Гидростатические нивелирования целесообразно применять при наблюдениях за осадками фундаментов

гидростатические нивелирования целесообразно применять при наблюдениях за осадками фундаментов

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

Наиболее широко распространен способ геометрического нивелирования. Он обладает рядом 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 — 10 м, с ошибкой 0,05 — 0,1 мм, а на несколько сотен метров — с ошибкой до 0,5 мм.

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 ошибкой измерения превышения на одной станции соответственно 0,3 и 0,4 мм. При определении осадок промышленных и гражданских зданий чаше всего применяют II и III классы, для которых средние квадратические ошибки измерения превышения на станции соответственно равны 0,4 и 0,9 мм.

Отметки деформационных точек и цикле измерений определяют относительно исходного опорного репера. Отметку исходного репера чаше всего принимают условно, например 100,000 м, но она постоянна на весь период наблюдений. Для передачи отметки от исходного на все деформационные реперы разрабатывают специальную схему.

Способ микронивелирования применяют при наблюдениях за взаимным высотным положением близко расположенных на расстоянии 1 — 1,5 м точек. Такие задачи возникают при изучении осадок и наклонов отдельных конструкций: фундаментов, балок, ферм, технологического оборудования. Измерения выполняют с помощью микронивелира.

18. Наблюдение за горизонтальными смещениями по методу малых углов. Причины возникновения горизонтальных смещений.

Рассмотрим этот способ на примере башни треугольной формы. Пусть (рис. 30) с точек 1, 2 и 3, расположенных на осях башни на расстояниях S1, S2 и S3 от ее верхних точек а, в и с , измерены малые горизонтальные углы 1, 2 и 3 , характеризующие линейные смещения q1, q2 и q3 верхних точек с осей сооружения, которые можно вычислить по формуле

где  = 206265”, причем, как было отмечено ранее, если смещения точек а, в ис происходят по часовой стрелке, то qi будут считаться положительными, если против часовой стрелки – отрицательными. Так на рис. 30 смещения q1 и q2 положительные, а q3 — отрицательное.

Точность mq определения смещений по формуле может быть оценена следующим образом:

где m , mS соответственно средние квадратические ошибки определения расстояний Si и углов i

.

гидростатические нивелирования целесообразно применять при наблюдениях за осадками фундаментов

Исследования данного способа показали, что в способе малых углов точность определения смещений зависит, в основном, от ошибок угловых измерений. Для отдельного теодолита она практически остается неизменной при различных относительных ошибках линейных измерений и различных значениях малого угла. Кроме того установлено, что нецелесообразно в случае малых углов применять широко распространенный в геодезии принцип равного влияния на точность определения линейных смещений. Его сущность заключается внахождении таких mb и mS , которые оказывают одинаковое влияние на заданную погрешность mq . Здесь могут быть получены парадоксальные значения mS , которые окажутся больше или соизмеримы с самой S . Для обоснования mq следует пользоваться формулой, задавая mb и обосновывая mS .

Вследствие конструктивных особенностей, природных условий и деятельности человека сооружения в целом и их отдельные элементы испытывают различного вида деформации.

В общем случае под термином «деформация» понимают изменение формы объекта наблюдений. В геодезической практике принято рассматривать деформацию как изменение положения объекта относительно первоначального.

Под постоянным давлением от массы сооружения грунты в основании его фундамента постепенно уплотняются (сжимаются) и происходит смещение в вертикальной плоскости, называемое осадкой сооружения. Кроме давления от собственной массы, осадка может быть вызвана и другими причинами: карстовыми и оползневыми явлениями, изменением уровня грунтовых вод, работой тяжелых механизмов, движением транспорта, сейсмическими явлениями и т.п. При коренном изменении структуры пористых и рыхлых грунтов происходит быстро протекающая во времени деформация, называемая просадкой.

В случае когда грунты под фундаментом сооружения сжимаются неодинаково или нагрузка на грунт различная, осадка имеет неравномерный характер. Это приводит к другим видам деформаций сооружений: горизонтальным смещениям, сдвигам, перекосам, прогибам, которые внешне могут проявляться в виде трещин и даже разломов.

Смещение сооружений в горизонтальной плоскости может быть вызвано боковым давлением фунта, воды, ветра и т.п.

Высокие сооружения башенного типа (дымовые трубы, телебашни и т.п.) испытывают кручение и изгибу вызываемые неравномерным солнечным нагревом или давлением ветра.

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАХЕОМТЕРОВ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ОСАДКАМИ СООРУЖЕНИЙ

Антон Викторович Никонов

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры инженерной геодезии и информационных систем, e-mail: sibte@bk.ru

В статье рассматривается вопрос применения тригонометрического нивелирования электронным тахеометром для наблюдений за осадками инженерных сооружений. На основе производственных данных по наблюдению осадок железобетонных труб объектов энергетики сформулированы рекомендации по применению нивелирования наклонным лучом.

Ключевые слова: тригонометрическое нивелирование, нивелирование тахеометром, осадки и деформации, превышения.

EXPERIENCE OF APPLICATION OF TRIGONOMETRIC LEVELLING WITH USE ELECTRONIC TOTAL STATIONS FOR MEASURING DEFORMATIONS OF CONSTRUCTIONS

Anton V. Nikonov

Post-graduate student, Department of Engineering Geodesy and Information Systems, Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., e-mail: sibte@bk.ru

In article the question of application of trigonometric levelling by electronic total station for supervision over deformations of engineering constructions is considered. Recommendations about levelling application by an inclined beam are formulated.

Key words: trigonometric leveling, tacheometer leveling, deformations of constructions, height differences.

