автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Оценка технического состояния системы "основание-сооружение" на основе мониторинга

На правах рукописи

Хо Чантха

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ "ОСНОВАНИЕ - СООРУЖЕНИЕ НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА

05.23.17 - Строительная механика 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР Ш

Ростов - на - Дону 2012

005019352

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Панасюк Леонид Николаевич

кандидат технических наук, доцент Таржиманов Эдгар Альбертович

Официальные оппоненты: Гайджуров Петр Павлович

доктор технических наук, профессор каф. СМСиПМ ЮРГТУ

Дыба Владимир Петрович доктор технических наук, профессор каф. ПГСГиФ ЮРГТУ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новочеркасская

государственная мелиоративная академия», НГМА

Защита диссертации состоится «17» мая 2012 г. в 09:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд.232, тел/факс 8(863)227-73-78; 227-75-68; E-mail: dis_sovet_rgsu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru

Автореферат разослан «16» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета -4-И"__________

канд. техн. наук, доцент А.В, Налимова

Общая характеристика работы

Актуальность. Произошедшие за последние годы аварии на современных объектах, для которых характерны большепролетные конструкции, повышенная этажность и прочие усложняющие факторы, привлекли к этой проблеме профильные федеральные и региональные ведомства. Анализ результатов работы комиссий, расследовавших причины аварий, как правило, свидетельствует о наложении многих факторов, каждый из которых в отдельности не мог стать причиной аварии. Эта особенность повлекла разработку на различных уровнях большого количества нормативных документов по техническому мониторингу зданий и сооружений. В нормативную базу были введены новые понятия. Однако выполняемые немногочисленные практические работы носят скорее внедренческий и экспериментальный характер. Кроме того, все они ориентированы на мониторинг объектов повышенного уровня ответственности с

феноменологическим подходом для каждого из них. Задача обеспечения нормальной эксплуатации современных объектов в настоящее время является актуальной, в том числе для формирующегося после войны строительного комплекса Королевства Камбоджи, в котором практически отсутствует систематизированная нормативно-правовая база и утрачен опыт строительства современных объектов.

Цель - создание методики оценки текущего технического состояния системы основание-сооружение для широкого круга объектов.

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели были выполнены следующие виды работ:

1. Анализ и систематизация существующей нормативной базы и опыта проведения мониторинга.

2. Обзор природно-климатических и грунтовых условий Камбоджи и сравнение применяемого в Камбодже стандарта с Российской классификацией грунтов.

3. Обоснование эффективных методов проведения мониторинга системы "основание-сооружение".

4. Разработана методика оценки текущего технического состояния системы основание-сооружение на основе мониторинга.

5. Обоснована расчетная модель основания с учетом особенностей работы грунтов применительно к условиям Королевства Камбоджи.

6. Разработаны вспомогательные программные средства для реализации методики мониторинга с помощью распространенных МКЭ - комплексов.

7. Реализована методика мониторинга на примере 18-этажного жилого дома в г. Пномпень (Камбоджа).

Объект исследования - техническое состояние зданий и сооружений, в том числе при неравномерных деформациях основания.

Предмет исследования - методы оценки технического состояния системы "основание-сооружение".

Научная новизна:

1. Разработана методика оценки текущего технического состояния системы "основание-сооружение" на основе мониторинга и сравнения измеренных и расчетных кренов объекта.

2. Выполнен сравнительный анализ классификаций грунтов по результатам полевых и лабораторных испытаний по стандартам А8ТМ-043)8-95 и ГОСТ 25.100-95.

3. Систематизировано описание природно-климатических и грунтовых условий Королевства Камбоджи.

4. Разработана и реализована вспомогательная программная утилита к программному комплексу АИБУБ и МюгоРе на основе МКЭ для автоматизации предложенной методики мониторинга. Получено положительное решение РОСПАТЕНТ.

5. Разработана методика оценки НДС основания в процессе эксплуатации здания на основе двух законов Г.К. Клейна и Друкера-Прагера. Описание деформации во времени использует теорию старения Ю.Н. Работнова.

На защиту выносятся:

1. Методика взаимного перехода основных классификаций грунтов на основе применяемого в Камбодже стандарта А8ТМ-04318-95 и ГОСТ 25.100-95.

2. Методика оценки текущего технического состояния системы "основание-сооружение" на основе мониторинга осадки и кренов здания.

3. Методика расчета деформации основания при эксплуатации, с использованием законов Г.К. Клейна и Друкера-Прагера.

4. Алгоритм и программная утилита «ПУД», задачей которой является автоматизация реализации методики мониторинга деформаций системы "основание - сооружение".

5. Результаты экспериментальных исследований деформаций жилого дома в г. Пномпень (Камбоджа) на основе разработанной автором методики.

Обоснованность и достоверность. Основу методики составляют апробированные во многих исследованиях принципы МКЭ. При работе программной утилиты «ПУД» используется современный расчетный комплекс АИБУЗ и МюгоРе. Достоверность методики подтверждена в рамках крупномасштабного натурного эксперимента близостью расчетных и фактических деформаций системы "основание-сооружение".

Практическое значение работы заключается в:

a) разработке методики, приближающей мониторинг к повседневной практике эксплуатации зданий и сооружений;

b) разработке программы, позволяющей без специальных знаний оператора осуществлять хранение и обработку данных о техническом состоянии здания или сооружения на весь период его эксплуатации;

с) облегчении Российско-Камбоджийского сотрудничества в области строительства, в частности в фундаментостроении.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены в докладах на научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета «Строительство» 2009...2011 гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 13 публикациях, среди которых 7 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, а так же 1 патент РФ.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 146 наименований и 1 приложения. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 97 рисунков.

Автор выражает благодарность аспиранту кафедры технической механики РГСУ Е.В. Зотовой за помощь при подготовке текста диссертации и автореферата.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приводится обзор и анализ состояния изучаемого вопроса. Созданием систем мониторинга и использованием МКЭ при определении НДС для оценки технического состояния зданий и сооружений занимаются ученые JI.H. Панасюк, З.Г. Тер-Мартиросян, М.А. Коргина, Г.Г. Болдырев, В.М. Улицкий, П.В. Нестеров, A.A. Живаев, Д.Н. Валеев и др.

Принципы проектирования и эксплуатации систем мониторинга конструкций и оснований высотных зданий с использованием различных технических средств (датчиков, измерителей, регистраторов) отражены в работах К.А. Айме, Р. Ламперти, C.B. Николаева, В.В. Сухина и др. В настоящее время наибольшее количество работ посвящено объектам повышенного уровня ответственности с применением высокозатратных методов наблюдений.

Измерения пространственных перемещений, которые более полно могут отразить картину изменения напряженно-деформированного состояния объекта, сопряжены с техническими трудностями и ограниченными возможностями координатной съемки в условиях плотной городской застройки. Однако возможно определение НДС системы основание-сооружение на основе данных о вертикальных перемещениях, а отклонение от вертикали будет служить критерием достоверности получаемых данных. При этом наиболее эффективными представляются циклические геодезические наблюдения на основе апробированных методик с использованием наиболее распространенных приборов.

Во второй главе приводится описание разработанной методики оценки технического состояния на основе мониторинга. В основе метода лежит

использование данных циклических геодезических наблюдений в обновляемой численной модели системы основание-сооружение.

Рассмотрим задачу деформирования здания при известных перемещениях фундамента. Эти перемещения получены в результате геодезических наблюдений, мониторинга за состоянием здания.

