Исследование деформаций инженерных сооружений геодезическими методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Дальневосточный федеральный университет"

Инженерная школа

Кафедра геодезии, землеустройства и кадастра

Исследование деформаций инженерных сооружений геодезическими методами

Введение

Все сооружения испытывают различного рода деформации, вызываемые конструктивными особенностями, природными условиями и деятельностью человека.

Наблюдения за деформациями зданий и сооружений начинают с момента их возведения и продолжают в процессе эксплуатации. Они представляют собой комплекс измерительных и описательных мероприятий по выявлению величин деформаций и причин их возникновения.

По результатам наблюдений проверяется правильность проектных расчетов, и выявляются закономерности, позволяющие прогнозировать процесс деформации и своевременно предпринять меры по ликвидации их последствий.

Для сложных и ответственных сооружений наблюдения начинают одновременно с проектированием. На площадке будущего строительства изучают влияние природных факторов и в этот же период создают систему опорных знаков с тем, чтобы заранее определить степень их устойчивости.

На каждом этапе возведения или эксплуатации сооружения наблюдения за его деформациями производят через определенные промежутки времени. Такие наблюдения, проводимые по календарному плану, называются систематическими.

В случае появления фактора, приводящего к резкому изменению обычного хода деформации (изменение нагрузки на основании, температуры окружающей среды и самого сооружения, уровня грунтовых вод, землетрясения и др.), выполняют срочные наблюдения.

Параллельно с измерением деформаций для выявления причин их возникновения организуют специальные наблюдения за изменением состояния и температуры грунтов и подземных вод, температурой тела сооружения, метеорологических условий и т.п. Ведется учет изменения строительной нагрузки и нагрузки от установленного оборудования.

Для производства наблюдений составляют специальный проект, который в общем случае включает в себя:

техническое задание на производство работ;

общие сведения о сооружении, природных условиях и режиме его работы;

схему размещения условных и деформационных знаков;

принципиальную схему наблюдений;

расчет необходимой точности измерений;

методы и средства измерений;

рекомендации по методике обработки результатов измерений и оценке состояния сооружения;

календарный план (график) наблюдений;

состав исполнителей, объемы работ и смету.

Основной целью наблюдений за деформациями комплекса сооружений в Северном микрорайоне города Находка (завод КПД-80 - главный корпус, бетоносмесительный цех, склад цемента, столовая, административно-бытовой комплекс, а так же жилые дома) являлось получение информации для оценки устойчивости сооружений, принятия своевременных профилактических мер, а так же проверка качества принятой техники строительства и модели свай, применяемых для фундамента.

1. Виды деформации и причины их возникновения

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

В общем случае под термином деформация понимают изменение формы объекта наблюдений. В геодезической же практике принято рассматривать деформацию как изменение положения объекта относительно какого-либо первоначального.

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

В том 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 грунта, воды, ветра и т.п.

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

Для изучения деформаций в характерных местах сооружения фиксируют точки и определяют изменение их пространственного положения за выбранный промежуток времени. При этом определенное положение и время принимают за начальные.

Для определения абсолютных или полных осадок S фиксированных на сооружении точек периодически определяют их отметки H относительно исходного репера, расположенного в стороне от сооружения и принимаемого за неподвижный. Очевидно, чтобы определить осадку точки на текущий момент времени относительно начала наблюдений, необходимо вычислить разность отметок, полученных на эти моменты, т.е.

S=Hтек-Hнач.

Аналогично можно вычислить осадку за время между предыдущим и последующим периодами (циклами) наблюдений.

Средняя осадка Sср всего сооружения или отдельных его частей вычисляется как среднее арифметическое из суммы осадок всех n его точек, т.е.

Sср=?S/n.

Одновременно со средней осадкой для полноты общей характеристики указывают наибольшую Sнаиб и наименьшую Sнаим осадки точек сооружений.

Неравномерность осадки может быть определена по разности осадок ?S каких-либо двух точек 1 и 2, т.е.?S1,2=S2-S1.