В комплекс работ по наблюдениям за кренами дымовых труб, как правило, входит нивелирование осадочных марок фундамента . Согласно , измерения осадки фундаментов зданий и сооружений производятся методом геометрического и гидростатического нивелирования. Измерения осадки в период эксплуатации осуществляются с точностью, характеризующейся средней квадратической погрешностью определения осадки в слабом месте не более 1 мм (наиболее удаленной марки от исходных реперов).

Специализированные организации, выполняющие строительство и ремонт дымовых труб, а также осуществляющие их геодезический контроль, не всегда обладают комплектом приборов и инструментов для производства прецизионного нивелирования .

Тем не менее, применение современных электронных тахеометров позволяет обнаружить осадку фундамента 1мм и более по сравнению с предыдущим циклом наблюдений, так как грунтовые репера зачастую

находятся неподалеку от дымовых труб (50 — 250 м), а также зафиксировать неравномерность осадок марок трубы более 1 мм .

Среднюю квадратическую погрешность превышения, определенного тригонометрическим нивелированием, вычисляют по формуле :

m = (rns cgz)2 + (^)2, (1)

где ms — С.К.П. измерения расстояния; z — зенитное расстояние; mz — С.К.П измерения зенитного расстояния; />=206265 — число секунд в радиане.

Так, при проложении нивелирного хода по осадочным маркам вокруг дымовой трубы, среднее расстояние от прибора до рейки составляет 6м, а зенитное расстояние 100°. Подставив известные величины, получим mh = 0,38 мм ( mz = 5») и mh = 0,36 мм ( mz = 2»). В конкретном случае, точность измерения вертикального угла практически не влияет на точность измеряемого превышения.

При тщательном выполнении измерений, возможно добиться того, чтобы превышение, измеренное тахеометром, отличалось от превышения, измеренного прецизионным нивелиром, не более, чем на 0,2 — 0,3 мм.

Летом 2012 года на Бийской ТЭЦ выполнялись геодезические наблюдения четырех железобетонных дымовых труб. Определение отметок осадочных марок производилось тригонометрическим нивелированием с использованием электронного тахеометра Leica TS-02 (5») и телескопической шашечной рейки.

Работы выполнялись в солнечную погоду (t=+23°C). По возможности прибор устанавливался в тени от строений ТЭЦ.

Порядок работы на станции следующий: тахеометр устанавливался приблизительно посередине между двумя марками, визирование выполнялось на один и тот же штрих рейки (удобный для данной станции). В основном выполнялось визирование на «5см» штрих, в целях уменьшения влияния наклона рейки. Из-за большой высоты осадочных марок, уровень при удержании рейки не применялся.

Далее в безотражательном режиме измерялись превышения между задней и передней рейкой. Для удобства вычислений с прибора выписывались не превышения между осью вращения зрительной трубы и целью, которые могут иметь разные знаки, а отвлеченные отметки «5-и» сантиметровых штрихов рейки. Превышение между осадочными марками определялось как условная отметка «5-и» сантиметрового штриха рейки, установленной на передней точке, минус его отметка на задней точке.

Наведение на штрих выполнялось два раза, значение высоты выписывалось с точностью до десятых долей миллиметра. Если при двойном наведении значения высот отличались более чем на 0,4 мм, производились дополнительные измерения.

При нивелировании вокруг труб плечи нивелирования составляли порядка 5-10 м. В ходах связи (между исходным репером и осадочной маркой трубы

или осадочными марками соседних труб) длины плеч не превышали 40 м. Хода связи выполнялись прямо и обратно.

На дымовых трубах было установлено от 4 до 12 осадочных марок. По результатам замыканий вокруг труб были получены следующие невязки (см. табл. 1).

Таблица 1

Невязки ходов нивелирования по осадочным маркам дымовых труб

ы б тр Станций в полигоне Невязка триг. нив., мм Невязка геом. нив. 2011 г., мм

1 2 3 4

1 4 +0,2 —

2 6 +1,5 +0,54

3 6 +1,4 +0,38

4 6 +0,4 -0,74

Допустимые невязки, подсчитанные по формулам для

геометрического нивелирования II класса (/ = 0,5 мм-/й) и III класса (/ = 1,5 мм-/й) равны соответственно 1,2 и 3,6 мм (где п — число станций в замкнутом полигоне, в данном случае п=6).

Все значения полученных невязок (столбец 3 таб.1) меньше допустимых значений для III класса геометрического нивелирования и близки к допускам для II класса.

В 2011 году по тем же осадочным маркам были проложены ходы высокоточного геометрического нивелирования с использованием нивелира Н-05.

Поскольку данной ТЭЦ более полувека, то осадки зданий и сооружений практически стабилизировались, что подтверждает анализ результатов

наблюдений за последние годы, вплоть до 2011г. В связи с этим осадки

дымовых труб с 2011 г по 2012 г маловероятны. Это позволяет провести сравнительный анализ превышений, полученных разными методами .

При нивелировании в 2011 и в 2012 годах схемы ходов не всегда совпадали, поэтому в ряде случаев сравниваются не непосредственно

измеренные превышения между осадочными марками, а их вычисленные значения.

По результатам обработки получены разности измеренных, а также уравненных значений превышений тригонометрического и геометрического нивелирования по формуле:

А = — ^г (2)

Данные разности были отсортированы по интервалам с шагом 0,1 мм и помещены в табл. 2.

Количественная характеристика различий тригонометрического и геометрического нивелирования

№ интер. интервал число до урав. число после урав.

