Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Комплексные деформационные наблюдения на строительных и инженерных сооружениях

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Комплексные деформационные наблюдения на строительных и инженерных сооружениях"

На правах рукописи

Бехтерев Сергей Вадимович

КОМПЛЕКСНЫЕ ДЕФОРМАЦИОННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ НА СТРОИТЕЛЬНЫХ И ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных

ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2008

003449925

Работа выполнена в Институте физике Земли им. О.Ю.Шмидта Российской Академии Наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор, зав. лабораторией Института физики Земли РАН Манукин Анатолий Борисович

доктор физико-математических наук, профессор физического факультета Московского государственного университета Митрофанов Валерий Павлович

доктор физико-математических наук, зав. лабораторией Института физики Земли РАН Алешин Александр Степанович

Институт динамики геосфер РАН

доктор физико-математических наук, гл. научный сотрудник Института физики Земли РАН Любушин Алексей Александрович

Защита диссертации состоится 13 ноября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д002.001.01 в Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии Наук по адресу: 123995, г. Москва, ул. Б.Грузинская, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН.

Автореферат разослан « /У » 2008 г.

Ученый секретарь ^у /*

диссертационного совета С" ¿-¿ч-г-й-^ О.В.

Пилипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объекты, которые принято называть экологически-опасными - широко известны из публикаций в периодической печати, из средств массовой информации. К ним относятся и дамбы, и высотные плотины, и химические предприятия, и АЭС, и захоронения высокоактивных отходов и т.д. Причиной процессов, могущих привести в конечном итоге к катастрофической ситуации на том или ином объекте, могут быть тектонические процессы в земной коре, проявляющиеся в подвижках по активным разломам, карстовые явления, оползневые эффекты и техногенная деятельность. Увеличение нагрузок на грунт, значительные вибрационные воздействия, нарушение гидрогеологического режима и т.п. могут существенно ускорить перечисленные выше естественные природные процессы. Вероятность такого события мала, но отлична от нуля, и для каждого конкретного типа объектов естественно существуют свои методы анализа мер безопасности, необходимых для сведения к минимуму отрицательных последствий подобных ситуаций.

Вариации метеопараметров (атмосферного давления, температуры, величины осадков и т.д.) могут являться "спусковым крючком" начала ощутимых деформаций в сойружениях, а также неким зондирующим сигналом, отклик на который позволяет выявить наиболее уязвимые, ослабленные, потенциально опасные зоны в земной коре и сооружениях, ненаблюдаемые визуально. В случае активизации деформационных процессов именно по этим зонам и могут начаться разрушительные явления, и именно в районе этих зон и необходимо устанавливать геофизическую аппаратуру для постоянного наблюдения - мониторинга деформационных процессов.

Трудности изучения деформационных процессов (наклонов, линейных и объемных деформаций, относительных превышений и т.д.) связаны с двумя основными причинами. Первая - высокий уровень локальных шумов в месте установки прибора. Поэтому для повышения представительности наблюдений необходимо использовать групповые синхронные измерения с параллельной регистрацией метеопараметров и длиннобазисные измерительные системы. Вторая - низкочастотный, вплоть до квазистатического, диапазон, в котором лежит полезный сигнал - предъявляет высокие требования к долговременной стабильности датчиков. При этом необходимо, чтобы чувствительность аппаратуры была достаточной для измерения геофизических процессов на уровне приливных деформаций земной коры, обладала широким динамическим диапазоном и цифровой формой выходного сигнала. Именно эти свойства аппаратуры позволяют качественно изменить методику традиционных измерений и выявлять тенденцию развития деформационных процессов на самой ранней стадии их проявления. Важность выявления начальных признаков событий, за которыми могут последовать разрушения элементов

сооружений или значительные подвижки, приводящие к выходу из строя механизмов и устройств, установленных на фундаментах, - очевидна.

Научно-исследовательские и конструкторские работы, проводившиеся в нашей стране, были ориентированы в основном на создание систем, не учитывающих специфику контроля за состоянием целостности инженерных сооружений, основные особенности которых - это долговременность контроля, трудности прогнозирования развития естественных и природно-техногенных процессов на длительные периоды, разнообразие сценариев развития возможных катастроф и масштаба их последствий. Это ставит новые технические требования к системе геофизического мониторинга, разработке комплекса фундаментальных и прикладных проблем, модификации существующих аппаратных средств. Поэтому данная работа была посвящена двум основным задачам: разработке концепции геофизического мониторинга и предложению состава аппаратурного комплекса для проведения долговременных наблюдений.

Объектом исследования диссертационной работы является изучение динамики деформационных процессов в земной коре, строительных и инженерных сооружениях с помощью информационной системы, состоящей из комплекса датчиков первичной геофизической информации, параметров метеоусловий и системы регистрации на базе персонального компьютера.

Предметом исследования являются средства и методы выявления и мониторинга потенциально опасных зон на инженерных сооружениях.

Целью работы является предложение методов и состава комплекса аппаратных средств для выявления потенциально опасных зон на инженерных сооружениях для решения задачи своевременного выявления тенденций развития деформационных процессов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложен метод проведения анализа целостности и выявления ослабленных зон в инженерных сооружениях, основанный на измерении деформаций одновременно на нескольких линейных базах при параллельной регистрации вариаций температуры и атмосферного давления.

2. Обоснованы требования к информационной измерительной системе и предложен состав аппаратуры для решения задачи выявления потенциально опасных зон в инженерных сооружениях.

3. Предложена и реализована методика учета нелинейности емкостных частотных преобразователей, позволившая существенно повысить достоверность получаемой информации о деформационных процессах

4. Предложена методика совместной обработки многомерных длительных рядов наблюдений, включающих как информацию о состоянии деформационных процессов в анализируемых элементах объектов исследований, так и информацию о вариациях

метеопараметров для получения формализованных критериев определения начальной стадии развития аномальных деформационных процессов, которые могут привести к разрушениям. Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Предложен состав измерительного комплекса, включающего датчики первичной геофизической информации и регистрирующей аппаратуры.

2. Разработан метод учета нелинейности характеристики преобразователя механических перемещений в электрический сигнал для получения достоверной информации о величинах параметров измеряемых деформационных процессов.

3. Предложена и применена на ряде объектов методика выявления потенциально опасных, ослабленных зон элементов конструкции инженерных сооружений, основанная на использовании информации о вариациях температуры и атмосферного давления в качестве зондирующих сигналов.

4. Реализована процедура совместной математической обработки результатов долговременных многостанционных деформационных измерений с параллельным измерением вариаций метеопараметров.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложен комплекс- аппаратных средств, включающий датчики первичной геофизической информации, датчики вариаций метеопараметров и систему регистрации, позволяющий провести долговременные наблюдения за развитием деформационных процессов в элементах конструкций инженерных сооружений.

2. Предложенная методика выявления потенциально опасных зон позволяет выявить наиболее уязвимые, ослабленные, потенциально опасные зоны в земной коре и сооружениях, не наблюдаемые визуально. Появляется возможность своевременно сделать выводы либо об активизации деформационных процессов и принять соответствующие организационные и инженерные мероприятия для предотвращения их развития, либо о возможности дальнейшей эксплуатации сооружения. В случае активизации деформационных процессов именно по этим зонам и могут начаться разрушительные явления и именно в районе этих зон необходимо устанавливать геофизическую аппаратуру для постоянного наблюдения - мониторинга деформационных процессов. Реализация результатов работы. Предложенные в работе методы

использованы для выявления потенциально опасных зон в зданиях Тульской гравиинерциапьной обсерватории Института физики Земли и кузнечного цеха ОАО «Туламашзавод», научно-экспедиционной базы РАН в п. Долгое Ледово Щелковского района. Совместная обработка результатов мониторинга на этих объектах подтвердила наличие активного разлома, проходящего через эти здания.

Аппробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 4-й Всероссийской конференции «Управление и информационные технологии» в Санкт-Петербурге в 2006 г., международном симпозиуме «Наземная, морская и авиагравиметрия» в Санкт-Петербурге в 2007 году, заседании объединенного научного семинара лабораторий и Научно-технического совета ИФЗ РАН в 2008 году.

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Объем диссертационной работы составляет 108 страниц, 29 рисунков, 2 таблицы, список литературы включает 72 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, охарактеризованы предмет и объект исследования, поставлена задача разработки методики и комплекса аппаратных средств для выявления и мониторинга потенциально опасных зон на инженерных сооружениях и их связи с активными разломами в земной коре.

В первом разделе проведен анализ существующих методов инженерного контроля за состоянием строительных объектов.

