Главная ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ
Борисенко Виктория Михайловна
Автобиография
Библиотека
Ссылки
Отчет о поиске Индивидуальное задание
E-mail: Borisenko-06@mail.ru

 Факультет: "Горно-геологический"
Специальность: "Инженерная геодезия"
Тема магистерской: "Результаты наблюдений исследований деформаций здания учебного корпуса №3 ДонНТУ"
Научный руководитель: проф. Кренида Юрий Федорович
АВТОРЕФЕРАТ:
"РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЕФОРМАЦИЙ ЗДАНИЯ УЧЕБНОГО КОРПУСА №3 ДОННТУ"

english

Анимация Деформации здания учебного корпуса №3 ДонНТУ

Актуальность работы

   Земная поверхность находится в непрерывном движении в результате деятельности шахт. Что приводит в свою очередь к деформациям наземных объектов, неработоспособности оборудования и ряда другим разрушительным действиям. Чтобы избежать таких последствий, на производстве маркшейдер выполняет предрасчёт ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности, и принимаются соответствующие меры охраны. Для Донбасса это необходимо и важно знать. В 3-ем учебном корпусе ДонНТУ под влиянием подработки здания были выявлены повреждения в виде трещин, поэтому возникла необходимость в наблюдениях.[1]

Цели и задачи

   Цели наблюдений:
  - Уточнение исходных параметров для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности. Исходными параметрами являются: граничные углы; угол максимального оседания (при неполной подработке); углы полных сдвижений (при полной подработке); относительная величина максимального оседания, относительная величина горизонтальных сдвижений.
  - Уточнение параметров процесса сдвижения. К параметрам процесса сдвижения относят углы сдвижения, общую продолжительность и период опасных деформаций земной поверхности;
  - Уточнение распределения деформаций земной поверхности по мульде сдвижения.
  - Уточнение взаимосвязи деформаций основания и повреждений зданий и сооружений.
  - Наблюдения за эффективностью конструктивных защитных мероприятий.
   Для реализации целей были поставлены следующие задачи:
- тщательно изучить места нарушения здания;
- на поврежденных участках по заложенным реперам, если таковые имеются, или по намеченным местам произвести измерения;
- вычислить отметки каждого репера (намеченного места);
- построить профили по полученным результатам;
- измерения производить регулярно, т.к. для выявления нарушений здания необходимо иметь неоднократные результаты, чтобы судить о нарушениях.

Предполагаемая научная новизна работы

   В настоящее время массовое закрытие угольных шахт вызывает подъем подземных вод, и следовательно, замачивание пород вокруг старых выработок, что может служить причиной активизации сдвижений над ними. Основной предпосылкой активизации геомеханических процессов являются сохранившиеся пустоты и расслоения в подземном пространстве. Самоликвидация этих пустот приводит к повторному сдвижению толщи горных пород и проявлению этих процессов на земной поверхности. Научная новизна выполняемой работы заключается в применении новейших технологий для целей прогнозирования последующих деформаций здания, для наглядного отображения динамики процессов и явлений, что позволит повысить уровень восприятия, обработки и анализа информации при подготовке материалов для принятия управленческих решений.