В этом случае массив грунта в расчетной модели можно не учитывать, т.к. его деформативные свойства будут учтены известной осадкой фундамента. Можно использовать стандартный подход расчета сооружения на известные статические (силовые) воздействия и известные кинематические воздействия (осадку опор). В предлагаемой методике рассматривается горизонтальное перемещение, зависящее от всего комплекса воздействий на здание. Основным моментом метода является сравнение измеренных и определенных численным методом горизонтальных перемещений

Горизонтальные перемещения обусловлены всем комплексом воздействий на здание, включающим в себя как известные силовые, так и кинематические факторы: собственный вес конструкций здания, длительные и кратковременные нагрузки, осадка фундамента. В нашей постановке задача усложняется тем, что кроме известных из мониторинга осадок фундамента также известны горизонтальные смещения ряда характерных вертикальных линий на фасадах или угловых стыков, хотя обычно горизонтальные перемещения характеризуются креном, т.е. отношением горизонтального перемещения верха здания к его высоте. Таким образом, при выполнении мониторинга необходимо рассматривать не только крен, но учитывать изменение горизонтальных перемещений по высоте.

Хотя и сегодня в нормах указывается величина крена, можно утверждать, что учет изменения горизонтальных перемещений по высоте дает более полную информация о работе сооружения. При учете крена предполагается такая деформация сечения, когда его горизонтальные перемещения изменяются линейно по высоте здания. Однако конечная жесткость сооружения, а тем более повреждения отдельных несущих конструкций приводят к нелинейной зависимости горизонтальных перемещений от высоты: и=и(г), где г -вертикальная координата точки сечения, и - функция горизонтальных перемещений сечения здания.

Согласно предлагаемой методике, все степени свободы узлов дискретной модели разбиты на три группы.

К первой группе отнесены степени свободы, условно названные внутренними. Относительно этих степеней свободы мониторинг не выполнялся.

Ко второй группе относятся степени свободы, соответствующие измеренным горизонтальным перемещениям характерных сечений. Их используют для контроля расчетных и измеренных значений. Условно называем их контрольными.

В третью группу включены степени свободы, для которых известны перемещения по результатам мониторинга и которые выступают как внешние кинематические воздействия.

Иллюстрация разбиения и компоновки степеней свободы объекта по группам приведена на рис.1.

J группа

Известные контрольные горизонтальные перемещения

группа известные кинематические перемещения-воздействия

Рис.1. Разбиение и компоновка степеней свободы объекта по группам

Итак, вектор перемещений можно представить как:

= | а' ат

I 1, ^ ц ч ш

Уравнения метода конечных элементов в этом случая представлены в следующей форме:

Щ = Р,

к,, к,,

глобальная матрица жесткости ансамбля элементов;

где К =

Рт = \ Р

К21 К 22 Кг К,. к„ К,

(1)

Здесь номера блоков матрицы К соответствуют разбиению степеней свободы на группы.

Кц - блок матрицы жесткости, связывающий узлы групп 1 и | Аналогичная нумерация для блоков вектора перемещений ц и вектора узловых сил Р.

Выполним преобразования:

| + КпС1ц + КпС[т = Р1

\к21д,+К22д„ + К23дш=Р2 (2)

Так как перемещения qш известны и рассматриваются в качестве известного кинематического воздействия, то к уравнениям (2) можно применить стандартную процедуру «вычеркивания»:

| 1 + кпЧи = ~ кчЧш ^

1*219/ +К2гЯи = Р2~К2гЧш

Выразим в (3) контрольные перемещения qп:

к21кики41 КпЧи ~К,!(Р, -К13дш)

К21 <7/ +К12 <?;; ~Р2 ~К2зЧш Откуда:

{К22 -к2,к;<к12)дп =р2-зд-'р, + (К21к;;к1, -К21)д„, (4)

Из (4) очевидно, что на значения контрольных перемещений <?„ не оказывает влияние блок матрицы жесткости Кп.

Пусть результат контрольного перемещения по вектору qп не совпадает с результатами мониторинга. Предположим, что причина расхождения кроется в том, что реальное распределение жесткостей не соответствует проектному. Это приведет к изменению блоков глобальной матрицы жесткости

Однако контрольная группа перемещений д„ отнесена, как правило, к узлам на внешних стенах здания. Разрушение связей здесь просматривается достаточно ясно и определяется при визуальном мониторинге.

Задачу можно несколько упросить, если считать, что скрытые дефекты связей локализованы только по степеням свободы первой группы. Тогда изменение коснется только блоков ки и Кп = Кти. Блоки К22 и К2} = К''п будут соответствовать проектному либо измененному проектному по результатам обследования здания.

Уравнение для определения перемещений с учетом изменения жесткостей будут иметь вид, аналогичный (4):

(К22 - К21Кп'Ка)дп = Р2 -К21К,11Р1 +(К21Кй1Кп-К23)дш (5)

Вычтем из (5) (4) и получим разрешающие уравнения для определения разности горизонтальных смещений Ад„:

(к2,к;'к12 - К21Кй1К12)Ад„ = (К21Ки1 - к21ки1)Р, + (кмк£ка - к21к1},кп)дп, (6)

Согласно (6), на величину разности горизонтальных смещений Д<?,, оказывают влияния два фактора воздействия: часть внешней нагрузки, отнесенная к узлам первой группы Рь и осадка фундамента дш.

Важным является тот фактор, что нагрузка Р2, действующая непосредственно по степеням свободы контрольной группы не оказывает влияние на отличие перемещений, измеренных при мониторинге, от расчетных.

Отметим, что разница в матрицах Ка и Ка, соответственно, К21 и возможна только за счет различия жесткостей элементов, непосредственно примыкающих к границе раздела зон I и II. Если принять, что это различие несущественно, или его можно контролировать при обследовании здания, то можно принять К,а = Кп и Кг 1 = К,^. Аналогичное допущение - и для объектов 1-3. Тогда (6) запишем так:

= (7)

Отсюда следует важный вывод: разница в измеренных и вычисленных кренах определяется только по известной по измерениям осадки фундамента. Итак, при проведении мониторинга глобальное отклонение жесткости фрагмента конструкции от проектного можно определить по замеренным осадкам фундамента и кренов ряда сечений здания.

Описанная выше методика была применена в серии численных экспериментов по оценке несущих конструкций с учетом неравномерной осадки 9-этажного жилого дома в г. Белово Кемеровской области. Для восстановления эксплуатационной надежности этого дома возникла необходимость оценки фактического состояния НДС конструкций с учетом их сверхнормативных деформаций. Для решения задачи было выполнено инструментальное обследование конструкций, проведены циклы геодезических наблюдений за зданием и численные эксперименты МКЭ (рис.2).

Рис. 2. Схема блок-секций 1-3

Для учета существующих локальных разрушений стеновых панелей и плит перекрытия использован следующий прием. В тех элементах, в которых имеется незначительная по толщине трещина, проводилось снижение жесткости пропорционально снижению прочности согласно данным здания. Для элементов с глубиной трещины более 100 мм задавался разрыв между элементами по линии трещины. В окрестности трещины проводилось сгущение сетки элементов.

По результатам расчетов была сделана выборка значений, которая показала тождественный характер фактической и расчетной картины с разбросом до 5 %. При этом по отдельным блок-секциям 1 и 3 наблюдается расхождение результатов по крайним сечениям до 20% (382 и 287мм, 493 и 631мм) (рис.3). Однако здесь следует принять во внимание возможную погрешность наблюдений, тем более что некоторые результаты по продольным кренам не вызывают доверия. Так, были показаны противоположно

направленные продольные крены - 88 и 111мм в точках, отстоящих друг от друга на 7м. Такие перемещения (практически 200 мм на 7м) необходимо привели бы к образованию сквозной трещины со значительным раскрытием. Однако на этом участке визуальное обследование показало целостность конструкций.