Во втором разделе сформулированы требования к датчикам первичной геофизической информации, преобразователю механического перемещения чувствительного элемента в электрический сигнал, датчикам вариаций метеоусловий (температуры и атмосферного давления), системе регистрации информации. Проведен анализ параметров частотного емкостного преобразователя и предложна методика учета нелинейности его характеристики с целью определения истинного положения чувствительного элемента преобразователя относительно статорных пластин измерительной емкости.

Основные требования, предъявляемые к приборам для деформационных исследований:

1. Высокая чувствительность, достаточная для проведения исследований эффектов, обусловленных лунно - солнечными приливами. В относительных единицах деформаций - не хуже 10'9.

2. Широкий динамический диапазон, позволяющий вести длительные измерения без перестройки датчиков. Динамический диапазон не менее 120 Дб.

3. Долговременная стабильность - чрезвычайно важная характеристика для измерения низкочастотных и квазистатических процессов, поскольку все дрейфовые явления, характеризующие датчик, лежат в области частот

измеряемых сигналов. Долговременная стабильность датчика должна быть на уровне 10"7/месяц (в относительных единицах). Кроме перечисленных основных трех характеристик, приборы должны удовлетворять ряду технических и эксплуатационных требований; цифровой вид выходной информации; простота настройки и обслуживания; надёжность;

малое энергопотребление; невысокая цена и удобство репродуцирования. Всем этим требованиям удовлетворяет радиотехнический метод измерения с применением емкостного датчика. Применение емкостного преобразователя для измерения малых механических перемещений как в уникальных физических экспериментах, так и в приборах для геофизических исследований связано с тем, что емкостной датчик представляет собой одно из наиболее чувствительных радиотехнических устройств. С помощью емкостного датчика зарегистрированы механические смещения на уровне ~ МО"15 см . Эти результаты измерений достигнуты в области регистрации периодических колебаний на относительно высокой механической частоте (единицы килогерц) и в узкой полосе частот (1 Гц) в экспериментах по обнаружению гравитационного излучения.

Деформометр кварцевый.

Для измерений вариаций линейных деформаций применяется кварцевый штанговый деформометр, устройство которого изображено на рис. 1. Конструктивно деформометр состоит их кварцевого датчика механических перемещений и емкостного преобразователя. Благодаря применению в качестве основного конструкционного материала кварцевого стекла и оригинальному преобразователю малых механических перемещений в электрический сигнал с автокомпенсацией собственного дрейфа, приборы высокочувствительны, широкодиапазонны и, главное, обладают высокой долговременной стабильностью, что особенно важно при измерении длиннопериодных и квазистатических процессов. Долговременная стабильность механических характеристик первичных измерителей обусловлена тем, что чувствительные элементы изготовлены из плавленого оптического кварцевого стекла и их конструкции не имеют разъемных соединений.

Принцип работы датчика деформометра основан на измерении линейных перемещений опор датчика относительно друг друга с помощью высокочувствительного дифференциального преобразователя. Опоры датчика установлены в заранее подготовленные отверстия в объекте исследования (стена здания, фундамент и т.п.) и забетонированы. Линейные перемещения преобразуются в частотный выходной сигнал, который кодируется и регистрируется ПЭВМ.

1 - Держатель роторной пластины.

2 - Кварцевый держатель ротора.

3 - Кварцевый статор.

4 - Кварцевая роторная пластина.

5 - Электронный блок преобразователя.

6 - Опоры

Рис. 1. Устройство кварцевого деформометра.

Принцип работы емкостного преобразователя подразумевает нелинейность его характеристики - зависимости разностной частоты А/ = - f2 от положения измерительного элемента; (частоты // и /2 соответствуют поочередному включению в контур генератора одной из двух дифференциальных емкостей преобразователя). На рис. 2 представлена теоретическая характеристика емкостного преобразователя.

а) б)

Рис. 2. Теоретическая (а) и реальная (б) характеристика емкостного преобразователя.

г , Д/- - разностная частота емкостного преобразователя,/, - частота,

У о

соответствующая центральному положению ротора, <1 - величина зазора, соответствующего нулевому (центральному) положению роторной пластины датчика, х - смещение роторной пластины относительно центрального положения.

Причиной несоответствия реальной характеристики преобразователя теоретической является присутствие паразитных емкостей монтажа, сравнимых с рабочей емкостью преобразователя.

Выражение для разности частотf¡ и /2 принимает следующий вид:

где 5 - площадь перекрытия пластин, г - диэлектрическая проницаемость среды между пластинами. I - индуктивность схемы генератора. Сп - значения паразитных емкостей.

Таким образом, участок зазора между статорными пластинами, на котором характеристику преобразователя можно считать условно линейной с точностью до 1%, очень мал и йа практике не превышает 10% от зазора. Технически расширить этот участок можно за счет увеличения расстояния между статорными пластинами, но это отрицательно скажется на основных характеристиках датчика - чувствительности и стабильности. При долговременных измерениях деформаций и, особенно, если датчики установлены в труднодоступных для визуального наблюдения местах, велика вероятность, что роторная пластина выйдет за пределы этой зоны и неучет нелинейности характеристики приведет к получению недостоверной информации о реальных деформационных процессах, следствием чего могут быть сделаны неверные выводы. Если же отбраковывать измерения, при которых роторная пластина вышла за пределы линейной зоны, то большое количество информации может быть потеряно, ряды перестанут быть непрерывными и это создаст проблемы при статистической обработке информации. Кроме того, чтобы удержать роторную пластину в линейной зоне необходимо будет часто производить регулировку ее положения. Поэтому задача использования всего зазора для целей регистрации деформаций, становиться особо актуальной.

Аналитически решение определения значения паразитных емкостей сводится к решению системы нелинейных уравнений. В данной работе предложен более простой метод:

(1)

1. На первом этапе в лабораторных условиях проводится тарировка датчика с помощью специального приспособления и измерительной аппаратуры. Ротор сдвигается пошагово с определенным интервалом от одной статорной пластины к другой и регистрируются соответствующие значения разности частот А/. Лабораторные исследования датчиков показали, что интервал в 25 микрон достаточен для получения представительных результатов. По данным испытания заполняется тарировочная таблица, на основании которой можно построить графики .

2. На основании тарировочной таблицы и по результатам регистрации разности частот непосредственно на объекте наблюдения определяется положение роторной пластины методом интерполяции. В качестве метода интерполяции хорошо зарекомендовала себя итерационная процедура Эйткена, которая позволяет получить искомый результат за минимальное количество итераций при очень хорошей сходимости.

Программа вычисления значений положения ротора, реализующая интерполяционный алгоритм Эйткена, позволяет определять деформации в реальном масштабе времени, не требуя мощных вычислительных средств и системных ресурсов и может быть реализована на любом персональном компьютере или специализированном регистрирующем устройстве.

Получаемые значения положения ротора позволяют получить адекватную информацию о развитии деформационных процессов конструкций сооружений, при этом используется весь измерительный диапазон емкостного датчика без ухудшения его точностных характеристик.

На рис. 3. представлены результаты долговременного наблюдения за деформациями участка стены дома длиной 1,5 метра с помощью двух деформометров, входящих в многосекционную систему с одним кварцевым стержнем. База первого деформометра - 3 метра, второго - 4,5 метра. Деформация определялась вычислением разности показаний деформометров.

Как видно из рис. 3, неучет нелинейности характеристик кварцевых деформометров приводит к неверным заключениям как о значениях деформаций, так и о характере их изменения. Предложенный алгоритм позволяет определять истинные деформации как при камеральной обработке, так и в режиме реального времени.

3000 , мки

2500

2000

1500

1000

Рис. 3. Графики деформаций участка стены длиной 1,5 метра.

а - исходный ряд, полученный без учета нелинейных характеристик емкостных преобразователей; б - скорректированный по интерполяционному алгоритму

ряд.

Для измерений вариаций метеопараметров используются датчики атмосферного давления и температуры.

Датчик вариации атмосферного давления

Для измерения вариаций атмосферного давления применяется датчик, конструкция которого представлена на рис. 4. Датчик атмосферного давления состоит из герметичного алюминиевого корпуса 3, прикрепленного к основанию из бериллиевой бронзы. Плоская мембрана /, являющаяся частью основания прибора, образует с металлизированным покрытием опорной кварцевой пластины 2 измерительные конденсаторы. Частота выходного сигнала характеризует емкость измерительного конденсатора и пропорциональна величине атмосферного давления.

