Разработка методики геодезических наблюдений за осадками инженерных сооружений

Координаты  исходных пунктов 

Объект	Ха, м	Уа, м	α	И. п.	Х, м	У, м	Н, м	ms	m∆s
Дет. с.	1590	2230	0	Грп1	1965	2070	675,1	2,2	1,2
ИрИИжТ	1480	2030	90	Грп2	1690	1715	671,2
				Грп3	1330	2080	666,4

 

Объектами наблюдений являются два кирпичных здания детский сад и общежитие. Они находятся между улицами Игошина, Академика Курчатова и Ломоносова на с-з от объекта работ в 110 метрах расположен ИрГТУ, на ю-з в 70 метрах - Высшая школа милиции, на юге в 50 метрах - школа №62.         Объекты наблюдений удалены от реки Ангары на запад на 600 метров, поэтому на их территории преобладают холодные ветра. Эта часть района располагает следующими видами транспорта: железнодорожным, автомобильным, речным, трамвайно-троллейбусным, что облегчит доставку необходимых средств для проведения работ. От наблюдаемых сооружений железная дорога расположена на юге в 200 метрах, трамвайные пути - на западе в 350 м, автомобильная дорога примыкает с запада. 

2. Требования к точности конечных результатов геодезических измерений

    От правильного выбора точности наблюдений зависят методы и средства измерений, затраты на их производство и достоверность получаемых результатов.

    Точность указывается в техническом задании на производство работ или в нормативных документах. В особых случаях эти требования могут быть получены путём специальных расчётов.

    В нормативных документах требования к точности определения осадок характеризуются средней квадратической погрешностью:

1. мм - для зданий и сооружений, возводимых на скальных и полускальных грунтах;
2. мм - для зданий и сооружений, возводимых на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах;

    5 мм - для зданий и сооружений, возводимых на насыпных, просадочных и других сильно сжимаемых грунтах.

    На оползневых участках осадки измеряются со средней квадратической погрешностью 30 мм, а горизонтальные смещения - 10 мм.

    Измерение горизонтальных смещений частей зданий и сооружений, согласно требованиям СНиП, допускается выполнять с ошибками, не превышающими:

    1 мм - для зданий и сооружений, возводимых на скальных и полускальных грунтах;

3. мм - для зданий и сооружений, возводимых на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах;

       5 мм - для каменно-набросных высоконапорных плотин;

      10 мм - для зданий и сооружений, возводимых на насыпных, просадочных, заторфованных и других сильно сжимаемых грунтах;

      15 мм - для земляных сооружений.

    Для прецизионных сооружений точность наблюдений за их плановой устойчивостью устанавливается на основе технических расчётов при геодезической подготовке проекта.

    Крены дымовых труб, мачт, высоких башен измеряются с точностью, зависящей от высоты Н сооружения, и характеризуются величиной 0,0005 Н.

    Установить необходимую точность измерения деформаций расчётным путём довольно сложно, однако для многих практических задач можно пользоваться формулой

                        т_ф <=∆Ф,

т_ф - средняя квадратическая    погрешность измерения деформации;

∆Ф - величина деформации за промежуток времени между циклами   измерений.  

     Выбор времени между циклами измерений зависит от вида сооружения, периода его работы, скорости изменения деформации и других факторов. В среднем в строительный период систематические наблюдения выполняют один-два раза в квартал, в период эксплуатации - один-два раза в год. При срочных наблюдениях их выполняют до и после появления фактора, резко изменяющего обычный ход деформации. 

3. Выбор метода нивелирования

    Наблюдения за осадками сооружения выполняют способами геометрического и тригонометрического нивелирования, гидронивелирования, микронивелирования, а также фото- и стереофотограмметрическим способами.

    Наиболее широко распространен способ геометрического нивелирования. Он обладает множеством достоинств, делающих его практически универсальным. Это высокая точность и быстрота измерений, простое и недорогое стандартное оборудование, возможность выполнять измерения в сложных и стесненных условиях.

    Способом геометрического нивелирования можно определять разности высот точек, расположенных на расстоянии 5 - 10м с погрешностью 0,05 - 0,10 мм, а на несколько сотен метров - с погрешностью до 0,5мм.

