the concerned methods, are made. The approaches to the construction of appropriate monitoring systems are set forth.
Контроль состояния системы фундамент-основание является одной из важнейших задач мониторинга технического состояния строительных объектов. Значительная часть отказов зданий и сооружений возникает в связи с негативными процессами в системе фундамент-основание такими как. Примерами таких процессов могут быть разуплотнение структурно-неустойчивых грунтов в результате суффозионных процессов или отмерзания (как сезонного, так и техногенного характера), образование карстовых пустот, изменение свойств грунтов при динамических воздействиях и т.д. Нарушения в работе системы фундамент-основание приводят, как правило, к изменению режима работы большого числа конструктивных элементов, начиная от существенного перераспределения напряжений и кончая изменением характера связей и потерей целостности. В ряде случаев, последствия развития таких процессов при их несвоевременном обнаружении оказываются катастрофическими, а стоимость ремонтно-восстановительных работ оказываются весьма значительной, подчас сопоставимой со стоимостью самого сооружения.
В настоящее время применяются различные методы контроля состояния системы фундамент-основание, среди которых в первую очередь следует назвать геодезические методы контроля осадок такие, как оптическое и гидростатическое нивелирование [1]. Оба метода отличаются высокой чувствительностью, однако имеют ряд особенностей, затрудняющих их применение в системах мониторинга. Традиционное геодезическое
ВЕСТНИК 8/2011
нивелирование проводится циклами и, при необходимости обеспечения плотной временной и пространственной сетки наблюдений, требует постоянных и значительных материальных затрат. По этой причине для вновь возведенных сооружений высокоточное нивелирование в режиме мониторинга назначается лишь в особых случаях для объектов высокой степени ответственности. Эксплуатирующая организация может назначать периодические геодезические обследования, для выявления отклонений геометрии фундаментных конструкций от их первоначального вида, определяемого исполнительной съемкой. При таких обследованиях на практике в лучшем случае могут быть выявлены лишь достаточно большие дополнительные осадки, превышающие 5-10 мм. Сложность обнаружения на практике малых изменений геометрии фундаментных конструкций связана с тем, что для этих конструкций сеть постоянных деформационных марок обычно создается лишь для объектов высокой степени ответственности. При отсутствии такой сети измерения проводятся по естественным поверхностям, а это не гарантирует воспроизводимость измерений даже при отсутствии осадок. Как правило, геодезические обследования и/или геодезический мониторинг назначаются по факту визуального выявления дефектов конструкций (трещин, сколов и т.д.), которые соответствуют осадкам, превышающим 10 мм, что с учетом жесткости вышерасположенного сооружения уже может приводить к развитию неупругих деформаций. Некоторые современные геодезические приборы могут обеспечивать высокоточные измерения в режиме высокого временного разрешения, достаточного для большинства практически важных задач, и не требуют больших затрат на обслуживание, однако, высокая стоимость необходимого оборудования в большинстве случаев делает их применение экономически неприемлемым.
Что касается метода гидростатического нивелирования, то этот метод, обладающий высокой чувствительностью (0,1-0,01 мм) и хорошо сопрягаемый с другими системами мониторинга, не нашел, тем не менее, широкого применения в строительной практике. Это связано и с необходимостью прокладки коммуникаций для создания системы сообщающихся сосудов датчиков уровня, и с большим числом трудно устранимых дестабилизирующих факторов, и с высокой стоимостью оборудования.
Существующие геофизические методы применяются главным образом при обследованиях и имеют при этом ряд серьезных ограничений. Так применение акустических технологий затруднено из-за сильного влияния на значения измеряемых параметров побочных эффектов, таких как, например, влажность бетона, наличие трещин и неоднородностей. Серьезным препятствием для эффективного использования электрофизических методов является интенсивное армирование железобетонных фундаментных конструкций. Кроме того, большинство геофизических методов трудно реализовать в виде системы мониторинга.
Одними из перспективных методов контроля состояния как собственно фундаментов, так и грунтов основания, в том числе основанных на регистрации деформаций являются: тензометрический контроль деформаций арматуры и бетона плиты, контроль отдельных компонент тензора напряжений в грунтах основания и т.д.
Указанные методы, несмотря на их потенциальную эффективность, имеют ряд существенных недостатков, часть из которых перечислена выше. Общим недостатком этих методов является невозможность получения с их помощью интегральных характеристик совместной работы фундамента и основания.
