Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики пространственного моделирования деформаций и осадок фундаментов зданий и сооружений по результатам геодезических измерений

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики пространственного моделирования деформаций и осадок фундаментов зданий и сооружений по результатам геодезических измерений"

УДК 528.482

004601216

На правах рукописи

Басаргин Андрей Александрович '*'1 '

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И ОСАДОК ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

25.00.32 - «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 ДПР 2010

Новосибирск - 2010

004601216

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация - ФГУП центр «Сибгеоинформ» (г. Новосибирск).

Защита состоится 13 мая 2010 г. в 13.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при Сибирской государственной геодезической академии по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА. Автореферат разослан апреля 2010 г.

Ученый секретарь

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 31.03.2010. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,34. Уч.-изд. л. 0,99. Тираж 100. Печатьцифровая.Заказ 2.6 .

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 10.

Неволин Анатолий Геннадьевич.

Официальные оппоненты; доктор технических наук

Мазуров Борис Тимофеевич;

кандидат технических наук, доцент Обидин Юрий Степанович.

диссертационного совета

Середович В.А.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Развитие современных программно-технических комплексов и ГИС-технологий позволяет ставить новые вычислительные задачи и эксперименты, связанные с ЗР-моделированием и пространственным анализом геодезических данных. В настоящее время появилась возможность пространственного моделирования деформационных процессов фундаментов зданий и сооружений и построения непрерывных моделей осадок с помощью ЭВМ.

Современные методы пространственного анализа, основанные на аппарате математической статистики, позволяют исследовать явления с учетом территориального характера распределения. Такие методы в зарубежной литературе получили название «геостатистические», и в инженерно-геодезической практике почти не применялись.

Методы пространственно-временного анализа и алгоритмы обработки геопространственных данных постоянно совершенствуются. Важными в настоящее время являются вопросы улучшения качества алгоритмов моделирования для получения качественных цифровых моделей осадок сооружений и их оценок.

Для пространственно-временного анализа результатов наблюдений за деформациями зданий и сооружений целесообразно применять трехмерную цифровую модель осадок, которая комплексно и детально описывает состояние фундамента инженерного сооружения. В этом случае изучение динамики деформационного процесса фундаментов можно выполнять с применением автоматизированных методов пространственно-временного анализа и цифрового моделирования. Таким образом, для анализа деформационных процессов фундаментов зданий и сооружений необходимо разработать методику, позволяющую строить трехмерные цифровые модели осадок.

Применение пространственных методов анализа и пространственной интерполяции результатов геодезического мониторинга позволяет установить адекватную трехмерную модель деформаций по всей площади основания сооружения, а также автоматизировать процессы определения области неравномерных осадок, направления крена плиты фундамента, построения профилей осадок и др.

Целью диссертации является разработка методики пространственно-временного анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий и сооружений для повышения надежности оценки технического состояния объектов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать методы пространственного анализа и ЗБ-моделирования деформационных процессов с применением ГИС-технологий;

2) разработать методику пространственно-временного анализа деформаций фундаментов зданий и сооружений по геодезическим наблюдениям с применением цифровых моделей осадок;

3) установить принципы вариограммного и ковариационного анализа для получения интерполяционных поверхностей по результатам геодезических наблюдений за осадками оснований зданий и сооружений;

4) разработать структуру банка геопространственных данных для унифицированного хранения геодезических наблюдений за деформациями и вычисления математических характеристик осадок.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются цифровые модели осадок инженерных сооружений, предметом - методика анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями основания зданий и сооружений.

Информационная н методологическая база исследований. В основу исследования положены современные информационные и геоинформационные системы и технологии (ГИС), математический аппарат 3D-моделирования, теории матриц, метод наименьших квадратов, математическая статистика и теория геостатистического анализа. При этом использовались современные измерительные средства (цифровые нивелиры, штриховые рейки) и программные комплексы (ArcGIS, CREDO и др.).

В качестве исходных данных для моделирования использовались результаты геодезических наблюдений на строительной площадке по улице Орджоникидзе, 38 в г. Новосибирске (с участием автора), а также материалы наблюдения за осадкой здания Московского государственного университета, главного корпуса Барнаульской ТЭЦ-2 и здания 401 Ленинградской АЭС (заимствованные из научно-технических отчетов).

Теоретические основы исследований в области пространственно-временного анализа результатов геодезических наблюдений представлены в научных трудах Брайта П.И., Гуляева Ю.П., Панкрушина В.К., Гитиса В.Г., Маркузе Ю.И., Журкина И.Г., Новака В.Е., Матерона Ж., Cressie'a N„ Stein'a M.L., Goldber-ger'a A.S. и др. Весомый вклад в сферу геодезического мониторинга деформаций фундаментов внесли Жуков Б.Н., Уставич Г.А., Колмогоров В.Г., Асташен-ков Г.Г., Ганьшин В.И., Федосеев Ю.Е. и др. Значительный вклад в развитие автоматизации геодезических методов измерений внесли Ямбаев Х.К., Клю-шин Е.Б., Васютинский И.Ю., Зацаринный A.B.

Научная новизна выполненной работы состоит в следующем:

• разработана методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений с построением цифровых моделей осадок;

• разработан комплексный метод цифрового моделирования и анализа результатов геодезических наблюдений за осадками с учетом коэффициента водо-насыщения и плотности грунтов;

• предложена структура банка геопространственных данных для автоматизированной обработки результатов геодезических наблюдений и анализа деформационных процессов фундаментов зданий и сооружений.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке:

- методики анализа результатов геодезического мониторинга деформационных процессов фундаментов зданий с учетом параметров грунтов;

- алгоритма оценки точности интерполяционных поверхностей для цифровых моделей осадок инженерных сооружений;

- трехмерного моделирования осадок фундаментов сооружений на основе пространственных методов анализа с применением экспоненциальной модели вариограммы.

Практическая значимость работы заключается в повышении точности модели деформации за счет выбора параметров функции построения интерполяционной поверхности, детализации пространственного анализа осадок фундаментов инженерных сооружений, кроме того, в разработке цифровых моделей осадок для решения инженерных задач, а именно: для более полного анализа результатов наблюдений за осадками; моделирования интерполяционных поверхностей; вычисления значений осадок недоступных или утерянных марок; анализа деформаций объектов, расположенных на больших территориях, и др.

На защиту выносятся следующие научные положения:

• методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений с применением цифрового моделирования осадок;

• структура банка геопространственных данных для анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями;

• цифровые модели осадок, позволяющие расширить возможности анализа состояния фундаментов с учетом многофакторного и статистического моделирования.

Основные результаты исследования. Основными результатами, полученными в данной работе, являются:

• методика пространственно-временного анализа осадок фундаментов инженерных сооружений с применением кригинг методов интерполяции;

• методика оценки точности построенных интерполяционных моделей осадок;

• цифровые модели осадок, позволяющие расширить возможности анализа деформационных процессов за счет:

- использования параметров вариограммного анализа, позволяющего установить адекватную цифровую модель осадок;

- карты распределения ошибок интерполяции, характеризующей качество построенной модели;

- взаимной и перекрестной проверки достоверности полученных цифровых моделей осадок с учетом многовариантной оценки.

Реализация и апробация результатов работы. Основные положения и выполненные экспериментальные исследования получены по результатам реальных наблюдений деформаций здания в г. Новосибирске (Орджоникидзе, 38). Наблюдения за деформациями фундаментов проводились с декабря 2006 г. по декабрь 2008 г., при непосредственном участии автора диссертации. Результаты исследований внедрены: в производственный процесс строительной организации ООО «Эргоном»; в учебный процесс кафедры инженерной геодезии и информационных систем СГГА.

Основные теоретические и практические положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конгрессах ГЕО-Сибирь в период 2006-2009 гг.

Полученные автором результаты могут найти применение в инженерно-геодезической практике при строительстве и эксплуатации зданий и решении научио-технических задач, связанных с анализом геодезических наблюдений за деформациями фундаментов инженерных сооружений.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 опубликованных работах, в том числе одна из них опубликована в ведущем рецензируемом журнале «Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка» - в издании, входящем в перечень изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников (107 наименований), включает 42 рисунка, 10 таблиц и 8 приложений. Общий объем работы составляет 159 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны особенности решаемой задачи, ее актуальность, поставлена цель работы и показана научная новизна исследования.

В первом разделе «Принципы пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений на основе ГИС-технологий» предложена новая методика построения цифровых моделей осадок для пространственно-временного анализа деформационных процессов, приведены возможности современных технологий для построения цифровых моделей осадок с помощью ГИС-технологий, разработана концепция банка геопространственных данных.

