11.9. Геодезические наблюдения за устойчивостью оснований прецизионных сооружений

11.9.1. Изучение микродвижений горных пород при выборе оснований под прецизионные сооружения

Высокая чувствительность прецизионных сооружений к различного рода деформациям основания вызывает необходимость изучения и оценки планово-высотных микросмещений грунтов на площадке под сооружение как до начала строительства, так и в период строительства и эксплуатации. Это позволяет правильно выбрать тип основания, качественно разработать проект организации строительства, принимать соответствующие инженерные решения по уменьшению деформаций, а также установить периодичность контрольных измерений и последующей коррекции положения технологического оборудования для обеспечения нормальной работы сооружения.

Основные виды микросмещений. При выборе оснований под прецизионные сооружения обращают особое внимание на выявление возможных их деформаций путем инструментальных исследований строительных площадок.

Знание величин и закономерностей микросмещений горных пород позволяет существенно уточнить инженерно-геологическое заключение о пригодности данного основания для строительства прецизионного сооружения, правильно решить конструк­цию фундаментов и определить глубину их заложения и при не­обходимости предусмотреть инженерные мероприятия, обеспе­чивающие требуемую стабильность положения фундаментов и технологического оборудования.

Деформации сооружения на устойчивых горных основаниях, как правило, малы и не нарушают целостности строительных конструкций, но могут явиться причиной нарушения нормальной работы установки.

Смещения земной поверхности зависят от различных процес­сов, происходящих как в земной коре, так и в подкоровых слоях. В зависимости от происхождения энергии, порождающей эти процессы, их делят на эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние). Наиболее критичными для прецизионных сооружений являются смещения земной поверхности, вызываемые экзогенными процессами. Эти смещения можно разделить на две ук­рупненные группы:

1. движения земной поверхности, вызванные природными факторами;

2. движения земной поверхности, связанные с инженерной деятельностью человека.

Естественные (природные) смещения:

а) гидротермические микродвижения, основными причинами которых является изменение физического состояния пород и действующих в них усилий (выветривание, естественное замораживание и оттаивание); уровня и скорости движения подземных вод; температуры и влажности горных пород.

В свою очередь эти причины определяются действием внешних физико-географических факторов (изменение температуры и влажности воздушной среды, выпадение атмосферных осад­ков и т. п.).

б) микронаклоны земной поверхности, связанные с колебаниями атмосферного давления; микросейсмические колебания земной поверхности, связанные с удаленными землетрясениями.

в) колебания земной поверхности, обусловленные лунно-солнечными приливами.

г) микродвижения, связанные с океаническими приливамии сгонно-нагонными явлениями.

Смещения земной поверхности, вызванные экзогенными процессами, независимо от их форм проявления могут быть:

– обратимыми, преимущественно с годовым циклом смещений, связанными главным образом с периодическим изменением гидротермического режима грунтов (промерзание, протаивание, изменение влажности и т. д.);

– необратимыми, связанными с осадкой, обусловленной различными просадочными и оползневыми явлениями (карст, суффозия, оползни и др.).

Техногенные (антропогенные) смещения:

1. Оседания земной поверхности, связанные с проходкой подземных горных выработок.

2. Оседания земной поверхности из-за откачек подземных или других жидких и газообразных полезных ископаемых.

3. Смещения горных пород под влиянием взрывов, работы машин, движения поездов и др.

4. Смещения горных пород в результате изменения природного давления при вскрытии строительных котлованов или при возведении различных сооружений.

5. Смещения земной поверхности, связанные с искусственными изменениями гидротермического режима горных пород и т. п. [3].

Изучение микродвижений горных пород основано главным образом, на периодической регистрации изменения положения исследуемых точек. Различные скорости микродвижений горных пород, являющиеся следствием процессов, протекающих в породах основания, определяют большое разнообразие методов их изучения, а малый общий итоговый эффект, выражающийся несколькими миллиметрами в течение года, и необходимость обеспечения высокой точности проведения измерений являются причиной того, что непосредственное определение количественных характеристик микродвижений возможно лишь при использовании специальных инструментальных методов измерений.

Геодезические наблюдения за микросмещениями должны проводиться в комплексе с исследованиями различных факторов, которые могут вызывать деформацию грунтов (режим подземных вод, механика грунтов, термика, сейсмология, метеорология и др.). Изучение микросмещений грунтов на площадке выполняется, как правило, на различных глубинах в пределах многометровой толщи основания.

Наблюдения состоят в периодическом определении положения пунктов, надежно закрепленных в исследуемых грунтах. Для определения плановых микросмещений применяют высокоточные линейные, угловые и створные измерения; за вертикальными смещениями – высокоточное геометрическое нивелирование.

Расчет основных количественных характеристик деформаций оснований.

По воздействию деформаций на основание сооружения их можно разделить на два типа. Первый тип деформаций земной поверхности вызывает перемещение всего основания; второй тип деформаций заключается в локальном короблении основания.

Первый тип деформаций можно назвать общей деформацией, потому что при этой деформации происходит такое перемещение точек земной поверхности, которое переводит, например, горизонтальную плоскость основания в некую перемещенную в пространстве другую плоскость; при этом точки плоскости не претерпевают взаимного относительного перемещения.

Деформацию второго типа можно назвать частной (локальной), при которой происходит коробление условной плоскости основания, перегибание ее по некоторым случайным направлениям и превращение ее в некую сложную поверхность, в каждой точке которой кривизна может иметь различное значение.

