Предлагаем вниманию читателей адаптированный и немного сокращенный перевод доклада Эльжбеты Кокочиньской-Пакет из Опольского технологического университета (Польша) "Мониторинг земляного сооружения", сделанного на 7-м Всемирном междисциплинарном симпозиуме по наукам о Земле (WMESS 2021) в сентябре 2021 года в Чехии. Указанный доклад был опубликован в сборнике материалов конференций Earth and Environmental Science ("Науки о Земле и окружающей среде") издательской компанией IOP Publishing британского научного общества IOP (Institute of Physics - "Институт физики"), ставшего фактически международным. Он находится в открытом доступе и распространяется по лицензии Creative Commons Attribution 3.0, которая позволяет переводить, адаптировать и использовать эту работу в любых целях при указании ссылки на первоисточник и типов изменений. В нашем случае ссылка [1] приводится в начале списка литературы. Остальные источники из этого списка были использованы автором переведенного доклада.
По данным Главного управления строительного надзора Польши, с 2008 по 2019 год в этой стране произошло 5455 строительных катастроф. Из них 4023 были вызваны случайными событиями, из которых 110 произошли из-за оползней. Большинство из последних (94) произошло в 2010 году. Эти оползни были разной интенсивности и существенно повлияли на нынешнее строение земной поверхности.
В естественной обстановке оползни - это долговременные процессы, активизирующиеся в зависимости от изменений внешних природных условий, таких как водонасыщение грунта, обезлесение территорий, сильная деградация или эрозия склонов или откосов. Действительно, каждый, кто имел дело с оползнями, знает, что это не одно внезапное явление, а процесс - цепь событий, происходящих одно за другим и развивающихся во времени. Это вызывает необходимость получения более детальных знаний о механизмах и характере процессов и явлений, происходящих в грунтах, слагающих склоны или откосы. И здесь чрезвычайно важную роль играет мониторинг состояния и поведения этих грунтов.
В Польше земляные сооружения в большинстве случаев относятся ко второй (средней) или третьей (сложной) геотехнической категории в соответствии с нормами Министерства транспорта, строительства и морской экономики 2012 года. Закон обязывает собственника участка, на котором расположено такое сооружение, проводить проверки и мониторинг его состояния.
В представленной работе [1] рассматривается мониторинг откоса и венчающей его земляной дамбы между берегом реки Одер и полигоном для жидких отходов одного из предприятий пищевой промышленности. В 1997 году там произошла катастрофа. Высокий уровень воды в реке привел к размыванию и чрезмерному обводнению откоса и дамбы, в результате чего они вместе с частью отстойников сползли в сторону Одера и вызвали его загрязнение. После восстановительных работ внешняя геометрия откоса и дамбы и состояние слагающих их грунтов постоянно контролируются. В публикации [1] обсуждаются применяемые методы мониторинга и рассказывается о методике проведения измерений. Результаты измерений осадок контролируемых грунтов анализируются и сопоставляются с итогами модельных расчетов. Указываются современные методики мониторинга, которые можно было бы применять для сооружений рассмотренного типа.
Нормативно-правовое законодательство Польши было приведено в соответствие с европейским законодательством после вступления страны в Европейский союз. Одним из новых введенных стандартов был Еврокод 7, касающийся геотехнического проектирования. Использовавшиеся ранее, а также новые стандарты налагают на владельца земляного инженерного сооружения, включающего откос, сложенный дисперсным грунтом, обязанность проводить его мониторинг. Это означает, что такое сооружение должно регулярно (систематически) обследоваться. Его обследование заключается в сборе и анализе качественной и количественной информации, получаемой в результате измерений и наблюдений за состоянием и поведением сооружения. Эти исследования проводятся циклически или непрерывно в течение заранее определенного периода или долгосрочно [2].
Основным методом мониторинга геотехнических сооружений является метод наблюдений. На протяжении многих лет он совершенствовался и модифицировался. В качестве одного из методов мониторинга, одобренных Еврокодом 7, была принята технология наблюдений, разработанная Николсоном (Nicolson) с сотрудниками [2–4].
В настоящее время положения польского закона о строительстве [5] и постановлений соответствующих министерств [6, 7] предписывают выбор метода мониторинга строительства уже на стадии проектирования. В рамках геотехнического проектирования инженер-строитель или геотехник, имеющий соответствующую квалификацию, обязан определить, каким методом будет осуществляться мониторинг строительного объекта и какие отклонения от запроектированных параметров будут считаться допустимыми.