1 от -0,6 до -0,7 0 1

2 от -0,5 до -0,6 0 0

3 от -0,4 до -0,5 0 1

4 от -0,3 до -0,4 1 7

5 от -0,2 до -0,3 3 3

6 от -0,1 до -0,2 2 0

7 от 0 до -0,1 5 6

8 от 0 до 0,1 6 4

9 от 0,1 до 0,2 1 1

10 от 0,2 до 0,3 0 0

11 от 0,3 до 0,4 3 0

12 от 0,4 до 0,5 3 1

13 от 0,5 до 0,6 2 0

14 от 0,6 до 0,7 2 0

15 от 0,7 до 0,8 0 2

Таким образом, 85% разностей до уравнивания находятся в пределах 0,5 мм, а 40% в интервале ±0,1 мм. Из 4-х разностей, превышающих интервал 0,5 мм до уравнивания, три разности вошли в этот интервал после уравнивания, однако две другие разности после уравнивания превысили 0,5 мм.

В итоге, после уравнивания 88% разностей не превышают 0,5 мм, и 38% разностей не превышают 0,1 мм.

Также следует отметить, что максимальные значения разностей получены не по измеренным превышениям, а путем вычислений. Разности в интервале от 0,7 до 0,8 получены путем алгебраических действий с двумя превышениями тригонометрического и двумя превышениями геометрического нивелирования.

Еще были вычислены разности между превышениями ходов связи, приведенных к одноименным маркам, из-за разной схемы ходов. В табл. 3 указано соотношение количества превышений тригонометрического и геометрического нивелирования, используемых в вычислениях.

Из таблицы следует, что результаты тригонометрического нивелирования хорошо согласуются с результатами высокоточного геометрического нивелирования. Максимальное значение разности, превышающее 1 мм, было получено при использовании в вычислениях 7(!) превышений тригонометрического нивелирования и 5 превышений высокоточного нивелирования.

Аналогичным образом тригонометрическое нивелирование применялось в 2012 году при наблюдениях за осадками фундаментов дымовых труб

Назаровской ГРЭС, Красноярской ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 (всего три трубы). Все измерения производились в пасмурную погоду, ґ = +150С.

Таблица 3

Разность превышений тригонометрического и геометрического нивелирования в ходах связи

Порядок связи (№ труб) Соотношение числа станций тригон./геометр. Разность до урав., мм Разность после урав.,мм

от 1 к 2 2/5 -0,09 —

от 2 к 3 2/7 -0,87 -1,06

от 2 к 3* 7/5 1,18 1,38

от 3 к 4 3/9 0,02 —

* — вычисленные по другим превышениям

Данные по ходам связи представлены в табл. 4.

Таблица 4

Сравнение превышений из тригонометрического и геометрического нивелирования в ходах связи

Объект Тригон. нив. прям/обрат. Геом. нив. А=^т-^г год геом. нивел. штатив триг./геом.

НГРЭС +1341,7 +1341,5 +1341,40 +0,30 +0,10 2005 2/5 4/5

ТЭЦ-1 +493,1 +493,56 -0,46 2010 4/7

ТЭЦ-2 -1889,3 -1889,0 -1889,38 +0,08 +0,38 2011 1/2

Из таблицы видно, что превышения «прямо» и «обратно» не отличаются более чем на 0,2 — 0,3 мм. Различия в превышениях, полученных разными методами, не отличается более чем на 0,5 мм. Эти отличия могли быть вызваны как осадкой высотной основы и сооружений за период эксплуатации между циклами наблюдений, так и ошибками измерений обоих методов. Сравним превышения между осадочными марками фундаментов дымовых труб (см. табл. 5).

Найденные разности между превышениями из тригонометрического и геометрического нивелирования не превышают 0,5 мм, а среднее по абсолютной величине значение разности равно 0,2 мм.

Производить оценку точности тригонометрического нивелирования, используя только допустимые невязки для геометрического нивелирования, не совсем корректно, поэтому в методику следует внести изменения для более надежного контроля качества измерений.

Сравнение превышений между марками дымовой трубы из тригонометрического и геометрического нивелирования

Тригон. нив. невязка тригон. нивелир. £,мм/стан Геом. нив. Д=Ит-Иг год геом. нив. число штативов триг/геом

до урав. после урав. до ур. после ур.

НГРЭС -247,7 -247,1 +2,6 / 8 -247,2 -0.5 +0.1 2005 2/1

ТЭЦ-1 +3,6 +613,7 — нет возм замкн. +3,6 +613,5 0 +0,2 — 2010 1/1 2/2

ТЭЦ-2 -51,0 +20,5 +90,7 -15,3 -73,6 +28,6 -51,0 +20,5 +90,8 -15,3 -73,6 +28,6 +0,1 / 6 -51,32 +20,83 +91,28 -15,18 -73,69 +28,30 +0,32 -0,33 -0,58 -0,12 +0,09 +0,3 +0,36 -0,29 -0,45 -0,09 +0,13 2011 1/1

Для этого предлагается визировать на два штриха рейки, находящиеся наиболее близко к пятке и разнесенные на 5 — 10 см друг от друга. В связи со сложной схемой ходов при нивелировании осадочных марок и необходимости полевого контроля, результаты измерений целесообразно записывать не в память прибора, а в журнал.

После установки прибора приблизительно посередине между осадочными марками и его горизонтирования, предлагается следующая последовательность действий при визировании на заднюю рейку:

1) Визирование на нижний штрих и измерение превышения между штрихом и осью вращения зрительной трубы. Запись превышения в полевой журнал.

2) Второе совмещение и измерение превышения. Запись превышения в полевой журнал.

3) Сравнение полученных результатов. Допустимое расхождение 0,4 мм при длинах плеч 20-40 м и 0,3 мм при длинах плеч менее 20 м.