Датчик температуры

Для измерения вариаций температуры применяется датчик, устройство которого показано на рис. 5. Конструктивно он состоит из герметичного алюминиевого корпуса, стойки из кварцевого стекла 1 и приваренными к ней металлизированными пластинами из кварцевого стекла, образующими

статорные обкладки измерительных конденсаторов 3. Принцип работы прибора основан на измерении вариаций размера медного элемента 2 относительно кварцевого элемента 1. При изменении температуры из-за разных по величине коэффициентов линейного расширения меди и кварца измерительные емкости меняются (например, при увеличении температуры нижний зазор увеличивается, а верхний - уменьшается на ту же величину). Частота выходного сигнала пропорциональна значению температуры окружающей среды.

1 - плоская мембрана из бериллиевой бронзы, изготовленная как часть основания корпуса;

2 - опорная пластина из кварцевого стекла с металлизированными электродами, образующими с мембраной измерительные конденсаторы частотного емкостного преобразователя;

3 - герметичный корпус, к которому через прокладки приворачивается деталь I;

4 - прижимные винты для фиксации опорной пластины 2

Рис. 4. Устройство датчика атмосферного давления.

! -кварцевая деталь, крепящаяся к основанию;

2 - деталь из меди;

3 - металлизированные кварцевые пластины, образующие с медной пластиной между ними измерительные конденсаторы емкостного частотного преобразователя.

Рис. 5. Устройство датчика температуры.

Основные технические характеристики датчиков приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Тип прибора Деформометр кварцевый Датчик атмосферного давления Датчик температуры

марка дкк ДА ДТ

Динамический диапазон ±0.1 мм (абс.) 90000110000 Па -30 -г + 50°С

Разрешение 5-10"4 мкм 0.3 Па 10"3 °С

Размер датчиков 300x100x45 мм 0 86 х 126 мм 0 86 х 145 мм

Масса 0.8 кг 3.5 кг 3.5 кг

Примечание. Электропитание: 12 В , 0.2 Вт. Долговременная стабильность параметров на уровне точности измерений не менее 5 лет.

Кварцевые деформометры и датчики метеоусловий подключаются к персональному компьютеру через специально разработанную интерфейсную плату, позволяющую одновременно подключить до восьми датчиков. Интерфейсная плата преобразует частоту входного сигнала в цифровой код. Через эту плату подается питание на емкостные преобразователи датчиков и подается управляющий сигнал на переключение реле дифференциальной схемы. Схема соединений измерительного комплекса представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема соединений измерительного комплекса.

1 - системный блок; 2 - интерфейсная плата; 3 - коммутационная коробка; 4-монитор; 5 - клавиатура; 6 - кварцевый деформометр; 7- датчик температуры; 8 - датчик атмосферного давления.

В третьем разделе описана методика выявления потенциально опасных зон на инженерных сооружениях.

Чрезвычайно важной является задача определения схемы размещения датчиков на исследуемом объекте. На данном этапе необходимо как можно более полно использовать имеющуюся априорную информацию о состоянии как объекта исследования, так и данных геологической разведки. Ошибки при выборе строительной площадки, которые являются следствием неправильной оценки геологической обстановки в зоне строительства, наличие геологических разломов и трещин земной коры могут привести к ослаблению строительных конструкций, образований микротрещин, прогибов и просадок, которые в дальнейшем могут привести к возникновению аварийных ситуаций и даже к полному разрушению строительной конструкции.

Для приповерхностных объектов, расположенных в асейсмических районах, при отсутствии специфических техногенных возмущений, главными возмущающими факторами, обуславливающими деформационные процессы в

земной коре, передачу их через фундаменты зданий на инженерные сооружения, являются термобаровариации в атмосфере. Поэтому термобародеформации являются главной составляющей регистрируемых деформационных процессов в пределах анализируемой стены здания. Вариации атмосферного давления и температуры будем использовать в качестве зондирующих сигналов с известными характеристиками. Ввиду ограниченности объекта исследований можно считать, что термобаровариации пространственно стационарны и одинаково действуют в пределах анализируемой стены здания.

Выявление потенциально опасных зон в сооружениях, особенно в тех, разрушение которых может привести к экологическим катастрофам, важно, поскольку это облегчает работу служб геофизического контроля и прогноза. Аппаратура может быть размещена в основном именно в этих зонах, которые являются наиболее информативными в плане предупреждения разрушительных процессов. Для наблюдения за состоянием строительных конструкций большой протяженности предлагается применять многостанционную схему соединения датчиков, при которой используется общая для всех датчиков кварцевая штанга. Один конец штанги жестко связан с конструкцией сооружения, а на выбранных участках штанги привариваются статорные пластины деформометров. По данной схеме можно анализировать поведение отдельных элементов конструкции, как для анализа развития явных трещин, так и выявления потенциально опасных зон, где визуально невозможно определить начинающиеся разрушения. На - выявленных потенциально опасных зонах можно установить дополнительные датчики для более детального определения участков возможных разрушений. В случае наличия нарушений целостности конструкции - наличия микротрещин, просадок, данные зоны должны быть исследованы более тщательно.

Одновременная регистрация деформационных процессов в пределах выбранных участков, термобаровариаций в атмосфере и проведение кросспектрального анализа результатов, позволяют выявить участки с аномальным ходом деформационных процессов. Выявленные участки могут разбиваться на ряд более коротких, где описанным выше способом проводится анализ, в результате которого уточняется местоположение аномальных участков. Процедура прекращается когда дальнейшее разбиение на более короткие участки не дает значительного различия между ходом деформационных процессов.

Обработка исходных временных рядов ведется в направлении выявления неоднородности, нарушений целостности в пределах анализируемой конструкции. При этом рассматриваются случаи, когда в исходных временных рядах деформации обусловлены действием всех возмущающих факторов, когда скомпенсированы составляющие, обусловленные действием отдельно температуры, атмосферного давления, температуры и атмосферного давления совместно.

При обработке результатов наблюдений решаются следующие задачи:

- Оценка связи вариаций деформаций анализируемых участков с вариациями температуры и атмосферного давления.

- Количественное сравнение вариаций деформаций пар соседних участков путем оценки квадрата модуля (у2) и разности фаз (соз(©)) спектров когерентности соответствующих пар временных рядов вариаций деформаций.

Первая задача решается путем вычисления кросс-периодограмм и последующей непараметрической оценки квадрата модуля спектра когерентности между деформациями участков и термобаровариациями.

При решении второй задачи были произведены оценки спектров когерентности пар соседних участков для перечисленных вариантов компенсации термобаровариаций.

В результате описанных процедур производится картирование ослабленных зон в пределах объекта, и появляется возможность вести наблюдения эволюции деформационных процессов в потенциально опасных местах. Такие зоны наиболее информативны для выявления аномального хода деформационных процессов, их связи с внешними, включая техногенные, воздействиями, и прогноза развития событий.

В качестве объекта исследований было выбрано двухэтажное кирпичное здание на территории Тульской геофизической обсерватории (ТГО) Института физики Земли РАН, расположенное над микрогеодинамической зоной, проходящей через территорию ТГО и выявленной по результатам гравиметрических и эманационных обследований территории ТГО летом 1992 года. Визуально наличие микрогеодинамической зоны подтверждается образованием и постепенным развитием трещины в одной из наружных стен дома, а также трещин на зданиях, расположенных в направлении микрогеодинамической зоны на территориях, примыкающих к ТГО.

Долгосрочное изучение вариаций деформаций различных участков стен здания показало, что амплитуда и характер деформаций участков без видимых нарушений целостности существенно отличаются от деформаций участка, содержащего трещину. Существует устойчивая корреляция вариаций деформации стен здания с термобаровариациями, которая является функцией частоты и различна для участков без видимых нарушений целостности и участка, содержащего трещину в стене.

Для анализа выбрана одна наружная стена, расположенная с южной стороны здания, которая пересекается осью микрогеодинамической зоны. В двух комнатах из помещений второго этажа на наружных стенах были установлены кварцевые деформометры штанговые, включенные по многостанционной схеме, с фиксированными расстояниями между соседними датчиками. Такое размещение деформометров позволило разделить анализируемую стену на фиксированные дискретные участки равной длины, производить регистрацию и анализ вариаций деформаций в горизонтальном

направлении в пределах отдельных участков и, следовательно, синхронно проследить вариации пространственной структуры деформаций во времени в пределах анализируемой стены.

В соответствии с многостанционной конструкцией кварцевых датчиков деформаций, деформационный процесс отдельного участка определяется как разность показаний последующего и предыдущего датчиков, размещенных в пределах одной штанги. Датчик вариаций атмосферного давления был установлен внутри, а датчик вариаций температуры - снаружи здания. Вся система датчиков подключалась к ПЭВМ типа 1ВМ-РС/АТ через восьмиканальные интерфейсные платы, разработанные и изготовленные на Тульской геофизической обсерватории Объединенного Института физики Земли РАН. На рис. 7 приведен план размещения деформометров и показано положение вертикальной трещины в одном из помещений здания.