    В зависимости от требуемой точности определения осадок применяются различные классы нивелирования. Так, например, при определении осадок бетонных плотин гидроузлов применяют I и II классы, которые характеризуются средней квадратической погрешностью измерения превышения на одной станции соответственно 0,3 и 0,4 мм. При определении осадок промышленных и гражданских зданий чаще всего применяют II и III классы, для которых средние квадратические погрешности измерения превышения на станции соответственно равны 0,4 и 0,9 мм.

    Отметки деформационных точек в цикле измерений определяют относительно исходного опорного репера. Отметку исходного репера чаще всего принимают условно, например 100 м, но она постоянна на весь период наблюдений. Для передачи отметки от исходной на все деформационные реперы разрабатывают специальную схему (рис. 1).

     При выполнении измерений в зависимости от класса нивелирования при меняют специальную методику и соответствующие приборы. Так, при измерениях высокой точности используют тщательно выверенные высокоточные нивелиры типа Н-05, штриховые инварные или специальные малогабаритные рейки. Нивелир устанавливают строго посередине между наблюдаемыми точками, отсчеты берут по основной и дополнительной шкалам реек.  

    Нивелирование выполняют при двух горизонтах прибора, в прямом и обратном направлениях. Длина визирного луча допускался до 40 м, его высота над поверхностью земли или пола - не менее 0,5 м. Нивелирование производится только при вполне благоприятных условиях видимости и достаточно отчетливых, спокойных изображениях штрихов реек. Соблюдают и другие меры предосторожности, обеспечивающие высокую точность работ.

    Полученные результаты тщательно обрабатывают: оценивают фактическую точность и сравнивают ее с заданной, уравнивают, вычисляют отметки, а по разности их в циклах - осадки, строят графики осадок и т.д.

    Способ тригонометрического нивелирования позволяет определять осадки точек, расположенных на существенно разных высотах, в труднодоступных местах. Такие случаи возникают при наблюдениях за высокими зданиями, башнями, плотинами, при производстве измерений через препятствия.

   Тригонометрическое нивелирование выполняется короткими лучами (до 100 м) с применением реек, на которые закреплены визирные цели. Превышение горизонтальной оси вращения трубы теодолита над осью визирного штриха на рейке:

h=l*x*ctgZ

где l - горизонтальное проложение от прибора до визирной цели. Его непосредственно измеряют или вычисляют по формуле

l=b*((sinZ1*sinZ2)/(sin(Z1-Z2)))

      b - расстояние между визирными штрихами на рейке;

    Z, и Z2 зенитные расстояния визирных штрихов на рейке, измеренных высокоточным теодолитом.

    Точки установки теодолита закрепляют устойчивыми столбами-штативами или используют окружающие здания и сооружения.

   Наиболее высокая точность порядка 0,1 мм обеспечивается при коротких (до 100 м) лучах визирования с применением высокоточных теодолитов типа ЗТ2 и специальной методики измерений, позволяющей измерять зенитные расстояния с погрешностью порядка 5". Кроме того, методика предусматривает однообразную во всех циклах установку теодолита и его тщательное исследование, строгую вертикальность реек, выбор времени и условий наблюдений для уменьшения влияния вертикальной рефракции и ряд других мероприятий, направленных на ослабление действий различных источников погрешностей. Расстояния до определяемых точек должны измеряться с погрешностью 3-5 мм.

    Гидронивелирование обеспечивает такую же точность, как и геометрическое нивелирование, но применительно к наблюдениям за осадками позволяет создавать стационарные автоматизированные системы с дистанционным съемом информации.

При использовании гидростатического нивелирования применяют различные системы, конструкция которых зависит от условий проведения работ, требуемой точности и от способа измерения положения уровня жидкости относительно отсчетных индексов измерительных сосудов.