Следующий этап расчета производился с учетом деформированной схемы и нарушения связей между БС1 и БС2 для уточнения изменения напряженно-деформированного состояния здания при развитии кренов.

Отмечается гораздо большее приближение к результатам замера поперечных кренов (290 и 287мм, 592 и 631мм) (рис.3). По-видимому, действительно имеет место определенное снижение контакта между БС1 и БС2.

а) результаты тахеометрического контроля

287 3,0 337 449 4,6 461 631

Т Т Т т Т т т

^278 1з7Б 447"Т 49вТ 667^

б) расчет по линейной схеме при полном соединении БС1 и БС2

382 386 396 407 418 436 493

Т т 'Г Т ? ~ 1"

БС1 ^ БС2 | БСЗ

1з82 ЗЭЙ)4 450 Т 4Э4Г

б) расчет по поформироеанной схеме при нарушенном соединении БС1 и БС2

290 362 372 406 442 477 692

"Т-

Г т- Т Т ' Г т

БС1 1 БС2 1 БСЗ

Т 309 392^ 460 ''[" Ь60' [' Б94'Г

Рис. 3. Сравнение результатов по кренам

Устранение сверхнормативных кренов и выравнивание здания по ул.Октябрьской, 63 в г. Белово Кемеровской области выполнено.

При проектировании выравнивания здания необходимо учесть проводившиеся ранее работы, связанные с задавливанием свай под консольные выпуски РР. При разработке схемы расстановки домкратов и последовательности их монтажа необходимо иметь информацию о перераспределении усилий на старые (проектные) и новые сваи усиления. Дело в том, что для опирания домкратом на новую сваю ее необходимо разрезать,

т.е. временно, до установки домкрата, выключить из работы. Последовательность установки зависит от величин перераспределенных усилий, чтобы не допустить возможного перекоса РР или перенапряжения ---------------------элементов, (рис.4,5,6).

Рис. 4. Учет подкрепления, полные Рис. 5. Учет Рис. 6. Выключение сваи

перемещения (фрагмент) подкрепления,Txz подкрепления, нормальные Sz

Для теоретического обоснования проводилось экспериментальное исследование еще одного 16-этажного здания в Ростове-на-Дону.

На рис. 7 показан график общего крена здания по данным измерений 625 мм, а по расчету 581 мм.

Учитывая незначительное (менее 10%) расхождение расчетных и фактических перемещений по осям X, Y, а также сходимость общей картины деформаций наблюдаемой картины напряжений, можно говорить о возможности применения полученной расчетной модели системы основание-сооружение для дальнейшего мониторинга.

Рис.7. Сравнение графиков по расчетам и данным измерений по осям Х,У Основываясь на проделанных экспериментах, можно сделать вывод о возможности моделирования численными методами текущего состояния с использованием данных геодезического мониторинга осадок, что позволяет определить НДС системы основание-сооружение, а сходимость фактических и расчетных кренов говорит о достоверности полученных данных.

В третьей главе приводится описание программной утилиты «ПУД», разработанной в рамках диссертации для реализации предлагаемой методики. Программный продукт «ПУД» представляет собой утилиту, главной задачей которой является облегчение анализа и мониторинга деформаций системы

—•— Данные

Сечение

основания-сооружения для пользователей, не обладающих специальными знаниями в этой области.

Утилита является программным средством, не требующим специальной установки. Система ориентирована для работы под управлением семейства операционных систем Windows ХР, Vista и т.д. Для корректного отражения конечного результата расчетов, проведенных с помощью программы «ПУД», необходимо условие наличия программных комплексов Ansys и MicroFe. Программа занимает около 940 КБ и была разработана в среде объектно-ориентированного программирования Delphi.

Ее основными функциями являются: сбор данных геодезических наблюдений, аппроксимация данных на сетку КЭ-модели; преобразование КЭ-модели конструкции с учетом пространственных перемещений; генерация исходных файлов с учетом определенной структуры данных для трансляции в программные комплексы Ansys и MicroFe.

Структура процесса обработки данных представлена на рис. 8.

Рис. 8. Процесс обработки данных программной утилитой «ПУД» На первых этапах работы, программа автоматически собирает данные геодезических наблюдений с последующим занесением в БД. Здесь же предусмотрен ручной ввод данных о перемещениях конструкции, либо корректировка уже имеющейся информации.(рис.9,10,11).

На сегодняшний день современные технологии позволяют автоматически импортировать данные геодезических наблюдений с электронных регистраторов и тахеометров в необходимые форматы такие, как SNAP-файлы (PINACLE), данные по станциям и базовым линиям *.txt, *.csv (LGO), *.asc (TGO, TBC), *.tvf (Topcon Tools), * .xls, и др. Исходя из этого, программная утилита «ПУД» автоматически собирает данные из доступных ей форматов, занося и формируя собственную сетевую базу данных.

Рис.9. Рабочее окно программы «ПУД»

»и.... №..

мяЕ

Рис.10. Создаваемые кнопки в Ansys

Рис.11. Журнал наблюдений

Далее загружается описание КЭ-модели системы основание-сооружение. Затем идет обработка и корректировка КЭ-сетки сооружения с учетом полученных перемещений. Однако, как было замечено ранее, количество контрольных точек измерений непостоянно. Ко всему прочему, контрольные точки могут не совпасть с узлами КЭ-модели. Поэтому была предусмотрена аппроксимация результатов измерения осадки в узлы КЭ-сетки на основе следующей методики:

У у = У1 ~ Уj'xij ~ Х> ~ х:

есп и(х4,у,2-х21уи) = 0

f А, = УнО1. - ") + Х2|^У| - У); Aj = Х|4У|2 + х2,у14;

v = Aj/A2;

А, = х - Х( + vx14;

А2 = х21 - v(x43 + х21);

(если А2 = О

ÎA, = y-y,+vy14;

1а2 = -у,, + v(yM + У12); l/U,y) = A,/A2

ÉfCTO(X4îy12 - Х2,Уз4 ) ^ О

Га, := (у|2 + ум)х + (х2, + х41)у + х4(у2 - 2у,) + у4(2х, - х2) + х,у, - х,у,; /(х,у) - ■ 4(.хуи . ух2| + х2у, - х,у,Х*мув - хву|4);

А; := А; + V(-y12 - Ум)х + (-*!! " х43)у + X, (-2у, + у,) - х2(у4 - 2у,) - х,у, + х4у2);

А, := A,+VÂT:

А3 := 2(-х4зу,,+х2,ум);

/(дс,у) = А,/А,

А[ := х - х, -х21/(х,у);

А2 := -х„ - /(*, .у)(х4, + х2|);

(если А2 = О

Г А, := У-у, + y,2/U.y);

Ia2 :=-y,4+/U,yXy,4 + y,,); ]/(*,у) = А,/А,

Представленная аппроксимация позволяет получить значения перемещений для узлов КЭ-модели, которые являются внутренними для элементарных фрагментов геодезической сети - треугольников, четырехугольников. Затем формируется преобразованная с учетом полученных пространственных перемещений КЭ-модель конструкции. Здесь же формируются файлы для построения откорректированных моделей рассматриваемой конструкции с учетом внутренних характерных параметров программных комплексов Ansys и MicroFe. Сформированные файлы заносятся в данные комплексы и визуализируются в графическом виде пользователю.