Ненапри жешшя ¡она

Опасная тна

I

го

Д|>4 Л(15 Д06

О

Д07

ЛИН Д09

н

Д" Д12

= ДЮ

%>.\ дм

г\\ \\

____

\

Рис. 7. Схема размещения деформометров вдоль стен второго этажа Тульской геофизической обсерватории.

Для компенсации составляющих, обусловленных термобаровариациями использованная программа компенсации многомерного ряда помех в исходных временных рядах в соответствии с перечисленными вариантами. При этом длина окна адаптации в алгоритме компенсации составляла 2048 часов.

Проведена оценка квадрата модуля спектра когерентности деформаций, компенсированных от влияния давления, температуры и, соответственно, вариаций температуры, давления. В спектре когерентности деформаций, компенсированных от влияния атмосферного давления, и вариаций температуры (см. рис. 8) для участка Д09 наблюдается почти в 2 раза меньшее значение квадрата модуля спектра когерентности для 24 часовой составляющей по сравнению с соответствующими значениями для остальных участков. Это можно объяснить присутствием в деформационном процессе аномального участка Д09, являющегося причиной появления вблизи 24 часового периода составляющей, некогерентной с вариациями температуры и имеющей механизм образования, отличный от механизма образования термодеформаций остальных участков.

Д08

Д09

0 8 07 0 6

0 5 04 03 02

01 0

зй

05 л 1 -1 0 5

04 -

01 - ¿1 ,11 рГ

-1 л Н 0 ■ .....т

1

100

10 100 1000

Рис. 8. Квадрат модуля спектра когерентности деформаций и температуры, для рядов, компенсированных от влияния давления.

При решении второй задачи были произведены оценки спектров когерентности пар соседних участков для перечисленных вариантов компенсации термобаровариаций. В результате для анализа интерес представили варианты:

- исходные временные ряды (деформации обусловлены действием всех возмущающих факторов);

- скомпенсировано влияние температуры Т и атмосферного давления А.

Предварительно была произведена оценка эффективности компенсации

термобаросоставляющих деформаций для всех участков. На рис. 9 приведены графики оценок спектров мощности исходных и компенсированных от влияния Т и А временных рядов деформаций для участка Д04, выполненные с использованием метода максимальной энтропии Бурга.

а

б

р

р

10000

10000

1000

100

10

1000

О 1

0 01

0 001

0 001

Рис. 9. Спектры мощности исходного ряда деформации на участке Д04 (а) и компенсированного от влияния температуры и давления (б).

Основной особенностью спектров как для некомпенсированных, так и для компенсированных от влияния Т и А деформаций, является наличие гребенки монохроматических пиков, представляющих из себя гармоники суточной составляющей вариаций деформаций с периодом 24 часа, обусловленной суточными термовариациями в атмосфере. Причем, как следует из графиков, действие термосоставляющей на развитие деформационного процесса является определяющим.

Эффективность компенсации термобаросоставляющих в спектре деформаций, характеризуемая коэффициентом К=Риек0мп/РК0Ш1 для 24 часовой составляющей периода спектра, где Р„екомп и РКОМп - мощность спектральных компонент исходных и компенсированных от влияния Т и А соответственно временных рядов деформаций для всех участков различна. Для участков Д04 и Д05 она равна 100, для участка Д06 - 20, для участка Д07 - 30, для участка Д08 - 70, для участка Д09 - 6. Меньшая компенсация на участках Д06 и Д09 свидетельствует о наличии в деформационном процессе этих участков соответствующих периоду 24 часа составляющих, некогерентных с термовариациями и имеющих механизм образования, отличный от механизма образования термодеформаций остальных участков.

На рис.10 приведены оценки модулей у2 и фазовых составляющих cos(0) спектров когерентности двух пар соседних участков Д07-Д08 и Д08-Д09 компенсированных от влияния Т и А временных рядов деформаций. Эти оценки получены путем осреднения (с радиусом окна осреднения 100 ч) периодограмм временных рядов деформаций для каждой пары соседних участков.

Для исходных (некомпенсированных) пар временных рядов деформаций имеют место выраженные всплески когерентности на частотах, соответствующих периодам 12 и 24 ч со значением у2 не ниже 0,9 для всех пар,

кроме Д08-Д09, где соответствующее значение составляет 0,6. При этом значение разности фаз cos(0) суточной составляющей для всех пар находится вблизи 1.

Для компенсированных от влияния Т и А временных рядов наблюдается снижение значения у2 для суточной составляющией, особенно заметное для пары Д08-Д09, где у2 равен 0,2. Фазовая характеристика когерентности cos(0) суточной компоненты спектра для всех участков сохраняет значения вблизи 1,а для пары Д08-Д09 имеет место резкий скачок значения cos(0) до -0,5 в районе 24 часового периода, причем, область периодов скачка простирается от 22 до 28 часов.

Д07-Д08 j Д08-Д09

Рис. 10. Оценка квадрата модуля спектра когерентности и фазовой составляющей в|ременных рядов соседних участков Д07-Д08 и Д08-Д09, компенсированных от влияния температуры и давления.

Анализ полученных результатов позволяет дать следующее объяснение ходу деформационных процессов участков анализируемой стены. Для всех пар участков, кроме Д08-Д09 составляющие у2 соответствующие периоду 24 часа, близки по значению как для исходных (некомпенсированных) временных рядов деформаций, так и для компенсированных от влияния температуры Т и атмосферного давления А. При этом значение фазовой составляющей спектра когерентности соз(0) в обоих вариантах находится вблизи ! во всем диапазоне

анализируемых периодов. Это свидетельствует о монолитности стены в пределах всех участков, кроме участка Д09.

Совсем иная картина наблюдается для пары Д08-Д09. Если в варианте анализа некомпенсированных временных рядов деформаций фазовая составляющая спектра когерентности деформаций cos(0) имеет значение, близкое к 1 во всем диапазоне рассматриваемых периодов, и значение квадрата модуля у2 для 24 часовой составляющей спектра 0,6 , то для временных рядов деформаций, компенсированных от влияния температуры и атмосферного давления, для 24 часовой составляющей спектра имеет место резкий скачек cos(0) до значения -0,5 в диапазоне периодов от 24 до 28 часов. При этом соответствующее значение у2 составляет 0,2.

Все это позволяет предположить, что участок Д09 имеет механическое нарушение целостности, вследствие чего деформационный процесс в пределах этого участка в районе периода 24 часа, помимо мощной составляющей термодеформаций, обусловленной термодеформациями целых частей участка, содержит еще составляющую меньшей мощности, обусловленную нарушением целостности стены, имеющую другой механизм образования, и, как следствие, некогерентную с вариациями температуры. Для исходных временных рядов составляющая, обусловленная нарушением целостности в пределах участка Д09, тонет в сигналах, обусловленных мощной составляющей термобаровариаций, действующей одновременно на все участки. Поэтому наблюдается синфазность и высокое значение у2, соответствующее периоду 24 часа, для пары Д08-Д09.

В результате компенсации термобародеформаций и снижения мощности составляющей термодеформаций вариации деформаций участка Д09 в окрестности периода 24 часа определяются составляющей, вызванной нарушением целостности стены в пределах участка. Вследствие этого происходит разрушение когерентности и синфазности деформационных процессов участков Д09 и Д08, что привело к скачку cos(0) до -0,5 и снижению значения у2 до 0,2.

Такой механизм позволяет объяснить низкую эффективность компенсации термобаровариаций и меньшее, чем для остальных участков, значение квадрата модуля спектра когерентности деформаций, компенсированных от влияния атмосферного давления, и температуры для участка Д09.

Таким образом, полученные результаты анализа позволяют предположить наличие ослабленной зоны в пределах участка Д09 и прогнозировать со временем появление трещины.