В этой ситуации особого внимания заслуживают методы, основанные на регистрации и анализе собственных колебаний, поскольку эти методы имеют дело с интегральными характеристиками и описывают поведение конструкции в целом. Подоб-
ный подход позволяет, во-первых, сократить количество точек измерений благодаря тому, что наличие дефектов основания в какой-либо области сказывается на изменении колебательных характеристик всей системы. Во-вторых, подход, реализуемый в методе собственных колебаний, позволяет избежать ошибок в интерпретации данных некоторых других методов, которые предоставляют информацию об измеряемом объекте в отдельных его точках. Так, например, в случае геодезического контроля осадок фундаментной плиты появление незначительных дополнительных осадок не всегда связано с изменением характера взаимосвязи фундамента с основанием (появлением зон разуплотнения). При регистрации тензора напряжений в массиве конструкции могут появляться существенные ошибки измерений, связанные с локальными неоднородностями, трещинами или иными дефектами конструкции. При геофизических методах контроля достигается лишь точечная информация о характеристиках материала и наличии дефектов, что требует большого числа замеров для достоверной интерпретации полученных результатов. Метод собственных колебаний дает возможность на основе регистрации параметров в малом количестве точек оценить состояние конструкции в целом.
Существующие методы собственных колебаний (в том числе: разработанный и активно развиваемый специалистами Алтае-Саянского филиала Геофизической службы СО РАН под руководством А.Ф.Еманова [3]; метод вибрационного воздействия на строительные конструкции применяемый специалистами Московского Государственного Строительного Университета под руководством Г.Э. Шаблинского [4], методики применяемые М.А. Шахраманьяном, Н.К. Капустян и другими группами специалистов [5-7]) показали свою высокую эффективность при обследовании технического состояния строительных объектов различного назначения - от плотин гидроэлектростанций до высотных и большепролетных сооружений. Ниже рассмотрены возможности и особенности применения анализа собственных колебаний для определения состояния системы фундамент-основание, а также перспективы применения этих методов для мониторинга.
Рассмотрим один из возможных вариантов реализации фундаментной конструкции - монолитный железобетонный плитный фундамент. Плитные железобетонные фундаменты широко используются при строительстве объектов различной этажности и назначения. Такие фундаменты реализованы в различных грунтовых условиях, в частности, для структурно-неустойчивых грунтов. В последнем случае велика вероятность того, что в процессе эксплуатации в основании будут образовываться неоднородности. При проектировании это обстоятельство принимается во внимание, однако, точность и/или детальность данных геологических изысканий, а также точность расчетов не всегда оказываются достаточными для учета реальных условий. На практике достаточно часто наблюдается образование неоднородностей основания, размер которых оказывается больше принятого при проектировании, что вызывает возникновение аварийных ситуаций. Наличие эффективных методов и средств контроля (мониторинга) состояния системы фундамент-основание могло бы существенно снизить риск развития ситуаций по негативным сценариям и минимизировать последствия деструктивных процессов.
Проведем численный расчет условной плитной фундаментной конструкции. В основании фундамента смоделируем зону разуплотнения грунта и проанализируем влияние этого «дефекта» на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты. Основной целью численного эксперимента будет сравнение потенциальных возможностей раннего обнаружения дефекта основания методом классической геодезии, тензометрическим методом и методом, основанным на анализе параметров собственных колебаний.
При расчетах приняты следующие, в том числе, упрощающие положения:
- фундаментная плита рассматривается как пластина с размерами в плане L=40 м, D=30 м и толщиной ^500мм;
- в качестве нагрузок на фундаментную плиту рассматривается:
• нагрузка от её собственного веса (Плотность бетона принята равной 2,5 т/м3)
• нагрузка от вышерасположенных конструкций интенсивностью 5 т/м, равномерно приложенная ко всей поверхности плиты;
- в качестве модели основания принимается модель Винклера с переменным коэффициентом постели. Значения коэффициента постели меняются от 200 в центре плиты до 500 в угловых зонах; такие коэффициенты постели могут быть характерны для однородного основания с модулем общей деформации Е=25МПа и коэффициентом Пуассона v=0,3, нагруженного рассматриваемой в расчете фундаментной конструкцией.