4) Визирование на верхний штрих и измерение превышения между верхним штрихом и осью вращения зрительной трубы. Запись превышения в полевой журнал.

5) Второе совмещение и измерение превышения. Запись превышения в полевой журнал.

6) Сравнение превышений при двойном визировании на верхний штрих. Допустимые расхождения такие же, как и при наведении на нижний штрих.

7) Сравнение разности средних превышений на верхний и нижний штрихи с теоретическим расстоянием между штрихами, которое известно из градуировки рейки или при использовании бар-кодовой рейки, измерено

женевской линейкой либо компарированной рулеткой. Допустимое различие 0,4 мм при длинах плеч менее 20 м и 0,6 мм для длин плеч 20 — 40 м.

Порядок работы с передней рейкой аналогичный.

При сравнении измеренных превышений с данными из предыдущих циклов нивелирования определяют необходимость выполнения двойного хода.

Если различия в превышениях из двух циклов превышают 0,6 мм, то выполняется обратный ход по аналогичной программе.

В случае, если предыдущие измерения отсутствуют или сильно устарели, чтобы отказаться от проложения двойного хода следует выполнять работу по описанной схеме, но при двух положениях вертикального круга.

При работе с тахеометрами, у которых один экран, измерения при другом положении круга (КП) требуют обходить прибор для взятия отсчета, что вызывает неудобства. Поэтому при работе с такими приборами есть смысл работать при одном круге, но в два горизонта.

Наведение на два штриха целесообразно при визировании на расстояния свыше 15-20 м, что характерно для ходов связи. При нивелировании двух близко расположенных марок следует ограничиться визированием на один штрих.

В качестве цели удобно использовать метровую нивелирную рейку с инварной полосой и круглым уровнем. Возможно использовать и обычную шашечную рейку, как в опыте, но важно визуально следить за ее вертикальностью.

Из выше сказанного следует, что в зависимости от требуемой точности, расстояния от прибора до цели, от удаленности наблюдаемого сооружения от репера порядок измерений на станции может значительно меняться. Это говорит об адаптированности метода к местным условиям.

Оценка точности проводится по формуле, для вычисления СКО превышения по разностям двойных равноточных измерений:

где d — разность измерений, п — число пар измерений.

При измерениях по упрощенной схеме в качестве двойных измерений выступают превышения, вычисленные отдельно по нижним и верхним штрихам рейки. При нивелировании в два горизонта (или при двух кругах) значения d получают, как разность превышений полученных при разной высоте инструмента (или при разных кругах).

Данную методику предлагается использовать для наблюдения за осадками дымовых труб, а также малонагруженных зданий и сооружений, таких как здания химводоочистки, баки хранения жидкого топлива и т.д.

Преимущество данного метода состоит в том, что с одной станции можно выполнить измерения сразу на несколько марок, (рис. 1) при этом допуская неравенства плеч, значительно большие, чем в геометрическом нивелировании специальных классов.

Тригонометрическое нивелирование является менее трудоемким методом в сравнении с геометрическим нивелированием способом совмещения, в котором

(3)

для нивелирования того же количества марок требуется больше перестановок прибора (рис. 2).

Рис. 1. Возможная схема нивелирования наклонным лучом

Рис. 2. Фрагмент схемы геометрического нивелирования

На основе полученных данных, можно сделать вывод, что тригонометрическое нивелирование короткими лучами (до 50м) с использованием современных тахеометров (ш2 < 5″) и предложенной методики может применяться для обнаружения критических осадок (более 1мм) некоторых инженерных сооружений и сравнимо по точности с геометрическим нивелированием II класса.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СО 153-34.21.322-2003 «Методические указания по организации и проведению наблюдений за осадкой фундаментов и деформациями зданий и сооружений строящихся и эксплуатируемых тепловых электростанций».

2. МДС 13-22.2009 «Методика геодезического мониторинга технического состояния высотных и уникальных зданий и сооружений».

3. Хаметов Т.И. Геодезическое обеспечение проектирования, строительства и эксплуатации зданий, сооружений : учеб. пособие. — М.: Изд-во АСВ, 2002. — 200с.

4. Беспалов Ю.И., Мирошниченко С.Г. Исследование точности измерения превышений электронными тахеометрами // Геодезия и картография. — 2009. — № 3. — С. 12-13.

5. Беспалов Ю.И., Дьяконов Ю.П., Терещенко Т.Ю. Наблюдение за осадками зданий и сооружений способом тригонометрического нивелирования // Геодезия и картография. -2010. — № 8. — С. 8-10.

6. Пискунов М.Е. Методика геодезических наблюдений за деформациями сооружений. — М.: Недра, 1980. — 248 с.

7. Пискунов М.Е., Нгуен Ван Дау. Метод высокоточного тригонометрического нивелирования короткими (до100 м) лучами // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -1971. — № 6. — С. 37-48.

8. Скрипников В.А., Скрипникова М.А. Технологическая схема геодезического обеспечения реконструкции гидрогенератора// // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). — Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. — С.46-52.

9. Хорошилова Ж.А., Хорошилов В.С. Деформационный мониторинг инженерных объектов как составная часть геодезического мониторинга // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. — С. 77-80.

10. Прогноз деформаций с использованием функций показательного многочлена /

В.А. Середович, Р. Эхигиатор-Иругхе, О.М. Эхигиатор, Х. Ориакхи // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия,

геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). — Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. — С. 148-155.

11. Сальников В.Г. Геодезические работы при возведении градирен большой высоты // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск,

10-20 апреля 2012 г.). — Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. — С. 72-77.