Обзор существующих исследований и разработок

   Геомеханические исследования изменений напряженно-деформированного состояния в изучаемом районе, проводимые с целью прогнозной оценки риска формирования очагов геодинамических явлений и разработки мер по их предотвращению предусматривают постановку комплексных исследований, которые включают в себя компьютерное моделирование процессов, происходящих в массиве горных пород при разработке месторождения, и экспериментальные исследования процесса деформирования массива на горных предприятиях. Основные параметры геомеханической модели участка земной коры, подверженной мощному техногенному воздействию горных разработок, были рассмотрены выше. Степень же отражения реальных процессов на принятых моделях оценивается по результатам инструментальных наблюдений за деформациями земной поверхности моделируемого участка. Моделирование деформаций земной поверхности, возникающих при перераспределении техногенных нагрузок при разработке месторождений производится с использованием принятой геомеханической модели для обоих вариантов моделирования элемента земной коры. Теоретические и экспериментальные исследования обоих видов моделей свидетельствуют о незначительных различиях основных параметров их деформирования. Численные значения смещений земной поверхности для обоих моделей различаются на 20-25%, и принципиальные отличия отмечаются в характере и проявлении потери устойчивости массива под совместным воздействием техногенных и естественных сил. Математический аппарат для исследования поведения геомеханической модели основывается на классических решениях задачи Бусинеска для расчета модели, представленной бесконечным полупространством и расчета оболочек для расчета модели, соответствующей представлениям глобальной тектоники плит. Техногенная нагрузка соответствует весу пород и объему грунтовых вод, перемещаемых при разработке месторождения. Распределение нагрузки по площади производится по определенному математическому закону в зависимости от размеров и параметров реальных техногенных объектов.[2]
   В условиях неполной подработки земной поверхности, когда процесс сдвижения горных пород не развивается в полной мере, необходимо иметь точные сведения об изменении напряженно-деформированного состояния (НДС) подрабатываемой территории. Традиционно изменения параметров поля деформаций получали в результате наблюдений по специально закладываемым наблюдательным станциям, состоящим из профильных линий. Однако такая конструкция наблюдательной станции более всего подходит при мониторинге процесса сдвижения, происходящего при полной подработке земной поверхности, когда имеют место зоны провала, трещин и выраженная мульда сдвижения, так как в этом случае необходимо определить границы зон с разной степенью деформирования. Параметры же НДС в этом случае будут получены в результате интерполяции данных, что снижает их достоверность. В случае же обоснованного решения вопросов подработки объектов с обеспечением их сохранности необходима точная информация о распределении поля деформаций по исследуемой территории. Для получения реальных параметров НДС на промплощадке шахты "Эксплуатационная" в г. Нижний Тагил летом 2002 года была оборудована наблюдательная станция, состоящая как из профильных линий, так и стенных реперов, равномерно распределенных по всей площади. Площадка шахты охраняется от вредного влияния горных работ предохранительным целиком. Однако в связи с тем, что запасы шахты заканчиваются, целик, начиная с 1990 года, был частично подработан по трем горизонтам. В 1999 году граница целика была перенесена и площадь охраняемой поверхности сократилась. Развитие процесса сдвижения при этом происходило без значительных деформаций, а после начала отработки запасов, вынесенных за пределы целика, процесс сдвижения принял дискретный характер, и здание адмбыткомбината претерпело значительные деформации с образованием трещин в стенах и полу. Кроме того что целик частично подработан, с трех сторон он окружен зоной обрушения, и морфологически выглядит как полуостров в море зоны обрушения, а также ситуация усугубляется наличием на территории дизъюнктивных нарушений, пересекающих целик под углами, близкими к углам сдвижения. Таким образом, реализованный на практике комплекс мер инструментального мониторинга НДС подрабатываемой территории и компьютерной обработки результатов с увязкой полученной информации в единую систему ГИС позволяет выйти на качественно более высокий уровень сбора и анализа данных о развитии процесса сдвижения, что позволяет более обоснованно принимать технические решения о подработке целиков промплощадки шахты и вести постоянный мониторинг состояния земной поверхности и сохранности расположенных на ней зданий и сооружений.[3]
   Для получения данных о динамике структурных сооружений с миллиметровой точностью, мы разработали метод обнаружения динамических характеристик, основанный на интерферометрии применительно к сбору данных и анализу двойных разностей фазовых данных по частоте L1 регулярных статических наблюдений. Для тестов лаборатория использовала маленький висячий пешеходный мост, однако все понятия и методология этого процесса могут быть применены одинаково хорошо и к большим висячим мостам и к высоким строительным объектам.[4]
   Непрерывный мониторинг сооружений с использованием GPS систем приводит к тому, что внутрисуточные и сезонные эффекты сразу же проявляются в виде фонового шума в табличных данных и графиках. Реальное смещение конструкции легко различимо как уход от этого фона. Опыт в области мониторинга поверхностных деформаций позволяет сделать вывод, что подобные сигналы зачастую могут быть замаскированы большими значениями шумов. В качестве примера можно привести проект 3-х летних наблюдений за плотиной Pacoima в Калифорнии. Полученные данные говорят о том, что плотина подвержена ежегодному циклу смещений с пиковым значением амплитуды 18 миллиметров. Хотя специалисты его компании использовали записи отчетов температуры взятых в точке расположенной 20 километров южнее плотины, ими была обнаружена четкая зависимость между дневной температурой и ежедневным движением плотины. Вычисленная функция реакции на импульсное возмущение была согласована с отчетами температуры для создания временных серий прогнозируемых деформаций, точно аппроксимирующих реальные данные о деформациях. Затем, после вычитания прогнозируемых смещений из измеренных, были получены записи остаточных смещений с исключенными данными термоупругих деформаций. Данная методика позволила распознать деформацию сооружения, возникающую вследствие наполнения водохранилища.
Движение коры Земли.
В некоторых случаях программа мониторинга может также включать наблюдения за движением земной коры. В случае расположения плотины недалеко от разлома, крайне важным представляется оценка реального движения плотины относительно земной коры. Она может быть выполнена путем установки нескольких базовых станций с последующим мониторингом базовых линий (как радиальных, так и линий между базовыми станциями). Это позволяет определять относительное движение этих базовых станций и реальное движение сооружения. Методика обработки данных с использованием региональных базовых станций (CORS) может быть наиболее эффективна в определении региональных деформаций земной коры, и это становится особенно ценным - позволяет спрогнозировать движение этих станций в будущем. Использование нескольких приёмников. В зависимости от целей и требуемой точности мониторинга используется несколько приемников на наблюдаемом сооружении совместно с несколькими базовыми станциями. Несколько GPS приемников, установленных на наблюдаемом сооружении, позволяет существенно повысить надежность получаемых результатов. Установка двух и более базовых станций за пределами сооружения и последующее вычисление базовых линий гарантирует, что движение свободно от смещения базовых станций. Все, кроме одной, из 14 установленных его компанией систем, используют сеть из нескольких приемников.[5]
   Конечно, при проведении плановых работ по геодезическому мониторингу высотных зданий (сооружений) необходимы более продолжительные наблюдения. Программный модуль Motion Tracker осуществляет управление объемными базами данных измерений в неограниченном количестве проектов. Кроме того, имеется возможность пополнения и редактирования баз данных в соответствии с новой измерительной информацией, даже если она была получена спустя какое-то время. Проведенные компанией "Навгеоком" исследования позволяют заключить, что измерительно-вычислительный комплекс может стать эффективным и недорогим средством проведения геодезических работ при мониторинге высотных зданий и сооружений.[6]
   Наиболее распространены геодезические наблюдения за вертикальными смещениями (осадками) зданий и сооружений. Для этого по периметру здания в его основание закладываются деформационные (осадочные) марки и производится по ним геометрическое нивелирование с использованием высокоточных нивелиров типа Н-05, Ni 007. Разность высотных отметок осадочных марок, полученных из каждого последующего цикла измерений, позволяет судить об абсолютных величинах деформаций и скорости их изменений. Для получения полной картины состояния обследуемого объекта в целом, одновременно за наблюдениями просадки его основания проводится геодезический мониторинг трещин фасадов зданий. Геодезические измерения горизонтальных смещений (сдвигов, кренов) проводятся преимущественного для сооружений башенного типа или на территориях с потенциально опасными геологическими условиями. В этих случаях для измерений используется высокоточные геодезические роботизированные станции. В результате наблюдений за деформациями зданий и сооружений составляется техническое заключение о состоянии и прогнозе развития выявленных деформаций, вырабатываются рекомендации по проведению соответствующих мероприятий, предупреждающих негативные последствия критических деформаций.[7]
   Для исследований деформаций здания существует множество методов и приборов, но и на этом прогресс не стоит на месте, разрабатываются абсолютно новые и качественные (судя по результатам) приборы.