Крен и наклон сооружения определяют как разность осадок двух точек, расположенных на противоположных краях сооружения, или его частей вдоль выбранной оси. Наклон в направлении продольной оси называют завалом, а в направлении поперечной оси - перекосом. Величина крена, отнесенная к расстоянию l между двумя точками 1 и 2, называется относительным креном К. Вычисляется он по формуле

K=(S2-S1)/l

Горизонтальное смещение q отдельной точки сооружения характеризуется разностью ее координат xтек, yтек и xнач, yнач, полученных в текущем и начальном циклах наблюдений. Положение осей координат, как правило, совпадает с главными осями сооружения. Вычисляют смещения в общем случае по формулам

qx=xтек-xнач

qy=yтек-yнач

Аналогично можно вычислить смещения между предыдущим и последующим циклами наблюдений. Горизонтальные смещения определяют и по одной из осей координат.

Кручение относительно вертикальной оси характерно в основном для сооружений башенного типа. Оно определяется как изменение углового положения радиуса фиксированной точки, проведенного из центра исследуемого горизонтального сечения.

Изменение величины деформации за выбранный интервал времени характеризуется средней скоростью деформации vср. Так, например, средняя скорость осадки исследуемой точки за промежуток времени t между двумя циклами i и j измерений будет равна

vср=(Sj-Si)/t

Различают среднемесячную скорость, когда t выражается числом месяцев, и среднегодовую, когда t - число лет, и т.д.

2. Задачи и организация наблюдений

Основной целью наблюдений является определение величин деформации для оценки устойчивости сооружения и принятия своевременных профилактических мер, обеспечивающих его нормальную работу.

Кроме того, по результатам наблюдений проверяется правильность проектных расчетов и выявляются закономерности, позволяющие прогнозировать процесс деформации.

Наблюдения за деформациями сооружений представляют собой комплекс измерительных и описательных мероприятий по выявлению величин их возникновения.

Для сложных и ответственных сооружений наблюдения начинают одновременно с проектированием. На площадке будущего строительства изучают влияние природных факторов и в этот же период создают систему опорных знаков с тем, чтобы заранее определить степень их устойчивости.

Наблюдения непосредственно за сооружениями начинают с момента начала его возведения и продолжают в течение всего строительного периода.

Для большинства крупных сооружений наблюдения проводятся и в период их эксплуатации. В зависимости от характера сооружения, природных условий и т.п. наблюдения могут быть закончены при прекращении деформаций, а могут продолжаться и весь период эксплуатации.

На каждом этапе возведения и эксплуатации сооружения наблюдения за его деформациями производят через определенные промежутки времени. Такие наблюдения, проводимые по календарному плану, называют систематическими.

В случае появления фактора, приводящего к резкому изменению обычного хода деформации (изменение нагрузки на основании, температуры окружающей среды и самого сооружения, уровень грунтовых вод, землетрясение и др.) выполняют срочные наблюдения.

Параллельно с измерением деформаций для выявления причин их возникновения организуют специальные наблюдения за изменением состояния и температуры грунтов и подземных вод, температурой тела сооружения, за изменением метеоусловий и т.п. Ведется учет изменения строительной нагрузки и нагрузки от установленного оборудования.

Для производства наблюдений составляют специальный проект, который в общем случае включает в себя:

? техническое задание на производство работ;

? общие сведения о сооружении, природных условиях и режиме его работы;

? схему размещения опорных и деформационных знаков;

? принципиальную схему наблюдений;

? расчет необходимой точности измерений;

? методы и средства измерений;

? рекомендации по методике обработки результатов измерений и оценке состояния сооружения;

? календарный план (график) наблюдений;

? состав исполнителей, объема работ и смету.

2.1 Точность и периодичность наблюдений

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

Точность и периодичность измерений указываются в техническом задании на производство работ или в нормативных документах. В особых случаях эти требования могут быть получены путем специальных расчетов.

В нормативных документах требования к точности определения осадок или горизонтальных смещений характеризуются средней квадратической ошибкой:

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

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

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

мм - для земляных сооружений.

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

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

Установить необходимую точность измерения деформаций расчетным путем довольно сложно, однако для многих профилактических задач можно пользоваться формулой

mф?0,2?Ф, (1)

где mф - средняя квадратическая ошибка измерения деформации;

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

Выбор времени между циклами измерений зависит от вида сооружения, период его работы, скорости измерения деформации и других факторов. В среднем в строительный период систематические наблюдения выполняют 1 - 2 раза в квартал, в период эксплуатации - 1 - 2 раза в год. При срочных наблюдениях их выполняют до и после появления фактора, резко изменяющего обычных ход деформации.

3. Основные типы геодезических знаков и их размещение

Существенная роль в организации наблюдений за деформациями сооружений отводится геодезическим знакам. От правильного выбора конструкции и мест их размещения в значительной мере зависит качество результатов наблюдений.