Предусмотрено неограниченное количество циклов наблюдений за пространственными изменениями перемещений конструкции в течение ее жизненного цикла. Однако при изменении каких-либо параметров в рамках рассматриваемого цикла необходимо учесть, что эти изменения безвозвратно сохраняются.

По полученным результатам расчета может быть проведен сравнительный анализ с учетом соответствующих предыдущих значений ^, ^, ,сгл,оу,аг, т1у, тк, ту1. Созданная программа позволяет сохранять и обрабатывать информацию о сооружении в течение всего срока его службы. Пример работы программы показан на рис.12.

Рис.12. Деформации здания: а-в проектном положении; б-крен здания X

Здесь же пользователю предлагается «Журнал наблюдений», в котором можно вести какие-либо записи с пометками по экспериментальным наблюдениям.

При определении пользователем предельных значений или скачкообразного их изменения в характерных узлах, происходит автоматическое сигнализирование о возможном приближении недопустимого состояния конструкции. Разработанная программа позволяет сохранять и обрабатывать информацию о конструкции в течение всего срока его службы.

Полученная методика и материалы проведенных исследований будут внедрены в условиях Королевства Камбоджа. Поэтому в четвертой главе выполнено исследование специфики грунтов Королевства Камбоджи и адаптация предлагаемой методики для данных условий. Автор систематизировал разрозненные материалы иностранных исследовательских центров и организаций из США, Японии и Камбоджи. Исходя из этого автор при проведении испытаний учитывал не только нормативную базу и условия Российской Федерации, но и различные показатели своей страны. Для этого необходимо рассматривать природно-климатические и грунтовые условия Королевства Камбоджи, а также анализ грунтов конкретной строительной площадки. В качестве примера рассмотрен мониторинг реального 18-этажного здания в г. Пномпень.

Камбоджийская территория занимает общую площадь 181 035 кв. км и имеет несколько четко определенных географических регионов. Два региона составляют 75% страны: Северо-Восточный и Юго-Западный, по равнине озера Тонлесап и реки Меконг, которая простирается с северо-запада на юго-восток вдоль центральной части страны. Тонлесап и Меконг составляют третий центральный регион.

На территории Королевства Камбоджи в северо-восточной и юго-западной областях преобладающее значение в литологической толще имеют

континентальные горные породы докембрийского и мезозойского возраста как метаморфического, осадочного, так и магматического генезиса. Мезозойские отложения в основном представлены континентальными фациями. В геоморфологическом отношении большая часть территорий представлена покровными базальтовыми плато и аккумулятивными равнинами, сложенными осадочными породами неогенового и четвертичного возраста, аллювиально-деллювиального и денудационного генезиса. Центральный регион Королевства характеризуется преобладанием пологих аккумулятивных равнин, сложенных из толщи четвертичных отложений с редкими останцами коренных пород. Палеозойские образования на поверхности Камбоджи практически не встречаются.

Рис. 13. Карты Камбоджи: а-спутниковое фото территории; б-климатическая карта;

в-геологическая карта; г-виды грунтов Наиболее часто встречающимися горными породами Камбоджи являются ультраосновные и основные магматические породы иитрузивного и эффузивного генезиса (базальты, реолиты), а также известняки седиментационного генезиса и оскарнованные мраморы. Акцессорным

минералом в подавляющем большинстве горных пород является апатит, поэтому кора выветривания данных пород, как правило, дает высокий потенциал для развития сельского хозяйства.

Долина реки Меконг представляет собой аллювиальную аккумулятивную равнину с пестрым геологическим разрезом, представленным в основном пылевато-глинистыми и песчаными грунтами с высоким содержанием органических останков, иловатых отложений сапропелей, илоподобных глин. Большинство долин рек имеют аналогичное строение и сопоставимую осадочную толщу в основном неогенового и четвертичного возраста.

Районы, прилегающие к реке Меконг, притоки реки, ручьи и долина озера Тонлесап характеризуются значительным скоплением россыпных месторождений полиметаллических руд. Эти осадочные толщи перспективны для промышленной разработки.

Однако в некоторых района, наиболее приближенных к морскому побережью, в разрезе появляются морские отложения с высокой степенью засоленности и агрессии к строительным материалам из бетона и стали. Такие древние аллювиальные, морские и лагунно-лиманные отложения, залегающие в непосредственной близости от поверхности, не благоприятно сказываются на развитии сельского хозяйства в приморских районах и создают сложные условия для строительства.

Для анализа грунтовых условий в Камбодже с недавнего времени применяется американский стандарт ASTM D 2487. Необходимо отметить, что прямое соответствие наименований дисперсных грунтов, определенных по различным нормативным документам, отсутствует и это вызывает необходимость разработки системы пересчета, которая позволила бы коррелировать наименования грунтов, определенных в различных системах классификаций, между собой. Этой проблемой занимались В.В. Крамаренко, A.C. Локтев и др.

Актуализация национальных стандартов и правил была поручена в 2010г. Министерству регионального развития РФ с необходимым условием гармонизации вводимых документов с международными нормами проектирования и изысканий в строительстве и, прежде всего, с Еврокодом. К разработке также были привлечены созданные в 2009г. Национальные объединения изыскателей (НОИЗ).

В рамках действующей комиссии НОИЗ по нормативно-методической работе и унификации документов на базе кафедры ИГОФ РГСУ была создана секция инженерно-геологических изысканий в районах распространения просадочных грунтов. С участием сотрудников кафедры, в том числе автора, в конце 2010г. был разработан проект национального стандарта РФ «Грунты. Классификация», в основу которого положен вышедший 17 лет назад ГОСТ 25100-95.

В диссертационной работе рассмотрены материалы, представленные комиссией НОИЗ. Отражены основные проблемы, связанные с использованием классификации грунтов российского национального стандарта в сравнении с

зарубежными стандартами. В качестве зарубежных нормативов рассмотрены американский стандарт АБТМ Б 2487 и международный стандарт 1БО 14688. В работе выполнен сравнительный анализ и даны предложения по взаимному переходу между основными международными стандартами классификаций песчаных и глинистых грунтов на примере практического международного сотрудничества.

Для дисперсных несвязных грунтов (крупнообломочные и пески) необходимо построение кумулятивной кривой гранулометрического состава, использование которой позволит перейти к диаметрам частиц любой классификации, определить их процентное содержание и затем наименование грунта в той или иной национальной классификации.

Классификация тонкодисперсных грунтов проводится на основании показателей пластичности. Значения нижнего предела пластичности \УР и РЬ принимаются равными друг другу. При этом производится пересчет результатов определения предела текучести, полученных при анализе методами Васильева (\УЬ по ГОСТ 25100) и Казагранде (ЬЬ по АБТМ Э 2487) с использованием корреляционной взаимосвязи:

IX = 1,48 8,3; (8)

\Уь = (1Х + 8,3)/ 1,48. (9)

На следующем этапе рассчитываются величины Р1, 1Р, 1Ь, 1С и проводится классификация по методикам требуемого стандарта.

Как результат проведенной работы по согласованию российской и зарубежных классификаций и установлению перехода от одной классификации к другой в пересматриваемом национальном стандарте появилась возможность вывода камеральной обработки результатов полевых и лабораторных испытаний грунтов на российские нормы проектирования. В частности, для выяснения причин нарушения нормальной эксплуатации жилого дома, расположенного по адресу: 48Е, проспект: Меконга, Хан РассиКео, г.Пномпень Королевство Камбоджи, появилась необходимость обработки результатов инженерно-геологических изысканий, проведенных в декабре 2006 предприятием «ResearchandDesignEnterprise».