Как было выше отмечено, исследуемое здание расположено над микрогеодинамической зоной, наличие которой подтверждено специальными гравиметрическими и эманационными обследованиями территории, выполненными силами Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта. По данным

Тульского треста инженерных и строительных изысканий (ТулаТИСИЗ), проводившего обследование состояния геологической обстановки в историческом центре г. Тулы, в данном районе проходят два геологических разлома. Здание Тульской геофизической обсерватории стоит на одном из эгих разломов, проходящем через здание театра кукол, с одной стороны, и территорию машиностроительного завода, с другой. Большой интерес представляет возможность использовать вышеописанный метод не только для локализации ослабленных зон в строительных сооружениях, но и для решения задачи выявления активных разломов земной коры. По договору с ОАО «Туламашзавод», сотрудники Тульской геофизической обсерватории ИФЗ на протяжении трех лет наблюдали за состоянием южной фасадной стены кузнечного цеха завода. Здание цеха также стоит на линии геодинамического разлома. Косвенным свидетельством этому является трещина, проходящая вертикально по всей стене цеха. С целью предотвращения разрушения фасадной стены кузнечного цеха, на ней установлена сварная конструкция в виде решетки из швеллеров по всей поверхности стены. Для проведения мониторинга использовали комплекс аппаратных средств, состоящий из трех короткобазисных кварцевых деформометров с длиной базы 16 см , датчиков температуры, давления и систему регистрации на базе персонального компьютера. Два деформометра расположены в зоне трещины, один - на участке сплошной стены.

Проведенная математическая обработка по вышеописанной методике выявления ослабленных, потенциально опасных зон позволила сделать следующие выводы:

1. В условиях вариации температуры, атмосферного давления за два года наблюдений диапазон вариации деформаций составил 420 мкм. Причем, тренд вариаций деформаций имеет знакопеременный характер и процесс в каждом интервале наблюдений развивался с практически постоянной скоростью 1 мкм/сутки.

2. Деформационный процесс независимо от периода наблюдений содержит две явно выраженные гармонические составляющие:

- с периодом вариаций 24 ч и амплитудой не более 30 мкм (суточные вариации)

- с периодом вариаций 6-8 суток и амплитудой в пределах 100 мкм.

3. Скорость изменения деформаций составляла не более 3 мкм/час во всех интервалах наблюдений.

4. Вариации деформации целостной части стены (без видимой трещиноватости) не превышали 25 мкм.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать заключение об одинаковом характере деформационных процессов строительных конструкций здания Тульской геофизической обсерватории и кузнечного цеха

машиностроительного завода и подтвердить наличие активного разлома, проходящего через эти здания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Предложен метод проведения анализа целостности и выявления ослабленных зон в инженерных сооружениях, основанный на измерении деформаций одновременно на нескольких линейных базах при параллельной регистрации вариаций температуры и атмосферного давления. Вариации метеопараметров выступают как зондирующий сигнал и используются для последующего кросспектрального анализа результатов измерений, включающего оценки когерентности деформаций с термобаровариациями в атмосфере и сравнение когерентности деформационных процессов пар соседних участков. Аномальный ход спектра когерентности деформаций с вариациями температуры и разрушение синхронности хода деформаций любого отдельного участка изучаемой линейной базы с остальными свидетельствует о наличии нарушения механической целостности объекта в пределах анализируемой зоны.

Реализована процедура совместной математической обработки результатов долговременных деформационных измерений с параллельным измерением вариаций метеопараметров, позволившая формализовать контроль за аномальными проявлениями развития деформационных процессов на анализируемой базе. Это дает возможность прогнозировать возникновение опасных ситуаций на ранней стадии их зарождения в режиме реального времени и принять соответствующие меры для уменьшения возможных негативных последствий.

На примере конкретных объектов показана возможность успешной реализации предложенного метода с помощью разработанных методик и комплекса измерительной аппаратуры, обеспечивающего высокие технические и эксплуатационные характеристики в широком диапазоне внешних условий, долговременную стабильность и надежность функционирования.

Предложена и успешно реализована методика учета нелинейности емкостных частотных преобразователей, позволившая существенно повысить достоверность получаемой информации о деформационных процессах.

Обосновано применение предложенного метода не только для выявления потенциально опасных, ослабленных зон в строительных сооружениях, но и для локализации активных разломов земной коры и на значительных по протяженности базах (в десятки и сотни километров) с привлечением геодезических методов измерения деформаций - спутниковой геодезии.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Бехтерев C.B., Ребров В.И., Грызлов В.И. Применение деформометрического комплекса для выявления потенциально опасных зон в инженерных сооружениях//Управление и информатика: труды кафедры автоматики и телемеханики Тульского государственного университета. -М.: Фирма «Испо-сервис», 2000 г., с. 159-166.

2. Бехтерев C.B., Манукин А.Б., Ребров В.И. Комплекс технических средств автоматизированной системы наблюдения за развитием деформационных процессов на экологически опасных объектах // Безопасность жизнедеятельности. 2007. № 8, с. 39-46.

3. Бехтерев C.B., Манукин А.Б. Учет нелинейности характеристик емкостных частотных преобразователей на примере кварцевых деформометров. Сейсмические приборы. Вып. 42. -М.: ИФЗ РАН, 2006. С. 14-22.

4. Bogatyrev M., Latov V, Behterev S., Symmetry Based Decomposition and its Application in Evolutionary Modelling System // IMS'6 8th International Mathematica Symposium June, 19-23,2006, Avignon, France.

5. Бехтерев C.B. Вольфсон Г.Б., Калинников И.И. Манукин А.Б. Метод выявления потенциально опасных зон на инженерных объектах и в земной коре. // Сборник статей международного симпозиума «Наземная, морская и авиагравиметрия» 20-23 августа 2007 г., СПб.

6. Бехтерев C.B., Казанцева О.С., Манукин А.Б., Ребров В.И., Сиводедова Н.Г. Комплексный геофизический наблюдательный пункт. Результаты многолетних наблюдений. // Сейсмические приборы, 2008, вьгп.44, № 2, С.3-10.

7. Бехтерев C.B., Манукин А.Б., Ребров В.И. Метод выявления активных разломов и потенциально опасных зон на инженерных объектах и в земной коре. // ГеоИнжениринг. Аналитический научно-технический журнал, №1(5), 2008. С. 62-67.

ЛР.№ 040905 от 22 июля 1998 г ПД№ 00188 от 3 декабря 1999 |.

Формат бумаги 60x84/16 Бумага офс Гарнитура «Times New Roman». Печаи. офс

Уел печ л 1,4 Уч -им л. 1,8 Тираж 100 эт Заказ№ 1117

1

Отпечатано в ОАО «Тульский полиграфист» 300600, г Тула, ул Каминского, 33

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Бехтерев, Сергей Вадимович

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Обзор методов инженерного контроля строительных объектов

Глава 2. Аппаратные средства для деформационного мониторинга.

2.1. Требования к приборам.

2.2. Штанговый кварцевый деформометр.

2.3 Датчики вариации метеопараметров.

2.4. Схема измерительного комплекса.

Глава 3. Метод поиска ослабленных зон.

3.1. Анализ факторов, влияющих на развитие деформационных процессов в земной коре и строительных сооружениях.

3.2. Выбор объекта для размещения измерительного комплекса для поиска ослабленных зон в строительных сооружениях.

3.4. Локализация ослабленных зон по результатам наблюдений.

3.4.1. Исходные данные.

3.4.2. Обработка результатов.

3.4.3. Анализ результатов.

3.5. Развитие математических методов анализа влияния сезонных факторов на ход деформационных процессов.

3.6. Мониторинг деформационных процессов на примере промышленного объекта.

3.7. Распространение методики обнаружения ослабленных зон на поиск активных разломов в земной коре.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Комплексные деформационные наблюдения на строительных и инженерных сооружениях"

Работа посвящена разработке методов и аппаратных средств для анализа деформаций земной коры, конструкций жилых и промышленных зданий, целостности экологически-опасных объектов и конструкций строительных сооружений с целью определения потенциально опасных ослабленных зон.

Объекты, которые принято называть экологически-опасными — широко известны из публикаций в научной литературе и из средств массовой информации. К ним относятся и дамбы, и высотные плотины, и химические предприятия, и АЭС, и захоронения высокоактивных отходов и т.д. Каждый из такого рода объектов может под воздействием природных или техногенных аномальных процессов перейти в нештатный режим работы, последствия которого могут быть катастрофическими. Вероятность такого события мала, но отлична от нуля и для каждого конкретного типа объектов естественно существуют свои методы анализа мер безопасности, необходимых для своевременного выявления опасных тенденций и сведения к минимуму отрицательных последствий подобных ситуаций.

Земная кора представляет собой иерархично-блочную структуру, включающую систему относительно устойчивых блоков, разделенных ослабленными, обладающими большой активностью и подвижностью зонами (геодинамическими зонами). Постоянные относительные микродвижения блоков под воздействием различных факторов (тектонического, техногенного характера, метеовариаций и др.) приводят к вариациям деформаций, относительных наклонов отдельных участков земной коры, к вариациям уровня грунтовых вод в скважинах и др. Наиболее сильно указанные процессы проявляются в геодинамических зонах.