Изложению вопросов теории и моделирования геопространственных данных посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов.

Нами под термином «геопространственные данные результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов» понимаются пространственно-временные координаты осадочных марок, полученные в результате математической обработки геодезического мониторинга фундаментов сооружений, предназначенные для моделирования и пространственного анализа деформаций на основе ГИС-технологий.

Таким образом, пространственно-временной анализ результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов сооружений основан на определении пространственной изменчивости всей площади фундамента сооружения во времени. При этом используются математические функции, отражающие плановое и высотное положение фундамента сооружения для получения характеристик, свойств и направления деформационного процесса.

В разное время работы по моделированию деформаций оснований зданий и сооружений выполнялись на различном технологическом и методологическом уровне. Использование ГИС-технологий для трехмерного моделирования

деформаций фундаментов зданий обеспечивает переход на качественно новый уровень решения инженерно-геодезических задач. .

Трехмерная цифровая модель осадок фундаментов вместе со средствами информационного моделирования позволяет объединить всю доступную информацию об изучаемом процессе деформации. Решение данных задач возможно с применением ГИС-технологий, которые позволяют автоматизировать процесс обработки геодезических данных для построения пространственных цифровых моделей осадок.

Применение трехмерного моделирования и ГИС-технологий для анализа деформационных процессов позволяет отображать динамику протекания процесса, повысить уровень наглядности анализа геодезического мониторинга осадок и ускорить подготовку комплекса материалов по состоянию фундамента инженерного сооружения для принятия обоснованных решений.

Возможность совмещать разнородные данные в рамках единого информационного пространства (одной модели) позволяет выполнить детальный анализ неравномерности осадок фундаментов инженерных сооружений. Это, в свою очередь, приводит к цельному пониманию картины исследуемого деформационного процесса.

Построение и усовершенствование такого рода моделей позволит понять внутреннее строение изучаемого деформационного процесса, определить причины и проследить последствия его развития. Главное отличие создаваемых моделей от прежних заключается в том, что они строятся не только по результатам геодезических измерений, но и с учетом параметров грунтов, влияющих на деформационный процесс.

В связи с этим, построение модели для пространственно-временного анализа деформаций фундаментов предлагается выполнять итеративно. Система методов пространственно-временного анализа обеспечивает комплексную оценку статики, динамики и прогноза развития в виде его пространственно-временных моделей, отображаемых в цифровом формате. Для решения задачи анализа следует многократно выполнять обработку данных, проверять ряд альтернативных гипотез и оценивать полученные результаты. Поскольку в процессе решения могут вводиться новые геодезические наблюдения, то в результате итераций старые версии решения модифицируются и уточняются. Общая схема методики построения цифровых моделей для пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений представлена на рисунке 1.

Повысить эффективность пространственно-временного анализа возможно с помощью унифицированного хранения всей имеющейся информации по результатам геодезического мониторинга деформаций фундаментов зданий. Такую возможность обеспечивает банк геопространственных данных, в котором содержится актуальная информация по деформационному процессу фундаментов.

В банке данных накапливается информация об объекте исследования: контрольные марки, геоморфологическое строение грунтов, коммуникации здания, геодинамическая активность.

Рисунок 1 - Схема методики построения цифровых моделей деформаций фундаментов инженерных сооружений

Технологическая схема создания банка геопространственных данных приведена на рисунке 2.

Атрибутами информационного объекта в базе данных являются его название и другие параметры. Например, контрольная марка фундамента, кроме названия, а также идентификатора (ГО), имеет координаты и дату измерений.

Взаимосвязи и отношения между данными представляют инфологическую модель банка данных. На рисунке 3 представлена инфологическая модель банка данных для пространственно-временного анализа деформаций фундаментов зданий. Инфологическая модель банка данных создана для представления связи таблиц данных в единую структуру.

ЯШ

Гевдсншеские наблюдения .и деформацией *

' - '__-.....""

Передача данных —Представление

ш.

ми

информации в цифровом виде

Переда« данных : I в СУБД |

Принятие решения

Разработка интерфейса банка данных

Разработка ннфоЛогичгекой модели банка данных

•, Разработка структур <5<» данных ' -

... НИН .'

Разработка запросов и форм . |> > - оч ;

Рисунок 2 - Технологическая схема создания банка данных для анализа деформационных процессов

Рисунок 3 - Инфологическая модель банка данных

Таким образом, в первом разделе диссертации предложена методика пространственно-временного анализа деформаций, которая позволяет по геодезическим наблюдениям и параметрам грунтов оценивать особенности поведения деформационного процесса в трехмерном пространстве.

Методика цифрового трехмерного моделирования деформационных процессов на основе ГИС-технологий, с одной стороны, позволяет получать трехмерную модель осадок, с другой стороны, обладает всеми преимуществами электронной базы данных с возможностями создания различных запросов и проведения вычислений.

Второй раздел «Совершенствование обработки результатов геодезического мониторинга деформаций фундаментов зданий и сооружений на основе ГИС-технологий» посвящен обработке результатов наблюдений за осадками инженерных сооружений с применением ГИС-приложений. На основании банка геопространственных данных получены основные математические характеристики вертикальной составляющей деформации фундаментов.

Данные, накапливаемые о реальных объектах и событиях нашего мира, содержат так называемую «пространственную» составляющую. Пространственный аспект в информации имеют и результаты геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий и сооружений.

Данные геодезических наблюдений за деформациями фундаментов могут быть организованы в ГИС с использованием таблиц системы управления базами данными (СУБД).

Для повышения точности и надежности проведения пространственно-временного анализа необходимо методическое обеспечение процессов сбора, анализа, контроля и соблюдение принципа единства технологического процесса геодезического мониторинга.

Использование банка геопространственных данных позволяет в реальном времени отражать динамику деформационных процессов и оперативно получать математические характеристики, отражающие плановое и высотное состояние фундамента инженерного сооружения. Банк геопространственных данных наблюдений за деформациями состоит из баз геоданных, определенных инфологической моделью (см. рисунок 3).

Таким образом, банк геопространственных данных должен обеспечивать унифицированное хранение пространственных и описательных данных в СУБД, без использования дополнительных программных средств.

В течение времени накапливается дискретный набор данных по циклам наблюдений, который может быть аккумулирован в единый набор. Набор геодезических данных представляет комплексную базу данных наблюдений за деформациями фундаментов. Он может управляться в базе данных как интегрированный слой вместе с традиционными ГИС-слоями. Общая схема организации геодезических данных для пространственно-временного анализа деформационных процессов представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема организации геодезических данных для пространственно-временного анализа деформационных процессов

Набор геодезических данных по наблюдениям за деформациями фундаментов представляет комплекс измерений, вычислений и семантической ин-10

формации для контрольных марок. Он позволяет использовать марки для контроля геометрии пространственных объектов в пределах всей площади основания здания.

В настоящее время возможностями хранения, обработки и анализа результатов наблюдений за деформациями фундаментов инженерных сооружений на основе банка данных обладает ряд программных продуктов, например, Caddy, RGS, Фундамент.

Основные возможности программ сводятся к расчету различных параметров, характеризующих деформационный процесс. Главный недостаток таких программ - отсутствие возможностей геопространственного анализа данных.

В данной работе анализируются возможности и методы обработки результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий с применением ГИС-технологий. В результате предлагается новая схема автоматизированной обработки наблюдений за деформациями фундаментов зданий.

Принципиальная схема автоматизированной обработки и интерпретации геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий на основе ГИС-технологий приведена на рисунке 5.

Преимуществом предложенной схемы является то, что вычисления проводятся непосредственно в среде ГИС. После обработки полученные данные уже структурированы в формате, удобном для дальнейшего пространственно-временного анализа.

Таким образом, во втором разделе диссертации предложена схема автоматизированной обработки результатов наблюдений за деформациями фундаментов инженерных сооружений.

Предлагается создание пространственных моделей осадок для анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений с применением геоинформационных систем и технологий.

Исследования, выполненные в процессе обработки результатов наблюдений за осадками, показали, что имеются существенные зависимости между уравненными отметками марок фундамента. Уравненные значения отметок осадочных марок, а также сами значения осадок фундаментов являются пространственно коррелированными величинами. Поэтому к таким результатам можно применить различные методы пространственного анализа и моделирования на основе геостатистических методов интерполяции.

Третий раздел «Методика построения пространственно-временного анализа осадок фундаментов с применением геостатистических методов интерполяции» посвящен созданию методических основ для анализа результатов геодезического мониторинга фундаментов зданий и сооружений на основе пространственной интерполяции.