12. Скрипников В.А., Скрипникова М.А. Совершенствование схем планового обоснования для определения горизонтальных смещений гидротехнических сооружений // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). — Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. — С. 97-100.

13. Басаргин А.А. Анализ деформаций фундаментов промышленных сооружений

с применением геостатистических методов // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография,

маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). — Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. — С. 201-206.

14. Басаргин А.А. Вариограммный и ковариационный анализ результатов наблюдений за осадками фундаментов инженерного сооружения // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). — Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. — С. 13-18.

15. Лесных Н.Б., Лесных Г.И., Малиновский А.Л. Предельные ошибки измерений // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). — Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. — С. 26-32.

16. Результаты комплексных геодезическо-гравиметрических наблюдений на геодинамическом полигоне Спорышевского месторождения / В.А. Середович, А.И. Каленицкий,

Э.Л. Ким, М.Д. Козориз // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). — Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. — С. 12-15.

© А.В. Никонов, 2013

Осадки сооружения определяют геометрическим и тригонометрическим нивелированием, гидро- и микронивелированием, фото- и стереофотограмметрическим способами.
Наиболее широко используют способ геометрического нивелирования, обладающий высокой точностью и быстротой измерений. Превышения между точками на расстоянии 5-10 м можно определять с точностью до 0,05-0,1 мм, а на расстоянии сотен метров — с точностью до 0,5 мм.
При определении осадок бетонных плотин гидроузлов применяют нивелирование I и II классов со средними квадратическими ошибками измерения превышений на станции 0,3 и 0,4 мм. При определении осадок промышленных и гражданских зданий используют нивелирование II и III классов, средние квадратические ошибки превышений на станции в этих случаях равны 0,4 и 0,9 мм соответственно. Отметки деформационных точек (марок) на весь период наблюдений определяют относительно исходного опорного репера, для которого условно принимают отметку, равную 10,000 или 100,000 м. При измерениях высокой точности используют тщательно отъюстированные высокоточные нивелиры типа Н-05, штриховые инварные или специальные малогабаритные рейки.
Способ тригонометрического нивелирования используют при определении осадок марок, расположенных на значительно разных высотах (высотные здания, башни и т. п.). Точность — порядка 0,1 мм — возможна при коротких (до 100 м) расстояниях с применением теодолитов типа Т2 и специальной методики измерений зенитных расстояний с точностью порядка при однообразной установке теодолита во всех циклах, строгой вертикальности реек, при условиях минимального влияния вертикальной рефракции и других источников ошибок, расстояния от прибора до определяемых точек нужно измерять с точностью до 3-5 мм.
Гидронивелирование обеспечивает точность геометрического нивелирования и позволяет создавать стационарные автоматизированные системы с дистанционным съемом информации. Система гидростатического нивелирования позволяет автоматически с помощью электрических и оптико-электронных датчиков определять изменение уровня жидкости в сосудах. Система позволяет измерять со средней квадратической ошибкой порядка 0,1 мм.
Способ микронивелирования используют при определении превышений между точками, расположенными на расстоянии 1-1,5 м (изучение осадок и наклонов балок, ферм, технологического оборудования). Измерения выполняют микронивелиром.
Фото- и стереофотограмметрический способы основаны на фотосъемке исследуемого объекта фототеодолитом в начальный и последующие циклы и определении разности координат точек сооружения по этим снимкам. При фотограмметрическом способе деформацию определяют в одной плоскости (обычно в плоскости стены здания. При стереофотограмметрическом способе определяют пространственное положение объекта, т. е. деформацию определяют по трем координатам. Фотографирование объекта в каждом цикле выполняют с одних и тех же двух точек базиса известной длины. В результате получают стереопару, позволяющую строить модель объекта и путем измерения координат точек модели определять деформацию. Обработку в обоих способах целесообразно выполнять на стереокомпараторе с последующими вычислениями по строгим формулам на ЭВМ. Средняя квадратическая ошибка определения деформации этими способами равна 1,0 мм и менее.

В то же время гидростатические приборы и системы имеют и ряд серьезных недостатков, не позволяющих использовать их широко в практике контроля деформаций многих объектов промышленных предприятий. К ним относятся:

— колебание температуры, которое приводит к изменению плотности жидкости, а следовательно, и высот столбов жидкости, что не позволяет применять повсеместно гидростатический метод в производственных цехах, особенно это проявляется в системах с перераспределением жидкости;

— влияние вибрационных нагрузок от работающего оборудования на точность отсчитывания, что не позволяет применять этот метод на сооружениях
и оборудовании со значительными динамическими нагрузками;

— малый диапазон измеряемых превышений, что затрудняет работы по установке КИА и использование метода при больших осадках и деформациях;

— большие затраты на установку, проверку и обслуживание автоматизированных систем контроля, что выгодно только при непрерывном контроле или периодическом контроле с высокой частотой замеров;

— отсутствие общепринятых классов и методик гидростатического, гидродинамического нивелирования и приборов с перераспределением жидкости, что затрудняет метрологическое обеспечение геодезических работ на контролируемых объектах.

Исходя из перечисленных выше преимуществ и недостатков, переносные приборы гидростатического нивелирования целесообразно применять при измерении осадок объектов с летучим или периодическим контролем, где требуются точности измерения превышений выше, чем это может обеспечить геометрическое нивелирование, при этом отсутствуют большие перепады температуры окружающей среды и действуют незначительные вибрационные нагрузки, а измерения приходится производить в стесненных для других методов условиях.

