Оценка деформаций исторического здания в Томске с помощью комплексного подхода, основанного на сочетании наземного лазерного сканирования и конечно-элементного моделирования

Abstract

Актуальность темы обусловлена необходимостью усовершенствования подходов к оценке и прогнозу деформаций при сохранении исторических зданий. Решение этой задачи сопряжено с многими неопределенностями, такими как недостаток исходных данных по геологии и проектным решениям объекта, ограничения при отборе образцов строительных материалов и грунтов для более точного определения их нынешних физико-механических свойств, слабая разработанность теоретических положений повыполнению работ. В статье освещено изучение инженерно-геологических условий территории при реконструкции Томского театра юного зрителя. Особенности реконструкции сооружения связаны с непрекращающимися деформациями основания, сложностью режима подземных вод, нарушением природного сложения грунтового массива и физико-механических свойств. Это потребовало актуализации расчетной модели для оценки напряженно-деформированного состояния грунтового основания.Целью исследования является численная оценка напряженно-деформированного состояния грунтового основания исторического сооружения и роли лазерного сканирования в получении данных по деформациям объекта.Объект исследования: локальная литотехническая система взаимодействия "основания-грунт" в пределах исторической застройки территории г. Томска, по пер. Нахановича, 4. Методика исследования. Исходными данными для моделирования поведения грунтового массива послужили региональные геологические материалы, а также полевые данные, полученные в разные годы. Выполнено рекогносцировочное обследование участка. Для характеристики напряженно-деформированного состояния грунтового массива использовался программный комплекс на базе метода конечных элементов. Для оценки деформаций и построения точной трехмерной модели объекта наблюдения использовалась технология лазерного сканирования. Сканирование объекта проводилось лазерным 3D сканером Leica Scanstation C10, планово-высотное обоснование и привязка пунктов обоснования к местной системе координат с использованием электронного тахеометра LEICA TS15 и GNSS приемника LEICA GS10, обработка массива точек проводилась в программном комплексе Leica Cyclone 8.0, трехмерное моделирование объекта было осуществлено в программном комплексе SolidWorks. Результаты. Оценены инженерно-геологические условия участка изысканий. Создана цифровая расчетная модель. Выполнено сравнение результатов моделирования с пространственно-координатным положением конструкций, установленном при лазерном сканировании. Совместное рассмотрение геологического разреза и систем трещин, полученных при помощи наземного лазерного сканирования в 2012 и 2017 гг., свидетельствует о том, что наземная конструкция деформируется по диагонали вдоль реки Томь. Концентрация трещин связана с пристройками с западной и восточной сторон здания. Деформации в зоне сочленения разновременных построек максимальны, т. к. пристройки опираются на фундамент с меньшей глубиной заложения. Продолжающиеся во времени деформации, вероятно, связаны с ползучестью органоминеральных грунтов мощностью до 2 м, вскрытых в непосредственной близости от здания.

The topic is relevant due to the necessity to improve approaches to estimation and prediction of deformations of historical constructions. The article deals with the study of engineering-geological conditions of the area during reconstruction of the building. It is necessary to introduce new technologies, such as laser scanning technology for construction of an accurate three-dimensional model of the object, finite element method for prediction of soil behaviour. This study aims to assess the effects of soil settlement on a structure’s stress-strain state and the value of laser scanning techniques on structure analysis in obtaining correct data of deformation. Object. The interaction of soil, foundations and structure of the Tomsk Youth Theatre or ≪Teatr Yunogo zritelya≫ is considered in conditions of dense development on the territory of Tomsk city. Methods. The initial data for simulation the behaviour of the soil massif were obtained through regional geological works and field study in different years. A reconnaissance survey of the site was completed. A program complex based on finite element model was used to forecast the stress-strain state of soils. Laser scanning technology allow an accurate defenition of deformations lying on every side of the structure and make an accurate three-dimensional model of the object. The terrestrial laser scanning objects held by 3D laser scanner Leica Scanstation C10; horizontal, vertical justification and binding study points to a local coordinate system using Total Station LEICA TS15 and GNSS receiver LEICA GS10; handling an cloud of points held in the software package Leica Cyclone 8.0; three-dimensional object modeling was carried out in the software package SolidWorks. The results. The authors have estimated the engineering geological conditions of a research site and developed a digital design model. The forecast of stress-strain state of the soils in reconstruction of the building is made. The soil profile and general crack formation together with terrestrial laser scanning measurement indicate that the structure is deformed diagonally along the river Tom. The concentration of cracks is associated with the western and eastern annexes to the building, which are supported by strip foundations lying at lower depth than the main building. The continued deformations are probably associated with creep of soft organic soils with a thickness of up to two meters.