Задача пространственно-временного геостатистического анализа, ввиду многочисленности неуправляемых и слабо предсказуемых внешних факторов, является наиболее сложной в геодезии.

Рисунок 5 - Схема автоматизированной обработки и интерпретации геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий на основе ГИС-технологий

Нами предлагается под термином «геостатистический анализ деформаций фундаментов» понимать пространственно-временной анализ деформаций фундаментов сооружений, основанный на использовании статистических свойств вычисленных осадок марок и определении количественно пространственной автокорреляции переменных в пределах площади основания, где идентификация каждого конкретного местоположения невозможна.

Предложена следующая схема пространственно-временного анализа деформаций фундаментов: 12

1) статистический анализ изменчивости пространственной функции (ва-риограммный или ковариационный анализ);

2) вычисление квазиоптимальных параметров модели вариограммы способом кригинга.

Кригинг использует модели:

¿¿З) = Ц| + £1(5),

22<»=Ц2+Е2(.5), (1)

где Z|(s), Ъ^ь) - значения, которые вычисляется для местоположения в;

и ц2 - неизвестные константы, эквивалентные среднему значению

данных;

£1(5) и е2(л') - случайные ошибки.

Функции вариограмм измеряют силу статистической корреляции от расстояния. Учет корреляционной зависимости между параметрами грунтов и значениями осадок марок фундамента позволил выбрать более точную и адекватную модель развития осадки фундамента.

Чтобы ускорить вычисление значений вариограммы, расстояния между всеми парами марок группируются в интервальные группы. Весь диапазон расстояний разбивается на ряд равных интервалов до максимального значения расстояния между марками. Для каждой пары контрольных марок вычисляются расстояние и квадрат разности функции вариограммы. Эта пара точек включается в соответствующий интервал расстояний и для каждого из них накапливается общая дисперсия. После обработки всех пар марок фундамента для каждого интервала расстояний подсчитавается средняя дисперсия, представляющая среднее различие между осадками в двух любых марках, находящихся на расстоянии ^ друг от друга.

Известно, что вариограмма определяется как

= ^ (2)

где уаг- разница между значениями осадки в местоположении марок ¡' и у.

Как отмечалось, функции вариограмм и ковариации помогают определить степень статистической корреляции марок в зависимости от расстояния между ними.

Общая формула для интерполяции на основе кригинг метода следующая:

ВД = ¿/»2(5,), (3)

/■1

где 2(50) - значение, которое вычисляется для местоположения ¿о;

N - количество контрольных марок, влияющих на место вычисления ячейки интерполяционной поверхности;

Р1 - вес отметки осадочной марки;

2(5,) - вычисленное значение осадки марки в местоположении 5,-.

Формула, определяющая веса, следующая:

d~k и í=i

Поскольку расстояния могут быть большими, веса уменьшают параметром к.

В формуле (4) d¡o - расстояние между местом вычисления и каждым из измеренных пунктов S,.

Веса минимизируются по методу наименьших квадратов:

(5)

где 00(х„у,) ~ значение полиномиала.

Таким образом, вариограммный и ковариационный анализ облегчает и повышает эффективность процедуры подбора параметров модели, включая моделирование ошибок цифровой модели осадок.

В данной работе рассматриваются вопросы построения адекватных интерполяционных поверхностей для пространственно-временного анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов. Технологическая схема пространственно-временного анализа деформаций фундаментов зданий на основе пространственной интерполяции приведена на рисунке 6.

В данной схеме взаимную проверку адекватности цифровой модели осадки (ЦМО) предлагается выполнять следующим образом: взять значение осадки одной марки и затем вычислить связанное с ним значение поверхности согласно модели вариограммы. При этом используются данные значения осадок в оставшихся марках. Для всех марок взаимная проверка достоверности представляет сравнение измеренных и вычисленных значений осадок. После завершения взаимной (перекрестной) проверки некоторые параметры вариограммы могут быть признаны непригодными, что потребует нового подбора модели.

При проверке достоверности ЦМО используется часть данных для оценки модели вариограммы, применяемой в интерполяции. Затем результаты интерполяции по маркам с вычисленными значениями осадок сравниваются с данными реальных измерений.

Таким образом, возможность сравнить вычисленное значение и уравненное позволяет повысить точность ЦМО.

При моделировании на основе кригинг методов присутствует ошибка интерполяции исходных данных, которая определяется по формуле:

<rl=<rL+<rLv.- (6)

Ошибка интерполяции цифровых моделей осадок определяется в соответствии с зависимостью:

<„, = (7)

где Y(d¡j) ~ вариация изменения осадки между соседними марками, разделенными расстоянием d. 14

Рисунок 6 - Общая технологическая схема пространственно-временного анализа деформаций фундаментов зданий на основе геостатистических методов интерполяции

Преимуществом предложенной методики пространственно-временного анализа деформаций фундаментов является то, что полученная цифровая модель осадок построена при условии оптимального поля или карты распределения ошибок интерполяции. Такая карта распределения ошибок интерполяции строится по значениям стандартных ошибок вычисленных значений или стандартной ошибке интерполированных значений.

Таким образом, в третьем разделе диссертации рассмотрены основные положения и принципы пространственно-временного анализа на основе геостатистических методов интерполяции применительно к результатам геодезического мониторинга фундаментов инженерных сооружений.

Впервые предложено использовать геостатистические методы в теории и практике инженерной геодезии для совершенствования пространственно-временного анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов.

Использование геостатистических методов интерполяции позволяет наглядно представить в графическом растровом и векторном форматах данные, выражающие пространственно-временное состояние фундаментов инженерных сооружений. Кроме того, эти методы позволяют выполнить детальный анализ количественных и качественных характеристик осадок фундаментов инженерных сооружений.

Вместе с тем, геостатистические методы анализа могут найти применение в прогнозировании осадок инженерных сооружений.

В четвертом разделе «Применение геостатистических методов интерполяции для исследования деформаций фундаментов» приводится решение задач, возникающих при анализе и моделировании результатов наблюдений за деформациями фундаментов на основе цифровой модели осадок и геостатистических методов интерполяции. Результаты, полученные в разделе, апробированы на реальном объекте в г. Новосибирске.

Объектом наблюдения в диссертации является десятиэтажное здание, расположенное на улице Орджоникидзе в г. Новосибирске. Каркас данного здания металлический, стены навесные, перекрытия сборные. Кроме того, объект находится на склоне реки Каменка, то есть в непосредственной близости от нее.

Основные результаты геодезических наблюдений для здания по ул. Орджоникидзе были введены в банк данных. С помощью структурированных запросов к банку данных рассчитаны математические характеристики вертикальной составляющей деформации фундамента.

В таблице 1 представлены вычисленные значения математических характеристик деформации фундамента данного здания.

В таблице 1: — пространственная жесткость; Б^) - оценка дисперсии; М5(0 - оценка математического ожидания; М0 - оценка моды; ЩО - коэффициент вариации.

По результатам анализа следует отметить:

- значения коэффициента вариации £//()> начиная с 14-го цикла, практически стабилизировались в пределах от 0,50 до 0,55, что характеризует устойчивое состояние инженерного сооружения; 16

- математическое ожидание средней осадки Мначиная с 14-го цикла, практически стабилизировалось в пределах от 0,20 до 0,36, что позволяет предполагать стабилизацию общей осадки фундаментов;

Таблица 1 - Математические характеристики деформации фундамента здания

Номер цикла Дата цикла наблюдений Ср. аб. осад (мм) Fd D,(t) cs(t) М0 M,(t)

1 январь 2007 г -1,30 0,44 0,0036 0,06 -1,20 -0,12 -0,55

2 февраль 2007 г -4,18 0,54 0,14 0,38 -4,40 -0,71 -0,54

3 март 2007 г. -2,21 0,41 0,12 0,33 -1,70 -0,64 -0,50

4 апрель 2007 г. -3,16 0,45 0,20 0,44 -3,60 -0,94 -0,47

5 май 2007 г. -2,19 0,06 2,20 1,43 -3,40 -1,62 -0,58

6 июнь 2007 г. -3,30 0,17 ' 0,27 0,52 -2,80 -0,92 -0,63

7 июль 2007 г. -2,53 0,18 1,98 1,41 -3,30 -0,70 -0,55

S август 2007 г. -4,33 0,15 2,25 1,50 -4,20 -2,30 -0,64

9 сентябрь 2007 г. -3,74 0,16 1,98 1,41 -5,10 -1,58 -0,59

10 октябрь 2007 г. -6,81 0,42 1,95 1,47 -7,70 -1,62 -0,50

И ноябрь 2007 г. -4,56 0,31 1,51 1,23 -5,40 -1,72 -0,51

12 февраль 2008 г. -4,07 0,16 2,31 1,53 -4,40 -3,80 -0,50

13 март 2008 г. -5,80 0,39 2,41 1,58 -6,80 -4,17 -0,42

14 май 2008 г. -6,68 0,43 1,44 1,20 -5,70 -2,44 -0,51

15 июль 2008 г. -6,11 0,33 1,35 lf16 -7,90 -2,20 -0,53

16 сентябрь 2008 г. -6,64 0,36 2,98 1,72 -8,90 -3,20 -0,54

17 ноябрь 2008 г. -7,81 0,41 3,35 1,83 -9,40 -3,66 -0,50

Таким образом, по результатам геодезических наблюдений за осадкой можно сделать вывод: начиная с 14-го цикла, происходит стабилизация математических характеристик осадок основания, что может свидетельствовать о затухании давления под подошвой фундамента сооружения.