Полная деформация основания состоит из общей и частных ее частей. Если через эту поверхность провести условную плоскость и установить ее предельное положение, исходя из условия, что сумма квадратов расстояний каждой точки поверх­ности до плоскости будет иметь минимальное значение, то положение точек на проведенной, таким образом, плоскости определит общую деформацию, а все разнообразие расстояний каждой точки поверхности от этой плоскости составит частную деформацию.

Выделение из общей деформации частной имеет существенное значение для выводов о качестве исследуемого основания, поскольку наличие даже значительных общих деформаций часто может не иметь большого значения для проектирования и эксплуатации объекта. Наиболее критичными деформациями основания прецизионного сооружения считают частные деформации.

Для прецизионных сооружений, нормальная эксплуатация которых требует довольно жесткого сохранения расчетных геометрических форм расположения технологических элементов (линейные и кольцевые ускорители, радиотелескопы и т. д.), величина частной деформации основания может служить достаточно объективным критерием допустимости вызываемых ею отклонений технологических элементов от их рабочего положения.

Для этого необходимо изучение микродвижений пород организовать таким образом, чтобы критичные деформации можно было выявлять в зависимости от геометрии сооружения. Так, например, для прямолинейного сооружения (линейного ускорителя, инжектора, интерферометра и т. д.) по выявленным смещениям отдельных точек земной поверхности, расположенных примерно по прямой, необходимо определять частные и общие деформации по результатам вычисления условной прямой; для кольцевого сооружения (кольцевые ускорители, радиотелескопы и т. д.) при анализе вертикальных движений пород необходимо находить условную плоскость, а при анализе горизонтальных смещений — условную окружность и т. п.

В качестве характеристики деформации оснований сооружений могут быть приняты средние квадратические уклонения , , от геометрических оформляющих (условных линий, окружностей, плоскостей), получаемых по координатам х₉ у и г (высота) геодезических знаков в каждом цикле наблюдений.

Параметры уравнений геометрических оформляющих находят по методу наименьших квадратов. Чаще приходиться проводить расчеты для прямой и плоскости.

Вычисление и оценка точности основных деформационных характеристик от оформляющей прямой.

Допустим, что для изучения микродвижений пород по линии АВ (рис. 11.4) установлен ряд планово-высотных знаков I, 2, 5,..., п. При этом для упрощения измерений и последующих вычислительных работ зададимся одинаковыми расстояниями между знаками. Предположим также, что все измерения, выполняемые по данным знакам, равноточны.

Пусть знаки на момент измерений имели координаты: 1( ); 2( ); 3( );…….n( ). За геометрическую оформляющую, наилучшим образом соответствующую этим точкам, выберем прямую.

Рис. 11.4. Схема смещения геодезических знаков от оформляющей прямой

При изучении микродвижений горных пород оснований пря­молинейных сооружений обычно возникают два случая.

Первый случай, когда необходимо сохранить неизменными координаты известной точки. Это требование возникает, когда технологическая ось прямолинейного сооружения примыкает к другой технологической оси в определенной, заранее заданной. Для этой цели данную точку необходимо принять за начало координат системы, тогда уравнение прямой будет иметь вид

. (11.1)

Второй случай, когда привязки прямой не требуется (напри­мер, при изучении микродвижений пород для проектирования и эксплуатации линейного ускорителя). В этом случае уравне­ние прямой записывается в общем виде

. (11.2)

Вычислим деформационные характеристики от оформляющей прямой, проходящей через начало координат.

Параметр а в формуле (11.1) определяем по методу наименьших квадратов. Для этого образуем разности

(11.3)

в которых координаты Xi и Yi известны из измерений.

Параметр а искомой прямой находим под условием минимума выражения

(11.4)

Взяв частную производную по а и приравняв к нулю получим

(11.5)

Вычислив значение параметра а по формуле (11.3) определим разности и величины смещений отдельных точек от найденной оформляющей прямой

, (11.6)

где угол находим из выражения .

По малости угла можно принять .

Для оценки деформаций горных пород по всему створу удобно оперировать средними квадратическими значениями смещений точек, которые находят по формуле

(11.7)

здесь в формуле n-1, так так первая точка по условию задачи должна иметь неизменное положение.

Сравнивая уравнения прямых, полученных в разное время наблюдений, можно следить за общими деформациями створа, определяя следующие элементы этой деформации.

1. Общий сдвиг створа относительно начального цикла измерений

(11.8)

где — средняя ордината в начальном цикле измерений ( ), здесь = l/2, l — расстояние между точками створа.

2. Угол , составленный двумя прямыми, лежащими в одной координатной плоскости

, (11.9)

где а_н, a_i — угловые коэффициенты прямых соответственно на­чального и i-ro циклов; по малости угла

. (11.10)

Угол вычисляется относительно начального цикла и между смежными циклами наблюдений.

Средняя скорость с.к. смещения точек за период времени t между начальным и последующими циклами наблюдений составляет .

Так как плановые и высотные измерения проводятся практически в одно и то же время (с разрывом в 2–3 дня), то представляется возможным вычислить среднее квадратическое смещение точек от оформляющей прямой, расположенное в плоскости, перпендикулярной к изучаемому профилю

.

Смещение точек по вертикали от оформляющей прямой вычисляют по формуле

,

а его среднее квадратическое значение – .