СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОСАДОК ФУНДАМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO MEASURE SUBSIDENCE OF FOUNDATIONS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Группа технических предложений (способ и устройство) относится к геологии, строительству и может быть использована при мониторинге в автоматическом режиме и в натурных условиях измерения осадок фундаментов зданий и прочих строительных конструкций в течение всего периода их эксплуатации.
Проектирование фундаментов зданий и сооружений регламентируют строительными нормами и правилами, например ТСН 50-302-96 г. Санкт-Петербурга (п.1.8) - [1], ТСН 50-302-2004 г. Санкт-Петербурга (п.21) - [2], СНИП 2.02.01-83* «Основание зданий и сооружений» - [3], СНИП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» - [4], в которых прописывают организацию и проведение наблюдений за развитием осадок оснований зданий и сооружений, а также их полный мониторинг. Проведение всех этих регламентных мероприятий требует немалых затрат времени и средств на проведение постоянных измерений.
Известен «Способ определения устойчивости зданий и сооружений и система для определения устойчивости зданий и сооружений» по патенту РФ RU 2245531, МПК G01M 7/00, опубл. 27.01.2005 г. - [5], включающий возбуждение колебаний испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов малой амплитуды, измерение колебаний с помощью установленных на объекте датчиков, определение динамических характеристик объекта по измеренным параметрам колебаний и экспериментально определение значений необходимых параметров, в том числе и осадки здания.
Известен «Способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и элементов» по патенту РФ RU 2341623, МПК Е04В 1/00, G01M 7/00, опубл. 20.12.2008 г. - [6], включающий выбор точек измерения, установку вибродатчиков в выбранных точках, регистрацию колебаний и определение частот и амплитуд собственных колебаний объекта. Выбор точек измерения производят в зависимости от объемной конфигурации объекта. Регистрацию колебаний осуществляют по координатам X, Y, Z микродинамического фона естественного и техногенного происхождения объекта, в условиях которого он постоянно находится. Для анализа изменения динамических характеристик объекта предварительно с помощью математического моделирования вычисляют частоты и амплитуды собственных колебаний объекта.
Известен «Способ контроля технического состояния пролетных строений» по патенту РФ RU 2194978, МПК G01N 29/04, G01M 7/00, опубл. 20.12.2002 г. - [7], заключающийся в воздействии на строительную конструкцию динамической нагрузкой с широким спектром частот, измерении при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров в контрольных точках строительной конструкции, получении параметра диагностического признака и определении положения зоны аномального механического напряжения по изменению этого параметра на основе выбранного критерия.
Однако применение известных способов [5], [6] и [7] позволяет лишь приблизительно найти локализацию дефекта строительной конструкции, а не конкретные значения осадки фундамента.
В настоящее время осадки фундаментов зданий и сооружений выполняют проведением геодезических работ, а именно нивелированием осадочных марок и проведением вычисления осадки, например, по книге: Ганьшин В.Н., Косыков Б.И. и Репалов И.М. Геодезические работы при реконструкции промышленных предприятий. М.: «Недра», 1990, стр.135-142 - [8].
Прототипом заявляемого технического решения (предлагаемого изобретения) является способ измерения осадок фундаментов, состоящий из периодического измерения положения осадочной марки, расположенной на фундаменте относительно практически неподвижного репера, по книге: Гроздов В.Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений. - СПб., 2008, стр.43-47 - [9]. На рис.1.12, стр.44 [9] показана конструкция репера, устраиваемого вблизи здания, при отсутствии вблизи здания реперов геодезической сети. Точность измерения осадок фундаментов при помощи геодезических работ (нивелированием осадочных марок) составляет около 1 мм.
Недостатком известного способа является необходимость постоянного выезда бригады специалистов (минимум двух человек) с оборудованием на объект для проведения геодезических измерений, что требует трудовых и финансовых затрат. Особенно данное обстоятельство существенно при большой периодичности измерений, которая бывает, например, при неравномерных ненормативных осадках. Кроме того, точность измерений нивелированием (до 1 мм) существенно зависит от погоды во время проведения измерений, квалификации специалистов и их (субъективного) состояния. Это, в свою очередь, может вносить существенные погрешности в снятие показаний.
Таким образом, вытекает существенная необходимость (задача) повышения точности измерения осадки фундамента здания или сооружения и возможности оперативного мониторинга в реальном времени и в течение всего срока эксплуатации. При этом немаловажным является снижение стоимости такого мониторинга.
