Методы геотехнического мониторинга

При проведении геотехнического мониторинга применяются следующие методы:

- визуально-инструментальные (п.12.3 СП 22.13330);

- геодезические (п.12.3 СП 22.13330);

- параметрические (п.12.3 СП 22.13330);

- виброметрические (п.12.3 СП 22.13330);

- геофизические (п.12.3 СП 22.13330);

- гидрогеологический;

- температурный.

Визуально-инструментальный метод

Визуально-инструментальный метод мониторинга состоит из визуальных наблюдений (осмотр объекта) и инструментальных измерений (фиксация дефектов и повреждений в конструкциях)

Визуально-инструментальный метод позволяет вести наблюдения за:

- возводимым (реконструируемым) сооружением,

- сооружениями окружающей застройки,

- конструкциями проходных и полупроходных коллекторов,

- поверхностью прилегающегогрунта, в т.ч. вдоль трасс инженерных коммуникаций.

Инструментальные наблюдения за раскрытием существующих трещин в конструкциях зданий и сооружений осуществляется путем:

- установки на трещины маяков различного типа, используемых в качестве индикаторов процесса развития трещинообразования;

- периодических измерений ширины раскрытия трещин с применением ручных портативных деформометров, микроскопов, щупов, щелемеров;

- применения автоматизированных средств измерений (АСИ) при измерении раскрытия трещин в труднодоступных местах, быстропротекающих процессов или в случае применения автоматизированной системы мониторинга (АСМ).

Наблюдение за развитием трещин по длине осуществляется путем фиксации поперечными штрихами с указанием даты.

По результатам визуально-инструментального мониторинга составляется

- ведомости зафиксированных в конструкциях сооружения дефектов и повреждений с указанием их характера и местоположения;

- карты дефектов, нанесенные на схематические фасады, планы и разрезы зданий;

- журналы наблюдения за маяками (с указанием номеров и мест расположения маяков, даты их установки и дат наблюдения);

- фотодокументация по зафиксированным дефектам и повреждениям.

Геодезический метод

Геодезические методы в составе геотехнического мониторинга используются для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений искусственных сооружений, земной поверхности, грунтового массива по глубине.

Геодезические методы используют с применением нивелиров, теодолитов, тахеометров, сканеров (в том числе оптических, электронных, лазерных и др.) и навигационных спутниковых систем.

При ведении мониторинга геодезическими методами измеряются (отдельно или совместно) следующие параметры:

- вертикальные перемещения (осадки, вертикальные сдвиги, просадки, подъемы, прогибы и т.п.);

- горизонтальные перемещения (сдвиги);

- наклоны (крены).

Задачи геодезических методов мониторинга:

- определение участков, подверженных наибольшим отклонениям от первоначального положения;

- выявление величины и направления деформационных процессов;

- выявление закономерностей, позволяющих с прогнозировать дальнейшее развитие деформационных процессов

При проведении геотехнического мониторинга с применением геодезических методов следует соблюдать требования ГОСТ 24846-2012.

Геодезический мониторинг следует проводить в следующей последовательности:

- разработка соответствующего раздела программы мониторинга;

- детальная рекогносцировка местности, определение мест расположения и установка опорных геодезических знаков высотной и плановой основы вне зоны возможных деформаций;

- установка деформационных марок на объекте строительства или реконструкции, зданиях и сооружениях окружающей застройки, в конструкциях инженерных коммуникаций, выходящих на поверхность, проходных и полупроходных коллекторах;

- осуществление высотной и плановой привязки установленных опорных геодезических знаков;

- проведение нулевого цикла измерений положения контролируемых деформационных марок;

- периодические геодезические измерения вертикальных и горизонтальных перемещений и кренов;

- обработка и анализ результатов наблюдений;

- составление отчетной документации

Перечень используемых геодезических методов на объекте следует устанавливать в соответствующем разделе программы геотехнического мониторинга в зависимости от требуемой точности измерений, степени автоматизации измерительного процесса, конструктивных особенностей контролируемых объектов, инженерно-геологических и гидрогеологических характеристик грунтов.

Требования к программе работ в части инструментального обеспечения геодезического мониторинга:

- сведения о наличии пунктов государственной геодезической сети, а также знаков, установленных для целей строительства;

- данные о системе координат и высотных отметок;

- сведения о ранее выполненных работах по определению деформаций и связь их с последующими работами;

- описание мест закладки геодезических знаков, обоснование выбора типа знаков;

- предварительная схема измерительной сети, точность определения деформаций;

- методы измерений горизонтальных и вертикальных перемещений, применяемые инструменты;

- периодичность проведения измерений.