Применяемые для наблюдений геодезические знаки различают по назначению. Это опорные, вспомогательные и деформационные знаки. Знаки также делятся на плановые и высотные.

Опорные знаки служат опорной основой, относительно которой определяются смещения деформационных знаков. Закрепляются они с расчетом на устойчивость и длительную сохранность.

Вспомогательные знаки являются связующими в схеме измерений и используются для передачи координат от опорных знаков к деформационным.

Деформационные знаки закрепляются непосредственно на исследуемом сооружении и, перемещаясь вместе с ним, характеризуют изменение его положения в пространстве.

Для плановых опорных знаков широко применяют трубчатые конструкции. Основной деталью знака является стальная труба диаметром от 100 до 300 мм, заглубляемая и бетонируемая в грунте не менее чем на 1 м ниже верхней границы твердых коренных пород. Верхний конец трубы заканчивается фланцем, к которому крепится головка знака. Вокруг основной трубы сооружается защитная труба. Пространство между основной и защитной трубами в нижней части заполняется битумом, а в верхней - легким теплоизоляционным материалом. Знак закрывается крышкой. Конструкция головки знака может быть разной и зависит от применяемых для наблюдений приборов.

Для опорных высотных реперов также характерно применение трубчатых конструкций. В то же время для учета изменения длины репера вследствие изменения температуры используют две трубы из разного материала, например стальную и дюралюминиевую. Репер подобной конструкции называется биметаллическим (рис. 1).

Рис.1. Биметаллический репер

Репер в основном состоит из дюралюминиевой трубы (1), помещенной в основную стальную трубу (2). Обе трубы помещаются в защитную трубу (3), крепятся к общему башмаку (4) и бетонируются в твердых породах. Дюралюминиевая труба оборудуется базовой поверхностью, а остальная - кронштейном для отсчетного приспособления (5) (обычно часового индикатора). На стальную трубу навинчивается головка (6) для установки рейки. Защитная труба бетонируется в смотровом колодце (7) и крышкой (8).

Для изучения деформаций промышленных и гражданских зданий в качестве опорных применяют свайные знаки и реперы с поперечным сечением 180 - 250 мм.

Деформационные знаки, применяемые для наблюдений за горизонтальными смещениями, - это в основном визирные цели, закрепляемые или непосредственно на конструкциях, или на кронштейнах. В полу сооружений - это металлические пластины с перекрестием.

Для большинства осадочных реперов характерно наличие сферической головки, на которую подвешивается или устанавливается нивелирная рейка (рис. 2). На сооружении могут закрепляться постоянные нивелирные шкалы. В этом случае отпадает необходимость в использовании реек.

Рис.2. Осадочные реперы: а - в стене; б - в полу

От правильности размещения и числа знаков во многом зависят качество, полнота и достоверность выявленных деформаций.

Опорные знаки необходимо размещать вне зоны возможных деформаций, но поближе к сооружению. Их число должно быть не менее трех, чтобы обеспечить взаимный контроль за устойчивостью.

Расположение деформационных знаков на сооружении зависит от многих факторов: от цели проведения работ, вида деформации, конструкции сооружения в целом и его отдельных элементов, инженерно - геологических условий и др.

Деформационные знаки для определения горизонтальных смещений гражданских и промышленных зданий размещаются по периметру, но не реже, чем через 15 - 20 м по углам и по обе стороны осадочных швов. На плотинах гидроузлов знаки устанавливают в галереях и по гребню (верх плотины) не менее двух марок на секцию. На подпорных стенках, причальных сооружениях и т.п. размещают не менее двух марок на каждые 30 м.

Высотные реперы на гражданских и промышленных зданиях располагают по углам, по периметру через 10 - 15 м по обе стороны деформационных швов, на колоннах, в местах примыкания продольных и поперечных стен. На причальных и подпорных стенках реперы располагают через 15 - 20 м.

На дымовых трубах, доменных печах, различных башнях и т.п. устанавливают несколько ярусов деформационных знаков.

4. Наблюдения за деформациями зданий и сооружений

4.1 Наблюдения за осадками сооружений

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 (рис. 3).



Рис.3. Схема нивелирных ходов для наблюдений за осадками ТЭЦ

При выполнении измерений в зависимости от класса нивелирования применяют 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 допускается до 25 м, его высота над поверхностью земли или пола - не менее 0,5 м. Нивелирование производится только при 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.