С 2008 по 2019 год в Польше произошло 5455 строительных катастроф. Из них 4023 были вызваны случайными событиями, из которых 110 произошли из-за оползней. Большинство из последних (94) случилось в 2010 году [8]. Оползни происходили с разной интенсивностью, существенно влияя на строение поверхности земли. В естественных условиях (без вмешательства человека) это долговременные процессы, активизирующиеся в зависимости от изменений внешних природных условий, таких как водонасыщение грунта, обезлесение территорий, сильная деградация или эрозия склонов или откосов. Действительно, каждый, кто имел дело с оползнями, знает, что это не одно внезапное явление, а процесс – цепь событий, происходящих одно за другим и развивающихся во времени. Это вызывает необходимость получения более детальных знаний о механизмах и характере процессов и явлений, происходящих в слагающих склоны или откосы грунтах. И здесь чрезвычайно важную роль играет мониторинг состояния и поведения склонов и откосов.
Исследовательская работа, проведенная в период с 1997 по 2015 год кафедрой геотехники и геодезии Опольского технологического университета, включала геодезический и геотехнический мониторинг откоса, спускающегося в сторону правого берега реки Одер, и насыпной дамбы в его верхней части в промышленной зоне города Бжег (Польша). Это сооружение защищает отстойники полигона для жидких отходов предприятия пищевой промышленности от речных паводковых вод и одновременно саму реку от возможного загрязнения (рис. 1) [9]
Рис. 1. Расположение изучаемого участка, включающего откос, спускающийся к реке Одер, и земляную дамбу в его верхней части, защищающей полигон для жидких отходов [10]
В 1997 году из-за подмыва водами реки Одер и чрезмерного увлажнения откоса и земляной дамбы развился оползневый процесс, в результате которого это сооружение и отстойники для отходов сползли в сторону реки, загрязнив ее. После восстановительных работ ведется постоянный мониторинг внешней геометрии и состояния грунта, слагающего откос и земляную дамбу [11]. Он выполняется на основе наблюдений за множеством закрепленных на бетонных монолитах нивелирных знаков, показанных на рисунке 2 красными точками.
Рис. 2. Размещение точек измерений при геодезическом мониторинге на рассматриваемом участке [12]
Любые теоретические соображения должны быть подтверждены и дополнены исследованиями на компьютерных моделях и на реальном объекте. При определении изменений геометрии таких сооружений, как железнодорожные насыпи и земляные дамбы, в том числе противопаводковые или защищающие отстойники для жидких промышленных отходов, обычно применяются геодезические технологии [13, 14]. Такого рода сооружения характеризуются неоднородностью слагающих их материалов и большими размерами, что и влияет соответствующим образом на способ проведения геодезических измерений [15, 16]. Например, при исследованиях для докторской диссертации [12] в целях верификации расчетных данных для откоса, сложенного дисперсным грунтом, было выполнено именно точное геометрическое нивелирование, поскольку этот метод был сочтен наиболее доступным и точным для сооружения данного типа.
Поэтому в данной работе для верификации модельных расчетов выполнялось геометрическое нивелирование – мониторинг высотных отметок точек наблюдений с повышенной точностью (с погрешностью всего ±0,15 мм). Измерения проводились с помощью высокоточного цифрового нивелира Leica NA3003 от швейцарской компании Leica Geosystems с использованием инварных нивелирных реек Leica Invar для особо точных расчетов от той же компании. Перед измерениями нивелир был проверен и настроен в соответствии со стандартом PN-ISO 17123-2:2005 [17].
Для расчетов и представления результатов использовались высотные отметки точек наблюдений в Балтийской системе высот (БСВ), в которой отсчеты ведутся от нуля Кронштадтского футштока. В дополнение к нивелированию для определения геометрии откоса использовался GPS-приемник типа HiPer Pro от японской корпорации Topcon. На основе выполненных измерений была создана компьютерная модель, показанная на рисунке 3.
Рис. 3. Модель исследуемого откоса по данным GPS-измерений [12]
Измерения высотных отметок точек на исследуемом откосе проводятся почти ежегодно начиная с 1997 года. В какой-то момент на основе полученных результатов было установлено наличие участков, представляющих опасность для устойчивости откоса и земляной дамбы. Поэтому на этих участках в 2005 году были установлены дополнительные нивелирные знаки. Наиболее неустойчивым оказался профиль II (см. рис. 2) с точками измерений 9 и 13–18 (рис. 4). На нем также было отмечено развитие локального оползня небольшого размера, который через некоторое время стабилизировался.