С учетом вышесказанного, в результате обработки результатов инженерно-геологических изысканий, выполненных на территории строительной площадки в г.Пномпень, получены сравнительные табл. 1,2 приведенные ниже.

Таблица 1

Классификация песков по скважине__

Глубина, м Пески ASTM ГОСТ 25100 Диаметр частиц, мм Коэффициент неоднородности Коэффиент пористости (е) и характеристика упаковки песков SPT(standard penetration test) Число ударов N

4-6 Loose fine sand Пыл е ваты й 0.075 >6-очень неоднородный 0.81-рыхлый 8-10-рыхлый

8-9 Loose fine sand Пыл е ваты й 0.075 >6-очень неоднородный 0.80-рыхлый 8-10-рыхлый

10 Medium dense Средней крупности 0.158 >6-очень неоднородный 0.72-средней плотности 18- средней плотности

medium sand

11 Dense medium sand Средней крупности 0.3 >6-очень неоднородный 0.56-очень плотный 48-очень ПЛОТНЫЙ

12-15 Medium dense medium sand Средней крупности 0.475 >6-очень неоднородный 0.57-средней плотности 26-33-средней плотности

16-19 Very dense medium sand Средней крупности 0.475 >6-очень неоднородный 0.53-очень ПЛОТНЫЙ >50-очень ПЛОТНЫЙ

Таблица 2

Сравнительная классификация некоторых грунтов по стандарту А5ТМ и ГОСТ_

ASTM D 2487

ГОСТ 25100

Наименование грунта

Класс грунтов

2 s я ьо

s в е6:

s га о 5-<

р- S я о-

Я ®

ö R Ь >

с s

■i S3 s I „

«S SSM

2 § g I

Ы

•G- В

Наименование грунта

Sofllean CLAY

CL

16.69

0.20

0.81

Суглинок тяжелый пылеватый полутвердый

Soft silly CLAY

CL-ML

6.45

>1

0.80

Супесь пылеватая текучая

Loose fine SAND

SM

0.96

0.81

Песок пылеватый

рыхлый водонасыщения

Very soft silty _CLAY

CL-ML

6.76

>1

Супесь пылеватая текучая

Loose Frne SAND

SM

0.88

0.80

Песок пылеватый

рыхлый водонасыщения

Как показано ранее, на большинстве территорий Камбоджи преобладают песчаные грунты. Для прогноза неравномерной осадки фундаментной плиты использованы модели Г.К. Клейна и Друкера-Прагера.

Для описания деформационных свойств основания использовалась модель Г.К. Клейна, в соответствии с которой грунт основания подчиняется линейному закону деформирования, а модуль деформации увеличивается с глубиной по степенному закону £(г) = Е0 г", £„ -модуль деформации на "дневной" поверхности массива, показатель степени п < 1.

При моделировании осадки фундаментной плиты в деформируемом объеме грунта использован закон Друкера-Прагера. В соответствии с критерием прочности Друкера-Прагера предполагается, что поверхность текучести не меняется с ростом пластических деформаций, следовательно, отсутствует эффект упрочнения, а материал является идеально упруго пластическим. Эквивалентное напряжение, при превышении которого в материале возникают пластические деформации, по Друкеру-Прагеру определяется с учетом гидростатического обжатия материала: чем выше среднее напряжение, тем больше прочность материала. Это условие является модификацией условия прочности Мизеса и более полно отражает работу грунтов основания.

По Друкеру-Прагеру эквивалентное напряжение определяется:

ае = 3 рот +

(10)

3V *

где £7, а_ 2sin ср

+ СГ,

среднее нормальное напряжение; 11 0 0 0 о]' - девиаторное напряжение; - параметр материала

Лз(з-яп ч>) где (р - угол внутреннего трения.

Для упругопластической модели Друкера-Прагера, требуется определить пять основных входных параметров: модель общей деформации Е, коэффициент Пуассона к, сцепление с, угол внутреннего трения <р и параметр дилатансии ц».

Упрощенная модель прогноза осадки фундамента, учитывающая ползучесть скелета грунта, предполагает постановку теории старения

Ю.Н.Работнова. Принято, что изменение модуля деформации грунта от

Е»

времени определяется законом —¡75-,

где Еи - начальный модуль деформации, t

- временная координата.

Использован итерационный алгоритм, на каждом шаге которого изменяются значения модулей деформации конечных элементов. В остальном объеме основания механические характеристики оставались постоянными. Данная программа реализована в виде макроса на языке APDL.

Разработанная методика апробирована при сопоставлении с экспериментальными результатами определения несущих конструкций 18-этажного монолитного железобетонного жилого дома в г. Пномпень Камбоджи с относительной отметкой цоколя, представленной с общим видом здания (рис.14).

Результаты проведенных измерений показали, что здание получило сложное распределение деформаций, фактически «закрутившее» его. По данным результатов геодезии мониторинга 18-этажного монолитного здания были получены осадки конструкции, представленные на рис.14, в, где максимальное значение = -180 мм, минимальное = -70 мм.

б .((ИГ— в

Рис.14. Оценка технического состояния 18-этажного монолитного железобетонного дома в г. Пномпень: а-общий вид; б-расчет схемы КЭ здания; в-относительные отметки цоколя

Оценка НДС системы основание-сооружение проводилась на основе материалов всестороннего инструментального обследования здания и разнообразных численных экспериментов.

Как показали результаты обследования, главной причиной возникновения сверхнормативных кренов стала ползучесть грунтов основания. Для моделирования процесса нарастания деформаций к ползучести области была применена описанная выше методика изменения модуля деформации. Физико-механические характеристики расчетной модели основания показаны на рис.15.

Расчет выполнен с использованием программного комплекса АКЯУЯ методом конечных элементов. Модуль деформированного основания использует конечные элементы 80ЬГО45. Выбранные конечные элементы допускают упруго-пластическое поведение грунта основания.

_I II I П I I П I II I_

_с-госвдхПо_с-15*па у=13-5* рдаоркг/м' /¿=0.35_

ЕГ=г000мПа С=СкПа </>-&' Р=1800кг/м' //-О _

Е>»ООООкПа .'м' /¿=0.3

Е-гОООиПа /Э=1ЙООкг/м'

С-1500С1..По р=!900кг/м' /4-0.3

Е=г1000кпа /Э=|930кг/Н> /¿-0.3

С-гЗОООкПа < /,.' //,-(!.:'

Рис.15. Характеристики грунтов На рис.16 представлены результаты анализа расчетных значений в виде изолиний средней осадки фундаментной плиты через 5 лет с момента наблюдений. Как видно, наибольшая величина осадки к этому периоду составила 24.5 см, что значительно большее, чем регламентируется СНиПом.

БКХ -.247682 ЗИМ --.245-747 5МХ -.045495

-.245747 -.151026 -.116306 -.051556 .013134

-.213387 -.143666 -.083946 -.019226 .045495

Рис. 16. Изолинии средней осадки фундаментной плиты при неравномерной осадке фундамента через 5 лет Результаты численных расчетов максимального значения осадки фундаментной плиты в зависимости от времени наблюдения, полученные по линейной и упругопластической моделям, показаны на рис. 17. Из сравнения приведенных данных следует, что при использовании нелинейной модели грунта максимальные осадки получаются на 15% больше, чем при линейном расчете.

