Геотехнический мониторинг: понятие, программы системы слежения, цели, задачи и применение в строительстве

На строительные процессы нередко оказывают влияние внешние факторы, которые становятся причинами аварий. Для их контроля разрабатываются специальные системы прогнозирования и комплексного анализа, что позволяет предупреждать подобные угрозы, предпринимая соответствующие меры или меняя тактику проведения рабочих мероприятий. Одно из центральных направлений такого контроля представляет геотехнический мониторинг (ГТМ), посредством которого можно прогнозировать и даже управлять состоянием целевого объекта с точки зрения его взаимодействия с факторами негативного влияния природного характера.

Понятие ГТМ

Под ГТМ понимается комплекс мероприятий, связанных с наблюдением за состоянием конструкций сооружаемого или реконструируемого объекта. Отдельное внимание при контроле отводится основанию несущего массива и окружающим сооружениям. Технологически данные работы организуются на базе наблюдательных пунктов, расположенных как в зоне производства строительства, так и за ее пределами в лабораторных условиях. При этом геотехнический мониторинг зданий и сооружений не ограничивается только контролем состояния целевого объекта на время его строительства. Еще на стадии разработки проекта может быть предусмотрена возможность интеграции системы ГТМ в комплекс обслуживающих мероприятий в ходе эксплуатации объекта.

Цели ГТМ

К основным целям геотехнического наблюдения стоит отнести обеспечение безопасности на время строительства и эксплуатации подконтрольного сооружения, а также формирование базы показателей, по которым можно оценивать степень его надежности. Это касается не только сооружаемых и введенных в эксплуатацию объектов, но и работ, производимых в рамках ремонта и реконструкции. Достигаются цели геотехнического мониторинга за счет своевременного обнаружения процессов изменения исследуемых параметров. Во внимание берутся как характеристики конструкции, так и свойства грунта основания.

Задачи ГТМ

В процессе геотехнического контроля решаются следующие задачи:

• Регулярная фиксация изменений параметров геологического массива и расположенных на ней конструкций.
• Своевременное обнаружение отклонений параметров, а также любых изменений, которые могут нарушить ожидаемые тенденции в ходе производящихся работ.
• Оценка рисков, которые влекут за собой выявленные отклонения подконтрольных параметров.
• Установка причин зафиксированных изменений.
• На основе результатов геотехнического мониторинга зданий и сооружений разрабатывается комплекс мероприятий, которые помогут предупредить и устранить дальнейшие негативные процессы.

Применение ГТМ в строительстве

К процессам строительства ГТМ подключается на этапе нулевого цикла при осуществлении геодезических обследований и проведении земельных работ. В частности, это касается грунтовой основы, фундамента и базовых несущих конструкций. Применительно к котлованам под строительство мониторинг осуществляется в отношении ограждающих сооружений, исключающих риски обвала. Затрагивают обследования и подземные объекты – коммуникации, инженерные сооружения и тоннели. В рамках проведения геотехнического мониторинга в строительстве учитываются факторы, оказывающие влияние на сооружаемый или реконструируемый объект. Во внимание берутся как потенциально опасные геологические процессы (оседание, оползни, суффозия), так и динамические воздействия, источниками которых являются непосредственно строительные работы.

ГТМ при контроле грунтов

При осуществлении ГТМ оценивается состояние грунтового массива, его поведение и возможные изменения, связанные с оказываемыми нагрузками в ходе строительства. Применительно к органическим грунтам анализируются следующие характеристики:

• Деформация основы под фундаментом возводимого сооружения.
• Горизонтальное смещение грунтового пласта по глубине.
• Уровень подземных вод.
• Гидродинамическое давление, которое может возникнуть в водонасыщенных органоминеральных и органических грунтах по причине воздействия дополнительной нагрузки.
• Характер изменения физико-механических свойств массива.

В отношении насыпных грунтов геотехнический мониторинг предусматривает выполнение следующих замеров подконтрольных параметров:

• Степень осадка, который имеет место по причине самоуплотнения вновь отсыпаемых и существующих грунтов.
• Нагрузка от фундаментной платформы возводимого сооружения.
• Нагрузки от массивных строительных материалов и оборудования, размещенного на площадке.
• Базовые характеристики насыпных грунтов.

Состав работ по ГТМ

Согласно нормативам, геотехнический мониторинг включает в себя следующие мероприятия:

• Разработка программы и проекта по контролю целевого объекта. Определяется перечень, объемы и методы операций на основе произведенных геологических изысканий на стройплощадке.
• Определение сроков и периодичности выполнения операций по мониторингу. График устанавливается в зависимости от планируемой продолжительности строительства с учетом земельных работ и операций, связанных с устранением обнаруженных факторов негативного влияния.
• Определение контролируемых параметров. В данном случае берутся во внимание как местные геологические условия, так и характеристики сооружаемого объекта – в том числе уровень его ответственности.
• Обработка полученных данных и составление отчета, на основе которого принимаются меры по снижению зафиксированных рисков.