Основные методы исследований и их результаты

   Моя тема НИРСа возникла с появлением нарушений здания, в виде вертикальных трещин. Они наблюдались как на фасаде здания, так и внутри помещения: на стенах, полу и др. перекрытиях.
   Для исследования деформаций здания 3-го учебного корпуса ДонНТУ было предложено два метода:
   1) Нивелирование 2-го класса;
   2) Гравиметрическая съемка.

Методика нивелирования

   Геометрическое нивелирование - метод измерения превышения с помощью горизонтального визирного луча зрительной трубы. Пусть между точками A и B местности необходимо определить превышение hBA. В точках A и B устанавливают рейки и за помощью горизонтального луча визирования берут отчеты по рейкам а и b.
   Превышение hBA определяют как разницу отчетов по формуле:
hBA = a - b
   Горизонтальный луч в пространстве реализуется специальным прибором - нивелиром.
   Различают два способа геометрического нивелирования: нивелирование из середины и нивелирование вперед. Для наблюдений 3-го учебного корпуса был применен способ "нивелирование из середины".
   Нивелирование из середины.
Геометрическое нивелирование

Рисунок 1 - Схема геометрического нивелирования с середины

   Во время нивелирования из середины нивелир устанавливают между точками A и B приблизительно на одинаковом расстоянии от реек (pис. 1). Если точку A считают задней, а точку B передней, то превышение считают по формуле (1). Таким образом, во время нивелирования из середины превышение между точками равно: "задний отчет" минус "передний отчет". Если передняя точка выше, то hBA > 0, в противоположном случае hBA < 0.
   Гравиметрическая съемка.
   При детальных гравиметрических съемках требуется измерять приращения силы тяжести гравиметрами с ошибкой 0,02-0,06 мГал, а с группой гравиметров - ошибкой 0,01 мГал (1.10"8д) или даже еще меньше. Точность измерений зависит от класса точности и характеристик гравиметра, опытности наблюдателя и от условий наблюдений в гравиметрической рейсе (длительность рейса, температурный режим, условия транспортировки). Номинальная точность отсчета по гравиметру 0.001 оборота микрометренного (измерительного) винта, т.е. 0,005-0,010 мГал. Реальная точность отсчета, называемая порогом чувствительности. Порог чувствительности может значительно различаться даже в гравиметрах одного класса точности. В высокоточных гравиметрах ГНУ-КВ, ГНУ-КС он должен составлять 0,01-0,02 мГал. Для определения порога чувствительности нужно получить надежный статистический материал, т.е. достаточно большую серию отсчетов 5 по гравиметру. Отсчет берут после того, как с помощью микрометренного винта тщательно совместят изображение рычага (индекс) гравиметра с нулевым делением окулярной шкалы. Наведение всегда завершают вращением винта по часовой стрелке, добиваясь, чтобы индекс был неподвижен. Если в момент отсчета индекс совершает даже небольшие колебания, точность наблюдений будет невысокой. После каждого отсчета микрометренный винт поворачивают против часовой стрелки на 1/4 - 1/3 оборота. В журнале отсчеты записывают; по три в строчке. Оценка порога чувствительности по отклонениям отсчетов от среднего для всей серии не будет правомочной из-за смещения нуль-пункта, которое содержит как регулярные, так и периодические составляющие. Порог чувствительности находится как среднее квадратическое значение d из N измерений.
   Приборы
   При проведении наблюдений 3-го учебного корпуса ДонНТУ был применен метод нивелирования 2-го класса, а также гравиметрическая съемка. В связи с этим возникла необходимость в применении высокоточных приборов. Таким образом, были использованы следующие приборы:
- нивелир Н-05;
- рейка;
- штатив ШТ-140;
- инварные рейки (2 шт.);
- рулетка;
- гравиметр ГНУ-КС.
   При нивелировании 2-го класса был проложен ход от музея, по бульвару Пушкина, пересекая проспект Б. Хмельницкого, по улице Артема и вышли на 3-ий корпус ДонНТУ у главного входа. В 2004 году группа ИГ-01 производила нивелирование 2-го класса фасада здания по сохранившейся наблюдательной станции по грунтовым реперам (30 шт.) и по стенным реперам (28 шт.). Но эти измерения утратили свой смысл, т.к. для выявления нарушений необходимо серия наблюдений; но сейчас там идет стройка библиотеки.
   Также в 2004 году было произведено нивелирование 2-го класса по грунтовым реперам, заложенных вдоль дороги. На рисунке 2 показана разность отметок между результатами измерений 2004 и 2005 года.
Профиль

Рисунок 2 - Разность отметок между результатами измерений 2004 и 2005 года.