Современные возможности геоинформационных технологий позволяют создавать интерполяционные поверхности, которые статистически представляют результаты измерений, и оценивать качество проведенного анализа.

Под термином «цифровая модель осадки» следует понимать форму представления пространственного состояния фундамента сооружения на основе математических функций, которые наиболее адекватно и в полном объеме отражают плановое и высотное положение всей площади основания, пригодную для универсального пользования.

Для анализа и подбора модели интерполяции использовались результаты первого года наблюдений за осадкой инженерного сооружения и лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов на площадке строительства.

На рисунке 7 приведена цифровая модель интерполяции осадок фундамента, построенная с помощью кригинг метода и экспоненциальной функции ва-риограммы для 12-го цикла наблюдений.

Легенда

я (мм.;

| макс-4,5

Рисунок 7 - Цифровая модель интерполяции осадок фундаментов инженерного сооружения (экспоненциальная модель)

Осадочная марка

Для более полного анализа моделей вариограмм была построена карта ошибок интерполяции, представленная на рисунке 8.

Рисунок 8 - Цифровая модель ошибок интерполяции осадок фундаментов инженерных сооружений (экспоненциальная модель)

Осадочная

марка

0,29 0,29 —0,29 "0,29 —0,Э0 — 0,3 —0,3 —0,31 —0,32

Изолинии ,

(мм)

В результате анализа моделей вариограммы, полученных с помощью кри-гинг метода, установлено, что при данных значениях осадок минимальная средняя квадратическая ошибка интерполяции, равная 0,71 мм, получена для экспоненциальной функции вариограммы.

Карта на рисунке 8 позволяет графически представить распределение ошибки ЦМО по площади фундамента инженерного сооружения.

В результате анализа пространственных функций вариограмм получено, что наиболее подходящей для моделирования осадок фундаментов является экспоненциальная, так как она в большей мере отражает пространственную корреляцию между исходными данными. Это подразумевает приближение функции к указанному числу марок или всех марок в пределах установленного радиуса поиска, чтобы определить значения для каждой точки интерполируемой поверхности.

Одним из аспектов пространственно-временного анализа состояния деформации является определение крена фундамента. С применением современных ГИС-технологий можно в короткое время и с достаточной степенью точности найти направление крена фундамента сооружения.

Одним из инструментов для пространственного анализа может являться система АгсОК и методы, основанные на геостатистической интерполяции и тренд анализе геопросгранственных данных.

Принципиальная схема определения крена фундамента с помощью тревд-анализа изображена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Схема определения крена фундамента с помощью тренд анализа

Инструмент тренд анализа обеспечивает трехмерную перспективу данных. Каждая вертикальная линия (по оси 7) представляет местоположение и значение абсолютной или относительной осадки каждой марки. Осадочные марки проектируются на две плоскости ОХ2 и ОН. Аппроксимационная линия (по-линомиал) проходит через проектируемые пункты и моделирует направление крена. Это вариант бокового представления пространственных данных для определения направления крена фундамента.

На рисунке 10 приведена модель крена фундамента, построенная с помощью тренд-анализа для 12-го цикла наблюдений. ■ ,.

Направление крена фунда^ мента по осям

Осадочная марка

Рисунок 10 - Модель крена фундамента инженерного сооружения для 12-го цикла

Таким образом, использование ГИС-технологий ускоряет процесс анализа деформаций для определения крена фундамента. Методика, основанная на применении тренд-анализа, позволяет по новому интерпретировать определение крена фундамента за счет повышения информационной емкости, трехмерной визуализации, предоставления более полных данных об анализируемой информации и наглядном представлении всей площади фундамента.

Для выполнения экспериментальных исследований и проверки алгоритмов интерполяции построены цифровые модели осадки для 12-го цикла наблюдений инженерного сооружения на основе IDW, TIN, Spline, Natural Neigherbour и кригинг методов.

На рисунке 11 приведена цифровая модель интерполяции осадок фундамента, построенная с помощью IDW метода для 12-го цикла наблюдений.

Таким образом, в четвертом разделе диссертации представлено решение задач с помощью пространственных методов интерполяции. Установленная модель вариограммы и ковариации применительно к анализу осадок фундаментов реального инженерного сооружения может быть использована и для других зданий. В данном случае, интерполяционные поверхности цифровых моделей распределения осадки, получаемые с учетом корреляции, создаются со средней квадратической ошибкой 0,7 мм.

Осадочная

Рисунок 11 - Цифровая модель интерполяции осадок фундаментов инженерного сооружения для 12-го цикла (ГО\У)

Впервые получены ЦМО на основе геостатистических методов интерполяции.

Результаты, полученные в четвертом разделе, предоставляют статистически достоверную информацию о состоянии фундаментов сооружений и в дальнейшем могут быть использованы при решении других задач, связанных с моделированием и анализом деформаций и осадок исследуемых объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе исследований, выполненных автором диссертации, получены следующие результаты.

1. Разработана методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений, которая позволяет по геодезическим наблюдениям и параметрам грунтов оценивать особенности поведения деформационного процесса в трехмерном пространстве, связанного с неоднородностью осадки фундамента.

2. Предложены архитектура и структура банка геопространственных данных, система запросов и отчетов, обеспечивающие пространственно-временной анализ для принятия инженерных решений и оценки технического состояния фундаментов зданий и сооружений. В созданном банке данных размещены результаты геодезического мониторинга деформаций фундаментов, полученные при непосредственном участии автора диссертационных исследований.

3. Разработана и апробирована методика пространственно-временного анализа осадок фундаментов инженерных сооружений с применением пространственных методов интерполяции. При этом установлено, что применение геостатистических методов анализа имеет преимущества за счет наглядной визуализации и расширенной интерпретации геопространственных данных.

4. Выполнен анализ основных функций вариограмм и ковариации и подбор адекватной модели для интерполяции результатов геодезических наблюдений за осадкой фундаментов инженерного сооружения."Для данного сооружения получена цифровая модель осадок на основе экспоненциальной модели варио-граммы с учетом параметров грунтов, карты распределения ошибок интерполяции и взаимной и перекрестной проверки, со средней квадратической ошибкой 0,7 мм. Установленная модель вариограммы и ковариации, применительно к анализу осадок фундаментов реального инженерного сооружения, может быть использована и при анализе деформаций промышленных объектов.

5. На основе разработанной методики цифрового моделирования деформаций и тренд-анализа геодезических данных выполнено определение направления крена фундамента. Данная методика, основанная на применении тренд-анализа, позволяет по-новому интерпретировать определение крена фундамента за счет повышения информационной емкости, трехмерной визуализации и наглядного представления всей площади фундамента.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Басаргин, A.A. Пространственный анализ наблюдений за осадками фундамента строящегося здания [Текст] / A.A. Басаргин // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2009. - № 3. - С. 17-21.

2 Басаргин, A.A. Исследование методов интерполяции поверхности при построении модели рельефа [Текст] / A.A. Басаргин // Сборник науч. тр. аспирантов и молодых ученых. - Новосибирск: СГГА, 2006. - Вып. 3. - С. 33-36.

3 Басаргин, A.A. Анализ методов построения цифровой модели рельефа на примере Ленинского района г. Новосибирска [Текст] / A.A. Басаргин // Сборник материалов междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2006». Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Ч. 1. - Новосибирск: СГГА, 206.-С. 219-222.

4 Басаргин, A.A. Геостатистический анализ результатов наблюдения за осадками фундамента инженерного сооружения [Текст] / A.A. Басаргин // Сборник материалов III междунар. науч. конгр. «ГЕО-Скбирь-2007л. Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Ч. 1. - Новосибирск: СГГА, 2007.-С. 290-292.

5 Басаргин, A.A. Анализ геостатисических методов обработки результатов наблюдений за осадками инженерных сооружений [Текст] / A.A. Басаргин // Сборник материалов IV междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2008». Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Ч. 2. - Новосибирск: СГГА, 2008.-С. 231-235.

6 Басаргин, A.A. Применение геостатистических методов для вычисления осадки утерянной марки [Текст] / A.A. Басаргин // Сборник материалов V меж-дунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009». Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Ч. 1. - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 220-223.

7 Басаргин, A.A. Выбор оптимальной модели вариограммы для интерполяции результатов наблюдений за осадкой фундаментов инженерного сооружения [Текст] / A.A. Басаргин // Сборник материалов междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009». Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. 4.1. - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 223-226.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Басаргин, Андрей Александрович

Введение.

1 Принципы пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений на основе ГИС-технологий.

1.1 Задачи пространственно-временного анализа геопространственных данных.

1.2 Комплексный подход к пространственно-временному анализу геодезических наблюдений на основе геостатистической интерполяции

1.3 Методика построения цифровых моделей для пространственно-временного анализа деформационных процессов.

1.4Современные аспекты трехмерного цифрового моделирования осадок и деформаций фундаментов инженерных сооружений по геодезическим данным.

1.5 ГИС-технологии для трехмерного моделирования результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий

1.6 Концепция банка данных для пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений.

2 Совершенствование обработки результатов геодезического мониторинга деформаций фундаментов зданий и сооружений на основе ГИС-технологий.

2.1 Анализ требований к базе геоданных результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий.

2.2 Организация геодезических данных в базе геоданных для пространственно-временного анализа деформационных процессов.

2.3 Визуализация геодезических наблюдений для пространственно-временного анализа деформационных процессов.

2.4 Построение модели пространственных координат контрольных марок для фундамента здания.

2.5 Автоматизированная обработка геодезических данных в базе геоданных.

2.6 Анализ основных математических характеристик вертикальной составляющей деформации фундаментов.

3 Методика построения пространственно-временного анализа осадок фундаментов с применением геостатистических методов интерполяции

3.1 Области применения и принципы геостатистики.

3.2 Принцип геостатистического пространственно-временного анализа

3.3 Основные методы интерполяции геопространственных данных.

3.3.1 Детерминированные методы интерполяции данных.

3.3.2 Геостатистические методы интерполяции данных.

3.4 Вариограммный и ковариационный анализ.

3.5 Взаимная (перекрестная) проверка, проверка достоверности и моделирование ошибок геостатистической интерполяции.

4 Применение геостатистических методов интерполяции для исследования деформаций фундаментов.

4.1 Расчет математических характеристик вертикальной составляющей деформации фундамента на основе банка данных.

4.2 Выбор оптимальной модели вариограммы для интерполяции результатов наблюдений за осадкой фундаментов инженерного сооружения.

4.3 Применение геостатистических методов для вычисления осадки недоступной марки.

4.4 Влияние оптимального радиуса поиска на интерполяционную поверхность.

4.5 Определение крена плиты фундамента инженерного сооружения с применением тренд-анализа.

4.6 Анализ деформационных процессов здания МГУ на основе геостатистических методов.

4.7 Сравнение моделей, построенных разными алгоритмами интерполяции

4.8 Анализ деформаций фундаментов главного корпуса Барнаульской ТЭЦ-2 с применением геостатистических методов.

4.9 Анализ деформаций фундаментов здания 401 и вентиляционной трубы 422 Ленинградской АЭС с применением геостатистических методов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики пространственного моделирования деформаций и осадок фундаментов зданий и сооружений по результатам геодезических измерений"

Одной из наиболее интересных тенденций в области геодезии и геоинформатики является вопрос внедрения геоинформационных систем и технологий в производственную деятельность человека.

Важность и актуальность этого вопроса обусловлена тем, что геоинформационные системы и технологии, позволяющие создавать, хранить, анализировать, перерабатывать и предоставлять потребителю пространственно распределенную информацию, являются важнейшей и интенсивно развивающейся составляющей жизни современного общества.

Внедрение в современную науку и производство методов моделирования и анализа геодезических данных является немаловажным фактором успешного экономического развития и конкурентоспособности территорий.

Жизнедеятельность города оказывает существенное влияние на строящиеся и уже построенные здания и сооружения, приводит к возникновению дополнительных негативных воздействий природно-техногенного характера (ускоренная коррозия, техногенная динамика, ухудшение свойств,грунтов). Для принятия эффективных решений по снижению уровня опасности проживания населения на территориях, подверженных воздействиям природно-техногенных факторов, необходима достоверная информация о реальном деформационном состоянии (остаточном ресурсе) зданий и сооружений, построенных в этих регионах. Такую информацию обеспечивают мониторинг технического состояния сооружений и пространственный анализ результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий.

На сегодняшний день задачи геодезического мониторинга объектов и пространственный анализ деформаций являются наиболее сложными в геодезической отрасли, поскольку они требуют достижения максимальной точности измерений, автоматизации самого процесса наблюдений, максимальной надежности используемых приборов и наличия чрезвычайно гибких инструментов обработки и анализа данных.

Применение пространственных методов интерполяции для результатов геодезического мониторинга сооружений позволяет упростить процессы планирования, контроля и принятия решений.

Теоретические основы исследований в области пространственно-временного анализа результатов геодезических наблюдений представлены в научных трудах Брайта П.И., Гуляева Ю.П., Панкрушина В.К., Гитиса В.Г., Мар-кузе Ю.И., Журкина И.Г., Новака В.Е., Матерона Ж., Cressie'a N., Steirf а M.L., Goldberger'a A.S. и др. Весомый вклад в сферу геодезического мониторинга деформаций фундаментов внесли Жуков Б.Н., Уставич Г.А., Колмогоров В.Г., Асташенков Г.Г., Ганынин В.И., Федосеев Ю.Е. и др. Значительный вклад в развитие автоматизации геодезических методов измерений внесли Ямбаев Х.К., Клюшин Е.Б., Васютинский И.Ю., Зацаринный А.В.

Несмотря на то, что тема наблюдения за осадками инженерных сооружений достаточно освещена в современной геодезической литературе, все же остаются актуальными вопросы применения новых технологий для анализа и моделирования деформационных процессов.

Повысить эффективность пространственно-временного анализа возможно с помощью унифицированного хранения всей имеющейся информации по результатам геодезического мониторинга деформаций фундаментов зданий. Такую возможность обеспечивает банк геопространственных данных. В таком банке данных содержится вся актуальная информация по деформационному процессу основания здания. На основе запросов к банку данных можно выполнять пространственно-временной анализ с применением, так называемых геостатистических методов.

Области применения геостатистических методов весьма разнообразны. Они получили широкое применение в геологии, маркшейдерии, картографии при решении таких пространственных задач, как создание карты распределения температур, оценка природных рисков и т. д. Однако такие методы в инженерно-геодезической практике почти не применялись.

В инженерно-геодезической практике целесообразно использовать пространственно-временной анализ для интерполяции результатов наблюдений за осадками инженерных сооружений и создания цифровых моделей поверхностей. На основе современной измерительной техники и ГИС-технологий можно ставить вычислительные задачи итеративного характера, то есть проверять ряд альтернативных гипотез и оценивать конечные результаты.

Геостатистические методы позволяют выявить более полную информацию о техническом состоянии фундаментов и здания в целом, а также определить области неравномерных осадок, построить цифровые модели осадки сооружения, кроме того, используя различные методы интерполяции, смоделировать ошибки модели.

Однако при использовании пространственных методов интерполяции для результатов мониторинга инженерных сооружений появляются некоторые вопросы. Возникают вопросы выбора программного обеспечения, которое позволило бы наиболее эффективно использовать геостатистические методы и выполнять интерполяцию относительных и абсолютных осадок.

Ежегодно возрастает число задач, связанных с обработкой и интерполяцией осадок инженерных сооружений на основе ЭВМ. При этом методы интерполяции и алгоритмы обработки постоянно совершенствуются. Важными на сегодня представляются также вопросы улучшения качества алгоритмов моделирования, построение цифровых моделей осадки сооружения, выбор модели, наиболее качественно описывающей результаты мониторинга осадок и моделирование ошибок моделей.

Все это явилось отправными пунктами для выбора темы настоящей диссертации, посвященной пространственно-временному анализу результатов геодезического мониторинга инженерных сооружений.

Одной из важных проблем является методологическое обеспечение процессов сбора, обработки, интерпретации и визуализации геоданных при наблюдениях за деформациями зданий и сооружений.

Вместе с тем, это относится и к созданию цифровых моделей осадок сооружений для решения инженерных задач и информационного обеспечения для принятия обоснованных решений. Кроме того, возникает проблема оценки точности проведенной интерполяции данных для анализа качества получаемых моделей.

Целью диссертационной работы является разработка методики пространственно-временного анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями фундаментов зданий и сооружений для повышения надежности оценки технического состояния объектов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать методы пространственного анализа и 3D моделирования деформационных процессов с применением ГИС-технологий;

2) разработать методику пространственно-временного анализа деформаций фундаментов зданий и сооружений по геодезическим наблюдениям с применением цифровых моделей осадок;

3) установить принципы вариограммного и ковариационного анализа для получения интерполяционных поверхностей по результатам геодезических наблюдений за осадками основания зданий и сооружений;

4) разработать структуру банка геопространственных данных для унифицированного хранения геодезических наблюдений за деформациями и вычисления математических характеристик осадок.

Научная новизна выполненной диссертационной работы состоит в следующем:

• разработана методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений с построением цифровых моделей осадок;

• разработан комплексный метод цифрового моделирования и анализа- результатов геодезических наблюдений за осадками с учетом коэффициента водо-насыщения и плотности грунтов;

• предложена структура банка геопространственных данных для автоматизированной обработки результатов геодезических наблюдений и анализа деформационных процессов фундаментов зданий и сооружений.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке: -методики анализа результатов геодезического мониторинга деформационных процессов фундаментов зданий с учетом параметров грунтов;

- алгоритма оценки точности интерполяционных поверхностей для цифровых моделей осадок инженерных сооружений;

-трехмерного моделирования осадок фундаментов сооружений на основё пространственных методов анализа с применением экспоненциальной модели вариограммы.

Практическая значимость работы заключается в повышении точности модели деформации за счет выбора параметров функции построения интерполяционной поверхности, детализации пространственного анализа осадок фундаментов инженерных сооружений. Кроме того, в разработке цифровых моделей осадок для решения инженерных задач, а именно: для более полного анализа результатов наблюдений за осадками; моделирования интерполяционных поверхностей; вычисления значений осадок недоступных или утерянных марок; анализа деформаций объектов, расположенных на больших территориях и др.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются цифровые модели осадок инженерных сооружений, предметом — методика анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями основания зданий и сооружений.

На защиту выносятся следующие положения:

• методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений с применением цифрового моделирования осадок;

• структура банка геопространственных данных для анализа результатов геодезических наблюдений за деформациями;

• цифровые модели осадок, позволяющие расширить возможности анализа состояния фундаментов с учетом много факторного и статистического моделирования.

В основу исследования вышеперечисленных вопросов положены теория и практика инженерной геодезии, современные информационные и геоинформационные системы и технологии, математический аппарат 3D моделирования, теории матриц, метод наименьших квадратов, математическая статистика и теория геостатистического анализа. При этом использовались современные геодезические измерительные средства и программно-технические комплексы. ■ Основное содержание диссертации изложено в четырех главах. В первой главе приведены возможности ГИС-технологий для построения цифровых моделей осадок, разработана концепция банка геопространственных данных, предложена новая методика построения цифровых моделей осадок для пространственно-временного анализа деформационных процессов.

Во второй главе, посвященной обработке результатов геодезических наблюдений за осадками инженерных сооружений с применением5 ГИС-приложений, приведены возможности автоматизированной компьютерной обработки и анализа геопространственных данных с помощью банка геоданных: На основе производственных материалов, сформированных в банке данных,' проанализированы основные математические характеристики вертикальной составляющей деформации фундаментов здания.

Третья глава содержит методику построения и анализа пространственно-временных геодезических данных для интерполяции деформационных процессов и принципы геостатистических методов моделирования, в инженерно-геодезической практике.

В четвертой главе приведено решение задач, возникающих при анализе и моделировании результатов наблюдений за деформациями фундаментов, на основе цифровой модели осадок и геостатистических методов интерполяции. Результаты, полученные в данной главе, апробированы автором на реальном объекте в г. Новосибирске.

Исследование задач, поставленных в настоящей работе, позволит осуществить дальнейшее развитие методов построения цифровых моделей осадок и решения инженерных задач в области изыскания, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Басаргин, Андрей Александрович

Основные результаты геодезических и геологических наблюдений у здания по ул. Орджоникидзе были заложены в банк данных. С помощью структурированных (SQL) запросов к банку данных рассчитаны математические характеристики вертикальной деформаций фундамента. Некоторые из запросов представлены в приложении 3.

В таблице 1 представлены вычисленные значения математических характеристик деформации фундамента данного здания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе были рассмотрены принципы пространственно-временного анализа осадок инженерных сооружений на основе современных информационных и геоинформационных систем и технологии.

На основе исследований, выполненных автором диссертации, получены следующие результаты:

1. Разработана методика пространственно-временного анализа деформаций фундаментов инженерных сооружений, которая позволяет по геодезическим наблюдениям и параметрам грунтов оценивать особенности поведения деформационного процесса в трехмерном пространстве, связанного с неоднородностью осадки фундамента.

2. Предложены архитектура и структура банка геопространственпых данных, система запросов и отчетов, обеспечивающие пространственно-временной анализ для принятия инженерных решений и оценки технического состояния фундаментов зданий и сооружений. В созданном банке данных размещены результаты геодезического мониторинга деформаций фундаментов, полученные при непосредственном участии автора диссертационных исследований.

3. Разработана и апробирована методика пространственно-временного анализа осадок фундамен гов инженерных сооружений с применением пространственных методов интерполяции. При этом установлено, что применение геостатистических методов анализа имеет преимущества за счет наглядной визуализации и расширенной интерпретации геопространственных данных.

4. Выполнен анализ основных функций вариограмм и ковариации и подбор адекватной модели для интерполяции результатов геодезических наблюдений

I 1 * за осадкой фундаментов инженерного сооружения. Для данного сооружения получена цифровая модель осадок на основе экспоненциальной модели вариограммы с учетом параметров грунтов, карты распределения ошибок интерполяции и взаимной и перекрестной проверки, со средней квадратической ошибкой 0,7 мм. Установленная модель вариограммы и ковариации, применительно к

123 анализу осадок фундаментов реального инженерного сооружения, может быть использована и при анализе'деформаций промышленных объектов.

5. На основе разработанной методики цифрового моделирования деформаций и тренд-анализа геодезических данных выполнено определение направления крена фундамента. Данная методика, основанная на применении тренд-анализа, позволяет по-новому интерпретировать определение крена фундамента за счет повышения информационной емкости, трехмерной визуализации и наглядном представлении всей площади фундамен та.

Сочетание математических характеристик осадки фундаментов и геостатистических методов анализа позволяет представить более полную и качественную картину пространственно-временного состояния, как фундаментов, так и самого сооружения в целом.

Основными результатами, полученными в данной работе, являются: • методика пространственно-временного анализа осадок фундаментов инженерных сооружений с применением крйгйнг методов интерполяции; методика оценки точности построенных интерполяционных моделей осадок; I цифровые модели осадок, позволяющие расширить возможности анализа деформационных процессов за счет:

- использования параметров вариограммного анализа, позволяющего установить адекватную цифровую модель осадок;

- карты распределения ошибок интерполяции, характеризующей качество построенной модели; взаимной и перекрестной проверки достоверности полученных цифровых моделей осадок с учетом многовариантной оценки. Результаты исследования, полученные в данной работе, апробированы и внедрены на реальном объекте, а также используются в учебном процессе СГГА. ! г ! i Полученные автором результаты могут найти применение в инженерногеодезической практике при строительстве и эксплуатации зданий и решении

124 научно-тсхничсских задач, связанных с анализом геодезических наблюдений за деформациями фундаментов инженерных сооружений.

Основные теоретические и практические положения данной диссертационной работы опубликованы и обсуждались на международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» в период 2006-2009 гг.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Басаргин, Андрей Александрович, Новосибирск

1. Андрукович, П.Ф. Применение метода главных компонент в практических исследованиях. М.: МГУ, 1973. - Вып. 36. - 124 с

2. Басаргин, А.А. Анализ методов построения цифровой модели рельефа на примере Ленинского района г. Новосибирска / А.А. Басаргин // ГЕО-Сибирь-2006: сб. материалов науч. конгр. Т. 1, ч. 1. Новосибирск: СГГА,2006.-С. 219-222.

3. Басаргин, А.А. Исследование методов интерполяции поверхности при построении модели рельефа / А.А. Басаргин // Сб. науч. тр. аспирантов и молодых ученых Сиб. гос. геодез. акад. Вып. 3 / Под общ. ред. Т.А. Широковой; СГГА. Новосибирск, 2006. - С. 33-36.

4. Басаргин, А.А. Геостатистический анализ результатов наблюдения за осадками фундамента инженерного сооружения / А.А. Басаргин // ГЕО-Сибирь-2007: сб. материалов науч. конгр. Т. 1, ч. 1. — Новосибирск: СГГА,2007. С. 290-292.

5. Басаргин, А.А. Анализ геостатисических методов обработки результатов наблюдений за осадками инженерных сооружений / А.А. Басаргин // ГЕО-Сибирь-2008: сб. материалов науч. конгр. Т. 1, ч. 2. -Новосибирск: СГГА, 2008. С. 231-235.

6. Басаргин, А.А. Применение геостатистических методов для вычисления осадки утерянной марки / А.А. Басаргин // ГЕО-Сибирь-2008: сб. материалов науч. конгр. Т. 1, ч. 1. Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 220-223.

7. Басаргин, А.А. Выбор оптимальной модели вариограммы для интерполяции результатов наблюдений за осадкой фундаментов инженерного сооружения / А.А. Басаргин // ГЕО-Сибирь-2009: сб. материалов науч. конгр. Т. 1, ч. 1. Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 223-226.

8. Басаргин, А.А. Пространственный анализ наблюдений за осадкамифундамента строящегося здания / А.А. Басаргин / Изв. вузов. Геодезия иаэрофотосъемка. 2009. - № 3. - С. 17-20.126

9. Большаков, В.Д. Уравнивание геодезических построений: справ, пособие / В.Д. Большаков, Ю.И. Маркузе, В.В. Голубев. М.: Недра, 1989. -413 с.

10. Брайт, П.И. Геодезические методы измерения деформаций оснований и сооружений / П.И. Брайт. М.: Недра, 1965. - 181 с.

11. Бугакова, Т.Ю. Изучение движений и деформаций по геодезическим данным / Т.Ю. Бугакова // Вестн. СГГА. 1997. - Вып. 2. - С. 100-103.

12. Бугакова, Т.Ю. Моделирование деформаций инженерных объектов по геодезическим данным / Т.Ю. Бугакова // Вестн. СГГА. 1998. - Вып. 3. - С. 15-17.

13. Бугакова, Т.Ю. Информационная система контроля состояний объектов по геодезическим данным / Т.Ю. Бугакова // ГЕО-СИБИРЬ-2005: сб. материалов научн. конгр. Т. 7. Исследования по общетехн. и гуманитар, проблемам-С. 110-113.

14. Бугакова, Т.Ю. Мониторинг состояния объектов методом фазового пространства // ГЕО-СИБИРЬ-2005 Исследования по общетехн. и гуманитар, проблемам: сб. материалов науч. конгр. Т. 7. - С. 189-193.

15. Бугакова, Т.Ю. Математическое моделирование эволюции объектов прикладной геодезии / Т.Ю. Бугакова, И.Г. Вовк // Геодезия и картография. -1999. № 12.-С. 22-26.

16. Гапыпин, В.И. Измерение вертикальных смещений сооружений и анализ устойчивости реперов / В.И. Ганынин, А.Ф. Стороженко, Н.А. Буденков. М.: Недра, 1981.

17. Ганынин, В.Н. Геодезические работы при реконструкции промышленных предприятий / В.Н. Ганынин, Б.И. Коськов, И.М. Репалов. -М.: Недра. 1990.- 149 с.

18. Гитис, В.Г. Основы пространственно временного прогнозирования в геоинформатике / В.Г. Гитис, Б.В. Ермаков. — М.: Физматлит, 2004.

19. ГОСТ 27751-88 (СТ СЭВ 384-87). Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. -Введ. 01.07.88. М.: Изд-во стандартов, 1988. - 9 с.

20. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. -Взамен ГОСТ 20911-75. Введ. 01.01.91.-М.: Изд-во стандартов, 1990.- 12 с.

21. ГОСТ 22954-78. Надежность в технике. Технические системы. Термины и определения. Введ. 01.01.79. - М.: Изд-во стандартов, 1979. - 12 с.

22. ГОСТ 24846-81. Грунты. Методы измерения деформаций зданий и сооружений. Введ. 01.01.82. - М.: Изд-во стандартов, 1982.

23. Гуляев, Ю.П. Прогнозирование деформаций сооружений на основе результатов геодезических наблюдений / Ю.П. Гуляев. Новосибирск: СГГА, 2008. - 256 с.

24. Гуляев, Ю.П. Прогнозирование деформаций сооружений по геодезическим данным / Ю.П. Гуляев // Геодезия и картография. — 1983. № 12.-С. 17-21.

25. Рекомендации по прогнозированию деформаций сооружений гидроузлов на основе результатов геодезических наблюдений / под ред. Ю.П. Гуляева. JL: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1991. - 58 с.

26. Гуляев, Ю.П. Анализ подходов к обоснованию точности геодезических наблюдений за деформационными процессами / Ю.П. Гуляев // Геодезия и картография. 2007. - № 8. - С. 11-15.

27. Гуляев, Ю.П. О точности математического описания процесса деформации основания фундаментов / Ю.П. Гуляев // Геодезия и картография. 1975. - № 10. - С. 27-32.

28. Гуляев, Ю.П. Методология прогнозирования деформаций сооружений по геодезическим данным / Ю.П. Гуляев // Геодезия и картография.-1980 № 9. - С. 23-26.

29. Гуляев, Ю.П. Классификация и взаимосвязь математических моделейдля прогнозирования процессов деформации сооружений по геодезическим128данным / Ю.П. Гуляев // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1985. - № 1.-С. 39-44.

30. Гуляев, Ю.П. Определение методом корреляции закономерностей развития величины и скорости посадки основания здания / Ю.П. Гуляев // Инженерно-строительные изыскания. -М.: Стройиздат, 1975. С. 3-8.

31. Гуляев, Ю.П. Нелинейная динамическая модель для прогнозирования перемещений наблюдаемых точек сооружения / Ю.П. Гуляев // Геодезия и фотограмметрия в горном деле. Свердловск: СГИ, 1983. - С. 28-32.

32. Гуляев, Ю.П. Элементы системного подхода при исследовании процесса деформации сооружения по геодезическим данным / Ю.П. Гуляев // Системные исследования в геодезии. Новосибирск: НИИГАиК, 1984. - С. 108-115.

33. Гуляев, Ю.П. Прогнозирование деформаций инженерных сооружений перспективное направление геодезических исследований / Ю.П. Гуляев // Исследование по прикладной геодезии и фотограмметрии. - М.: ГУГК, 1987.-С. 70-73.

34. Гуляев, Ю.П. Имитационный подход к обоснованию точности геодезического контроля за деформациями сооружений / Ю.П. Гуляев, JI.A. Максименко // ГЕО-Сибирь-2009: сб. материалов науч. конгр. Т. 1, ч. 1. -Новосибирск: СГГА, 2008. С. 212-215.

35. Де Мерс. Географические информационные системы. Основы / Де Мерс, Н. Майкл; пер. с англ. М.: Дата+, 1999.

36. Дубров, A.M. Обработка статистических данных методом главных компонент. М.: Статистика, 1978. - 135 с.

37. Жуков, Б.Н. Руководство по геодезическому контролю сооружений и оборудования промышленных предприятий при их эксплуатации / Б.Н. Жуков. Новосибирск: СГГА, 2004. - 376 с.

38. Жуков, Б.Н. Геодезический контроль сооружений и оборудования промышленных предприятий: монография / Б.Н. Жуков. — Новосибирск: СГГА, 2003.-356 с.

39. Геодезические методы исследования деформаций сооружений / А.К. Зайцев и др. М.: Недра, 1991. - 272 с.

40. Радиоактивное загрязнение местности в результате аварии на радиохимическом заводе Томске-7 / Израэль Ю.А и др. // Метеорология и гидрология. 1993. - № 6. - С. 5-8.

41. Инструкция по нивелированию I, И, III и IV классов. М.: Недра, 1991.- 167 с.

42. Капралов, Е.Г. Основы геоинформатики / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, B.C. Тикунов. М.: Академия, 2004. - 352 с.

43. Каленицкий, А.И. Геодезическо-гравиметрический мониторинг техногенной геодинамики инженерных сооружений / А.И. Каленицкий // Геодезия и картография. № 8. - 2000. - С. 24-27.

44. Основные понятия и элементы геостатистики / М.Ф. Каневский и др. // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 1999. № 11. — С. 26-33.

45. Карпик, А.П. Методологические и технологические основы геоинформационного обеспечения территорий: монография / А.П. Карпик. -Новосибирск: СГГА, 2004. 259 с.

46. Карпик, А.П. Расчёт деформаций оснований фундаментов инженерных сооружений: метод, указания / А.П. Карпик. Новосибирск: НИИГАиК, 1990.

47. Карлсон, А.А. Измерение деформаций гидротехнических сооружений / А.А. Карлсон. М.: Недра, 1984. - 244 с.

48. Кошкарев, А.В. Геоинформатика / А.В. Кошкарев, B.C. Тикунов. -М.: Картгеоцентр Геодезиздат, 1993. - 213 с.

49. Клюев, В.В. Технические средства диагностирования / В.В. Клюев. -М.: Машиностроение, 1987. 672 с.

50. Кулешов, Д.А. Некоторые задачи и методологические принципы статистического моделирования деформаций оснований сооружений по геодезическим данным / Д.А. Кулешов, Ю.П. Гуляев // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1976. - Вып. 4. - С. 3-13.

51. Левчук, Г.П. Прикладная геодезия: основные методы и принципы инженерно-геодезических работ: учеб. для вузов / Г.П. Левчук, В.Е. Новак, В.Г. Конусов. М.: Недра, 1981.-438 с.

52. Лесных, Н.Б. Теория математической обработки геодезических измерений. Метод наименьших квадратов: учеб. пособие / Н.Б. Лесных. -Новосибирск, 2003. — 66 с.

53. Исследование деформаций сооружений и оборудования Ленинградской АЭС геодезическими методами: отчет о НИР/СГГА; рук. И.В. Лесных; исполн. А.И. Федоров. Новосибирск, 2000. - 23 с. - № ГР 0197.0009566. - Инв. № 022001.09178.

54. Лурье, И.К. Геоинформационное картографирование / И.К. Лурье. -М.: МГУ, 2008.-424 с.

55. Михелев, Д.Ш. Геодезические измерения при изучении деформаций крупных инженерных сооружений / Д.Ш. Михелев, И.В. Рунов, А.И. Голубцов. М.: Недра, 1977.

56. Михелев, Д.Ш. Геодезические методы исследования деформаций сооружений / Д.Ш. Михелев. М.: Недра, 1991. - 272 с.

57. МУ-34-70-116-85. Методические указания по диагностике строительных конструкций производственных зданий и сооружений энергопредприятий. М.: СПО Союзтехэнерго, 1986.

58. Нивелирование I и II классов: практ. руководство. М.: Недра, 1- 264 с.

59. Николаев, С.А. Статистические исследования осадок инженерных сооружений / С.А. Николаев. М.: Недра, 1983. - 112 с.

60. Неволин, А.Г. Математическая обработка инженерно-геодезических сетей на ЭВМ: учеб. пособие / А.Г. Неволин. Новосибирск: СГГА, 1995. -77 с.

61. Погорелов В.В., Шавук B.C. Анализ математических моделей при фотограмметрической обработки космических снимков. М., «Геодезия и картография», №3, 2009.

62. РД 34.21.322-94. Методические указания по организации и проведению наблюдений за осадками фундаментов и деформациями зданий и сооружений строящихся и эксплуатирующихся тепловых электростанций. -М.: Оргрэс, 1997.-63 с.

63. Разработка технологии геодезического контроля процесса эксплуатации АЭС. М., 1984. - 307 с. - Деп. во ВНТИЦ, № ГР 0182. 5039305.

64. Руководство по натурным наблюдениям за деформациями гидротехнических сооружений и их оснований геодезическими методами. -М.: Энергия, 1980. 200 с.

65. Руководство по наблюдениям за деформациями оснований фундаментов зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1985. - 160 с.

66. Руководство по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1975. - 142 с.

67. Савиных, В.П. Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования / В.П. Савиных, В.Я. Цветков. — М.: Картгеоцентр — Геодезиздат, 2001. 228 с.

68. Соколов, В.И. Контроль пространственно- временного состояния крупных инженерных сооружений / В.И. Соколов, А.Г. Зюкин, А.В. Гудков // Гео'дезия и картография. 1989. - № 12. - С. 12-15.

69. Скворцов, А.В. Геоинформатика / А.В. Скворцов. М.: ТГУ, 2005. -263 с.

70. СНиП 3.01.03.-84. Геодезические работы в строительстве. Утв. 04.02.85. ЦИТП Госстроя СССР, - М.: Стройиздат, 1985.

71. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. Взамен СНиП II-15-74 и СН 485-75; Утв. 05.12.83. ГП ЦПП. - М.: Стройиздат, 1985. - 40 с.

72. Цветков, В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998. — 287 с.

73. Цветков, В.Я. Методы прогнозирования в геоинформационных технологиях / В.Я. Цветков // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1999. - № 5. -С. 125-135.

74. Цветков, В.Я. Геостатистика / Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2007. -№ 3. - С. 174-184.

75. Цытович, Н.А. Прогноз скорости осадок оснований сооружений / Н.А. Цытович, Ю.К. Зарецкий, М.В. Малышев. -М.: Высш. шк., 1967.

76. Федосеев, Ю.Е. Разработка и исследование методов анализа результатов наблюдений за деформациями прецизионных сооружений: автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МИИГАиК, 1977. - 23 с.

77. Эфрон, Б. Нетрадиционные методы многомерного статистического анализа: сб. ст. / пер. с англ.; под ред. Ю.П. Адлера. М.: Финансы и статистика, 1988. - 263 с.

78. ArcGIS™ 3D Analyst™: Three-Dimensional Visualization, Topographic Analysis, and Surface Creation ESRI 380 New York St. Badlands, 2002. - 20 c.

79. ArcGIS™ 3D Analyst™: UsingGeostatisticalAnalyst ESRI 380 New York St. Badlands, 2002. - 307 p.

80. ArcGIS: Geostatistical Analyst, White Paper 08 2001 ESRI 380 New York St. Badlands, 2001. - 22 p.

81. Armstrong, M. Basic Linear Geostatistics. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1998.

82. Armstrong, M. Problems with Universal Kriging. Mathematical Geology, vol.16, 101-108 p.p. 1984.

83. Chiles, J. and Delfmer, P. 1999. Geostatistics. Modeling Spatial Uncertainty. John Wiley and Sons, New York. 695.

84. Cox, D.R., Miller, H.D. The theory of stochastic processes: Methuen, London, 398 p.,1965.

85. Clayton, V. Deutsch. Geostatistical reservoir modeling. Oxford, University press, 2002.

86. Cressie, N. 1985. Fitting variogram models by weighted least squares. Journal of the International Association for Mathematical Geology 17: 653-702.

87. Isaaks, E.H. and Srivastava, R.M. 1989. An Introduction to Applied Geostatistics. Oxford University Press, New York. 561 p.

88. Goldberger, A.S. 1962. Best linear unbiased prediction in the generalized linear regression model. Journal of the American Statistical Association 57: 369375.

89. Goovaerts, P. 1997. Geostatistics for Natural Resources Evaluation. Oxford University Press, New York. 483 p.

90. Matheron, G. The theory of regionalized variables and its applications. Center of Geostatistics, Fontainebelau, 212 p., 1971.

91. Matheron, G. The intrinsic random functions and their applications. Adv. Appl. Probability, n. 5, 439-468 p.p., 1973.

92. Matheron, G. Estimer et choisir. Centre de Geostatistique, Fontainebelau, 175 p., 1978.

93. Matheron G. The intrinsic random functions and their applications. Adv. Appl. Probability, n.5, 439-468 p.p., 1973.

94. Mayers, D.E. To be or not to be. stationary? That is the question. Mathematical Geology, vol. 21, No. 3, 347-362 p.p., 1989.

95. Non-stationary geostatistics. CFSG course notes by Renard D., Fontainebleau, 2001.

96. Rivoirard, J. 1994. Introduction to Disjunctive Kriging and Non-Linear Geostatistics. Oxford University Press, Oxford. 180 p.

97. Philip, G.M., Watson, D.F. Matheronian Geostatistics: Quo Vadis.

98. Mathematical Geology, vol.18, 93-117 p.p., 1986.135

99. Stein, M.L. 1999. Interpolation of Spatial Data. Some Theory for Kriging. Springer, New York. 247 p.

100. Sullivan, J. 1984. Conditional recovery estimation through probability kriging-theory and practice. In Geostatistics for Natural Resources Characterization, Part I. G. Verly, M. David. A. Journel, and A. Marechal, eds., Reidel, Dordrect, 365-384.

101. Weiner, N. 1949. Extrapolation, Interpolation and smooth of stationary time series. MIT press. Cambridge, M.A.