Поставленная задача решается тем, что в способе измерения осадки фундаментов, состоящем из периодического измерения положения марки, расположенной на фундаменте относительно практически неподвижного репера, положение марки по высоте измеряют датчиком линейных перемещений с преобразователем значений этих перемещений в электрический сигнал относительно практически неподвижного репера, расположенного под маркой в грунте ниже зоны промерзания грунта и зоны его деформации от фундамента.
Прототипом заявляемого устройства для реализации способа измерения осадок фундаментов является «Репер индикации смещений массива горных пород» по патенту РФ RU 2272134, МПК Е21С 39/00, G01B 5/30, опубл. 20.03.2006 г. - [10], содержащий марку, которой служит торец вертикального трубчатого элемента, а также расположенный внутри вертикального трубчатого элемента дистанционный стержень, закрепленный с одной стороны в грунте и с другой - имеющий оголовок. Репер является относительно недорогим техническим устройством и предназначен для определения смещений массива в пространстве между тюбинговой крепью и контуром выработки, заполняемом бетоном.
Применение устройства [10] для измерения (и мониторинга) осадки фундаментов зданий и сооружений не известно и в известном по патенту виде невозможно. Это ставит задачу адаптации известного и дешевого репера [8] для измерения осадки фундаментов с высокой точностью (до долей миллиметра), при этом с возможностью оперативного мониторинга осадки фундамента в реальном времени и в течение всего срока эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что устройство для реализации способа измерения осадки фундаментов содержит марку и расположенный внутри вертикального трубчатого элемента дистанционный стержень, закрепленный с одной стороны в грунте и с другой - имеющий оголовок (являющийся репером), при этом в качестве марки служит неподвижно прикрепленная к фундаменту опорная площадка с установленным на ней датчиком линейных (вертикальных) перемещений, дистанционный стержень снизу жестко закреплен в грунте ниже глубины его промерзания и зоны деформации грунта (сжимаемой толщи) от фундамента, а оголовок на дистанционном стержне закреплен (с возможностью регулировки по высоте) сверху и подсоединен к чувствительному элементу датчика линейных перемещений, трубчатый элемент выполнен в виде обсадной трубы, нижний конец которой не доходит до закрепления дистанционного стержня в грунте, а верхний ее конец с оголовком дистанционного стержня, датчиком линейных перемещений и прочно прикрепленной к фундаменту опорной площадкой закрыт теплоизолированным кожухом, датчик выполнен с преобразователем линейных перемещений в электрический сигнал, и при этом преобразователь связан со считывателем информации. Верхний конец обсадной трубы с оголовком дистанционного стержня, датчик линейных перемещений и опорная площадка фундамента могут быть расположены в приямке возле фундамента, при этом приямок сверху теплоизолирован, закрыт люком и слоем грунта. Преобразователь линейных перемещений в электрический сигнал датчика может быть выполнен на пьезорезонасных структурах: на поверхностных активных волнах (ПАВ) или объемных активных волнах (ОАВ), а в качестве считывателя информации использован приемопередатчик, работающий на частоте этих пьезорезонасных ПАВ или ОАВ - структур. На дистанционном стержне по всей его длине от места закрепления в грунте до верхнего торца обсадной трубы может быть одет цилиндрический утеплитель из инертного, пористого и податливого материала, установленный с зазорами от дистанционного стержня и от обсадной трубы. Дистанционный стержень может быть выполнен в виде стальной трубы с наружным антикоррозионным и антиадгезионным покрытием, которая снизу в месте закрепления в грунте имеет сквозные боковые отверстия.
Введение признаков «в качестве марки служит неподвижно прикрепленная к фундаменту опорная площадка с установленным на ней датчиком линейных (вертикальных) перемещений, дистанционный стержень снизу жестко закреплен в грунте ниже глубины его промерзания и зоны деформации грунта (сжимаемой толщи) от фундамента, а оголовок на дистанционном стержне закреплен (с возможностью регулировки по высоте) сверху и подсоединен к чувствительному элементу датчика линейных перемещений, трубчатый элемент выполнен в виде обсадной трубы, нижний конец которой не доходит до закрепления дистанционного стержня в грунте, а верхний ее конец с оголовком дистанционного стержня» необходимо для постоянного, в течение всего периода их эксплуатации, и осуществляемого в автоматическом режиме и в натурных условиях мониторинга осадки фундаментов зданий и прочих строительных конструкций. При этом на верхнем конце дистанционного стержня (с возможностью его регулировки по высоте) прочно установлен оголовок, которым дистанционный стержень взаимодействует по вертикальным перемещениям с чувствительным элементом датчика линейных перемещений. Оголовок может крепиться на дистанционном стержне при помощи резьбового или иного другого регулируемого соединения.
