Виды деформаций. Задачи наблюдений и организация работ

Виды деформаций. Инженерные сооружения и земная поверхность испытывают различные деформации, которые возникают вследствие внешних воздействий при изменении природных условий, а также являются и следствием деятельности человека. К деформациям объектов приводят факторы, влияющие на разупрочнение грунтов (обводнение или осушение территории, локальные изменения влажности грунтов на площадке размещения инженерного сооружения, неудовлетворительное состояние отвода атмосферной влаги, влияние морозного пучения увлажненных грунтов и др.). При проведении горных работ, строительстве тоннелей, коллекторов происходят опускания земной поверхности с находящимися на ней сооружениями, происходят и деформации самих горных выработок. Часто деформации вызываются карстовыми явлениями, воздействием вибраций от работающих массивных механизмов, сейсмическими воздействиями от землетрясений. Опыт изучения деформаций, накопленный за сравнительно большой период времени, показывает, что их величина может составлять доли и единицы миллиметров и десятки метров.

Под деформацией понимают изменение формы объекта (здесь – инженерного сооружения или земной поверхности).

Рис. 1. Проявление неравномерных осадок

Рис. 2. Кручения, наклоны и изгибы

В результате постоянного давления массивного сооружения на грунт происходит сжатие грунта и смещение объекта в вертикальном направлении. Такое смещение называют осадкой (рис. 1). Обычно осадка носит затухающий характер и для вновь построенного сооружения достигает через некоторое время предельной величины. В результате воздействия различных факторов природного и искусственного происхождения может произойти коренное изменение структуры грунтов основания. В связи с этим возникают быстропротекающие во времени деформации, которые называют просадками. Как осадка сооружения, так и его просадка могут проявляться неравномерно по площади.

Так, на рис. 1 а, разуплотнение грунтов на краях здания привело к неравномерной осадке, из-за того, что центральная часть сооружения по отношению к периферии осталась практически неподвижной. Образовалась система вертикальных трещин 1. На рис. 1 б – обратный эффект: центральная часть здания получила большие значения вертикальных перемещений, в результате чего образовалась горизонтальная трещина 2 отрыва фундамента в сочетании с многочисленными вертикальными трещинами и трещинами, имеющими косое направление. Кроме того, в правой части здания образовался откол угла из-за значительного изменения напряженно-деформированного состояния объекта. Это положение возникает при неравномерных нагрузках на грунт, а также из-за значительно различающихся его свойств даже при равномерной нагрузке.

Неравномерные деформации приводят к кренам сооружений, сдвигам, перекосам, прогибам, горизонтальным смещениям. Чаще всего такие деформации проявляются в виде трещин, разломов, призм откола на углах сооружений (рис. 1 б), в ослаблении несущих конструкций. Горизонтальные смещения сооружений часто наблюдаются в тех случаях, когда объект находится на склоне либо вблизи него. В этом случае решающим может оказаться боковое давление грунта. Подобные деформации испытывают гидротехнические сооружения из-за бокового давления воды.

Объекты башенного типа испытывают воздействия неравномерного солнечного нагрева и ветра, что приводит к их изгибам, кручению и наклону (рис. 2). Наклон в направлении продольной оси сооружения называют завалом, а в направлении поперечной оси – перекосом.

Участок земной поверхности, который подвергся сдвижению под влиянием горных работ, называют мульдой сдвижения (рис. 3). В общем случае точки земной поверхности в мульде сдвижения перемещаются в вертикальном и горизонтальном направлениях. Вертикальная составляющая вектора сдвижения точки в мульде называется оседанием (земной поверхности). Участок мульды сдвижения, в котором изгиб слоев грунта происходит без разрывов сплошности массива, называют зоной прогиба. Горизонтальная составляющая вектора сдвижения точки в мульде определяет процессы растяжения или сжатия. Растяжение приводит к разрывам сплошности массива горных пород (грунта); сжатие чаще способствует вспучиваниям грунтов. В предельном (аварийном) случае мульда сдвижения характеризуется образованием пятнадцати зон:

1-я зона (зона обрушения) расположена непосредственно над выработкой; породы в ней значительно деформированы и разделяются на куски и блоки;

2-я зона (зона сквозных трещин) характеризуется развитием в породах нормально секущих трещин и трещин расслоения, которые разбивают массив на крупные блоки; эти трещины являются хорошим проводником воды и выделяющихся в породах газов;

Рис. 3. Образование мульды сдвижения

3-я зона (зона активных (фильтрующих) трещин); секущие трещины и трещины расслоения 2-й зоны соединяются в 3-й зоне по ломаным кривым и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэро- и гидродинамическим сопро-тивлением, которое увеличивается при приближении к зоне 4;

4-я зона (зона локальных трещин) характеризуется локальными проявлениями трещин;

5-я зона (зона плавного прогиба) определяется прогибом пород без разрыва сплошности массива;

6-я зона (зона опорного давления);

7-я зона (зона предельно-напряженного состояния); в этой зоне происходят все стадии деформирования: всестороннее сжатие на границе упругих деформаций – значительное разрыхление вблизи обнажения; такие явления проявляются в боках выработки;

8-я, 9-я, 10-я, 11-я и 12-я зоны находятся в надработанной зоне, в отличие от зон 1-6, находящихся в подработанной толще пород; зона обрушения в надработанном пространстве отсутствует, а остальные зоны по своим характеристикам соответствуют по возрастанию обозначений зонам 2, 3, 4, 5, и 6; размеры зон 8-12 примерно в три раза меньше, чем размеры зон 2-6;

13-я зона характеризуется максимальным растяжением у земной поверхности (иногда до разрыва сплошности) и постепенным затуханием в глубину слоя;

14-я зона характеризуется максимальным растяжением на границе слоя и постепенным затуханием при приближении к земной поверхности; 15-я зона характеризуется сжатием слоя.

На рис. 3 обозначено: L – длина полумульды; η – оседание земной поверхности (в данном случае – оседание в центре мульды); δ_о – граничный угол.

Рис. 4. Деформации откосов (оползневые явления)

Откосы часто подвержены оползням – медленным смещениям масс горных пород (рис. 4). Это смещение происходит в виде скользящего движения между сдвигающимися породами и неподвижным массивом. При быстром смещении породных масс или блоков и пачек пород, слагающих откос, возникает обрушение. Оно сопровождается дроблением смещающейся части массива. Некоторые разновидности песчано-глинистых пород, насыщенные водой, способны перейти в текучее состояние при углах наклонов 4^о– 6^о. Перемещение таких масс называют оплывиной. Оплыванием (как процессом) называют фильтрационные деформации, которые вызываются переносом и переотложением грунтовых частиц подземными водами. Оплывание происходит в откосах в местах высачивания подземных вод. Приповерхностная часть откоса может разрушаться и смещаться в основном под действием силы тяжести грунтов и при значительных углах откоса. Такие разрушения называют осыпями.

Задачи наблюдений и организация работ. Деформации инженерных сооружений, их частей, а также земной поверхности с расположенными на ней сооружениями в период производства строительных работ и в период эксплуатации могут привести к нарушению работы строительных конструкций, к перенапряжениям в них и, как показывает практика, даже разрушениям не только эксплуатируемых, но и строящихся зданий.

Натурные наблюдения за деформациями инженерных сооружений и земной поверхности позволяют решить целый ряд основных задач на различных этапах возведения и существования инженерного сооружения.

Во-первых, результаты исследований деформаций зданий, построенных на разных грунтах, в различных природных условиях позволяют вносить коррективы в методику строительных работ и расчетов прочности конструкций.

Во-вторых, аналогичные наблюдения в период строительства зданий позволяют оперативно вмешаться в технологию строительства, выполнить анализ прогнозных и фактических деформаций.

В-третьих, стационарные наблюдения за объектами, на которые постоянно воздействуют внешние нагрузки (гидротехнические объекты, элеваторы и др.), позволяют оперативно оценивать напряженно-деформированное состояние в целом сооружения и отдельных его конструкций с целью принятия возможных мер по снижению уровня негативного воздействия на состояние сооружения.

Кроме того, необходимость в проведении наблюдений за деформациями обычно возникает при реконструкциях сооружений. В процессе реконструкции зачастую режим нагрузок изменяется, что приводит и к изменению режима работы несущих элементов здания.