При использовании систем на основе автоматизированных тахеометров программа должна содержать: план расположения измерительных инструментов, контролируемых точек (призм), точек обратной засечки (вне зоны влияния контролируемого объекта); схему крепления мониторинговых призм, конструктивную схему оснащения базовой точки, в которой расположен роботизированный тахеометр.

Камеральная обработка результатов геодезических измерений (проверкаполевых журналов, уравнивание ходов, расчёты по оценке точности и подготовка материалов для отчетной документации) должна выполняться отдельно по каждому циклу

Требования к отчетной документации. При ведении мониторинга с использованием геодезических методов составляется три вида отчетной документации:

- отчет по результатам нулевого цикла, включающий исполнительные схемы опорной геодезической сети и расположения деформационных марок, первичные результаты измерений, являющиеся реперными для последующих измерений;

- промежуточные отчеты (информационные справки), предоставляемые в процессе ведения измерений, содержащие пояснительную записку и результаты измерений в виде таблиц и графиков;

- окончательный отчет, по результатам всех геодезических измерений на объекте.

Таблица 1. Основные геодезические методы, применяемые при геотехническом мониторинге

Параметрический метод

К параметрическим методам в составе геотехнического мониторинга относятся:

- скважинная инклинометрия (определение поперечных смещений измерительных точек вдоль линейного профиля);

- скважинная экстензометрия (определение продольных смещений измерительных точек относительно линейного профиля);

- угловые измерения (определение наклонов и крена);

- тензометрические измерения (фиксация деформаций в основании под подошвой фундамента, под пятой сваи, в несущих конструкциях и др. с применением тензометров);

- измерения давления (грунтового массива, на контакте конструкции с основанием, поровое давление подземных вод);

- измерения усилий (в анкерных креплениях ограждающих и подпорных конструкциях, свайных фундаментах).

Параметрические методы контроля основываются на количественном и качественном определении исследуемых свойств контролируемого объекта и установлении взаимосвязей между измеряемыми параметрами, что позволяет с помощью заранее определенной номенклатуры параметров на базе фактических данных количественно оценить состояние исследуемого объекта.

При параметрическом мониторинге измеряются как абсолютные значения контролируемых параметров, так и их изменение во времени посредством сравнения их с нулевым или эталонным значением.

Контроль отдельных параметров должен осуществляться с использованием измерительных датчиков (первичных преобразователей) и приборов (регистраторов), устанавливаемых (периодически или стационарно) в заранее определенные измерительные точки.

При измерениях горизонтальных перемещений ограждающих конструкций котлованов по высоте (при глубине котлована более 5 метров) следует использовать портативные или стационарные инклинометры. Измерения должны проводиться в скважинах, оборудованных направляющими трубами (прямоугольными металлическими или пластиковыми с направляющими пазами). Количество скважин, их расположение, а также предельно допустимые значения горизонтальных перемещений устанавливаются в программе мониторинга на основе результатов расчетов ограждающих конструкций.

При измерениях напряжений в арматуре и бетоне ограждающих конструкций котлованов (при глубине котлована более 20 метров) следует использовать закладные точечные тензодатчики (струнные, электрические, оптоволоконные). Датчики следует устанавливать на различных высотных отметках ограждающей конструкции с шагом не более 5 метров. Результаты измерений группы датчиков, объединенных в измерительное сечение, должны анализироваться совместно.

При измерениях напряжений в стальных распорных элементах котлована при его глубине более 15 метров (в случае если длина распорных элементов более 20 метров – при глубине котлована более 10 метров) следует применять накладные точечные тензодатчики (струнные, электрические, оптоволоконные). Измерительные датчики устанавливаются группами (4 датчика, расположенные ортогонально по окружности) в центральной части распорного элемента. Количество контролируемых распорных элементов, а также предельно допустимые значения относительных деформаций устанавливаются в программе мониторинга на основе результатов расчетов распорной системы котлована.

При измерениях напряжений в тягах анкерных устройств при глубине котлована более 15 метров (для III категории инженерно-геологических условий – при глубине котлована более 10 метров) следует применять датчики усилий (гидравлические, тензорезисторные). Количество измерительных точек для контроля усилий в анкерных креплениях – не менее 10% от общего числа анкеров.