Введение признаков «верхний ее конец с оголовком дистанционного стержня, датчиком линейных перемещений и прочно прикрепленной к фундаменту опорной площадкой закрыт теплоизолированным кожухом» необходимо для исключения несанкционированного доступа к датчику, и при этом кожух должен иметь запоры и замки к ним. Теплоизоляция кожуха необходима для сведения к минимуму температурного воздействия окружающей среды на показания датчика. При этом кожух с расположенным под ним вышеописанным оборудованием может располагаться как внутри обследуемого задания, так и снаружи у его фундамента.
Введение признаков «верхний конец обсадной трубы с оголовком дистанционного стержня, датчик линейных перемещений и опорная площадка фундамента, расположены в приямке возле фундамента при этом приямок сверху теплоизолирован, закрыт люком и слоем грунта» необходимо для еще большего повышения безопасности - исключения доступа к датчикам осадки обследуемого фундамента. При расположении приямка ниже глубины промерзания грунта предлагаемое устройство будет работать в более благоприятных температурных условиях и функционировать с минимальными температурными погрешностями. Покрытие люка приямка, которым может служить стандартный чугунный канализационный люк, слоем грунта полностью замаскирует расположение предложенного устройства и тем самим исключит несанкционированный доступ к нему и безопасную долговременную эксплуатацию.
Введение признаков «датчик выполнен с преобразователем линейных перемещений в электрический сигнал, и при этом преобразователь связан со считывателем информации» необходимо для оперативного снятия показаний с датчика (датчиков, которых на обследуемом фундаменте может быть несколько) и передачи их на считыватель, который связан, в свою очередь, по линии связи с процессором (или компьютером) сбора, обработки и индикации информации в том или ином виде. Таким образом, преобразователь линейных перемещений датчика в электрический сигнал связан со считывателем информации, который может быть установлен как непосредственно на контролируемом здании или сооружении, так и на расстоянии от него и связан по телефонной линии через модем.
Введение признаков «преобразователь линейных перемещений в электрический сигнал датчика выполнен на пьезорезонасных структурах, а в качестве считывателя информации использован приемопередатчик, работающий на частоте пьезорезонасных структур» необходимо для существенного упрощения конструкции датчика, исключения подвода к нему электрических проводов, повышения надежности и долговечности. Так известно, что преобразователи линейных перемещений в электрический сигнал датчика, выполненный на пьезорезонасных ПАВ- или ОАВ-структурах, могут находится в толще грунта или бетона до одного метра. При этом в представленном способе и устройстве для его реализации необходимо будет использовать кожух (или люк приямка) из радиопрозрачного материала в диапазоне частот этих пьезорезонасных ПАВ- или ОАВ-структур.
Введение признаков «на дистанционный стержень по всей его длине от места закрепления в грунте до верхнего торца обсадной трубы одет цилиндрический утеплитель из инертного пористого податливого материала, установленный с зазорами от дистанционного стержня и от обсадной трубы» необходимо для минимизации температурного воздействия окружающей среды на линейное расширение дистанционного стержня (репера). При этом следует заметить, что вышеуказанные цилиндрические утеплители в настоящее время выпускаются в широком ассортименте для труб холодного, горячего водоснабжения и отопления разных диаметров. Материал этих утеплителей инертен, пористый, механически податливый и самое главное - дешевый. Кроме того, цилиндрический утеплитель из инертного пористого податливого материала заполнит полость (зазор) между дистанционным стержнем и обсадной трубой и не даст ей (полости или зазору) засоряться и без усилий скользить вертикально по дистанционному стержню (не мешая выполнять основную задачу технического предложения - измерения осадки), что повысит долговечность и надежность конструкции в целом. Кроме того, заполняющий кольцевой зазор между обсадной трубой и дистанционным стержнем цилиндрический утеплитель из инертного пористого податливого материала будет центрировать последний и тем самим позволит свести к минимуму влияния радиальных перемещений верхнего конца дистанционного стержня с оголовком и, следовательно, позволит повысить точность показаний датчика.
