Общие сведения о деформациях сооружений

Виды деформации и причины их возникновения

Вследствие конструктивных особенностей, природных условий и деятельности человека сооружения в целом и их отдельные эле­менты испытывают различного вида деформации.

В общем случае под термином «деформация» понимают изме­нение формы объекта наблюдений. В геодезической практике при­нято рассматривать деформацию как изменение положения объек­та относительно первоначального.

Под постоянным давлением от массы сооружения грунты в основании его фундамента постепенно уплотняются (сжимают­ся) и происходит смещение в вертикальной плоскости, называе­мое осадкой сооружения. Кроме давления от собственной массы, осадка может быть вызвана и другими причинами: карстовыми и оползневыми явлениями, изменением уровня грунтовых вод, рабо­той тяжелых механизмов, движением транспорта, сейсмическими явлениями и т. п. При коренном изменении структуры порис­тых и рыхлых грунтов происходит быстро протекающая во време­ни деформация, называемая просадкой.

В случае когда грунты под фундаментом сооружения сжимают­ся неодинаково или нагрузка на грунт различная, осадка имеет неравномерный характер. Это приводит к другим видам деформа­ций сооружений: горизонтальным смещениям, сдвигам, переко­сам, прогибам, которые внешне могут проявляться в виде тре­щин и даже разломов.

Смещение сооружений в горизонтальной плоскости может быть вызвано боковым давлением грунта, воды, ветра и т. п.

Высокие сооружения башенного типа (дымовые трубы, теле­башни и т. п.) испытывают кручение и изгиб, вызываемые нерав­номерным солнечным нагревом или давлением ветра.

Для изучения деформаций в характерных местах сооружения фиксируют точки и определяют изменение их пространственного положения за выбранный промежуток времени. При этом опреде­ленное положение и время принимают за начальные.

Для определения абсолютных, или полных, осадок S фиксиро­ванных на сооружении точек периодически определяют их отмет­ки Н относительно исходного репера, расположенного в стороне от сооружения и принимаемого за неподвижный. Очевидно, что­бы определить осадку точки на текущий момент времени относи­тельно начала наблюдений, необходимо вычислить разность от­меток, полученных на эти моменты, т.е. S = H_тек – H_нач, где H_тек и H_нач - отметки на текущий и начальный моменты соответственно. Аналогично можно вычислить осадку за время между предыду­щим и последующим периодами (циклами) наблюдений.

Средняя осадка S_ср всего сооружения или отдельных его частей вычисляется как среднее арифметическое из суммы осадок всех п его точек, т.е. S_cp = Σ₁ⁿ S/n. Одновременно со средней осадкой для полноты общей характеристики указывают максимальную S_max и минимальную S_min осадки точек сооружений.

Неравномерность осадки может быть определена по разности осадок ΔS каких-либо двух точек 1 и 2, т.е. ΔS_].2 = S₂- S₁.

Крен, или наклон, сооружения определяют как разность оса­док двух точек, расположенных на противоположных краях со­оружения, или его частей вдоль выбранной оси. Наклон в направ­лении продольной оси называют завалом, а в направлении попе­речной оси — перекосом. Величина крена, отнесенная к рассто­янию / между двумя точками 1 и 2, называется относительным креном К. Вычисляется он по формуле К= (S₂ – S₁)/l.

Горизонтальное смещение q отдельной точки сооружения харак­теризуется разностью ее координат х_тек, у_тек и х_нач, у_нач, полученных в текущем и начальном циклах наблюдений. Положение осей координат, как правило, совпадает с главными осями сооружения. Вы­числяют смещения в общем случае по следующим формулам: q_x = х_тек - х_нач; q_{y =} у_тек - у_нач . Аналогично можно вычислить смещения между предыдущим и последующим циклами наблюдений. Горизон­тальные смещения определяют и по одной из осей координат.

Кручение относительно вертикальной оси характерно в основ­ном для сооружений башенного типа. Оно определяется как изме­нение углового положения радиуса фиксированной точки, прове­денного из центра исследуемого горизонтального сечения.

Изменение величины деформации за выбранный интервал вре­мени характеризуется средней скоростью деформации v_ср. Так, на­пример, средняя скорость осадки исследуемой точки за промежуток времени t между двумя циклами i и j измерений v_cp = (S_i – S_j)/t. Различают среднемесячную скорость, когда t — число месяцев, и среднегодовую, когда t — число лет, и т.д.

Задачи и организация наблюдений

Основной целью наблюдений является определение величин деформации для оценки устойчивости сооружения и принятия своевременных профилактических мер, обеспечивающих его нор­мальную работу.

Кроме того, по результатам наблюдений проверяется правиль­ность проектных расчетов и выявляются закономерности, позво­ляющие прогнозировать процесс деформации.

Наблюдения за деформациями сооружений представляют со­бой комплекс измерительных и описательных мероприятий по выявлению величин деформаций и причин их возникновения.

Для сложных и ответственных сооружений наблюдения начи­нают одновременно с проектированием. На площадке будущего строительства изучают влияние природных факторов и в этот же период создают систему опорных знаков с тем, чтобы заранее определить степень их устойчивости.

Наблюдения непосредственно за сооружением начинают с мо­мента начала его возведения и продолжают в течение всего стро­ительного периода. Для большинства крупных сооружений наблю­дения проводятся и в период их эксплуатации. В зависимости от характера сооружения, природных условий наблюдения могут быть закончены при прекращении деформаций, а могут продолжаться и весь период эксплуатации.

На каждом этапе возведения или эксплуатации сооружения наблюдения за его деформациями производят через определен­ные промежутки времени. Такие наблюдения, проводимые по ка­лендарному плану, называются систематическими.

В случае появления фактора, приводящего к резкому изменению обычного хода деформации (изменение нагрузки на основание, температуры окружающей среды и самого сооружения, уровня фун­товых вод, землетрясение и др.), выполняют срочные наблюдения.

Параллельно с измерением деформаций для выявления причин их возникновения организуют специальные наблюдения за измене­нием состояния и температуры грунтов и подземных вод, темпера­турой тела сооружения, за изменением метеоусловий и т. п. Ведется учет изменения строительной нагрузки и нагрузки от установлен­ного оборудования.

Для производства наблюдений составляют специальный про­ект, который в общем случае включает в себя:

техническое задание на производство работ;

общие сведения о сооружении, природных условиях и режиме его работы;

схему размещения опорных и деформационных знаков; принципиальную схему наблюдений; расчет необходимой точности измерений; методы и средства измерений;

рекомендации по методике обработки результатов измерений и оценке состояния сооружения;

календарный план (график) наблюдений; состав исполнителей, объемы работ и смету.

Точность и периодичность наблюдений

От правильного выбора точности и периодичности наблюде­ний зависят методы и средства измерений, затраты на их произ­водство и достоверность получаемых результатов.

Точность и периодичность измерений указываются в техничес­ком задании на производство работ или в нормативных докумен­тах. В особых случаях эти требования могут быть получены путем специальных расчетов.

В нормативных документах требования к точности определения осадок или горизонтальных смещений характеризуются средней квадратической погрешностью:

1 мм — для зданий и сооружений, возводимых на скальных или полускальных грунтах;

3 мм — для зданий и сооружений, возводимых на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах;

10 мм — для зданий и сооружений, возводимых на насыпных, просадочных и других сильно сжимаемых грунтах;

15 мм — для земляных сооружений.

На оползневых участках осадки измеряются со средней квадрати­ческой погрешностью 30 мм, а горизонтальные смещения — 10 мм.

Крены дымовых труб, мачт, высоких башен измеряются с точ­ностью, зависящей от высоты Н сооружения и характеризуемой величиной 0,0005 H.

Установить необходимую точность измерения деформаций рас­четным путем довольно сложно, однако для многих практических задач можно пользоваться формулой

m_Ф≤0,2DФ,

где т_ф — средняя квадратическая погрешность измерения дефор­мации; ΔФ — величина деформации за промежуток времени меж­ду циклами измерений.

Выбор времени между циклами измерений зависит от вида со­оружения, периода его работы, скорости изменения деформации и других факторов. В среднем в строительный период системати­ческие наблюдения выполняют один-два раза в квартал, в период эксплуатации — один-два раза в год. При срочных наблюдениях их выполняют до и после появления фактора, резко изменяющего обычный ход деформации.