Рис. 17. Осадки основания в линейной и упругопластической постановке

Выполненные расчеты показывают невыполнение условия р<К.Так, действующее среднее давление по подошве фундамента колеблется в диапазоне 250-310 кПа, хотя расчетное сопротивление подстилающего фундамент слоя (текучей супеси) составляет менее 200 кПа.

При использовании опыта проектирования в РФ указало бы авторам проекта на необходимость устройства свайного фундамента с передачей нагрузок на грунты со значительно лучшими строительными свойствами. Как следствие допущенной ошибки, уже на этапе строительства жилого дома стали наблюдать активное нарастание деформаций основания. Через некоторое время после окончания строительства было начато инструментальное геодезическое наблюдение за осадками и отклонениями от вертикали здания. Осадочные марки были расположены в уровне цоколя здания, а отклонения от вертикали замеряли по верху здания.

Для определения текущего состояния системы основание-сооружение была использована разработанная на стадии расчета конструкции численная модель, в которую были введены фактические значения вертикальных перемещений в цоколе здания, полученные по результатам геодезического мониторинга.

По результатам численных экспериментов был выполнен сравнительный анализ с данными значений геодезических наблюдений

Результаты выполненных работ по определению и анализу пространственной геометрии здания позволяют констатировать следующее:

1. Общий крен здания в абсолютной мере по результатам геодезического мониторинга составляет 161 мм и МКЭ 170 мм, в относительной величине 0.0026 и 0.0027;

2. Крены лифтовых шахт равны: грузового - в абсолютной мере по данным мониторинга 159 мм, а в МКЭ 172 мм, в относительной величине -0.0026 и 0.0028;

3. Сравнение результатов расчета с данными геодезического мониторинга показало, что значения перемещений по осям Х,У отличаются друг от друга не более чем на 10%. Следовательно, расчетная модель может быть принята для оценки НДС конструкций зданий со сверхнормативными неравномерными деформациями (рис.18).

Рис.18. Изополя напряжений в стенах лифтовых шахт: а-в проектном положении; б-при неравномерных осадках

Перераспределение напряжений в конструкциях здания при неравномерной осадке имеет общую тенденцию. Она заключается в том, что напряжения возрастают в стенах, находящихся на периферийных участках площади нагружения. На торцевых участках стен, расположенных у края площади нагружения, наблюдается концентрация напряжений. В то же время, чем ближе участок стены к центру площади нагружения, тем ярче выражено снижение напряжений. При этом эффекты расчета проявляются наиболее сильно в конструкциях нижних этажей.

Согласно полученным данным, перенапряжение конструкции составляет на отдельных участках до 40% от проектных усилий. Полученное НДС отражает текущее состояние элементов системы и позволяет определить наиболее перенапряженные участки конструкций и усилия во всех конструктивных элементах здания для последующего мониторинга, с учетом дальнейшего развития деформаций.

Для проведения мониторинга в Камбодже будет использована разработанная в ходе диссертационной работы программа «ПУД» с внедрением в нее математической модели здания. Для развития методики необходимо продолжение наблюдений и по мере накопления фактических материалов выполнять проверку получаемых выводов.

Имеется акт о внедрении разработанной методики от НПО "Интербиотех".

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Наиболее эффективным способом получения данных о деформациях системы основание-сооружение являются циклические геодезические наблюдения апробированными методиками с использованием наиболее распространенных приборов, что облегчает применение мониторинга для широкого круга объектов.

2. Возможно установление перехода от одной классификации к другой по стандартам ГОСТ и А8ТМ на основе результатов полевых и лабораторных испытаний грунтов.

3. Возможна оценка технического состояния конструкций зданий и сооружений с учетом осадки фундамента на основе данных о

вертикальных перемещениях, а отклонение от вертикали будет служить критерием достоверности получаемых данных.

4. Реализованные модели грунтового основания дали качественно более достоверную модель совместной работы комплекса - «верхнее строение-фундамент-грунтовое основания». Например, результаты с использованием гипотезы Друкера-Прагера показывают рост неравномерных осадок по времени в течение срока эксплуатации сооружения. Возрастание пиковых значений перемещений составляет до 30%.

5. Прогноз осадки фундамента во времени с учетом ползучести скелета грунта основан на теории старения Ю.Н. Работнова.

6. Для повышения достоверности результатов оценки НДС системы основание-сооружение по предлагаемой методике необходимо обеспечивать более высокую точность геодезических данных.

7. Для облегчения использования разработанной методики в сочетании с известными МКЭ-комплексами разработана программная утилита «ПУД». Она позволяет автоматизировать процесс ведения баз данных мониторинга объекта и формирования расчетной модели в МКЭ-комплексе с учетом данных мониторинга.

8. Разработанная методика оценки НДС несущих конструкций сооружений в ходе мониторинга позволяет устанавливать необходимость проведения профилактических мероприятий по поддержанию проектного состояния конструкций в условиях, когда повышается вероятность аварийного отказа, что приводит к общему снижению трудозатрат и стоимости данных работ.

9. Разработанная методика внедрена в процесс мониторинга текущего технического состояния зданий.

10.Применение российской нормативной базы создает условия для развития строительной отрасли Камбоджи.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: в 7 изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Хо Чантха. Оценка фактического НДС конструкций жилого дома в г. Белово Кемеровской области по результатам инструментального обследования [Электронный журнал] / Хо Чантха // Инженерный Вестник Дона. 2011. №4. Режим доступа: http://ivdon.ru.

2. Хо Чантха. Расчетно-экспериментальный метод оценки состояния зданий и сооружений с учетом осадки основания / Хо Чантха // Известия высших учебных заведений «Северо - Кавказский регион». Ростов. 2012. № 3.

3. Хо Чантха. Использование в Камбодже опыта мониторинга строительных конструкций РФ / Э.Д. Таржиманов, М.А. Таржиманов, Хо Чантха // Известия высших учебных заведений «Северо - Кавказский регион». Ростов. 2011. -№ 2.

4. Хо Чантха. Моделирование работы сооружений с учетом проявления неравномерных деформаций в основании [Электронный журнал] / Л.Н.

Панасюк, Э.А. Таржиманов, Хо Чантха // Инженерный Вестник Дона. 2011. №4. Режим доступа: http://ivdon.ru.

5. Хо Чантха. Новые виды свай [Электронный журнал] / Л.Н. Панасюк,

В.Ф. Акопян, А.Ф. Акопян, Хо Чантха // Инженерный Вестник Дона. 2011. №2. Режим доступа: http://ivdon.ru.

6. Хо Чантха. Численная оценка НДС конструкции по результатам геодезических наблюдений за деформациями здания / Хо Чантха, Е.В. Зотова, В.Ф. Акопян, С.П. Гусаренко // «Вестник ТГАСУ». Томск. 2012. № 1

7. Хо Чантха. Итерационные методы определения предельных нагрузок на фундаменты свайных типов на примере усиления здания в г. Белово Кемеровской области с учетом материалов мониторинга технического состояния / В.Ф. Акопян, Хо Чантха. «Глобальный научный потенциал». Санкт-Петербург. 2012. №1

- в 1 патенте

8. Свидетельство о регистрации программного продукта ПУД (Пространствено - узловые деформации). Получено положительное решение РОСПАТЕНТ. Программа зарегистрирована 28.09.2011 года, № письма 69-492.