- при расчете рассматривается условная неоднородность, представляющая собой зону в которой отсутствует контакт фундаментной плиты и грунта основания. Центр зоны, расположен по симметрично относительно короткой оси плиты и на расстоянии L /4 от края по её длинной стороне.
Перечисленные положения приняты лишь для первоначальной качественной оценки и сравнения рассматриваемых методов контроля. Расчет производился с использование расчетного комплекса ScadOffice. Все расчеты были выполнены в упругой постановке. На картах изолиний представленных на всех рисунках показана только половина рассчитываемой плиты ввиду её симметрии.
Рассмотрим результаты предварительных численных экспериментов.
На рисунке 1 показаны карты изолиний и сравнительные графики осадок фундаментной плиты в случае однородного основания и при наличии дефекта. Как видно из результатов расчета, наличие даже весьма существенного дефекта в основании приводит к дополнительным осадкам плиты порядка 10 мм, которые концентрируются в зоне его образования, снижаясь по мере отдаления от центра дефекта вплоть до полного отсутствия на расстоянии порядка 12м.
Можно
констати-
ровать, во-первых, что изменение величины осадок плиты, связанное с появлением даже такого значительного дефекта находится вблизи предела, допускающего его надежное обнаружение на практике геодезическими методами, а во-вторых, что существенные дополнительные осадки при геодезическом контроле могут быть надежно зарегистрированы при только вблизи дефектной области.
На рисунке 2 показано распределение нормальных поперечных напряжений по нижней границе фундаментной плиты, возникающих в рассматриваемых случаях её взаимодействия с основанием. Стрелками на рисунке указаны направления действующих сил в горизонтальной плоскости.
Расчеты показывают, что при возникновении дефекта основания происходит существенное изменение картины напряжений, отражающее резкую
локализацию напряжении в Рйд:. 2 Сравнение значении нсрмалвных поперечных зоне дефекта. Концентрация напряжений по нижней границе фундаментной плиты напряжений в зоне дефекта со- пвиотстасйииипринаошчив яе^ектаошования. провождается значительными изменениями относительных деформаций растяжения и сжатия, которые в крайних волокнах плиты для рассматриваемых случаев изменяются от значений порядка 3*10-5 при однородном основания до 2*10-4 при наличии дефекта. Указанные значения деформаций, могут уверенно регистрироваться тензометриче-ской аппаратурой. Однако при организации тензометрических измерений следует учитывать то обстоятельство, что зона существенных изменений напряжений при локальном дефекте также оказывается сильно локализованной, и для регистрации дефекта может потребоваться значительное число датчиков. Второе существенное обстоятельство, заставляющее с осторожностью относиться к результатам тензометрического анализа, заключается в наличии на практике большого числа других концентраторов напряжений в местах опирания несущих элементов каркаса на фундаментную плиту, напряжения от которых могут затруднять обнаружение развивающихся дефектов основания.
На рисунке 3 показаны распределения амплитуд первой моды изгибных колебаний. Все приведенные на рисунках амплитуды нормированы на 1000. Расчеты свидетельствуют о том, что возникновение дефекта оказывает существенное влияние на
частоту собственных колебаний, которая изменяется от Г1=2,96Гц при однородном основании до Г2=2,78Гц при появлении дефекта. Кроме того расчет показывает, что происходит смещение максимума амплитуды первой формы колебаний в сторону дефекта основания (аналогично максимуму прогиба плиты). При этом в зонах исходного и смещенного максимумов относительные изменения амплитуды колебаний оказываются порядка 30%.
Наблюдающееся изменение (в меньшую сторону) частот основных мод собственных колебаний является следствием изменения жесткости всей системы - при уменьшении площади опирания фундаментной плиты уменьшается и суммарная жесткость основания. Изменение самой формы собственных колебаний также связано с изменением жесткости -для первой изгибной моды максимум колебаний смещается в сторону дефекта, т.е. в зону меньшей жесткости системы. Важной особенностью является не локальное, как в случае с
Рпс.З. Амплитудные характеристики первой формы
изгибных колебаний фундаментной плпты при отсутствии и при наличии дефекта основания.
осадками фундаментной плиты и с плановыми деформациями, изменение измеряемых характеристик, а глобальное, прослеживаемое для всей поверхности, изменение амплитуды колебаний. Эта особенность дает возможность обнаруживать наличие дефекта «косвенно» по соотношению амплитуд собственных колебаний в различных точках объекта, не обязательно вблизи дефекта.