Стационарные гидростатические и гидродинамические системы целесообразно применять при измерении осадок объектов с непрерывным или частым периодическим контролем и требуемой высокой точностью измерений. При этом температурные и вибрационные нагрузки на систему должны быть незначительными. Автоматизированные стационарные системы, дополнительно к сказанному, целесообразно создавать и при контроле деформаций сооружений на разных уровнях и в разных помещениях, что позволит значительно ускорить
и удешевить съем информации.

Метод тригонометрического нивелирования для контроля осадок применяется значительно реже по сравнению с методами геометрического и гидростатического нивелирования. Это связано с относительно низкой точностью измерений превышений и значительными затратами, связанными с точными измерениями не только вертикальных углов, но и линий. Однако, в настоящее время, в связи с созданием высокоточных электронных тахеометров, роль его значительно возрастает. Свое место он находит там, где методы геометрического и гидростатического нивелирования неприемлемы по причине значительных перепадов высот или недоступности КИА – определение осадок арочных плотин, земляных плотин и насыпей, глубоких котлованов. Особенно хорошие результаты можно получить при контроле объектов, где одновременно необходимо контролировать как вертикальные, так и горизонтальные перемещения – оползания откосов земляных плотин, бортов водохранилищ и др.

Метод наземной фотограмметрической съемки для контроля осадок зданий, сооружений и оборудования промышленных предприятий применяется крайне редко. Это связано с недостаточной точностью измерений контролируемых параметров, сложностью выбора исходных пунктов и обзорной перспективы для съемки объектов, особенно внутри производственных помещений, необходимостью обработки результатов съемки на специальных, достаточно редких в широком применении, приборах. Вместе с тем, при больших объемах работ и приемлемой для контроля параметров точности, этот метод становится иногда наилучшим, например, при летучем пассивном контроле (точность при пассивном контроле в несколько раз меньше, чем при активном) деформаций объемных сооружений – открытых частей плотин, градирен, крупных резервуаров и т. п.

Микронивелирование , как один из методов измерения осадок и деформаций конструкций по высоте, несмотря на высокую точность измерения превышений, применяется достаточно редко. Это связано с малыми величинами измеряемых превышений и малыми расстояниями между контролируемыми точками. Поэтому метод используется только при контроле деформаций крупногабаритного оборудования и его элементов – направляющих путей кареток станков для изготовления крупногабаритных деталей, плоскостности и прямолинейности опорных рам и баз оборудования и т. п.

При выборе схем, методов и средств нивелирования большую роль на точность нивелирования оказывает влияние продолжительности самих измерений на изменяющихся во времени объектах . Во время измерений, вследствие естественного процесса осадок конструкций сооружений и оборудования, изменяется положение контрольно-измерительной аппаратуры, которое может достигать больших величин и повлиять на измеряемые превышения и невязки ходов.

Определенная доля влияния перемещений марок на процесс нивелирования может быть устранена методикой нивелирования – порядком отсчитывания по рейкам. Однако основное время при нивелировании на объекте по маркам уходит не на взятие отсчетов, а на приведение марок в рабочее положение, перестановку прибора и установку его в середину между марками, приведение его в рабочее состояние, настройку на взятие отсчета. Изменение положения марок за это время не может быть устранено методикой нивелирования, Особенно большое влияние на невязку хода будут оказывать длительные неизбежные остановки (на обеденный перерыв, на ночное время и т. п.) в процессе проложения замкнутых ходов на объектах с большим числом марок. Теория влияния продолжительности измерений на точность нивелирования подробно рассмотрена в работе . На основании исследований в указанной работе приведены формулы и составлены графики (рис. 4.2.2), по которым можно производить вычисления требуемого времени нивелирования на объекте. Вычисление времени нивелирования рекомендовано производить по формуле:

, (4.2.12)

где – допустимое время в сутках (часах) проложения хода;

– допустимая суммарная ошибка влияния перемещения объекта на невязку хода (так как ошибка носит систематический характер, то принимается, как правило, равной 0,1 части допустимой невязки в ходе);

– средняя скорость осадки объекта в цикле измерений.

0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

Рис. 4.2.2. Графики расчета допустимого времени проложения
замкнутых ходов нивелирования (в сутках)

Расчеты показывают, что при больших скоростях перемещений объектов
и требуемой высокой точности измерений превышений, нивелирование по замкнутому полигону необходимо выполнять иногда в считанные часы. Поэтому при проектировании контроля осадок следует рассчитывать, и, если необходимо, сокращать время измерений на объекте, например, за счет участия в измерениях одновременно нескольких бригад. Необходимо отметить также, что существенного уменьшения влияния осадок на точность нивелирования можно достичь, применяя трехступенчатую систему нивелирования, рассмотренную выше.

Назначение класса и средств нивелирования в ступенях и ходах связи производят исходя из величин СКП измерений превышений на одну станцию нивелирования, полученных в результате расчета точности по формулам
(4.2.3 – 4.2.11) и особенностей применения методов нивелирования, приведенных выше. Полученные погрешности сравнивают с нормативными, установленными для классов нивелирования (см. табл. 4.1 – 4.4), а также с паспортными характеристиками точности средств измерений, описанных выше, и выносят соответствующее решение.