    Простейшая система, используемая на гидротехнических сооружениях, состоит из отрезков металлических труб, уложенных на стержнях, заделываемых в стену. Отрезки труб соединяются между собой шлангами. Над трубой в точках, между вторыми систематически определяются превышения, в стену закладываются марки с посадочными втулками для переносного измерителя. При измерениях измеритель вставляется во втулку марки. Вращением микрометренного винта измерителя добиваются контакта острия штока с жидкостью, о чем свидетельствует загорание сигнальной лампочки. В этот момент берется отсчет по барабану микрометра. При привязке гидростатической системы к опорной нивелирной сети на марку вместо измерителя устанавливается нивелирная рейка. Существуют автоматизированные системы гидростатического нивелирования, в которых изменение положения уровня жидкости в сосудах определяется автоматически с помощью электрических или оптико-электронных датчиков.    Применение гидродинамического нивелирования позволяет расширить диапазон измерений и значительно упростить процесс автоматизации наблюдений за осадками. Система гидродинамического нивелирования с поршневым устройством СГДН-ПУ (Армения) состоит из сообщающихся между собой рабочих сосудов с жидкостью, устанавливаемых в определяемых точках. В каждом рабочем сосуде имеется игольчатый шток, связанный проводом с блоком управления и регистрации (БУР). Сосуды сообщаются также с поршневым устройством. При равномерном перемещении с помощью электродвигателя поршня вниз и поршневом устройстве жидкость в рабочих сосудах равномерно поднимается. При этом в БУРе специальный счетчик определяет перемещение поршня от начала его движения до момента контакта игольчатого штока с поверхностью поднимающейся жидкости в каждом рабочем сосуде. Поршень опускается до тех пор, пока со всех рабочих сосудов не поступит сигнал о контакте. Разность замеров между циклами измерений будет соответствовать осадке определяемых точек. Система позволяет выполнять измерения со средней квадратической погрешностью порядка 0,1 мм.

    Непрерывная передача превышения при помощи микронивелира от одной точки выверяемой поверхности к другой называется микронивелированием. В этом процессе задняя опорная точка прибора становится на то место, где до этого находилась передняя опора.

    Микронивелирование производят при двух постановках прибора: прямой и развернутой на 180°, что дает возможность проверять место нуля на каждой станции и исключать систематические ошибки в определении превышений.

    В современных моделях микронивелиров одна из его опорных точек сделана подвижной и жёстко связанной с индикатором часового типа, по которому превышение между точками опоры микронивелира определяется непосредственно в миллиметрах.

     На рис. 2 представлена модель микронивелира МН-3. Продольный уровень 1 с ценою деления 5" приводится на нуль-пункт подъёмным винтом 4.

    Поперечный уровень 2 регулируется опорами 6 амортизатора. Индикатор 3 расположен горизонтально для удобства отсчитывания. База прибора может применяться от 900 до 1200 мм и закрепляется винтами 7.

    Для передвижения прибора по выверяемой линии и удержания его от опрокидывания служат ролики 5. Отсчёт по индикатору, при котором ось продольного уровня параллельна линии, соединяющей опорные точки, является местом нуля (МО) микронивелира. Если в точке А (рис. 3, а) поставлена подвижная опора с индикатором, а в точке В - неподвижная, то после приведения подъёмным винтом пузырька уровня на нуль-пункт ось уровня ии, займёт горизонтальное положение и отсчёт по шкале индикатора будет 3.

    Так как в индикаторе с увеличением стержня отсчёт уменьшается, то согласно рисунку

    

(5)

    h =МО - 3

      h=П-MO 
 

      

    Переставим прибор на 180 ⁰ (подвижная опора с индикатором впереди, в точке В, (рис. 3,б). После приведения пузырька уровня в нуль-пункт, когда ось uui займёт горизонтальное положение, отсчёт по шкале индикатора будет Пи следовательно: 
 
 

    МО=(З+П)/2

    h=(П-З)/2=(З-П)/2

    Фото - и стереофотограмметрический способы предусматривают применение фототеодолита для фотосъемки исследуемого объекта. Определение деформаций вообще и в частности осадок этими способами заключается в измерении разности координат точек сооружения, найденных по фотоснимкам начального (или предыдущего) цикла, и фотоснимках деформационного (или последующего) цикла.