В случае размещения крупных строительных объектов и сооружений над геодинамическими зонами имеет место постепенное нарушение целостности зданий, образуется система микротрещин, а затем видимых трещин и разрывы фундаментов. Поэтому своевременное выявление ослабленных зон на площадках, отводимых под строительство крупных объектов, или в уже построенных сооружениях является важнейшим этапом предотвращения возможных катастроф, грозящих серьезными экологическими последствиями.

В соответствии с вышеизложенным, представляется весьма актуальным внедрение геофизических методов для решения задач выявления ослабленных зон в инженерных сооружениях.

Решение поставленных задач непосредственно связано с наиболее полным изучением действительного состояния исследуемых объектов. Как следствие углубленного изучения действительной работы конструкций и сооружений возникает возможность построения расчетных моделей, которые позволяют наиболее полно отобразить напряженно-деформированное состояние строительных конструкций.

Инженерные сооружения представляют собой достаточно сложные механические системы, состоящие из большого числа элементов, работающих в условиях сложных напряженно-деформируемых состояний и образующих пространственные конструкции. Несмотря на существенное развитие современной строительной механики, широкое привлечение к расчетам вычислительной техники при рассмотрении конкретных объектов, в том числе и строительных конструкций, возникает необходимость идеализации расчетных схем, которые учитывают лишь главные, основные свойства, характеризующие состояние реальной конструкции. Кроме того, поведение строительных конструкций характеризуется рядом факторов, носящих случайный характер, например прочностные характеристики конструкционных элементов. Значительной изменчивостью характеризуются нагрузки, действующие на строительные конструкции, здания и сооружения: собственный вес, ветер и снег, изменение метеорологических факторов (температуры окружающей среды и атмосферного давления), колебания уровня грунтовых вод, сейсмическая обстановка в зоне эксплуатации сооружения, факторы техногенного воздействия и др. Ошибки при выборе строительной площадки, которые являются следствием неправильной оценки геологической обстановки в зоне строительства, наличие геологических разломов и трещин земной коры могут привести к ослаблению строительных конструкций, образований микротрещин, прогибов и просадок, которые в дальнейшем могут привести к возникновению аварийных ситуаций и даже к полному разрушению строительной конструкции. Разрушение экологически-опасных объектов может привести к катастрофическим последствиям (прорывам дамб, радиационному и химическому загрязнению окружающей среды и т.п.).

Перед инженерами-строителями ставится задача оценки состояния эксплуатируемых строительных конструкций, зданий и сооружений, решения вопроса о возможности их дальнейшей эксплуатации или реконструкции и усиления. Решение поставленных задач связано с обследованием конструкций и сооружений, результаты которого позволяют подготовить соответствующие рекомендации. На их основе инженеры-проектировщики разрабатывают необходимые конструктивные решения.

Данная работа посвящена вопросам разработки методики обследования и выявления ослабленных, потенциально опасных зон в инженерных сооружениях путем размещения сети приборов для измерения разного типа деформаций, в первую очередь кварцевых деформометров, организации синхронного мониторинга термо-баро-деформационных процессов и проведения последующего анализа результатов.

Задача организации деформометрического мониторинга с использованием современных высокоточных аппаратных средств измерения и регистрации, разработки методики выявления потенциально опасных зон с целью своевременного предотвращения нарушения целостности грунтового массива и конструкции сооружении и выработки рекомендации, в соответствии с которыми будут проведены укрепительные работы, обеспечивающие стабилизацию напряженного состояния и деформаций сооружений, становятся чрезвычайно актуальными в наше время.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Бехтерев, Сергей Вадимович

Выводы.

1. Бародеформационный комплекс показал высокую надежность, долговременную стабильность функционирования и обеспечил регистрацию деформационных процессов в характерных точках (трещина, целостная часть) фасадной стены цеха №4.

2. Реальный диапазон вариаций деформаций на трещине, обусловленных метеорологическими процессами в периоды весна -лето -осень, по наблюдениям за два года составил 420 мкм. Тренд вариаций имеет знакопеременный характер (расширение, сужение) в пределах 300 мкм., процесс развивался со скоростью 1 мкм/сутки во всех периодах наблюдений, независимо от времени года.

3. Скорость изменения деформаций составляла не более 2 мкм/час в диапазоне ±100 мкм во все анализируемые периоды наблюдений.

4. Вариации деформаций целостной части стены за анализируемые периоды 1995, 1996 г, 1997 гг. практически одинаковы и не превышали 25 мкм.

Диапазон вариаций деформаций 420 мкм и знакопеременный характер тренда деформационного процесса фасадной стены здания цеха N4 в периоды регистрации в течение двух лет свидетельствует о том, что деформационный процесс в рамках периодов наблюдения практически не развивается, что свидетельствует об устойчивости здания и не требуется проведения мероприятий по укреплению фасадной стены.

В адрес ИФЗ РАН от Администрации завода по окончании работ было направлено письмо с выражением благодарности за проведенные исследования и анализ деформационных процессов в здании цеха №4, позволившие не проводить дополнительных мероприятий по укреплению здания.

3.7. Распространение методики обнаружения ослабленных зон на поиск активных разломов в земной коре.

Предложенная методика поиска ослабленных зон в строительных сооружениях может быть использована для поиска активных разломов в земной коре с привлечением современных методов спутниковой геодезии.

Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System) предназначена для обеспечения навигации на всей территории Земного шара. Используя навигационные сигналы системы GPS, любой пользователь может определить свое текущее местоположение с высокой точностью. В состав системы GPS входят космический и наземные сегменты. Космический сегмент системы GPS состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/с. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли. Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций и главной станции управления, расположенных на военных базах США — на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесенья, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс. В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбит и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.

Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников GPS для вычисления текущей позиции, скорости и времени. В навигации большее распространение получило деление GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов. Точность измерения для данного типа приемников не превышает 3-10 метров. Вторая категория навигационных GPS приемников использует не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. В большинстве случаев это дорогостоящие одно- и двухчастотные геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTK режиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовой станции.

Принцип действия спутниковой GPS навигации основан на определении расстояния от текущего положения до группы спутников. Точное местоположение GPS спутников известно из данных, передаваемых в навигационных сообщениях. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечение трех окружностей. Данные четвертого спутника используются для определения ошибки хода часов GPS-приемника по сравнению с атомными часами спутника. Фактически, получается задача с 4-мя неизвестными — координатами X, Y, Z и временем Т. В настоящее время, многоканальные GPS навигаторы одновременно отслеживают до 8-10 спутников, что позволяет быстро разрешить большинство неоднозначностей, связанных точным определением координат и ошибкой хода часов.

Выявление потенциально опасных зон, приуроченных как правило к активным разломам в земной коре, с использованием разработанной методики связано с решением целого ряда проблем. Последовательность операций при проведении таких работ в идеальном случае представляется следующей.

A. Сбор материала и изучение геологических особенностей заданного района;

Б. Сбор и дешифрирование аэрокосмических снимков;

B. Проведение геодезических работ с использованием GPS-технологии на выбранных по результатам исследований по пунктам А и Б линейных базах с одновременным измерением вариаций атмосферного давления и температуры. Выполнение данного пункта связано с выбором мест для установки приемников GPS и подготовкой в этих местах специальных оснований: выравнивание площадки 1 кв.м, если это скальные породы, либо установка бетонного основания, заглубленного на 1 метр (это может быть забетонированная вертикальная металлическая или асбоцементная труба, заглубленная на 1 — 2 метра и на 0.5 метра выступающая над поверхностью. Измерения должны вестись минимально тремя приемниками одновременно, чтобы получить информацию о деформациях по крайней мере двух баз, в непрерывном режиме. По предварительным оценкам, измерения могут начаться уже на третьи сутки после создания фундаментов и должны вестись непрерывно с частотой не менее двух измерений в час. Данные о вариациях температуры, давления и деформациях баз для каждого пункта должны регистрироваться с той же частотой.

Г. Разработка моделей деформаций заданного района под действием вариаций атмосферного давления и температуры с учетом особенностей рельефа.

Д. Анализ материалов, полученных после выполнения работ по пункту В, с помощью специально разработанных программ обработки многомерных рядов наблюдений, с учетом результатов выполнения п.Г.

Е. Картирование предполагаемых разломов и определение мест установки деформометрической аппаратуры.