Введение признаков «дистанционный стержень выполнен в виде стальной трубы с наружным антикоррозионным и антиадгезийным покрытием, которая снизу в месте закрепления в грунте имеет сквозные боковые отверстия» необходимо для существенного упрощения и удешевления конструкции предложенного устройства для реализации способа измерения осадки фундамента. Так, использование стальной трубы позволит использовать для ее заполнения мелкодисперсный бетонный раствор, который сверху по стальной трубе поступает вниз, где по боковым сквозным отверстиям поступает в полость (зазор) между ней и обсадной трубой, и при этом (при застывании, снаружи внизу и внутри стальной трубы) образует надежное железобетонное закрепление дистанционного стержня - стальной трубы. Как известно, в железобетонной конструкции железо и бетон обладают одинаковыми коэффициентами линейного расширения. Наружное антикоррозионное и антиадгезионное покрытие стальной трубы - дистанционного стержня необходимо для придания ему долговечности и сведения к минимуму трения о материал, заполняющий полость (зазор) от бетонного закрепления (внизу) до верхнего торца обсадной трубы.
На фиг.1 представлен схематичный чертеж устройства для реализации способа измерения осадок фундаментов. На фиг.2 - схематичный чертеж устройства для реализации способа измерения осадок фундаментов, расположенного в приямке у фундамента, и с установленным трубчатым уплотнителем дистанционного стержня из стальной трубы, заполненной бетонном.
Устройство для реализации способа измерения осадок фундаментов содержит неподвижно прикрепленную к фундаменту 1 здания опорную площадку 2 с установленным на ней датчиком 3 линейных (вертикальных) перемещений, дистанционный стержень 4 (диаметром d), который снизу жестко закреплен в грунте 5 ниже глубины его промерзания и зоны деформации грунта (сжимаемой толщи) от фундамента 1, например, при помощи бетона 6. Сверху на дистанционном стержне 4 закреплен (с возможностью его регулировки по высоте) оголовок 7, подсоединенный к чувствительному элементу датчика 3 линейных перемещений. Дистанционный стержень 4 находится в обсадной трубе 8 (диаметром D), нижний конец которой не доходит до закрепления дистанционного стержня в грунте (бетона 6) на расстояние l=5÷15D. Соотношение диаметров обсадной трубы 8 и дистанционного стержня 4 соотносятся как D=10÷20 d. Верхний конец обсадной трубы 8 с измерительным оголовком 7 дистанционного стержня 4, датчиком 3 линейных перемещений и неподвижно прикрепленной к фундаменту опорной площадкой 2 закрыт кожухом 9 со слоем теплоизоляции 10. Датчик 3 выполнен с преобразователем линейных перемещений в электрический сигнал, и при этом преобразователь связан со считывателем информации (на фиг.1 и 2 не показан), проводным или беспроводным способом. Верхний конец обсадной трубы 8 с оголовком 7 дистанционного стержня 4, датчик 3 линейных перемещений и опорная площадка 2 фундамента 1 могут располагаться в приямке 11 возле фундамента 1, при этом приямок сверху закрыт слоем теплоизоляции 10, люком 12 и слоем грунта 5. Преобразователь линейных перемещений в электрический сигнал датчика 3 может быть выполнен на пьезорезонасных структурах на поверхностных активных волнах или объемных активных волнах, а в качестве считывателя информации использован приемопередатчик, работающий на частоте этих пьезорезонасных (ПАВ или ОАВ) структур. На дистанционном стержне 4 по всей его длине от места закрепления в грунте 5 (бетоном 6) до верхнего торца обсадной трубы 8 может быть одет цилиндрический утеплитель 13 из инертного, пористого и податливого материала, установленный с зазорами от дистанционного стержня 4 и от обсадной трубы 8. Дистанционный стержень 4 может быть выполнен в виде стальной трубы с наружным антикоррозионным и антиадгезионным покрытием, которая снизу в месте закрепления в грунте имеет боковые сквозные отверстия 14.
