Геотехнический мониторинг

Геотехни́ческий монито́ринг — система мероприятий, включающая в себя полевые измерения и анализ состояния строительных объектов, подвергающихся строительству или реконструкции, а также их фундаментов, включая грунтовый массив, окружающий или вмещающий объект. В геотехническом мониторинге отслеживается состояние близлежащих зданий и сооружений. Осуществление геотехнического мониторинга способствует быстрому вводу объекта в эксплуатацию, упрощая прохождение административных процедур.

Периодичность фиксации контролируемых параметров определяется в соответствии со Сводом правил (СП) 22.13330.2016 и увязывается с графиком проведения строительно-монтажных работ. Сроки выполнения работ по проведению геотехнического мониторинга зависят от продолжительности строительства (реконструкции) объекта, в том числе возведения подземной части, и их допускается продлевать при отсутствии стабилизации контролируемых параметров.

Компоненты геотехнического мониторинга

Компоненты геотехнического мониторинга:

1. Проект мониторинга создаётся, опираясь на результаты геотехнического анализа, подготовленного на этапе проектной документации. Он включает чертежи с указанием расположения реперных точек, сенсоров и измерительной аппаратуры как на самом строящемся или реконструируемом объекте, так и на соседних зданиях, подверженных риску (зона риска определяется расчётами и представлена в геотехническом отчёте). Размещение всех этих элементов на схемах производится таким образом, чтобы обеспечить максимально полную картину состояния объекта. Места их установки выбираются на основе математической модели взаимодействия системы, включающей объект, грунт основания и близлежащие строения. Модель разрабатывается с использованием метода конечных элементов в рамках геотехнического обоснования. В плане мониторинга прописываются состав, объём, частота, продолжительность и методы проведения измерений. В случае необходимости, план мониторинга может предусматривать создание экспериментальных участков, где устанавливается контрольно-измерительное оборудование для подбора оптимальных режимов выполнения работ. Такие участки позволяют тестировать новые проектные решения в реальных условиях.
2. Система контроля измеряемых параметров включает геодезические метки, установленные в соответствии с проектом, для фиксации деформаций и наклонов здания. Дополнительно применяются датчики, контролирующие угол наклона стен, внутренние напряжения в элементах конструкции и параметры трещин. Для оценки напряжённо-деформированного состояния грунтового основания предусмотрена система мониторинга вертикальных деформаций, как на поверхности, так и в глубине массива, реализуемая посредством поверхностных и глубинных марок, а также экстензометров. Горизонтальные смещения контролируются инклинометрами, а положение подземных вод отслеживается с помощью наблюдательных скважин и пьезометров. Измерение тотальных напряжений и порового давления осуществляется с использованием месдоз и датчиков порового давления. Усилия в ограждающих конструкциях котлованов и их крепления измеряются тензометрами и динамометрами. Давление на сваи и подошву плиты основания подземного сооружения контролируется месдозами и тензометрами.
3. Система «обратного» расчётного анализа поведения системы «объект — основание — окружающая застройка» является наиболее трудным звеном в комплексе мониторинга. Её реализация предъявляет максимальные требования к квалификации специалиста. Задача этой системы — установить причины расхождения между фактическим и ожидаемым напряжённо-деформированным состоянием указанной триады, а также между фактической и прогнозируемой скоростью изменений. Точная идентификация факторов, провоцирующих негативные тенденции, открывает путь к разработке действенных мер по стабилизации обстановки.

Устройства для измерения

Оборудование для контроля горизонтальных смещений грунта

К оборудованиям для контроля горизонтальных смещений грунта относятся:

• инклинометры;
• обсадные инклинометрические трубы;
• автоматические инклинометрические системы;
• регистраторы и прочее.

Инклинометрические измерения широко используются в мировой практике геотехнических работ. Такие системы эффективно применяются при решении различных задач, связанных с контролем перемещений грунта:

• наблюдения за устойчивостью стенок котлованов (горных выработок) при разработке месторождений полезных ископаемых, выемке котлованов при гражданском строительстве;
• мониторинг латеральных перемещений грунтовых масс на территориях с развитием оползневых процессов;
• контроль развития подвижек грунта в теле земляных плотин;
• наблюдения за развитием деформации при проходке горных выработок, устройстве тоннелей.