Ж. Обоснование состава необходимой деформометрической аппаратуры, выполнение подготовительных работ и установка аппаратуры. Выбор вида деформометрической аппаратуры зависит от предварительных экспериментальных результатов — размеров выявленных аномалий, а также от конкретных условий. Предпочтение должно отдаваться длиннобазисным системам — гидростатическому нивелиру и кварцевому деформометру, как наиболее помехозащшценным. Их установка не требует создания дорогостоящих подземных сооружений, но простая защита от чрезмерно большого влияния вариаций метеопараметров требуется. По-видимому, наиболее простым и дешевым будет прокладка неглубоких траншей (0.5 — 1м) для установки в них, например, жидкостных шлангов гидростатического нивелира в защитных трубах. Измерительные станции должны устанавливаться на бетонных фундаментах площадью 0.25 кв.м, заглубленных на 0.5 м по отнощению к дну траншеи. Над фундаментом должна быть сооружена небольшая будка площадью не менее 2 кв.м. На этом же фундаменте могут быть установлены и наклономеры и метеодатчики.

3. Проведение измерений, обработка результатов и получение в итоге карты наиболее опасных мест с точностью до нескольких единиц или десятков метров. Измерения должны вестись в непрерывном режиме с частотой опроса датчиков не менее двух измерений в час одновременно на всех базах. При необходимости, для более точного выявления опасной зоны, измерительные станции устанавливаются на меньших расстояниях, для чего заранее следует предусмотреть изготовление промежуточных фундаментов. При наличии достаточного числа приборов для экономии времени можно сразу расставить достаточно густую сеть промежуточных станций и за один цикл измерений выявить потенциально опасную зону с пространственной ошибкой, определяемой величиной промежуточной базы.

И. При необходимости, разработка проекта геофизического мониторинга в выявленных местах, изготовление и установка аппаратуры, обучение персонала объекта и организация работ по долговременному непрерывному мониторингу деформационных процессов.

Методика выявления активных разломов земной коры аналогична методике локализации потенциально опасных, ослабленных зон в строительных сооружениях.

Методика предполагает размещение сети наблюдательных пунктов на нескольких участках в пределах анализируемого участка поверхности Земли, выбранных на основе анализа геологических условий и гидрогеологического режима в районе его размещения. Поскольку участки могут быть весьма протяженными (десятки километров), необходимо синхронно измерять вариации температуры и атмосферного давления в каждом наблюдательном пункте.

Одновременная регистрация деформационных процессов в пределах выбранных участков, термобаровариаций в атмосфере и проведение кросспектрального анализа результатов, аналогично выше изложенному, позволяют выявить участки с аномальным ходом деформационных процессов. Выявленные участки могут разбиваться на ряд более коротких, где описанным выше способом проводится анализ, в результате которого уточняется местоположение аномальных участков. Процедура прекращается, когда дальнейшее разбиение на более короткие участки не дает значительного различия между ходом деформационных процессов на этих участках.

Заключение

Диссертационная работа посвящена чрезвычайно актуальной теме -разработке методов и аппаратных средств для анализа деформаций земной коры, конструкций жилых и промышленных зданий, целостности экологически-опасных объектов и конструкций строительных сооружений с целью определения потенциально опасных ослабленных зон.

Наиболее важные результаты, полученные в ходе выполнения работы:

1. Предложен метод проведения анализа целостности и выявления ослабленных зон в инженерных сооружениях, основанный на измерении деформаций одновременно на нескольких линейных базах при параллельной регистрации вариаций температуры и атмосферного давления. Вариации метеопараметров выступают как зондирующий сигнал и используются для последующего кросспектрального анализа результатов измерений, включающего оценки когерентности деформаций с термобаровариациями в атмосфере и сравнение когерентности деформационных процессов пар соседних участков. Аномальный ход спектра когерентности деформаций с вариациями температуры и разрушение синхронности хода деформаций любого отдельного участка изучаемой линейной базы с остальными свидетельствует о наличии нарушения механической целостности объекта в пределах анализируемой зоны.

2. Реализована процедура совместной математической обработки результатов долговременных деформационных измерений с параллельным измерением вариаций метеопараметров, позволившая формализовать контроль за аномальными проявлениями развития деформационных процессов на анализируемой базе. Это дает возможность прогнозировать возникновение опасных ситуаций на ранней стадии их зарождения в режиме реального времени и принять соответствующие мероприятия для уменьшения возможных негативных последствий.

3. На примере конкретных объектов показана возможность успешной реализации предложенного метода с помощью разработанных методик и комплекса измерительной аппаратуры, обеспечивающего высокие технические и эксплуатационные характеристики в широком диапазоне внешних условий, долговременную стабильность и надежность функционирования.

4. Предложена и успешно реализована методика учета нелинейности емкостных частотных преобразователей, позволившая существенно повысить достоверность получаемой информации о деформационных процессах.

5. Обосновано применение предложенного метода не только для выявления потенциально опасных, ослабленных зон в строительных сооружениях, но и для локализации активных разломов земной коры и на значительных по протяженности базах (в десятки и сотни километров) с привлечением геодезических методов измерения деформаций - спутниковой геодезии.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Бехтерев, Сергей Вадимович, Москва

1. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных свойств зданий. -JL, 1975. 242 с.

2. Гнеденко Б.В. Математические методы и теория надежности. -М.: Знание, 1982. -64 с.

3. Дмитриев Е.В. Эксплуатация промышленных зданий и сооружений. —М.: Стройиздат, 1970. -215 с.

4. Колотилкин Б.М. Надежность функционирования жилых зданий. —М.: Стройиздат, 1970. -372 с.

5. Техническая эксплуатация зданий : Учебник для техникумов. /Порывай Г.А. -М.: Стройиздат, 1990. -368 с.

6. Аронов Р.И. Испытание сооружений. -М.:Высшая школа, 1974. -187 с.

7. Гринберг В.Е., Семенов В.Г., Шойх Г.Б. Контроль и оценка состояния несущих конструкций зданий и объектов в эксплуатационный период. — Л.: Стройиздат, 1982. -19 с.

8. Золотухин Ю.Д. Испытание строительных конструкций. -Минск.:Вышэйшая школа, 1983. -208с.

9. Обследование, испытание и усиление строительных конструкций. Учебное пособие /В.М.Соротоьсин. —Тула.: ТулГУ, 2000. -119с.

10. Зайцев Ю.В., Промыслов В.Ф. Строительные конструкции: Учебник для техникумов. -М.: Стройиздат, 1985. -279 с.

11. Шкинев А.Н. Аварии в строительстве. -М.: Стройиздат, 1984. -319 с.

12. Анализ причин аварий строительных конструкций. -М.: Издательство литературы по строительству, 1968. -214 с.

13. Сендеров Б.В., Барков Ю.В. Повреждение зданий и меры по их предотвращению. -М.:Стройиздат, 1986. -216 с.

14. Вейц Р.И. Предупреждение аварий при строительстве зданий. —Л.: Стройиздат, 1984. -185 с.

15. Митцел А. Аварии бетонных и каменных конструкций. —М.: Стройиздат, 1978.- 184 с.

16. Михно Е.П. Восстановление разрушенных сооружений. -М.: Стройиздат, 1991. -216 с.

17. Михно Е.П. Ликвидация последствий аварий и стихийных бедствий. -М.: Стройиздат, 1979. -151 с.

18. Рекомендации по изучению трещиноватости горных пород при инженерно-геологических изысканиях. —М.: Стройиздат, 1974. -164 с.

19. Оксанович Л.В. Невидимый конфликт. -М.: Мир, 1986. -163 с.

20. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. -М.: Недра, 1988.-271 с.

21. Латынина Л.А., Кармалеева P.M. Деформографические измерения. -М.: Наука, 1978.-154 с.

22. Васильев И.М., Йорданов Н.Д. Штанговый деформометр ДШ. -В Кн.: Регистрация и обработка информации в сейсмометрии //Сейсмические приборы, 1983, вып. 15. С. 177-180.

23. Осика В.И., Чувиков Г.Б. Стабильный емкостной преобразователь перемещений. В кн.: Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. —М.: Наука, 1979. С. 58-66.

24. Латынина Л.А. Задачи наземных локальных деформационных измерений. // Напряженно-деформированное состояние и сейсмичность литосферы. Тр. Всероссийского совещания. Новосибирск, Издательство СО РАН, 2003. С. 80-83.

25. Латынина Л.А., Васильев И.М. Деформации земной коры под влиянием атмосферного давления //Физика Земли, 2001, №5. С. 45-54.

26. Дубовской В.Б., Алешин А.С., Ильичев В.А. Деформационный мониторинг в инженерной геодинамике // Геоэкология, 2000, №5. С. 438-447.

27. Дубовской В.Б. Мониторинг деформационных процессов //Инженерно-геологический и геофизический мониторинг природных объектов и инженерных сооружений. —М, 1993. С. 21-25.