4.2.4. Проектирование методов обработки результатов
измерений осадок и форм отчетной документации

Документация, отражающая результаты геодезического контроля осадок, может проектироваться в виде акта, заключения или технического отчета. Назначение вида отчетной документации зависит от уровня ответственности контролируемого объекта, методов и средств контроля. Документация в виде акта проектируется при контроле осадок объектов предприятий весьма редко. Этот вид документации, как правило, применяется при летучем контроле в случаях аварийных ситуаций, при ремонтах оборудования и при решении спорных вопросов. При проектировании систематического контроля за деформациями объектов промышленных предприятий в качестве отчетной документации используют форму технического отчета. Такие отчеты, в зависимости от количества накопленных материалов, состояния объектов, стадии эксплуатации предприятия и сооружений, накопленного опыта эксплуатации подобных предприятий и объектов в отрасли, и, наконец, с учетом требований проектировщиков и контролирующих органов, проектируют в виде промежуточных и окончательных. Составление окончательных (заключительных) отчетов проектируют при выполнении строительного цикла предприятия (перед пуском в эксплуатацию), при завершении активного периода осадок, а также не реже чем через каждые
5 лет эксплуатации. Промежуточные отчеты проектируют после каждого очередного цикла измерений. Если полученная в очередном цикле информация не содержит значительных отличий от предыдущего цикла измерений, материалы контроля могут быть оформлены в виде заключения. Как правило, промежуточные отчеты и заключения несут краткую информацию о конкретно полученных результатах измерений осадок и деформаций объектов и выводы по их техническому состоянию. Основная же полная информация по проектированию, проведению и анализу результатов контролю представляется в окончательном отчете.

Окончательный отчет по контролю осадок должен включать краткую характеристику входной документации, сведения из программы контроля и документацию, отражающую результаты геодезического контроля осадок.

Краткая характеристика входной документации должна включать:

— геологические и гидрологические данные о территории промплощадки
с результатами испытаний грунтов и анализа грунтовых вод;

— выписки их технологических паспортов зданий, сооружений, технологических узлов и оборудования по принятым конструктивным решениям и условиям работы;

— сведения по исполнительным съемкам объектов и отступлениям от проекта;

— выписки из инструкций по обслуживанию строительных конструкций
и оборудованию.

Сведения из программы контроля должны содержать:

— перечень объектов и параметров геодезического контроля на предприятии с указанием допусков, а также отступления от принятых проектных решений;

— планируемые методы контроля по объемной и временной характеристикам и управляющему воздействию, а также возможные отступления от них;

— планируемые методы и средства измерений и отступления от них;

— схемы расположения, размеры и описание конструкций установленных исходных реперов и осадочных марок;

— применяемую методику измерений.

Документация, отражающая результаты геодезического контроля, должна содержать материалы первичной и вторичной обработки информации по контролю осадок.

Методы первичной обработки информации по измерению осадок и деформаций сооружений и их оснований по своим целям и задачам базируются на общепринятых в инженерной геодезии принципах и методах обработки инженерно-геодезических измерений . В то же время, специфика нивелирных работ при контроле осадок сопровождается рядом существенных отличий, которые необходимо учитывать при составлении проекта. К ним относятся:

— необязательный постраничный контроль измерений превышений, что связано с незначительной длиной ходов и возможным применением регистрационных нивелиров;

— составление в крупных масштабах рабочих схем нивелирных ходов со значениями измеренных превышений (аналогично рис. 4.2.1), по которым проверяют правильность выполнения проекта и предварительно оценивают качество измерений по невязкам в полигонах или расхождениям превышений по линиям и ходам;

— применение методов уравнивания превышений для свободных сетей (при ступенчатой схеме измерений, описанной выше), что значительно упрощает вычислительные процессы;

— производство анализа устойчивости реперов исходной основы и выбор стабильного репера для данного цикла измерений абсолютных осадок.

Анализ устойчивости исходных реперов является специфическим отличительным процессом контроля абсолютных осадок сооружений. Поэтому уделим ему особое внимание.

Из опыта контроля и наблюдения осадок установлено, что отметки глубинных (фундаментальных) реперов, заложенных даже в скальных породах, могут изменяться, вследствие чего в измеряемые осадки вносятся погрешности.

На вертикальные смещения реперов влияют природные (вариации температуры пород и уровня грунтовых вод, изменения влажностного режима и т. п.)
и антропогенные факторы (давление от воздвигаемых сооружений, забор грунтовых вод и т. д.). Поэтому, для достоверного выявления осадок наблюдаемых элементов сооружения, необходимо проводить тщательный анализ устойчивости исходных (опорных) реперов, и на основании этого анализа определяется наиболее стабильный репер, который принимается за исходный для данного цикла измерений.

Проблеме контроля устойчивости пунктов высотной основы посвящен ряд исследований как в России, так и за рубежом. Все способы определения устойчивых реперов названы по именам авторов, предложивших эти решения. Известны: способ , основанный на корреляционном анализе превышений; способ и , основанный на неизменности средней высоты репера; способ А. Костехеля, основанный на принципе неизменной отметки наиболее устойчивого репера сети; способ , в основе которого лежит принцип неизменной средней отметки реперов сети и др. Наибольшее распространение в практике работ получили два последних способа, как наиболее простых и легко реализуемых в расчетах.

Способ, разработанный румынским геодезистом А. Костехелем , основан на принципе неизменной отметки наиболее устойчивого репера сети. Автор предполагает, что после уравнивания свободной нивелирной сети колебание одноименных превышений в разных циклах вызывается главным образом осадками реперов. Поэтому разность значений превышений звена в текущем и первом циклах

отражает суммарное влияние осадок реперов между этими циклами. Значение v вычисляют для всех реперов и для каждой пары циклов, принимая последовательно за исходные реперы сети 1, 2, 3… Репер, для которого полученная = min, считается наиболее устойчивым, и его высота, взятая из начального цикла, принимается за исходную при вычислении отметок.