Полученные результаты позволяют рассматривать, по крайней мере, три подхода к организации контроля режима работы системы фундамент-основание на основе регистрации параметров собственных колебаний:
- контроль частоты собственных колебаний;
- контроль амплитуды колебаний в выбранных точках конструкции;
- контроль положения характерных точек распределения амплитуды колебаний;
На практике наиболее просто осуществлять контроль частот собственных колебаний. Однако, без применения специальных методов анализа, такой контроль может служить только индикатором изменения состояния системы. Детальные данные о характере происходящих изменений могут быть получены лишь при анализе частот и
декрементов затухания для большого числа мод собственных колебаний с использованием методов решения обратных задач. К сожалению, в настоящий момент подобные методы находятся в начальной стадии разработки [8,9].
Контроль амплитуд колебаний в выбранных точках конструкции может позволить обнаруживать на ранней стадии возникновение предполагаемых потенциально опасных дефектов системы фундамент-основание. Подобный контроль может осуществляться непрерывно в небольшом числе заранее определенных точек. Следует, однако, иметь в виду, что, как и для любых амплитудных измерений, в этом случае необходимо прилагать серьезные усилия для выделения полезного амплитудного сигнала на фоне многочисленных амплитудных помех.
Наиболее предпочтительным представляется, на наш взгляд, подход, связанный с контролем распределения амплитуды колебаний. При таком подходе смещение характерных точек является результатом анализа амплитуд колебаний многих точек конструкции, и по этой причине в меньшей степени подвержено влиянию ошибок измерений. Проблема реализации такого подхода состоит в необходимости организации непрерывных наблюдений во многих точках конструкции.
Сравнивая рассмотренные выше методы контроля состояния системы фундамент-основание можно сделать определенные заключения об их применимости для рассматриваемого случая условной фундаментной плиты.
Приведенные оценки свидетельствуют о том, что наибольшую чувствительность при обнаружении дефекта в системе фундамент-основание можно ожидать от тензо-метрического метода контроля поля плановых деформаций фундаментной плиты. Наименьшую чувствительность следует, по-видимому, ожидать от геодезических методов. Метод, основанный на анализе характеристик собственных колебаний, демонстрирует промежуточные возможности.
Реализация каждого из методов имеет свои особенности и сопряжена с определенными трудностями.
Так при использовании тензометрического метода для регистрации начальных напряжений тензометры должны устанавливаться в теле конструкции в период ее возведения, что исключает из числа объектов контроля уже существующие здания. Кроме того, подсистема тензодатчиков, установленных в теле конструкции на этапе ее возведения, не является ремонтопригодной, что обуславливает необходимость обеспечения высокой надежности используемых датчиков и систем коммуникации из-за невозможности их замены. В связи с высокой степенью локализации дополнительных напряжений, сопровождающих появление дефекта, необходимо устанавливать на контролируемом объекте большое число тензометрических датчиков, а для их обслуживания использовать дорогостоящую многоканальную аппаратуру.
При реализации геодезического метода для обеспечения высокой точности измерений необходимо создание сети геодезических опорных марок в период возведения конструкции, а также проведение исполнительной съемки. Кроме того, непрерывный контроль геометрических параметров требует использования дорогостоящего геодезического оборудования.
Метод, основанный на регистрации параметров собственных колебаний, требует для своей реализации специализированного оборудования и программного обеспечения. Следует отметить также, что данный метод является наименее изученным из представленных методов, и для его широкого применения на практике необходимо совершенствование методики проведения непрерывного контроля, а также отработка алгоритмов интерпретации экспериментальных данных. В связи с этим большой инте-
ВЕСТНИК 8/2011
pec представляет моделирование реальных конструкций и верификация создаваемых математических моделей с учетом экспериментальных данных.
Анализируя особенности рассматриваемых методов, следует иметь в виду, что только метод собственных колебаний может дать актуальную информацию о состоянии системы фундамент-основание. И геодезический, и тензометрический методы дают информацию лишь о состоянии собственно фундаментной плиты. Действительно, ни геодезические, ни тензометрические данные не зависят от характера контакта деформированной плиты с основанием. То есть, ни тот ни другой метод не дадут оснований для изменения оценки состояния системы после того, как, например, полость под фундаментной плитой будет ликвидирована, и работоспособное состояние фундамента будет восстановлено. Важной особенностью метода собственных колебаний является то, что существенные изменения картины собственных колебаний происходят уже тогда, когда осадки плиты еще не могут быть надежно зарегистрированы, т.е. задолго до того, как деформации фундаментной конструкции начинают оказывать опасное влияние на техническое состояние сооружения. При этом анализ параметров собственных колебаний позволяет делать выводы о развитии или затухании деструктивных процессов, в то время, как два других метода позволяют обнаруживать лишь их результат.