Оборудование для контроля осадок грунта

К оборудованиям для контроля осадок грунта относятся:

• скважинные магнитные экстенсометры (ручной режим измерений);
• анкерные экстенсометры (автоматический режим измерений) и прочее.

Наблюдениям за осадкой грунта вследствие различных причин (уплотнение под нагрузкой от сооружения, под собственным весом, суффозионный процесс и так далее) в инженерной геологии уделяется пристальное внимание. Зачастую именно процессами осадки земной поверхности (в первую очередь неравномерной) обусловлено развитие деформации сооружений. Системы контроля позволяют вести наблюдения за развитием осадок в массиве грунтов основания различных инженерных сооружений:

• контроль уплотнения насыпи при дорожном строительстве;
• наблюдения за осадками в основании крупных инженерных сооружений;
• мониторинг развития деформаций на участках с развитием опасных геологических процессов (в первую очередь оползневого);
• наблюдения за дифференциальной (относительной) осадкой надземной части сооружения.

Гидрогеологическое оборудование

К гидрогеологическому оборудованию относят:

• автоматические пьезометры;
• пьезометры CASAGRANDE для измерений в ручном режиме;
• индикаторы уровня воды;
• скважинные пробоотборники и другие.

Грунт является сложной, многокомпонентной системой. Помимо твёрдого и газообразного компонента, существенную роль в стабильности грунтового основания играет жидкий компонент грунта. Идёт осуществление контроля за:

• колебанием уровня грунтовых вод, как в процессе проведения земляных работ, так и во время строительства;
• изменением порового давления жидкости в массиве грунтов основания, при возведении и последующей эксплуатации сооружения;
• изменением гидрогеологического режима в ходе проведения противофильтрационных мероприятий.

Датчики нагрузки, давления на грунт (месдозы)

Модификации датчиков нагрузки на грунт:

• на оголовок сваи;
• на анкерное крепление и другие.

Используются в системе геотехнического мониторинга для наблюдения за зоной взаимодействия сооружения с грунтами его основания. Установленные непосредственно на грунт, под фундаментной плитой, датчики позволяют следить за динамикой распределения нагрузки на грунтовый массив. Полученные в процессе строительства и эксплуатации данные позволяют:

• оценить реальное распределение давления в основании сооружения;
• проводить мониторинг суффозионных процессов (в том числе карстовой природы);
• выявить на ранних стадиях процесс разуплотнения грунтов основания и ареолы его развития;

• отслеживать динамику процесса взаимодействия сооружения с грунтом в зоне примыкания.

Оборудование для мониторинга строительных конструкций

Оборудование для мониторинга строительных конструкций:

• струнные тензометры;
• датчики контроля перемещений;
• датчики контроля кренов сооружения и прочие.

Мониторинг структурной целостности и напряжённо-деформированного состояния конструкций является основной составной частью мониторинга инженерных сооружений. Изменение напряжённо-деформированного состояния, может быть обусловлено множеством причин, таких как низкое качество расходных материалов, нарушение порядка проведение работ, неравномерные осадки зданий, неучтённые дополнительные нагрузки и так далее. Развитие критических напряжений в конструктивных элементах может носить резкий спорадический характер, поэтому важно, чтобы измерения напряжений в конструкциях производились с максимальной частотой, а лучше — в автоматическом режиме.

При возникновении неравномерной осадки или нарушении в работе конструкции будут наблюдаться изменения пространственных характеристик объекта, такие как отклонения от вертикали, незначительные смещения конструктивных элементов и неравномерные ротационные процессы. Получаемая информация может комплексироваться с данными сейсмометрических наблюдений, дающих сведения о собственных частотах колебания здания и траекториях движения контрольных точек, геодезическими наблюдениями и другими системами обеспечения безопасности сооружения.

Методы и технологии мониторинга

При составлении программы мониторинга может быть использован весь комплекс исследований или только часть:

• визуальный осмотр (фиксация трещин и установка маяков);
• геодезический мониторинг (контроль осадок и кренов лазерными сканерами, нивелирами, GPS);
• тензометрический анализ (измерение напряжений в фундаментах и несущих конструкциях);
• вибродинамический анализ (замеры колебаний от стройтехники и транспорта);
• геофизические исследования (сейсмические и электромагнитные датчики);
• автоматизированные системы IoT (непрерывный сбор данных в реальном времени).