При контроле послойных осадок грунтового массива, окружающего строящиеся и реконструируемые сооружения (I и II уровня ответственности) при глубине котлована более 15 метров (для III категории инженерно-геологических условий – при глубине котлована более 10 метров) следует применять скважинные стационарные (стержневые, струнные, звеньевые, оптоволоконные) и портативные (одноточечные и двухточечные) экстензометры. Количество контролируемых скважин, их глубина и количество измерительных точек в каждой скважине устанавливаются в программе мониторинга на основе результатов геотехнического прогноза влияния строительства.

В случае одновременного контроля на объекте нескольких параметров с использованием большого количества средств измерений (осуществление одного измерительного цикла по всем контролируемым точкам требует значительных временных затрат) отдельные датчики и приборы могут объединяться в измерительные системы с различной степенью автоматизации.

Измерительная система должна обеспечивать синхронность проведения измеренийс заданным интервалом. Линии связи должны обеспечивать бесперебойную и помехоустойчивую передачу данных на протяжении всего периода эксплуатации системы. Организация передачи данных между отдельными элементами измерительной системы возможна как с использованием кабельных линий, так и с помощью беспроводных систем связи.

Необходимо предусмотреть возможность интеграции измерительных датчиков, устанавливаемых в несущих конструкциях и грунтах основания строящегося/реконструируемого сооружения, в систему СМИК на этапе дальнейшей эксплуатации объекта.

При выборе измерительных датчиков и приборов необходимо учитывать специфические условия, в которых они будут эксплуатироваться, включая:

- механическое, гидромеханическое или термомеханическое взаимодействии я между компонентами системы геотехнических измерений (например, датчиками, линиями связи) и средой, в которой установлены компоненты;

- условия окружающей среды (агрессивные грунтовые воды и газы; давление грунта; электромагнитные помехи), которые могут влиять на установленные и змерительные датчики и приборы;

- уязвимость информационной связи внутри системы мониторинга (длинные измерительные линии, которые часто проходят через зоны ведения строительных работ).

Измерительные датчики и приборы должны обладать необходимой надежностью, чтобы эффективно выполнять свои функции в течение всего срока проведения мониторинга, с учетом условий воздействия окружающей среды. Необходимо предусмотреть защиту средств измерений, используемых при параметрическом мониторинге: защитные оголовки для наблюдательных скважин; внешние корпусы, защищающие измерительные датчики от воздействия атмосферных осадков и прямых солнечных лучей; армированные кабельные соединения; антивандальные шкафы для размещения регистрирующей аппаратуры.

При проведении измерений необходимо предусмотреть меры для снижения влияния внешних факторов на результаты измерений:

- применение датчиков с автоматической компенсацией температурных воздействий и перепадов атмосферного давления, с защитой от перепадов напряжения;

- применение материалов с низким коэффициентом теплового расширения, высокой коррозионной стойкостью

Конструкция датчиков и технология их установки не должны влиять на результаты мониторинга.

В разделе параметрических методов программы мониторинга должны содержаться:

- перечень контролируемых параметров и оборудования;

- схемы расположения измерительных точек, и устанавливаемых в них датчиков и приборов;

- предельные значения контролируемых параметров;

- способ установки датчиков и приборов на объекте, порядок и периодичность проведения измерений, форма отчетности.

Таблица 2. Основные параметрические методы, применяемые при геотехническом мониторинге

Виброметрический метод

В цели виброметрического метода мониторинга входит контроль допустимого уровня вибраций сооружений и их оснований в период строительства и после его завершения. При оценке допустимости вибраций следует исходить из обеспечения:

- эксплуатационной надежности строительных конструкций и оснований;

- штатного функционирования виброчувствительного оборудования.

В состав работ по виброметрическому мониторингу входят системно организованные инструментальные наблюдения за вибрациями и их контроль, выполняемые в соответствии с программой геотехнического мониторинга.

Вибрационные обследования проводят в целях получения фактических данных об уровнях вибраций грунта и конструкций фундаментов сооружений при наличии динамических воздействий от:

- стационарного оборудования, установленного или планируемого к установке внутри или вблизи сооружения;

- автомобильного и железнодорожного транспорта и метрополитена;

- строительного оборудования;

- прочих источников (взрывные работы и т.д.).

В состав комплекта исходной документации для разработки программы геотехнического мониторинга следует включать результаты прогноза влияния проведения земляных и строительно-монтажных работ, в т.ч. обоснованность способа погружения свай или шпунтовых ограждений ударными и вибрационными методами, на прочность и устойчивость зданий окружающей застройки, и сохранность их конструкций.

При оценке вибраций должны измеряться параметры вибраций (виброперемещения, виброскорости, виброускорения). Для их анализа и оценки следует вести измерения вибраций начиная с инженерных изысканий. Полученные результаты должны быть использованы при разработке виброметрического раздела программы геотехнического мониторинга.