28. ШироковИ.А., Анохина К.М. Локальные температурные наклоны земной поверхности. В кН: Вращение и приливные деформации Земли. -Киев, 1975, вып. 7. С. 32-35.

29. Широков И. А. Наклономерные исследования при инженерно-геологических изысканиях. В Кн: Медленное движение Земной коры, -М, 1972. С. 239-262.

30. Широков И.А., Анохина К.М. О связи пространственно-временных вариаций наклонов земной поверхности с вариациями атмосферного давления. //Физика Земли, 2003, №1. С. 84-87.

31. Брагинский В.Б., Манукин А.Б., Попов Е.И., Руденко В.Н. Верхний предел плотности гравитационного излучения внеземного происхождения // ЖЭТФ, 66, 3, 1974.

32. Гусев Г. А., Манукин А.Б. Предельная чувствительность гравиинерциальных приборов при измерении квазистатических процессов// Изв.АН СССР Физика Земли, №9, 1985. С. 26-32.

33. Гусев Г.А., Манукин А.Б., Кокорев В.К., Попов Е.И., Ребров В.И. Измерение наклонов и деформаций в штольне г.Обнинска / В кн.

34. Гравиинерциальная аппаратура в геофизических исследованиях», -М.: ИФЗ АН СССР, 1988. С. 43-47.

35. Гусев Г.А., Манукин А.Б. Емкостной преобразователь квазистатических перемещении. Изв. АН СССР. Физика Земли, 1980, №7. С. 24-28.

36. Манукин А.Б. К вопросу о линейности емкостного частотного преобразователя // Приборы и методы обработки гравиинерциальных измерений. М.: ИФЗ РАН СССР, 1984. С. 120-132.

37. Манукин А.Б., Ребров В.И. Измерение низкочастотных сейсмических процессов с помощью гидростатических нивелиров и деформометров. // Физика Земли, 1996, № 6. С. 68-72.

38. Бехтерев С.В., Манукин А.Б., Ребров В.И. Комплекс технических средств автоматизированной системы наблюдения за развитием деформационных процессов на экологически опасных объектах // Безопасность жизнедеятельности, 2007. № 8. С. 39-46.

39. Бехтерев С.В., Манукин А.Б. Учет нелинейности характеристик емкостных частотных преобразователей на примере кварцевых деформометров. Сейсмические приборы. Вып. 42. -М.: ИФЗ РАН, 2006. С. 14-22.

40. Бехтерев С.В. Вальфсон Г.Б., Калинников И.И. Манукин А.Б. Метод выявления потенциально опасных зон на инженерных объектах и в земной коре. // Сборник статей международного симпозиума «Наземная, морская и авиагравиметрия» 20-23 августа 2007 г., СПб.

41. Бехтерев С.В., Казанцева О.С., Манукин А.Б., Ребров В.И., Сиводедова Н.Г. Комплексный геофизический наблюдательный пункт. Результатымноголетних наблюдений. // Сейсмические приборы, 2008, вып.44, № 2, С. 3-10.

42. Агеев М.И., Алик В.П., Марков Ю.И. Библиотека алгоритмов 516-1006. Вып. 2. -М.: Советское радио, 1976. 136 с.

43. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров учащихся втузов. -М.: Наука, 1986. -544 с.

44. Кушнир А.Ф., Писаренко В.Ф., Рукавишникова Т.А. Компенсация помех в многомерных геофизических наблюдениях. Теория и методика обработки данных. // Методы и алгоритмы интерпретации сейсмологических данных. -М.: Наука, 1980. С. 146-151.

45. Марпл С.Л. (мл.) Цифровой спектральный анализ и его приложения. — М.: Мир, 1990. 584 с.

46. Капацина Е.Г., Осика В.И. Оценка корреляции записей деформометров с атмосферным давлением. В кн.: Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. —М.: Наука, 1979. С. 73-75.

47. Чернобай И.П. О некоторых особенностях интерпретации записей деформографов. — В кн.: Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. -М.: Наука, 1979. С. 98-101.

48. Бакс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Вып. 1, 2. -М.: Мир, 1974. -603 с.

49. Алимов Ю.И. Измерение спектров и статистических вероятностей: Учебное пособие. — Свердловск: изд. УПИ, 1986. — 96 с.

50. Любушин А.А. (мл.), Малугин В.А. Алгоритмы и результаты обработки гидрогеодинамических скважинных наблюдений // Гравиинерциальнаяаппаратура в геофизических исследованиях. -М.: ИФЗ РАН СССР, 1988. С. 31-50.

51. Ковтуненко Л.П., Любушин А.А., Манукин А.Б. Моделирование приливных деформаций штольни в пороупругой среде/ Физика Земли, №7, 1998.

52. Гусев Г.А., Любушин А.А. (мл.). Методика выделения разломов по показаниям группы точечных наклономеров // Гравиинерциальные приборы в геофизических исследованиях. -М.: ИФЗ СССР, 1990. С. 3037.

53. Любушин А.А. (мл.), Осика В.И., Пчелинцев В.А., Петухова Л.С. Анализ отклика деформаций земной коры на вариации атмосферного давления. // Физика Земли, 1992, №2. С. 81-89.

54. Любушин А.А. (мл.), Латынина Л.А. Компенсация метеорологических помех в деформометрических наблюдениях. // Физика Земли, 1993, №3. С. 98-102.

55. Любушин А.А. (мл.) Классификация состояний низкочастотных систем геофизического мониторинга. // Физика Земли, 1994, № 7-8. С. 135-141.

56. Любушин А.А. (мл.). Многомерный анализ временных рядов систем геофизического мониторинга. // Физика Земли, 1993, №3. С. 103-108.

57. Любушин А.А. (мл.), Малугин В.А. Статистический анализ отклика уровня подземных вод на вариации атмосферного давления. // Физика Земли, 1993, № 12. С. 74-80.

58. Маркин Г.А., Маркин А.Б. Емкостной преобразователь квазистатических перемещений. // Физика Земли, 1980, №7.

59. Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. -М.: Энергия, 1972.

60. Шитиков Г.Т. Стабильные диапазонные автогенераторы. -М.: Советское радио, 1965. — 160 с.

61. Киссин И.Г., Савин И.В. Методические рекомендации по наблюдениям гидрогеодинамических предвестников землетрясений. —М.: ИФЗ РАН, 1986. 17с.

62. Садовский М.А. О естественной кусковатости горных пород/ ДАН СССР, 1979, Т. 247, №4. С. 829.

63. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. -М.: Наука, 1991. -96 с.

64. БриллинджерД. Временные ряды. Обработка данных и теория. -М.: Мир, 1980. -536 с.

65. Бехтерев С.В., Манукин А.Б., Ребров В.И. Метод выявления активных разломов и потенциально опасных зон на инженерных объектах и в земной коре. // ГеоИнжениринг. Аналитический научно-технический журнал, №1(5), 2008. С. 62-67.

66. Bogatyrev М., Latov V, Behterev S., Symmetry Based Decomposition and its Application in Evolutionary Modelling System // IMS'6 8th International Mathematica Symposium June, 19-23, 2006, Avignon, France.

67. Silverman S., Martensen C., Johnson M.A. Satellite-Based Digital Data System For Low-Frequency Geophysical Data. // Bulletin of the Seismological Society of America/ February 1989. V. 79. №.1. P. 189-198.

68. Wiggins R.A., Robinson E.A. Recursive Solution to the Multichanel Filtering Problem. J. Geophys. Res. April 1965. V 70. P 1885-1891.

69. Zubovich A.V., Mukhamediev Sh.A., Rozukov S.I., Mosienko O.I. The Defmision of modem tectonic structure of the data of space geodesy // The Sixth International Symposium on Tienshan Eathquakes. Chine Urumqi, 2006, -p. 173-174.

70. Wu J.C., Xu C.J., Chao D.B., Liu J.N.,Li Y.X., Reseach on an interplate movement model by invertion of GPS data in North China // Jornal of Geodynamics, -2001.-Vol. 31,-p. 507-518.1. Благодарности

71. Прежде всего, я выражаю благодарность моему научному руководителю, доктору физ.-мат. наук, профессору Манукину Анатолию Борисовичу. Наше многолетнее общение дало свои весомые результаты.

72. Хочу поблагодарить коллектив Тульской гравиинерциальной обсерватории Института физики Земли и его руководителя Реброва Вячеслава Ивановича за содействие в организации измерений.

73. Не могу не выразить благодарность коллективу Особого конструкторского бюро Института физики Земли, приложившему много сил для совершенствования конструкции датчиков геофизической информации.

74. И в заключение хочу поблагодарить всех, кто советом или делом помог мне в подготовке диссертационной работы.