- в 5 других изданиях

9. Хо Чантха. Оценка текущего состояния строительных конструкций на основе мониторинга / Э.А. Таржиманов// «Науч. потенциал молодых ученых для инновационного развития строит, комплекса нижнего Поволжья»: материалы междунар. науч.-практ. конф. Волгоград: ВГАСУ, 2010.

10. Хо Чантха. Методика оценки текущего технического состояния конструкций / Э.А. Таржиманов // «Строительство - 2011»: материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит, ун-т, 2011.

11. Хо Чантха. Определение напряженно-деформированного состояния монолитного многоэтажного здания в г. Пномпень (Камбоджа) /

Э.А. Таржиманов, Хо Чантха // «Студенческая научная весна - 2010»: материалы междунар. науч.-практ. конф., студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010.

12. Хо Чантха. Повышение надежности и оптимизация конструкций на основе мониторинга / Хо Чантха // Изв. Рост. гос. строит, ун-та. 2011. № 15.

13. Хо Чантха. Программная утилита «ПУД» / Хо Чантха, Е.В. Зотова // Изв. Рост. гос. строит, ун-та. 2011. № 15.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-изд.-л. Заказ № 2632. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

61 12-5/3324

ФГБОУ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Чантха Хо

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ОСНОВАНИЕ - СООРУЖЕНИЕ НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА

Специальность 05.23.17 - Строительная механика

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук Панасюк Леонид Николаевич Доцент, кандидат технических наук Таржиманов Эдгар Альбертович

Ростов-на-Дону - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................4

Глава 1. мониторинга в строительстве................................................9

1.1. Оценка технического состояния здания-сооружения в ходе мониторинга. .................................................................................................9

1.2. Классификация мониторинга......................................................11

1.3. Обзор методов оценки технического состояния здания и сооружения в процессе их эксплуатации на основе мониторинга.................................18

1.4. Изученность вопроса (МКЭ) для оценки технического состояния конструкции здания........................................................................35

1.5. Реализация численного расчета сооружения на основе метода конечных элементов...................................................................................37

1.6. Использование программных комплексов Лира, МюгоРе и АшуБ......42

Глава 2. Численное моделирование текущего технического состояния на основе мониторинга.....................................................................45

2.1. Использование мониторинга осадки и кренов для оценки отклонения параметров конструктивных элементов верхнего строения от проектных.. .46

2.2. Пример использования методики при мониторинге 9-и этажного панельного здания в г. Белово Кемеровской области...........................55

2.3. Численное моделирование работы сооружений с учетом проявления неравномерных деформаций в основании здания жилого 16-этажного монолитного дома по пр. Коммунистическому 30/1 в г. Ростове-на-Дону.. .76 Глава 3. Автоматизация построения расчетной модели с учетом результатов мониторинга...............................................................................85

3.1. Назначение программного продукта «ПУД»..................................85

3.2. Структура алгоритма работы «ПУД»..........................................86

Глава 4. Использование разработанного метода мониторинга здания и сооружения применительно к условиям Королевства Камбоджи.............96

4.1. Природно-климатические и грунтовые условия Королевства Камбоджи....................................................................................96

4.2. Анализ грунтовых условий на примере исторического района Ангкор....................................................................................101

4.3. Актуализация обновляемого ГОСТ «Грунты. Классификация» и сравнительный анализ со стандартам ASTM(CHIA)...........................106

4.4. Применение методов определения видов грунтов в геологии Камбоджи в сравнении с Россией и практике использования на примере площадки в г.Пномпень................................................................................122

4.5. Расчет зданий и сооружений с учетом податливости основания применительно к грунтовым условиям Камбоджи..............................128

4.6. Модель Друкера-Прагера.........................................................132

4.7. Модель Клейна.....................................................................135

4.8. Модели ползучести грунта основания.........................................135

4.9. Учет модели работы грунтового основания в программном комплексе ANSYS (APDL)...........................................................................136

4.10. Использование методики на примере 18-тиэтажного жилого дома в городе Пномпень.........................................................................137

Основные выводы ..................................................................160

Литература...........................................................................162

Приложение 1........................................................................180

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В условиях динамично развивающегося городского хозяйства увеличения масштабов строительства и роста техногенных воздействий на строительные объекты требуется непрерывный контроль состояния зданий и сооружений с целью предупреждения аварийных и других нештатных ситуаций.[101,22,63,93]

В последнее время, благодаря высококачественным строительным материалам, новейшим технологическим разработкам и современному оборудованию количество возводимых уникальных зданий и сооружений, отличающихся нестандартными конструктивными решениями, значительно увеличилось[102,91]. К таким сооружениям относятся высотные административные центры, мосты, туннели, телебашни спортивно-зрелищный центры и др. Для возведения подобных конструкций требуются высококвалифицированные специалисты, как на стадии проектирования, так и на стадии возведения и эксплуатации. Как показывает опыт, при эксплуатации сложных строительных объектов недостатки, влияющие на возможность безопасного функционирования могут быть выявлены как в первые несколько лет после ввода в эксплуатацию, так и в течение длительного времени. Например, в ремонтном вагонном депо Сасово МЖД, где в результате обрушения боковой стены и кровли цеха погиб человек [5]. Особое внимание нужно уделять не только новым уникальным сооружениям, но и старым конструкциям, среди которых необходимо выделить промышленные предприятия, аварии на которых могут нанести значительный ущерб окружающей среде (горнодобывающая, химическая промышленность) [42]. Также, в условиях плотной городской застройки, важно учитывать влияние конструкций друг на друга. При возведении зданий и сооружений вблизи или вплотную к уже существующим возникают дополнительные деформации ранее построенных зданий и сооружений.[53]

Опыт показывает, что пренебрежение особыми условиями такого строительства может приводить к появлению в стенах ранее построенных

зданий трещин, перекосов проемов и лестничных маршей, к сдвигу плит перекрытий, разрушению строительных конструкций, т.е. к нарушению нормальной эксплуатации зданий, а иногда даже к авариям.

Надежная и безопасная работа строительных конструкций зданий и сооружений может быть обеспечена при правильном и своевременном проведении технического диагностирования с использованием современных методов. Методик и средств неразрушающего контроля на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации, при достоверном прогнозировании ресурса и др. Более того, с целью поддержания безопасной эксплуатации опасных производственных объектов наблюдается тенденция перехода от периодического контроля к постоянному. [79]

Возможность применения того или иного вида диагностирования в значительной степени зависит от требуемого уровня надежности, что во многом определяется видом эксплуатации объекта: до отказа, по назначенному ресурсу, по техническому состоянию. [24] Наиболее экономически целесообразным видом эксплуатации опасных производственных объектов следует считать эксплуатацию по техническому состоянию, составной частью которой является система диагностического контроля непрерывного или периодического действия. В последнее время все чаще применяется непрерывный диагностический контроль - мониторинг.

Целью работы является создание методики оценки текущего технического состояния системы основание-сооружение для широкого круга объектов.

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели были выполнены следующие виды работ:

1. Анализ и систематизация существующей нормативной базы и опыта проведения мониторинга.

2. Обзор природно-климатических и грунтовых условий Камбоджи и сравнение применяемого в Камбодже стандарта с Российской классификацией грунтов.

3. Обоснование эффективных методов проведения мониторинга системы "основание-сооружение".

4. Разработана методика оценки текущего технического состояния системы основание-сооружение на основе мониторинга.

5. Обоснована расчетная модель основания с учетом особенностей работы грунтов применительно к условиям Королевства Камбоджи.

6. Разработаны вспомогательные программные средства для реализации методики мониторинга с помощью распространенных МКЭ -комплексов.

7. Реализована методика мониторинга на примере 18-этажного жилого дома в г. Пномпень (Камбоджа).

Объект исследования - техническое состояние зданий и сооружений, в том числе при неравномерных деформациях основания.

Предмет исследования - методы оценки технического состояния системы "основание-сооружение".

Научная новизна:

1. Разработана методика оценки текущего технического состояния системы "основание-сооружение" на основе мониторинга и сравнения измеренных и расчетных кренов объекта.

2. Выполнен сравнительный анализ классификаций грунтов по результатам полевых и лабораторных испытаний по стандартам А8ТМ-тъ 18-95 и ГОСТ 25.100-95.

3. Систематизировано описание природно-климатических и грунтовых условий Королевства Камбоджи.

4. Разработана и реализована вспомогательная программная утилита к программному комплексу А№У8 и М1сгоРе на основе МКЭ для автоматизации предложенной методики мониторинга. Получено положительное решение РОСПАТЕНТ.

5. Разработана методика оценки НДС основания в процессе эксплуатации здания на основе двух законов Т.К. Клейна и Друкера-Прагера. Описание деформации во времени использует теорию старения Ю.Н. Работнова.

На защиту выносятся:

1. Методика взаимного перехода основных классификаций грунтов на основе применяемого в Камбодже стандарта А8ТМ-Б4318-95 и ГОСТ 25.100-95.

2. Методика оценки текущего технического состояния системы "основание-сооружение" на основе мониторинга осадки и кренов здания.

3. Методика расчета деформации основания при эксплуатации, с использованием законов Г.К. Клейна и Друкера-Прагера.

4. Алгоритм и программная утилита «ПУД», задачей которой является

автоматизация реализации методики мониторинга деформаций системы "основание - сооружение".

5. Результаты экспериментальных исследований деформаций жилого дома в г. Пномпень (Камбоджа) на основе разработанной автором методики.

Обоснованность и достоверность. Основу методики составляют апробированные во многих исследованиях принципы МКЭ. При работе программной утилиты «ПУД» используется современный расчетный комплекс АШУ8 и МюгоРе. Достоверность методики подтверждена в рамках крупномасштабного натурного эксперимента близостью расчетных и фактических деформаций системы "основание-сооружение".

Практическое значение работы заключается в:

1. разработке методики, приближающей мониторинг к повседневной практике эксплуатации зданий и сооружений;

2. разработке программы, позволяющей без специальных знаний оператора осуществлять хранение и обработку данных о техническом состоянии здания или сооружения на весь период его эксплуатации;

3. облегчении Российско-Камбоджийского сотрудничества в области строительства, в частности в фундаментостроении.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены в докладах на научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета «Строительство» 2009.. .2011 гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 13 публикациях, среди которых 7 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, а так же 1 патент РФ.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 146 наименований и 1 приложения. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 97 рисунков.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. проф. Леониду Николаевичу Панасюку и к.т.н. доц. Эдгару Альбертовичу Таржиманову за помощь при написании диссертационной работы. Кроме того, автор выражает признательность аспиранту кафедры «Технической механики» РГСУ Екатерине Валерьевне Зотовой за помощь при подготовке текста диссертации и автореферата.

Глава 1. Мониторинг в строительстве.

1.1. Оценка технического состояния здания-сооружения в ходе

мониторинга.

Трагические случаи внезапных обрушений строительных объектов как в России, так и за рубежом (обрушение купола «Трансвааль-парка» в г. Москве в 2004 г., обрушение секции аэропорта в Париже в 2005 г., обрушение кровли бассейна в Перми в 2006 г., обрушения кровель катков в Германии и Австрии в 2006 г., обрушение Басманного рынка в г. Москве в 2006 г. и др.), сделали вопросы контроля технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений первоочередными в системе комплексной безопасности функционирования строительных объектов. [102,78].

Практические решения в этой области были вызваны и серьезной дискуссией по вопросам обеспечения безопасности высотных домов и их комплексов в Москве на проектном и начальном уровне. Недостаточность опыта возведения таких объектов на грунтах, свойственных городу также требует практических решений в этой области.[53,16]

Проблемы возведения высотных зданий относят городские объекты к категории сооружений, аварийное состояние которых может вызвать катастрофические последствия. Необходима реализация комплексной системы безопасности:[56,91] меры по предупреждению обрушения здания под воздействием природно-техногенных нагрузок (особенно, таких как ветровые нагрузки), промышленная динамика, изменения в грунтовых условиях под объектом. Следует отметить контроля напряженно-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий.

Выполнение данных требований представляют системную организацию контроля технического состояния несущих конструкций зданий

и сооружений, на основе мониторинга изменения их напряженно-деформированного состояния.

Актуальность данной проблемы и последние тенденции интенсивного строительства в России крупных строительных объектов определили необходимость создания новых элементов обеспечения конструктивной безопасности. Одним из таких новых элементов являются автоматизированные системы мониторинга деформационного состояния несущих конструкций. Необходимость создания данных систем отражена в существующей нормативно-методической базе [53,16,56,91] и учитывается при разработке новых нормативных документов и технических регламентов в области обеспечения безопасности зданий и сооружений.

Система мониторинга включает: систематическое (наблюдение) за деформационно-напряжённым состоянием конструкций, за состоянием грунтов, оснований и подземных вод в зоне строительства, своевременную фиксацию и оценку, выявление негативных процессов [56]. Мониторинг позволяет в любой момент времени получать информацию о техническом состоянии отдельных элементов и всей конструкции в целом. Для обеспечения максимальной надежности необходимо осуществлять мониторинг на всех уровнях жизненного цикла конструкции.

Данные мониторинга составляют часть работ научно-технического сопровождения (НТСС) нового строительства или реконструкции объекта, которые должны выполняться по техническому заданию Заказчика.

Применение мониторинга технического состояния зданий особо необходимо в условиях плотной городской застройки, так как при масштабное надземное и подземное строительство воздействует на уже построенные здания и сооружения: появляются незапланированные нагрузки, снижающие несущую способность всей конструкции. В этом случае применяется объектный мониторинг, включающий в себя наблюдение за состоянием оснований, фундаментов и несущих конструкций самого объекта

нового строительства или реконструкции, окружающих его зданий и сооружений, а также объектов инфраструктуры.

При освоении городских территорий выделяют геолого-гидрологический мониторинг, осуществляемый при необходимости системных режимных наблюдений за изменением состояния грунтов, уровней и состава подземных вод. Проводится наблюдение за развитием деструктивных процессов: эрозии, оползней, карстово-суффозионных явлений, оседания земной поверхности и др., а также за состоянием температурного, электрического и других физических полей.

1.2. Классификация мониторинга

Мониторинг включает в себя три основных подраздела:

- геотехнический мониторинг[20,92,41,62,66];

- геодезический мониторинг[54,74];

- мониторинг напряженно-деформированного состояния конструкций [40,38,14].

-Геотехнический мониторинг

Геотехнический мониторинг - это системное слежения за параметрами геологической среды, которая обеспечивает безопасное и эффективное осуществление строительно технологических процессов, ввод и последующую эксплуатацию зданий и сооружений. [55]

Целью геомониторинга является обеспечение высокого качества строительства и сохранности зданий и сооружений окружающей застройки.

Задача геомониторинга - регулярное отслеживание поведения основания строящегося сооружения и его конструкций, окружающих его зданий, а также принятие мер по обеспечению безопасного строительства и корректировки конструктивно-технологических решений.

Два тип