Таким образом, основной целью измерения деформаций земной поверхности и инженерных сооружений, находящихся на земной поверхности и в недрах, является следующее [6]:

а) определение абсолютных и относительных величин деформаций и сравнения их с расчетными и допустимыми значениями;

б) выявление причин возникновения и степени опасности деформаций для нормальной эксплуатации объекта;

в) принятия своевременных мер по борьбе с возникающими деформациями или устранению их последствий;

г) уточнения расчетных данных физико-механических свойств грунтов;

д) уточнения методов расчета и установления допустимых предельных величин деформаций для различных типов зданий, сооружений и коммуникаций;

е) установления эффективности применяемых профилакти-ческих и защитных мер;

ж) уточнения закономерностей процесса сдвижения горных пород и зависимостей его параметров от основных влияющих факторов.

Наблюдения за деформациями строительных конструкций ведут в период строительства и часто в период эксплуатации до достижения уровня стабилизации деформаций. В период строительства геодезические наблюдения обеспечивает заказчик строительства, он же и оплачивает эти работы. В период эксплуатации заказчиком инженерно-геодезических работ является предприятие, организация, либо частное лицо, в ведении которого находится данный объект. Наблюдения за деформациями специальных и уникальных сооружений, исторических архитектурных памятников организуют проектные и научно-исследовательские организации, и оплачиваются указанные работы в большинстве случаев из государственного бюджета.

Работы по наблюдениям за деформациями сооружений организуются по примерно одинаковой схеме для любых исследуемых объектов:

- разработка технического задания;

- рекогносцировка объекта с целью обозначения мест закладки исходных геодезических знаков, деформационных точек на объекте и мест установки оборудования для наблюдений;

- составление проектных схем измерений и оценка их качественных характеристик;

- разработка конструкций геодезических знаков;

- установка геодезических знаков на наблюдаемом объекте (устройство наблюдательной станции);

- разработка методики и программы работ;

- производство наблюдений;

- обработка результатов наблюдений с оценкой фактической точности измерения деформаций.

Техническое задание выпускается и утверждается заказчиком работ. Однако оно обязательно согласовывается с исполнителем работ, который определяет обоснованность затребованной заказчиком точности измерения деформаций, количества наблюдений, сроки и вид представления информации и др. Техническое задание может быть откорректировано или изменено только по совместному решению заказчика и исполнителя работ.

В процессе рекогносцировки определяются места установки геодезических деформационных знаков, а также исходных (опорных) геодезических знаков, места расположения станций при измерениях (места установки прибора для наблюдений), намечаются схемы высотных или плановых ходов с учетом фактических условий работ и др.

По результатам рекогносцировки и на основе топографического плана масштаба 1:500 (или крупнее), на который наносят все геодезические знаки, составляют предварительную схему (плановых или высотных) ходов и выполняют оценку качественных характеристик измерения деформаций. Если поставленные техническим заданием требования точности измерения деформаций будут реализованы данной схемой ходов, то она принимается за исходную. В противном случае схему ходов перерабатывают, видоизменяют, увеличивают количество геометрических связей, решают вопросы о необходимом увеличении числа измерений в схеме и на станциях.

В зависимости от места расположения геодезических деформационных знаков на объекте разрабатывают конструкции знаков, которые учитывают возможности используемого оборудования и приборов для наблюдений за деформациями. Изготовленные или стандартные геодезические знаки устанавливают на выбранных точках объекта. Параллельно с подготовительными работами ведется составление программы и методики работ, что является обязанностью непосредственного исполнителя работ. Программа работ составляется на основе технического задания с учетом особенностей объекта, выявленных дополнительно в процессе проведения рекогносцировки. Составление программы работ по проведению наблюдений за деформациями толщи горных пород и расположенными над ней объектами производится обязательно с участием специалистов-геомехаников.

Одной из основных частей программы работ является раздел, в котором дается обоснование точности измерения деформаций, что служит основой для разработки методики работ. Кроме этого, программа работ включает в себя рекомендации по использованию необходимых геодезических приборов и оборудования, по математической обработке результатов геодезических измерений, интерпретации данных, периодичности наблюдений и др. В методике работ отражены требования к производству измерений в полевых условиях, т.е. указаны основные действия исполнителя, в результате выполнения которых измерения будут выполнены (как единичные, так и в их группе) качественно с обеспечением затребованной точности измерений. Выполнение требований методики работ определяется на станциях непосредственно при полевых измерениях и при выполнении камеральных работ в процессе обработки всей группы результатов измерений.