Проект геотехнического мониторинга

В процессе разработки проекта ГТМ формируется набор конструктивных решений, которые могли бы обеспечить минимальную степень влияния на объект со стороны негативных факторов воздействия. При этом учитывается не только эффективность методов, но и экономическая целесообразность их применения. Составляется технологическая карта производства аналитических мероприятий, подбираются оптимальные методы обследования территории с учетом климатических и геофизических параметров конкретного региона. В проекте геотехнического мониторинга строительства здания прописываются и требования к экологической безопасности, что может проявляться в виде ограничений по использованию определенных методов влияния на природный ландшафт, в частности. В конечном итоге разработчики представляют комплексный набор мер с графиком их выполнения и возможностями корректировки в зависимости от влияния сторонних факторов.

Геотехническое прогнозирование

Важную роль в комплексе ГТМ играет прогнозирование. Данный инструментарий задействуют в процессах проектирования оснований, подземных частей строений и фундаментов. Под прогнозом такого рода понимается оценка возможного влияния строительного процесса на состояние и характеристики грунтового массива. Подобные мероприятия также являются необходимостью при разработке проектов прокладки инженерных коммуникаций, размещаемых на застроенной территории. В качестве исходных данных для геотехнического мониторинга с прогнозированием используются параметры перемещений ограждающих конструкций, а также учитывается характер напряженно-деформированного воздействия на грунт со стороны возводимого сооружения. В расчетах для оценки возможных изменений используются численные и аналитические методы. В прогнозировании дополнительных деформаций, которые могут быть вызваны вертикальными нагрузками от сооружаемого объекта, допускается применение расчетной схемы в форме линейно-деформируемого полупространства.

Методы ГТМ

Для осуществления мониторинга применяются разные технологические подходы, среди которых геодезические, визуальные, виброметрические, параметрические и т. д. Самая простая и распространенная группа методов предполагает визуально-инструментальный контроль, при котором производится осмотр объекта с последующими снятиями необходимых замеров. В частности, геотехнический мониторинг зданий с визуальным контролем фиксирует процессы развития трещин в конструкциях, отклонения в положении перекрытий и стен, характеристики повреждений и т. д. Иной подход к мониторингу предлагают геофизические методы контроля. В данном случае производится комплекс инженерно-геологических и гидрогеологических исследовательских мероприятий, которые вовсе могут не затрагивать параметры строительного объекта, однако в полном объеме изучают свойства местного грунта и его физические характеристики с учетом и уровней залегания грунтовых вод.

Инструменты фиксации данных ГТМ

Практически все методы современного геотехнического контроля предполагают использование технических средств и приспособлений для точного определения контролируемых показателей. Это может быть и простейший измерительный инструмент наподобие уровня или рулетки, и электронные устройства, автоматически фиксирующие целевые параметры – не только физические и геометрические, но и микроклиматические. Например, для измерения осадка и крена здания или отдельных его конструкций применяются комплексные системы геотехнического мониторинга, фиксирующие параметрические данные благодаря предустановленным датчикам и маркерам. В течение определенного времени с них снимаются показания, позволяющие отслеживать динамику прогрессирования крена или раскрытия трещины. Но для прогнозирования также значимы и такие показатели, как температурный режим с динамикой перепадов, коэффициенты влажности, уровень давления и т. д. Для этих и других операций замера используются пьезометры, инклинометры, мессдозы, динамометры, тензометры и другие устройства.

Программы геотехнического контроля

После фиксации контролируемых значений геотехники заносят конкретные данные в журнал для формирования отчета. Далее производится всесторонний анализ полученных сведений с целью выработки защитных мероприятий, если это необходимо. Для решения таких задач применяются специальные программы геотехнического мониторинга, в числе которых можно отметить следующие решения:

• Система TUN2. Несложный и простой в эксплуатации программный инструмент, предназначенный для выполнения статического расчета подземных сооружений.
• Программа POLUPROM. Алгоритм данной системы позволяет выполнять расчет стержневых конструкций и сооружений, предлагая возможность моделирования линий влияния. Также эту программу используют в качестве универсального инженерного калькулятора.
• Комплекс Midas. Корейский многофункциональный продукт, с помощью которого выполняют базовые геотехнические операции обработки данных, а также специализированные расчеты в области тоннелестроения.

Заключение

Геотехника в строительстве в примитивном виде использовалась с древнейших времен, когда при устройстве жилья люди старались предусматривать риски воздействий со стороны природных явлений. В наши дни можно говорить о многостороннем и высокотехнологичном геотехническом мониторинге, который позволяет выявлять, фиксировать, анализировать и разрабатывать средства устранения как имеющихся, так и возможных угроз при строительстве или эксплуатации различных объектов. При этом не стоит рассматривать методы такого контроля только лишь как средство одностороннего информирования о проблемах. Современные методы ГТМ становятся в большей степени интерактивными, что дает основания рассматривать их и как средство обеспечения безопасности, и как инструментарий для поиска оптимальных экономических решений при реализации того или иного проекта.