Для характеристики относительной стабильности сети в каждом цикле измерений i для каждого репера j вычисляют

, (4.2.13)

т. е. изменение его отметки («осадку») относительно начального цикла, и предельную погрешность определения этой разности

, (4.2.14)

где t – нормированный множитель, принимаемый равным 2 или 3;

– средняя квадратическая погрешность единицы веса;

– обратный эквивалентный вес хода.

Если , т. е. при , влияние осадки репера не превышает ошибок нивелирования, и он считается стабильным. В противном случае предполагается, что репер дает осадки и исключается из числа опорных. После исключения нестабильных реперов анализ сети повторяют.

В способе, предложенном , лежит принцип неизменной средней отметки реперов сети. В этом способе в каждом очередном цикле наблюдений нивелирная сеть уравнивается как свободная. По отметке любого репера из первого цикла наблюдений вычисляют отметки всех реперов сети в последующих циклах. Вследствие влияния погрешностей измерений и за счет возможных изменений положения реперов, вычисленные разности отметок одноименных реперов в текущем j и начальном циклах не будут равны нулю:

(4.2.15)

где 1, 2, …, п – номер репера.

Если за исходный при вычислении отметок был принят первый репер, то . Находят такое значение поправки в высоту исходного репера в текущем цикле, чтобы после исправления всех отметок на эту поправку квадрат суммы оставшихся отклонений был минимальным:

(4.2.16)

Обозначив через , получают уравнения поправок

(4.2.17)

Решая уравнения (4.2.17) относительно под условием (4.2.16), находят

и

(4.2.18)

Введя поправку в исходную отметку, по уравненным превышениям перевычисляют отметки всех реперов текущего цикла. Таким же образом можно определить устойчивость одних и тех же реперов между двумя любыми циклами измерений.

В данном способе поправка (4.2.18) в отметку исходного репера является дополнением до отметки средней плоскости, так как вероятнейшие отметки будут средними из отметок, найденных при принятии за исходную каждой из опорных точек по одним и тем же уравненным превышениям в этом цикле.

Величины поправок в общем характеризуют состояние высотной основы. При более или менее устойчивых реперах эти поправки, как правило, не превышают допустимых ошибок геодезических измерений. Реперы, у которых поправки значительно превышают предельные ошибки нивелирования, должны быть исключены из числа опорных.

Как правило, при проектировании видов первичной документации по обработке результатов измерений осадок необходимо определить перечень обязательных отчетных документов, характеризующих полноту и качество самих геодезических измерений. Перечень таких документов подбирают в зависимости от категории объекта, проектируемых методов и средств измерений, наличия программного обеспечения вычислительных и оформительских работ у контролеров.

Типовой набор документов по обработке результатов измерений осадок включает:

— оформленные и проверенные полевые журналы или электронные носители первичной информации;

— результаты исследований нивелира и реек с актом метрологической аттестации;

— схемы размещения геодезической КИА со схемой нивелирования;

— материалы уравнивания нивелирования с оценкой точности результатов измерений и сравнительной характеристикой расчетной и фактически полученной точности;

— результаты оценки неподвижности исходных реперов;

— ведомость отметок и осадок марок.

Если процессы и методы обработки измерений и документы первичной информации по контролю осадок, названные выше, достаточно известны и применение их не вызывает особых трудностей у геодезистов, а для большинства пользователей продукцией (проектировщиков и эксплуатационников объектов) не представляют интереса, то документы вторичной информации, содержащие интерпретацию окончательных результатов измерений, имеют более важное значение как для геодезистов, так и для пользователей. Это связано, прежде всего, с необходимостью принятия решений о техническом состоянии объекта контроля, поиском причин, приведших к нему, и разработкой мероприятий по устранению недопустимых деформаций конструкций и оснований. Здесь необходимо учитывать тот факт, что интерпретация результатов, кроме достоверности и полноты, должна характеризоваться наглядностью и доступностью восприятия и понимания происходящих процессов осадок и деформаций объектов, т. е. материалы должны быть доступны специалистам негеодезического профиля работ.

При проектировании видов вторичной документации, отражающей результаты геодезического контроля, следует также учитывать как категорию объекта контроля, так и требования проектировщиков и эксплуатационников к качеству и содержанию материалов, отображающих реальную картину происходящих с сооружением и основанием процессов и явлений. Как правило, в проектах по контролю осадок объектов промышленных предприятий указывают следующие основные документы:

— ведомости или таблицы фактически полученных и допускаемых величин контролируемых геометрических параметров как отдельных конструкций, так
и объектов в целом – средних осадок объектов, относительных разностей осадок рам, прогибов, наклонов и т. п.; по ним путем простого сравнения устанавливают степень соответствия полученных осадок и деформаций установленным нормам;

— графики развития осадок фундаментов конструкций объектов во времени (рис. 4.2.3), по которым судят о степени развития процесса деформации каждого контролируемого элемента объекта во времени;

— графики линий равных осадок фундаментов объектов (рис. 4.2.4), по которым наглядно определяют места воронок оседания частей сооружения и основания и тем самым уточняют места поиска причин возникновения осадок;

— развернутые графики осадок фундаментов объектов (рис. 4.2.5), на которых наглядно изображают деформации рам каркасов зданий, вследствие неравномерных осадок фундаментов;

—  материалы прогнозирования деформаций по данным геодезических измерений (в случаях больших отклонений от проектных величин).

Документация, отражающая результаты геодезического контроля, заканчивается анализом осадок и деформаций объектов (табл. 4.2.5) и выводами.

Некоторые важные образцы документации, отражающей результаты геодезического контроля, приведены в .

Рис. 4.2.3. Графики развития осадок фундаментов конструкций во времени:

А-1 – осадки фундаментов колонн по ряду А здания

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3