Рис. 4. Расположение точек измерений на профиле II (см. рис. 2) исследуемого откоса (фото автора)
Исходно измерения проводились для ранее установленных нивелирных знаков, расположение которых определялось индивидуально и было связано со строительством и эксплуатацией исследуемого сооружения (точки 1–8). Расположение точек 9–13 (см. рис. 2) было выбрано в связи с возникновением локальной оползневой зоны. Установка следующих нивелирных знаков (14–28) была связана с обследованием откоса и зон, окружающих отстойники, в целом.
Должным образом обработанные результаты съемок представлялись в численном (графическом) виде.
Измерения, проведенные в 2015 году, были четырнадцатыми по счету для разных участков откоса, включая исходную съемку 1997 года, и седьмыми для прудов-отстойников. Были выполнены измерения для 24 точек на откосе и для 5 точек на насыпной поверхности рядом с отстойниками (см. рис. 2) [18].
Вертикальные смещения нивелирных знаков с момента установки в 1997 году составляли к 2015 году от минус 19,5 мм (для точки 6) до минус 60,8 мм (для точки 7). Для знаков, установленных в 2005 году, результаты измерений колебались от минус 21,5 мм (для точки 22) до минус 83,5 мм (для точки 18). В 2012 году были вновь добавлены точки измерений № 13, 20, 21 и 30, так как их предшественницы были повреждены в результате работ по рекультивации отстойников. Больших вертикальных смещений в этих точках зафиксировано не было. Наибольшая осадка за многие годы съемок была отмечена для точки 7, а наименьшая – для точки 6 [18]. Результаты измерений для исследуемого земляного сооружения представлены на рисунках 5 и 6 в виде обобщенных трехмерных столбчатых диаграмм [18].
Рис. 5. Вертикальные смещения точек измерений № 1–12 (см. рис. 2) [18]
Рис. 6. Вертикальные смещения дополнительных нивелирных знаков (точек измерений № 13–28, см. рис. 2), установленных в 2005 году [18]
Расчетная модель грунта была откалибрована с использованием результатов измерений за 1997–2010 год. Калибровка выполнялась в следующей последовательности.
1. Рассматриваемый откос был смоделирован в конечноэлементном программном комплексе Z_SOIL от швейцарской компании ZACE Services Ltd [19] (рис. 7). Отдельные его слои помечались как макроэлементы и разбивались на входящие в них конечные элементы таким образом, чтобы сохранялась непрерывность сетки. Система автоматически моделировала заданные условия. Были установлены шарнирно-подвижно закрепленные боковые границы и шарнирно-неподвижно закрепленная нижняя граница. Базовая расчетная модель с предельными условиями показана на рисунке 7 [20].
Рис. 7. Модель макроанализируемого откоса с выделенными слоями: 1 – глина; 2 – супесь; 3 – песок среднезернистый; 4 – насыпной глинисто-песчаный грунт [12] (к сожалению, автор работы [1] не пронумеровал эти слои на самом рисунке. – Ред.)
2. В докторской диссертации [12] был проведен анализ модели откоса, показанного на рисунках 2 и 4, для калибровки модели Мора – Кулона с неассоциированным законом пластического течения. Расчеты проводились для модели, подвергавшейся пошаговому приложению нагрузок q, равных 15, 30, 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 520, 600 и 660 кПа. В качестве данных по материалам в программу были введены материальные константы, полученные в ходе геотехнических испытаний, за исключением такого дополнительного параметра, как относительный угол дилатансии Ψ‘ (выраженный через эффективный угол внутреннего трения ϕ‘). В рамках калибровки модели проводились расчеты с заданной нагрузкой для следующих относительных значений угла дилатансии (Ψ‘): 0,2ϕ‘; 0,4ϕ‘; 0,6ϕ‘; 0,8ϕ‘. Расчеты выполнялись также для ассоциированного закона пластического течения, когда угол дилатансии равен углу внутреннего трения (Ψ‘=1ϕ‘).
3. В качестве репрезентативной была выбрана точка измерений 13 (см. рис. 2). Для этой точки были рассчитаны вертикальные смещения при пошаговом увеличении нагрузки. На рисунке 8 представлены полученные графики разных цветов, соответствующие разным отношениям угла дилатансии к углу внутреннего трения (Ψ‘/ ϕ‘). Как видно из рисунка 8, не при каждом отношении получались полные кривые «нагрузка – осадка». Как правило, чем раньше заканчивался график, тем ближе к нулю или единице было его значение Ψ‘/ ϕ‘. Наиболее протяженные кривые были получены для относительных углов дилатансии, равных 0,4ϕ‘ и 0,6ϕ‘.