Работает устройство для реализации способа измерения осадки фундаментов следующим образом. Первоначально на неподвижно прикрепленной к фундаменту 1 опорной площадке 2 с установленным на ней датчиком 3 линейных (вертикальных) перемещений выставляют нулевое значение датчика 3. Для этого на (находящемся коаксиально в обсадной трубе 8 и на закрепленном внизу в грунте 5, например, при помощи бетона 6) верхнем конце дистанционного стержня 4 ослабляют оголовок 7 и его плавной регулировкой по высоте достигают необходимого нулевого показания датчика 3. После регулировки оголовок 7 неподвижно закрепляют на дистанционном стержне 4. Дистанционный стержень 4 может дополнительно находиться в цилиндрическом утеплителе 13 из инертного, пористого и податливого материала, который дополнительно будет его центрировать (дистанционный стержень 4) и тем самим повышать точность показаний датчика 3 сведением к минимуму влияния радиальных перемещений оголовка 7. При перемещении фундамента 1 (вверх-вниз) оголовок 7 дистанционного стержня 4 взаимодействует с чувствительным элементом датчика 3, который эти перемещения преобразовывает в электрические сигналы, передаваемые считывателю по проводам. В случае применения в датчике 3 в качестве преобразователя линейных перемещений в электрический сигнал пьезорезонасных ПАВ- или ОАВ-структур, считывателем информации (приемопередатчиком, работающим на частоте этих пьезорезонасных структур) дополнительно запоминают индивидуальные (нулевые) показания датчика 3. После регулировки по установке нулевого значения датчик 3 закрывают кожухом 9 со слоем теплоизоляции. При нахождении датчика 3 в приямке 11 последний сначала закрывают слоем теплоизоляции 10, после чего люком 12, поверх которого слоем грунта 5, после чего датчик 3 готов к работе.
В случае осадки обследуемого фундамента 1 (или его поднятия пучением грунта 5 под фундаментом 1) вместе с фундаментом 1 поднимается или опускается неподвижно установленная на нем опорная площадка 2 с датчиком 3, чувствительный элемент которого взаимодействуем с практически неподвижным оголовком 7 дистанционного стержня 4, закрепленного ниже глубины его промерзания грунта и зоны его деформации (сжимаемой толщи) от фундамента 1. Из датчика 3 поступает сигнал, который передается на считыватель, после которого обрабатывается процессором или компьютером с дальнейшей выдачей необходимой для анализа информации. В случае использования в датчике 3 пьезорезонасных ПАВ- или ОАВ-структур информация с датчика 3 снимается непосредственно приемопередатчиком, работающим на частоте этих пьезорезонасных структур.
При внедрении предложенного способа измерения осадок фундамента и устройства для его реализации существенно снижается стоимость такого мониторинга и повышается точность измерений осадки фундаментов с 1-го миллиметра до долей миллиметра. Глубина сжимаемой толщи, или зоны деформации грунта от вышерасположенного фундамента в зависимости от типа грунтов и высоты расположенного над фундаментом здания или сооружения, составляет от 4 до 10 метров. Таких скважин небольшого диаметра (до 200 мм) с установленными в них дистанционными стержнями, связанными с датчиками на одном фундаменте здания, может быть несколько (или установлена целая серия) в зависимости от его протяженности, состояния грунтов и выполняемых работ. Расположение предложенных устройств для реализации заявленного способа измерения осадки фундамента может осуществляться как снаружи фундамента здания, так и внутри его в подвале.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:
способ измерения осадок фундаментов и устройство для его реализации в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения являются новыми для общеизвестных способов и устройств измерения осадки фундаментов и, следовательно, соответствуют критерию "новизна";
совокупность признаков формулы изобретения устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам измерения осадок фундаментов, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";
внедрение способа измерения осадок фундаментов и устройства для его реализации не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Источники информации
1. ТСН 50-302-96, г. Санкт-Петербург.
2. ТСН 50-302-2004, г. Санкт-Петербург.
3. СПИЛ 2.02.01-83*, Основание зданий и сооружений.
4. СНИП 2.02.03-85, Свайные фундаменты.
5. Патент РФ RU 2245531, МПК G01M 7/00, опубл. 27.01.2005 г. «Способ определения устойчивости зданий и сооружений и система для определения устойчивости зданий и сооружений».
6. Патент РФ RU 2341623, МПК Е04В 1/00, G01M 7/00, опубл. 20.12.2008 г. «Способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и элементов».
7. Патент РФ RU 2194978, МПК G01N 29/04, G01M 7/00, опубл. 20.12.2002 г. «Способ контроля технического состояния пролетных строений».
8. Ганьшин В.Н., Косыков Б.И. и Репалов И.М. Геодезические работы при реконструкции промышленных предприятий. М.: «Недра», 1990 г.
9. Гроздов В.Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений. - СПб., 2008 г. - прототип заявляемого способа.
10. Патент РФ RU 2272134, МПК Е21С 39/00, G01B 5/30, опубл. 20.03.2006 г. «Репер индикации смещений массива горных пород» - прототип устройства для реализации заявленного способа.