Применение инклинометрических систем для контроля за горизонтальным перемещением грунта

Все здания, особенно высотные, интенсивно воздействуют на грунтовый массив в их основании за счет больших величин статических нагрузок, определяемых весом здания, а также за счет разнообразных внешних нагрузок (ветровые, сейсмические и пр.), активно воспринимаемых высотными объектами. Обеспечение безопасности зданий в процессе их возведения и эксплуатации требует постоянного контроля состояния объекта с помощью автоматизированных систем деформационного маниторинга (АСДМ). Такой контроль немыслим без изучения процессов в грунтовом массиве основания, как одного из важнейших факторов стабильности сооружения.

При потенциальной угрозе развития оползневых процессов на участке строительства очень важно иметь информацию о величине горизонтальных смещений грунтов в основании сооружения. В связи с тем, что скорость развития оползневых процессов при воздействии внешних факторов может быть достаточно высокой, необходимо проводить непрерывные наблюдения за горизонтальными перемещениями в автоматическом режиме.

Одним из методов контроля горизонтальных перемещений грунтов являются инструментальные скважинные наблюдения. Этот тип измерений осуществляется при помощи различных инклинометрических систем как в «ручном» (при помощи переносных инклинометрических зондов), так и в автоматическом режимах (с использованием стационарных инклинометрических систем).

Согласно ГОСТ 24846-2012 «Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений» метод инклинометрии следует применять для измерения смещений отдельных участков грунтового массива или вертикально заглубленных конструкций (стен в грунте, свай, баррет и др.). Значение и направление горизонтального смещения определяют по приращениям угла наклона скважины или трубы, помещенной в конструкцию, за промежуток времени между циклами наблюдений. Инклинометрия это метод, используемый для определения положения скважины как в процессе бурения, так и после его завершения. Инклинометрические измерения проводятся в следующих целях: для обеспечения возможности расчета координат скважины на определенной измеренной глубине с целью уточнения траектории скважины и текущего положения забоя; для определения зенитного угла, направления ствола на забое и, следовательно, общего направления скважины; для определения координат точек искривлений и расчета интенсивности искривления ствола.

С помощью инклинометрических приборов измеряют угол отклонения от вертикали (зенитный угол) и азимут ствола скважины на конкретной глубине. Зенитный угол скважины представляет собой угол между вертикальной осью и осью ствола в конкретной точке. Азимут ствола в конкретной точке указывает на направление ствола в горизонтальной плоскости, определенное по часовой стрелке (0°-359,9°) относительно севера.

Измерения при помощи портативного инклинометрического зонда осуществляются в скважинах, обсаженных специальными инклинометрическими колоннами, состоящими из металлических или пластиковых инклинометрических труб с канавками по осям. Канавки в колонне расположены по двум взаимно перпендикулярным плоскостям, что обеспечивает проведение измерений в двух направлениях. Материал труб выбирается в зависимости от глубины скважины.

Зонд инклинометра (рис. 1) представляет собой металлический стержень с направляющими роликами, который оснащен двухосным компенсационным сервоакселерометрическим сенсором. Зонд подсоединяется к катушке сигнального провода, длина которого выбирается в соответствии с глубиной скважины, и опускается в скважину. При прохождении по колонне зонд измеряет ее отклонения от вертикали, что дает возможность контролировать поперечные смещения грунта. Результаты измерений регистрируются и сохраняются непосредственно в процессе измерений портативным регистратором Archimed Datalogger. Технические характеристики этой системы представлены в табл. 1

Таблица 1

Технические характеристики инклинометрического зонда

Так как инклинометрическая труба имеет два направления прохождения зонда, то по измерениям в этих двух плоскостях можно судить об общем направлении и величине смещения грунта в области скважины. При сопоставлении результатов измерений в нескольких инклинометрических скважинах можно охарактеризовать направления и величины подвижек во всем объеме массива.

Рис. 1 Портативный зонд Рис. 2 Стационарная система

Стационарная инклинометрическая система (рис. 2) также состоит из обсаженной инклинометрической колонной скважины, гирлянды инклинометрических зондов, подвешенных на стальном тросе внутри нее. Модификации инклинометрических зондов (тип сенсора и количество осей измерений), устанавливаемых в скважины, определяются поставленной задачей. Коса скрепленных инклинометров помещается в обсаженную скважину на интервалы глубин, в которых ожидается развитие деформаций. Такая система, находящаяся в скважине, позволяет контролировать смещения грунта в автоматическом режиме. Данные измерений могут регистрироваться и анализироваться непрерывно в специальном программном модуле, или сохраняться в течение некоторого времени во внутренней памяти автоматического регистратора для дальнейшей обработки. Использование автоматических инклинометрических систем позволяет вести непрерывные наблюдения за развитием деформационных процессов в массиве грунта. Автоматические инклинометрические системы разработаны для осуществления мониторинга на участках с распространением неблагоприятных геологических процессов в берегоукрепительных сооружениях, дамбах, вокруг глубоких котлованов и тоннелей, а также для наблюдения за развитием осадок в теле земляных плотин. В периоды снеготаяния и выпадения большого количества осадков вероятность интенсивного развития горизонтальных подвижек грунта наиболее высока, поэтому на протяжении этих периодов рекомендуется проводить непрерывные измерения в автоматическом режиме.

Стоит отметить, что инклинометрические системы можно использовать и для мониторинга вертикальных смещений грунта (и даже конструкций), закладывая инклинометрические колонны в горизонтальном направлении или сочетая инклинометры с экстензометрами в единой системе. Технические характеристики стационарного инклинометра представлены в табл. 2.

Таблица 2

Технические характеристики датчиков перемещений

Перспективной      разработкой      является      цифровая инклинометрическая система Roctest Profil, преимуществом которой является современная технология используемых в системе датчиков, портативность и простота использования. Система включает в себя цифровой датчик, кабель, кабельную заглушку, катушку с модулем bluetooth, КПК, ПО для КПК и ПК. При его использовании пропадает необходимость держать устройство и нажимать кнопки, что позволяет производить измерения с помощью одного оператора. После завершения измерений возможно передать данные с помощью интернета посредством электронной почты, либо загрузки на облачные хранилища данных. При отсутствии подключения к интернету можно передать данные по ноутбук с помощью USB кабеля. Простота в переноске и обращении и совместимость со всеми стандартными диаметрами обсадных трубок обуславливают широкую области применения данной цифровой инклинометрической системы. Портативная инклинометрическая система Profil предназначена для контроля горизонтальных перемещений грунтов в насыпях, откосах и склонах. Система также позволяет контролировать отклонение стен в грунте, подпорных и шпунтовых стен, деформацию свай вследствие поперечной нагрузки.