В виброметрическом разделе программы мониторинга указываются измеряемые параметры вибраций, точки и направления измерений, предельные уровни вибраций, периодичность измерений. В необходимых случаях рекомендуется предусматривать непрерывный режим виброметрических наблюдений с автоматическим оповещением.

Предельные уровни вибраций устанавливаются с учетом конструктивной схемы зданий и сооружений, их технического состояния, инженерно-геологических условий площадки строительства на основе имеющихся нормативных документов.

В особых случаях, в том числе для уникальных зданий и сооружений, зданий исторической застройки, памятников архитектуры, истории и культуры, находящихся в предаварийном или аварийном техническом состоянии, предельные уровни вибраций рекомендуется назначать специализированным организациям на основе опытных исследований.

Геофизический метод

Целью геофизических измерений в составе геотехнического мониторинга является фиксация и оценка изменений состояния строительных конструкций и геологической среды, обусловленных как техногенными, так и природными факторами, в условиях ограниченности возможностей использования прямых методов измерений контролируемых параметров таких изменений. По результатам геофизических наблюдений оцениваются пространственно-временные изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов оснований, а также изменения особенностей их залегания в массиве (зоны разуплотнения, обводнения, участки повышенной трещиноватости и т.д.). При наблюдениях за строительными конструкциями по результатам геофизических измерений выявляются и оцениваются изменения НДС, их сплошности и целостности.

Геофизические наблюдения могут выполняться:

- в основаниях и строительных конструкциях подземных частей возводимых сооружений, в т.ч. окружающей застройки;

- на участках развития опасных геомеханических процессов (оползни, карст, подтопление и т.п.).

Геофизические наблюдения состоят из следующих полевых работ:

- подготовки мест измерений в массиве и строительных конструкциях;

- монтажа измерительного оборудования;

- проведения измерений;

- занесения результатов измерений в полевые журналы, акты снятия показаний и т. д., и их освидетельствование.

При геофизических наблюдениях за изменениями состояния грунтов оснований и строительных конструкций, как правило, применяют акустические, электромагнитные и ядерно-физические методы (таблица 3).

Использование конкретных методов геофизических наблюдений, приведенных в таблице 3, определяется в зависимости от контролируемых параметров (напряженного состояния, показателей трещиноватости, обводнения, плотности и т.д.), определяющих состояние грунтов оснований зданий и конструкций сооружений.

Периодичность геофизических измерений при выполнении геотехнического мониторинга определяется в зависимости от уровня ответственности сооружения, степени влияния контролируемых параметров на состояние оснований и конструкций сооружения и фиксируемой скорости их изменения во времени.

Таблица 3. Основные методы геофизических наблюдений, применяемых

при геотехническом мониторинге

Гидрогеологический метод

Гидрогеологический мониторинг включает в себя комплекс работ по определению изменений уровня подземных вод (УПВ) или величин пьезометрических напоров в водоносных горизонтах на строительной площадке и на прилегающей территории в период строительства и реконструкции объекта, а также на начальном этапе его эксплуатации.

Целью гидрогеологического мониторинга является контроль за изменениями УПВ или пьезометрических напоров для своевременного принятия мер по исключению негативного влияния указанных изменений на сооружения и коммуникации, расположенные на близлежащей территории, а также на строящееся сооружение, включая опасность всплытия объекта строительства.

Гидрогеологический мониторинг следует выполнять для вновь возводимых и реконструируемых сооружений уровней ответственности КС-3 (повышенный) и КС-2 (нормальный) при изменении положений УПВ, вызванных:

- влиянием подземной части сооружения или способов его строительства, в т.ч. при реконструкции, на изменение естественного положения УПВ или величины пьезометрического напора;

- водопонижением или проявлением барражного эффекта в результате перекрытия фильтрационного потока подземных вод.

Контроль за положением УПВ следует проводить при расположении строящегося объекта на склоне, где в результате дождей малой обеспеченности возможна потеря его устойчивости из-за значительного увлажнения грунтового массива.

При расположении строительства в непосредственной близости к особо охраняемым территориям, национальным паркам и т.п. следует контролировать на указанных территориях или их границах отсутствие влияния строящегося сооружение на изменение УПВ относительно естественных значений.

Гидрогеологический мониторинг допускается не проводить в случаях, когда новое строительство практически не оказывает влияние на режим подземных вод. К таким случаям относятся:

- дно котлована расположено не менее чем 0,5 м выше расчетного УПВ;

- непроницаемое ограждение котлована или подземная часть строящегося сооружения перекрывает водоносный горизонт не более чем на 30% его мощности.