Рис. 8. Расчетные графики вертикальных смещений репрезентативной точки 13 (см. рис. 2) при ступенчато возрастающей нагрузке для разных отношений угла дилатансии к углу внутреннего трения [12]
4. Критерием калибровки была совместимость теоретической кривой «нагрузка – осадка» для репрезентативной точки 13 с результатами геодезических измерений. В процессе измерений был некоторый период, когда проводилась рекультивация отстойников, расположенных над откосом (см. рис. 1, 2). В то время на откосе стояли грузовики с прицепами, нагруженными реагентом для рекультивации земель. Это было использовано для измерения вертикальных смещений в ответ на увеличение нагрузки. При первом приложении нагрузки в 15 кПа стартовое смещение репрезентативной точки 13 составило минус 3,4 мм. Суммарная нагрузка во время рекультивационных работ составила 42 кПа. Общее увеличение смещения при этом достигло 7,3 мм. Данные мониторинга были сопоставлены с результатами расчетов для разных углов дилатансии (рис. 9).
Рис. 9. Сопоставление развития расчетных и измеренных вертикальных смещений репрезентативной точки 13 (см. рис. 2) в зависимости от нагрузки [12]
5. На основании сопоставления кривых, построенных по теоретическим и реальным данным, был сделан вывод, что наилучшее соответствие теоретических оценок результатам измерений достигается при угле дилатансии, равном 0,2ϕ‘ (возможно, в легенде к рисунку 9 авторами работы [1] перепутаны цвета графиков для 2ϕ‘ и 0,4ϕ‘, потому что на этом рисунке ближе всего к мониторинговой кривой проходит расчетный график для 0,4ϕ‘. – Ред.). Чтобы убедиться в этом, были проведены дополнительные расчеты смещений точки 13 при отношениях угла дилатансии к углу внутреннего трения 0,1; 0,15; 0,3 и 0,35. Во всех этих случаях отклонения были выше.
Данные измерений были сопоставлены с результатами расчетов, выполненных в программном комплексе Z_Soil. В этой программе были созданы карты развития пластических зон для принятого эффективного угла дилатансии Ψ‘=0,2ϕ‘. Для модели откоса, показанной на рисунке 7, был построен график развития зон пластических деформаций при нагрузках 15; 240 и 355 кПа. Эти значения были пределами, рассмотренными для модели Мора – Кулона с неассоциированным законом пластического течения.
Полученные результаты показаны на рисунке 10 в виде разреза рассматриваемого откоса при трех вышеуказанных нагрузках. Как видно из рисунка 10, а, на откосе образуется локальная зона, устойчивость которой может быть нарушена (обозначенная на разрезе коричневато-розовым цветом). Эта зона медленно развивается при следующей нагрузке (рис. 10, б). Ее развитие согласуется с локальным оползнем, наблюдавшимся в реальности, который позже стабилизировался (рис. 10, в).
Рис. 10. Распределение зон пластических деформаций на разрезе рассматриваемого откоса при нагрузках 15 кПа (а); 240 кПа (б) и 355 кПа (в)
Мониторинг земляных сооружений в настоящее время представляет собой очень сложный тип различных мероприятий с обширным охватом. Такой мониторинг включает в себя не только геодезические измерения, но и исчерпывающие испытания грунтов, слагающих сооружение, с определением оползневых зон. В последние годы произошло значительное развитие методов исследований, используемых при мониторинге.
Прежде всего здесь следует упомянуть о возможности удаленной передачи данных, описанной в работах [14, 21, 22]. Для точного мониторинга поверхности земляных сооружений применяется лазерное сканирование, как подробно рассказано в публикациях [22, 23]. В системах мониторинга таких сооружений также используются инклинометры, оптоволоконные или другие датчики смещений.
Из различных методов мониторинга геодезические измерения смещений выбранных точек, пожалуй, являются самыми популярными и наиболее часто используемыми в основном из-за их невысокой стоимости. Геодезические методы можно использовать не только для наблюдений за смещениями земляных сооружений, но и для калибровки математических моделей, применяемых для расчетов и проверки устойчивости откосов.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку