Способ проведения инженерно-геологических и геотехнических изысканий

Изобретение относится к области строительства и предназначено для инженерно-геологических и геотехнических изысканий, проводимых при проектирования оснований объектов капитального строительства. Способ проведения инженерно-геологических и геотехнических изысканий с помощью измерительно-вычислительного комплекса, содержащего буровую установку, компьютер, механизм силового нагружения, устройства для полевых испытаний грунтов, программные средства обработки данных измерений и управления механизмом силового нагружения, корреляционные зависимости между параметрами испытаний и характеристиками грунтов. Производят ввод в программу измерительно-вычислительного комплекса ряда начальных параметров для расчета, таких как геометрические размеры исследуемого массива грунта с планом фундамента, места опорных выработок, глубина заложения и нагрузки на фундамент. Осуществляют установку бурового станка на месте первой выработки, запускают по команде компьютера силовой механизм бурового станка и погружают устройство зондирования в грунт на опорной выработке, измеряют параметры зондирования и определяют характеристики грунтов с использованием соответствующих корреляционных уравнений. Повторяют работы на других опорных выработках. Формируют инженерно-геологическую модель в виде трехмерного массива грунта с геометрическими размерами и набором характеристик для различных моделей грунтов по определяющим уравнениям, используя программу, разбивают трехмерный массив грунта на конечные элементы с координатами их центров X, Y, Z, используя интерполяционные функции и значения характеристик грунтов на опорных выработках, находят характеристики грунтов для каждого центра конечного элемента. Выбирают модель грунта и соответствующий ей набор характеристик и формируют локальные матрицы жесткости, формируют глобальную матрицу жесткости, вектор внешней нагрузки, решают систему дифференциальных уравнений и находят перемещения, деформации и напряжения. Технический результат состоит в обеспечении сокращения сроков проектирования объектов капитального строительства путем расчета напряженно-деформированного состояния оснований в процессе инженерно-геологических и геотехнических изысканий, повышении точности исследований свойств грунтов и расчетов напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений.

 

Область техники

Изобретение относится к области строительства и предназначено для инженерно-геологических и геотехнических изысканий проводимые при проектирования оснований объектов капитального строительства.

Уровень техники

Аналогом заявляемого технического решения является СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ВЫРАБОТОК ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ (патент RU №2631445 С2, заявка №2016106683 от 25.02.2016, МПК E02D 1/02, опубликовано 22.09.2017 [1]), включает проходку выработок в пределах пятна проектируемого здания или сооружения, определение модуля деформации грунтов по выработке, нахождение осадки здания или сооружения на каждой выработке и неравномерность осадки между выработками, нахождение коэффициента жесткости основания на каждой выработке при заданных размерах в плане здания или сооружения и нагрузки на основание, используя при этом функцию Шепарда для коэффициента жесткости основания, осадка и крены здания или сооружения находятся из решения системы уравнений равновесия с переменным коэффициентом жесткости основания по площади контакта фундамента здания или сооружения с основанием, по найденным в выработках значениям коэффициента жесткости в выработках с помощью аппроксимирующей функции Шепарда со свободным(и) параметром(ами) формы определяют несколько вариантов распределения коэффициента жесткости основания, варьируют величины параметра(ов) формы и для каждого из них решая систему из трех уравнений равновесия жесткого блока в перемещениях, находят осадку и крены, и, если получаемый разброс не допустим, то вводится дополнительная выработка, и процесс повторяется до получения представительных величин осадок и кренов здания или сооружения.

Недостатком данного способа является невозможность определения характеристик грунта между выработками и то, что для повышения точности расчета осадки и крена необходимы дополнительные выработки. Последнее увеличивает продолжительность и стоимость изысканий.

Аналогом заявляемого технического решения является СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ ГРУНТОВ И МАТЕРИАЛОВ (Патент на изобретение RU №2404418, заявка №2009107801/28 от 04.03.2009, опубликовано 20.11.2010, МПК G01N 3/00, E02D 1/00 [2]), содержащий измерительно-вычислительный комплекс автоматизированной системы испытаний в строительстве (ИВК АСИС), прибор (механическое устройство) силового нагружения, применяемый при определении параметров моделей материалов, с набором датчиков, подключенных к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) и цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), выходы которых через интерфейсы RS-485 и RS-232 соединены с цифровой электронно-вычислительной машиной, имеющей программные средства обработки результатов (данных) измерений и управления силовым нагружением, производят одновременные физические испытания образцов одного и того же материала, используя произвольное число приборов силового нагружения, проводят испытания при различном виде напряженного состояния и траекториях напряжений, определяют начальные значения параметров для выбранных моделей материалов, выполняют численное моделирование испытаний, результаты численного моделирования идентифицируют с результатами механических испытаний с использованием различных моделей материалов и одного из методов оптимизации, выбирают модель материала, наилучшим образом отвечающую результатам механических испытаний.

Основным недостатком данного изобретения является невозможность определения параметров моделей грунтов для произвольной точки с координатами X,Y,Z в исследуемом массиве грунта, так как испытания грунта выполняются на образцах отобранные в нормативных выработках (скважинах) с фиксированными географическими координатами.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ (Патент на изобретение RU №2706284 С1, заявка №2019104448 от 18.02.2019, опубликовано 15.11.2019, МПК E02D 1/00, G01N 3/00 [3]), включающий буровую установку, механизм силового нагружения, буровые штанги, дальномер, блок электроники, компьютер, устройства для полевых испытаний грунтов и набор датчиков, подключенных к аналого-цифровым преобразователям и цифро-аналоговым преобразователям, выходы которых через интерфейсы RS-485 и RS-232 соединены с компьютером, включающим программные средства обработки данных измерений и управления механизмом силового нагружения, выполняют полевые испытания грунтов, используя произвольное число устройств для полевых испытаний грунтов, определяют параметры испытаний, используя параметры испытаний и корреляционные зависимости между параметрами испытаний и характеристиками грунтов, компьютер и программы выполняют расчет осадки, расчет крена и расчет глубины сжимаемой толщи непосредственно в полевых условиях в процессе проведения испытаний грунтов, глубина испытаний грунтов определяется глубиной сжимаемой толщи, определяемой из расчета осадки здания или сооружения непосредственно в процессе проведения полевых испытаний грунтов, управление работой механизма силового нагружения выполняется измерительно-вычислительным комплексом с использованием прямой и обратной связи, путем анализа данных показаний датчиков механизма силового нагружения и результатов расчета осадки, крена и глубины сжимаемой толщи, используя данные нескольких различных полевых испытаний грунтов, выполняют статистическую обработку данных испытаний и определяют расчетные значения физико-механических характеристик грунтов с заданной доверительной вероятностью.

Основным недостатком данного изобретения является невозможность определения характеристик грунтов в произвольных точках исследуемого массива грунта. В настоящее время определение характеристик грунтов выполняется в опорных (нормативных) выработках (скважинах) путем отбора монолитов грунта и последующих лабораторных испытаний. Или путем проведения полевых испытаний грунтов в опорных точках методами статического, динамического зондирования, испытаний штампами и др. [4,5]. В обоих случаях, количество опорных выработок и опорных точек полевых испытаний назначаются нормативными документами, например, СП 47.13330-2012 [6], СП 446.1325800.2019 [7] и др., а сами выработки находятся на удаленном расстоянии друг от друга. Например, согласно СП 446.1325800.2019 таблица 7.3 минимальное расстояние между выработками составляет 20-25 м. При этом параметры/характеристики грунтов в пространстве между опорными выработками неизвестны и назначаются как среднее из значений на опорных выработках и постоянными в пределах выделенных инженерно-геологических элементов. Так как грунтам присуща природная неоднородность, то подобный подход приводит к ошибкам при расчете напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений.

Сущность технического решения

Целью изобретения является сокращение сроков проектирования объектов капитального строительства путем расчета напряженно-деформированного состояния оснований в процессе инженерно-геологических и геотехнических изысканий.

Цель достигается тем, что способ осуществляется с помощью измерительно-вычислительного комплекса, содержащего буровой станок с механизмом силового нагружения, различных устройств для испытаний грунтов в полевых условиях (например, устройство статического зондирования), проводят испытания в заданных опорных точках плана объекта капитального строительства, определяют параметры испытаний (например, при статическом зондировании: лобовое сопротивление, силы трения, поровое давление и др.), используя параметры испытаний и корреляционные зависимости между параметрами испытаний и характеристиками грунтов или данные лабораторных испытаний определяют физические и механические характеристики грунтов на опорных выработках по глубине исследуемого массива грунта, используя интерполяционные функции и значения характеристик на опорных выработках находят характеристики грунтов между выработками в массиве исследуемого грунта с координатами X,Y,Z, разбивают массив грунта на конечные элементы с известными координатами и характеристиками грунта, формируют локальные матрицы жесткости используя найденные характеристики грунта, формируют глобальную матрицу жесткости, вектор внешней нагрузки, решают систему дифференциальных уравнений и определяют напряженно-деформированное состояние основания.

Признаки, отличающие предлагаемый способ инженерно-геологических и геотехнических изысканий, заключаются в том, что проводят полевые и лабораторные испытания грунтов с помощью измерительно-вычислительного комплекса, содержащего буровой станок с управляемым механизмом силового нагружения, различные устройства с датчиками для испытаний грунтов в полевых условиях (например, устройство статического зондирования и др.) В процессе испытаний определяют физико-механические характеристики грунтов и выполняют расчет напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений методом конечных элементов. При этом природная неоднородность сложения и свойств грунтов учитывается при формировании локальных матриц жесткости путем использования характеристик грунтов найденные интерполяционной функцией по значениям на опорных выработках.

Пример реализации технического решения

Инженерно-геологические и геотехнические изыскания предлагаемым способом проводятся следующим образом.

1. Ввод в программу измерительно-вычислительного комплекса ряда начальных параметров для расчета: геометрические размеры исследуемого массива грунта с планом фундамента, места опорных выработок, глубина заложения и нагрузки на фундамент, другие параметры.

2. Установка бурового станка на месте первой опорной выработки согласно заданным географическим координатам и подготовка его к работе.

3. Запуск по команде компьютера силового механизма бурового станка и погружение устройства зондирования в грунт на опорной выработке, измерение параметров зондирования и определение характеристик грунтов с использованием соответствующих корреляционных уравнений.

4. Повторение работ по пунктам 2,3 на других опорных выработках.

5. Формирование инженерно-геологической модели в виде трехмерного массива грунта с геометрическими размерами и набором характеристик для различных моделей грунтов (определяющие уравнения).

6. Используя программу разбивают трехмерный массив грунта на конечные элементы с координатами их центров X,Y,Z.

7. Используя интерполяционные функции и значения характеристик грунтов на опорных выработках находят характеристики грунтов для каждого центра конечного элемента.

8. Выбирают модель грунта (упругая, нелинейно-упругая, упруго-пластическая и др.), соответствующий ей набор характеристик и формируют локальные матрицы жесткости.

9. Формируют глобальную матрицу жесткости, вектор внешней нагрузки, решают систему дифференциальных уравнений и находят перемещения, деформации и напряжения.

Промышленная применимость

Способ проведения инженерно-геологических и геотехнических изысканий промышленно реализуем, позволяет сократить сроки строительства объектов капитального строительства и повышает точность исследований свойств грунтов и расчетов напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений.

Список литературы

1. Патент на изобретение RU №2631445 С2, заявка №2016106683 от 25.02.2016, MIIKE02D 1/02, опубликовано 22.09.92017. Способ определения количества выработок при проведении инженерно-геологических изысканий.

2. Патент на изобретение RU №2404418, заявка №2009107801/28, 04.03.2009, опубликовано 20.11.2010, МПК G01N 3/00, E02D 1/00. Способ определения параметров моделей грунтов и материалов.

3. Патент на изобретение RU №2706284 С1, заявка 2019104448 от 18.02.2019, опубликовано 15.11.2019, МПК E02D 1/00, G01N 3/00. Способ проведения инженерно-геологических и геотехнических изысканий.

4. ГОСТ 19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием. М., Стандартинформ, 2012.

5. ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. М., Стандартинформ, 2013.

6. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Общие положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. М., 2012.

7. СП 446.1325800.2019. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ. М., 2019.

Способ проведения инженерно-геологических и геотехнических изысканий с помощью измерительно-вычислительного комплекса, содержащего буровую установку, компьютер, механизм силового нагружения, устройства для полевых испытаний грунтов, программные средства обработки данных измерений и управления механизмом силового нагружения, корреляционные зависимости между параметрами испытаний и характеристиками грунтов, отличающийся тем, что производят ввод в программу измерительно-вычислительного комплекса ряда начальных параметров для расчета, таких как геометрические размеры исследуемого массива грунта с планом фундамента, места опорных выработок, глубина заложения и нагрузки на фундамент, осуществляют установку бурового станка на месте первой выработки, запускают по команде компьютера силовой механизм бурового станка и погружают устройство зондирования в грунт на опорной выработке, измеряют параметры зондирования и определяют характеристики грунтов с использованием соответствующих корреляционных уравнений, повторяют работы на других опорных выработках, формируют инженерно-геологическую модель в виде трехмерного массива грунта с геометрическими размерами и набором характеристик для различных моделей грунтов по определяющим уравнениям, используя программу, разбивают трехмерный массив грунта на конечные элементы с координатами их центров X, Y, Z, используя интерполяционные функции и значения характеристик грунтов на опорных выработках, находят характеристики грунтов для каждого центра конечного элемента, выбирают модель грунта и соответствующий ей набор характеристик и формируют локальные матрицы жесткости, формируют глобальную матрицу жесткости, вектор внешней нагрузки, решают систему дифференциальных уравнений и находят перемещения, деформации и напряжения.