   Максимальная разность составляет 33 миллиметра, это удовлетворяет условиям инструкции. Линия реперов довольно далеко отстоит от здания. Отсюда можно сделать вывод, что грунт вокруг здания не влияет на деформации происходящие в самом здании. На рисунке 3 показан профиль фасада здания северной части здания. Здесь смущает прогиб. Но т.к. нивелирование фасада здания производилось 1 раз, то судить по одному наблюдению не стоит. Это может быть действительно прогиб, а может было произведено ошибочное измерение. Предлагаю исследовать эту часть дополнительно. В коридоре наблюдения велись не однократно. На рисунке 4а показан профиль построенный по летним измерениям, которые были произведены летом 2004 года. На рисунке 4б - по осеним наблюдениям 2004г, и 4в - по летним 2005 года.

Профиль
Рисунок 4 - Профили пола коридора.

   Результаты, полученные по измерениям произведенным осенью 2004 года, очень, лично меня, смущают, т.к. этот прогиб характерен только при одном наблюдении. Ответ можно найти в двух вариантах:
   1) либо это ошибки студентов при измерениях, как выше было сказано, наблюдения велись судентами;
   2) либо это что-то не ясное.
   Гравиметрическая съемка.
   Летом 2004г. кроме высокоточного нивелирования проводилось гравиметрическая съемка, по результатам обработке был построен план детальной гравиметрической съемки (рис.5).

Гравиметрическая съемка
Рисунок 5 - План детальной гравиметрической съемки.

   Летом 2005г. была проделана такая же работа, в результате чего также был построен план гравиметрической съемки (рис.6).

Гравиметрическая съемка
Рисунок 6 - План детальной гравиметрической съемки.

   Анализируя планы гравиметрических съемок, видно что характер изоаномалов схож, также видно что сгущение изоанамалов приходится на "северную часть" здания где находится кафедра геологии (предположительно из-за лестницы и из-за утяжеляющих здание геологических приборов).

Вывод


   Исходя из выше сказанного предлагаю:
   1. Заложить новую наблюдательную станцию: грунтовые репера по линиям, по фасаду здания, со стороны северной части и со стороны южной части, и стенные репера по линии южной и северной части здания. Также заложить наблюдательную станцию в коридорах здания.
   2. Cогласно с пунктом 8.1 инструкции по нивелированию I, II, III и IV классов нивелирование 2-го класса исполняют лица, имеющие высшее или среднее техническое образование и прошедшие специальный курс подготовки. Поэтому наблюдения должны вестись высококвалифицированными специалистами, а не студентами, как в данных наблюдениях.

Спосок источников


   1. Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Ермаков, Ю.Ф.Кренида, О.А.Улицкий, В.А. Дрибан, "Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины"; Норд-Пресс, 2004г; 485стр.

   2. А.А. Панжин "Диагностика геомеханического состояния массива горных пород геодезическими методами"; http://igd.uran.ru/geomech/articles/paa_013/index.htm;

   3. Панжин А.А., Усанов С.В. "ГИС мониторинга подработанной территории"; http://www.laboratory.ru/articl/geol/ag120r.htm;

   4. Ана Паула С. Ларокка, Рикардо Эрнесто Шааль, "Миллиметровая точность при измерении динамических характеристик сооружений"; http://www.navgeocom.ru/projects/mil_motion/index.htm

   5. Matteo Luccio, "Мониторинг деформации больших сооружений с помощью GPS"; http://www.navgeocom.ru/projects/monitor_gps/index.htm ;

   6. Донец А.М., "Решение задачи геодезического мониторинга высотных зданий и сооружений методом спутниковой геодезии с использованием измерительно-вычислительного комплекса Trimble"; http://www.navgeocom.ru/projects/deform_ngk/index.htm

   7. Наблюдения за деформациями зданий и сооружений"; http://igit.al.ru/deform.html;
Вверх Библиотека Отчет о поиске Ссылки Индивидуальное задание

Design by Borisenko Vika, 2006