Представленные материалы позволяют сделать вывод о применимости каждого из рассмотренных методов для решения поставленной задачи, при этом каждый метод характеризуется своими особенностями, и при создании полноценной системы мониторинга целесообразным может оказаться её реализация на основе их совместного, комплексного использования.
Литератьура:
1. Брайт П.И., Медвецкий E.H. Измерение осадок и деформаций сооружений геодезическими методами. М.: Геодезиздат., 1959.
2. Капустин В.В. Применение сейсмических и акустических технологий при исследовании состояния подземных строительных конструкций // Технологии сейсморазведки. 2008. №1, С-91-99.
3. Еманов А.Ф., Селезнёв B.C., Бах A.A. Когерентное восстановление полей стоячих волн как основа детального сейсмологического обследования инженерных сооружений. //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2007. №3.
4. Шаблинский Г.Э., Зубков Д.А. Натурные динамические исследования строительных конструкций. Монография. М.: Издательство АСВ. 2009.
5. Шахраманьян М.А., Нигметов Г.М. и др. Способ динамических испытаний зданий. Патент РФ № 2141635, G01M7/00, 1999.
6. Антоновская Г.Н., Шахова Е.В. Способ обследования конструктивной целостности инженерных сооружений // Успехи современного естествознания. 2005. № 1, С. 21-22
7. Острецов В.М., Гендельман Л.Б., Вознюк А.Б., Капустян Н.К. Инструментальное измерение ветровых колебаний высотных зданий. //Жилищное строительство. 2005. №9.
8. Ватульян А.О. Обратные задачи в механике деформируемого твердого тела. М.: Физ-матлит, 2007. - 224 с.
9. Белостоцкий A.M., Кухта A.B. Адаптивные математические модели для систем мониторинга строительных объектов //Электронный журнал «Предотвращение аварий зданий и сооружений».
References:
1. Bright P.I., MedvedskiE.N. Measurement of settlements and deformations of constructions using geodesic methods. M.: Geodesizdat., 1959.
2. Kapustin V.V. Application of seismic and acoustic technologies in the research of underground constructions state // Seismic technologies, 2008. №1, C-91-99.
3. Emanov A.F., Seleznev V.S., Bach A.A.Coherent recovery of fields of standing waves as the basis of a detailed seismic survey of engineering structures. //Seismic construction.The safety of the constructions. 2007. №3.
4. Shablinsky G.E., Zubkov, D.The full-scale dynamic researches of building construc-tions.Monograph. M.: ACBpublishing house, 2009.
5. Shahramanyan M.A., NigmetovG.M., etc. The method of dynamic tests of buildings.Patent of Russian federation № 2141635, G01M7/00, 1999.
6. Antonovskaya G.N., Shakhova E.V.The method of surveyof engineering structuresstructural integrity // Successes of modern natural science. 2005. № 1. P. 21-22
7. Ostretsov V.M., Gendelman L.B., Voznyuk A.B., Kapustyan N.K. Instrumental measurements of wind fluctuations of high-rise buildings. //Housing construction. 2005. №9.
8. Vatulyan A.O. Inverse problems of a deformable solid bodyin mechanics. M.: Fizmatlit, 2007. 224 p.
9. Belostocky A.M, Kuhta A.V.Adaptive mathematical models for monitoring systems of construction objects //Electronic journal "The prevention of accidents of structure".
Ключевые слова: мониторинг, система фундамент-основание, фундаментная плита, собственные колебания, геодезические измерения, напряжения.
Key words: monitoring, the foundation-soil system, the foundation plate, natural vibrations, geodesic measurements, tensions.
Адрес: H7437 Москва, Ярославское шоссе, д. 26, КМК, к. 375.
Телефон: 89854304320, 89150558318 e-mail svmon-pik@mail.ru, human279@mail.ru
Рецензент: Кононов В.Мд.т.н., профессор горно-нефтяного факультета Московского государственного открытого университета, Заслуженный изобретатель РФ