Расчетный уровень определяется с учетом величины сезонных колебаний УПВ.

Система гидрогеологического мониторинга должна быть подготовлена не менее чем за 1 месяц до начала строительных работ, которые могут оказать влияние на изменение фильтрационного режима одного или нескольких водоносных горизонтов в зоне влияния строящегося объекта. В указанный период рекомендуется выполнить 2-3 цикла наблюдений, включая начальный, для определения естественного положения УПВ на площадке.

Организация системы гидрогеологического мониторинга на стройплощадке должна выполнятся в соответствии с программой геотехнического мониторинга.

В составе программы определяются количество скважин и места их расположения, конструкция скважин, периодичность циклов наблюдений, продолжительность мониторинга с четким указанием условий его прекращения (завершение строительства, осушение грунтового массива постоянным дренажными устройствами).

Разработка системы гидрогеологических наблюдений в составе программы геотехнического мониторинга, основывается на результатах прогнозных расчетов, выполняемых аналитическими или численными методами.

Система наблюдательных скважин должна обеспечивать возможность построения карт гидроизогипс контролируемых водоносных горизонтов на различных этапах строительства.

При назначении интервала установки фильтровых звеньев наблюдательных скважин следует предусмотреть возможность возникновения аварийных ситуаций, когда при нарушении водопроницаемости ограждения котлована может резко понизится УПВ в наблюдаемом водоносном пласте.

Замеры УПВ в наблюдательных скважинах выполняются гидрогеологической рулеткой, электроуровнемером, автоматическим регистратором с электронной памятью.

Проверка работоспособности и конструктивной целостности наблюдательных скважин должна проводится не реже 2 раз в год. В случае выхода скважин из строя рядом следует пробурить новую скважину с теми же конструктивными параметрами. При наблюдениях за изменениями уровней (напоров) нескольких водоносных горизонтов, на которые распространяется влияние нового строительства, следует организовать кусты наблюдательных скважин, в которых каждая скважина обслуживает соответствующий горизонт.

При осуществлении гидрогеологического мониторинга целесообразно определять температуру подземных вод, что позволит определить причину отклонения замеренных УПВ от прогнозных значений в связи со значительными утечками из водонесущих коммуникаций (водопровод, теплосети, канализация).

При значительных отклонениях замеренных УПВ от прогнозных, или нештатных изменениях температуры подземных вод следует безотлагательно определить их причину и наметить мероприятия, устраняющие эти явления.

Рекомендуется на начальном этапе строительства выполнять замеры УПВ с частотой не реже одного цикла в 10 суток. В дальнейшем, после стабилизации депрессионной воронки при водопонижении или полном проявлении барражного эффекта, интервал замеров может быть увеличен до одного цикла в месяц.

В результатах гидрогеологического мониторинга должен быть прослежен период восстановления УПВ после возведения подземной части объекта или отключения системы водопонижения с целью контроля за отсутствием превышения восстановленного уровня над расчетным, что весьма важно при условии возможности всплытия построенных сооружений.

В отчетной документации по результатам гидрогеологических наблюдений в том числе должны приводиться графики изменения УПВ во времени, анализ и оценка причин, вызвавших изменения УПВ, выводы по результатам наблюдений и рекомендации по сохранению работоспособности наблюдательных скважин, устранению возможных нештатных ситуаций.

Температурный метод

Температурные наблюдения в рамках геотехнического мониторинга выполняются для получения достоверной информации о температуре грунтов на различной глубине.

Полевые измерения температуры грунтов должны проводиться в соответствии с программой геотехнического мониторинга для контроля и оценки изменений, происходящих в тепловом режиме грунтов в результате возведения сооружений.

Измерения температуры грунтов должны проводиться в заранее подготовленных и выстоянных термометрических скважинах. Измерения должны выполняться термоизмерительными комплектами, представляющими собой «заленивленные» ртутные термометры или электрические датчики температуры с соответствующей измерительной аппаратурой, устройствами для накопления информации (логгеры) в автоматическом режиме и дистанционной передачи данных или гирлянды.

Оборудование термометрических скважин, а также требования к измерительному оборудованию должно соответствовать требования ГОСТ 25358-2012.

В отчетной документации по результатам температурных наблюдений в том числе должны приводиться данные измерений в виде графиков и таблиц, анализ изменения температурного режима грунтов в период строительства, выводы по результатам наблюдений и рекомендации по сохранению температурного режима в случае его изменения.