Наиболее высокая точность порядка 0,1 мм обеспечивается при коротких (до 100 м) лучах визирования с применением высокоточных теодолитов типа 3Т2 и специальной методики измерений, позволяющей измерять зенитные расстояния с ошибкой 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 ошибок. Расстояния до определяемых точек должны измеряться с ошибкой 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 (рис. 4), состоит из отрезков металлических труб, уложенных на стержнях, заделываемых в стену. Отрезки труб соединяются между собой шлангами. Над трубой в точках, между которыми 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 измерение положения уровня жидкости в сосудах определяется автоматически с помощью электрических или оптико-электронных датчиков.



Рис.4. Стационарная гидростатическая система:

- отрезок металлической трубы;

- стержень; 3 - шланг; 4 - марка; 5 - измеритель

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 определенных 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 поступил сигнал о контакте. Разность замеров между циклами измерений будет соответствовать осадке определяемых точек. Система позволяет выполнять измерения со средней квадратической ошибкой порядка 0,1 мм.

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.

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.

В зависимости от решаемой задачи, условий фотосъемки, вида сооружений и т.д. применяют следующие способы:

? фотограмметрический, деформации определяются в одной вертикальной плоскости XOZ, т.е. в плоскости, параллельной плоскости фотоснимка;

? стереофотограмметрический, деформации определяются по направлениям всех трех координат.

При фотограмметрическом способе фотографирование производят с одной точки при неизменном положении фотокамеры в циклах. При этом плоскость прикладной рамки, по возможности, устанавливают параллельно основной плоскости сооружения. Для вычисления деформаций, кроме измерения координат или параллаксов, на снимках необходимо знать отстояние фотокамеры от объекта и фокусное расстояние объектива фотокамеры.

При стереофотограмметрическом способе фотографирование объекта производят в циклах с двух точек базиса известной длины, в результате чего получают стереопару. Для вычисления деформаций измеряют по снимкам координаты точек базиса и горизонтальные параллаксы.

В обоих способах обработка снимков по координатам или смещениям производят в основном на стереокомпараторе.

Тщательно выполненные измерения и соответствующий учет элементов ориентирования позволяет определять деформации сооружений фотограмметрическими способами со средней квадратической ошибкой менее 1,0 мм.

При наблюдениях за осадками крупных инженерных сооружений, отличающихся повышенными требованиями к точности производства этих работ, разрабатывается, как правило, специальная методика геодезических измерений. Исходными данными для разработки методики измерений служат величины ошибок ms определения осадок наблюдаемых точек, измеренных относительно исходного репера, ошибок m?S разности осадок двух точек, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Связь между требуемой точностью наблюдений и ошибкой единицы веса м, определяющей методику измерений, может быть представлена в виде

(2)

где QH - обратный вес отметки наиболее слабо определяемой точки; Q?H - обратный вес превышения между исследуемыми точками, к точности взаимного положения которых предъявляются повышенные требования.

При использовании способа геометрического нивелирования в качестве ошибки единицы веса м удобно принимать среднюю квадратическую ошибку превышения h, измеренного на станции по двум шкалам в ходе одного направления при выбранной базовой длине D визирного луча,

При использовании тригонометрического нивелирования в качестве ошибки м единицы веса целесообразно принять ошибку превышения, определенного при зенитных расстояниях от 85 до 95°, измеренным одним приемом, и базовом расстоянии DH = 2 м.

В случае применения переносного гидронивелира или микронивелира за ошибку м принимают ошибку превышения между двумя смежными точками, измеренного при перемене местами гидростатических головок или при перекладывании микронивелира.

При проектировании схемы измерений следует стремиться к получению наименьшего значения обратных весов QH и Q?H, что при заданной ошибке определения осадки приводит к большей эффективности работ за счет менее жестких требований к выбору их класса. Помимо этого, к схеме измерений предъявляются такие требования, как минимальный объем работ, обеспечение независимого контроля результатов измерений и получение данных для достоверной оценки точности. В значительной степени этим требованиям отвечает построение схемы в виде системы замкнутых полигонов малых размеров и нивелирование при двух горизонтах прибора или в прямых и обратных ходах.

Для случая, когда на одном и том же объекте приходится выполнять разные по точности наблюдения за осадками различных по чувствительности к деформациям сооружений, проектируют двух- и трехступенчатую схему или несколько не связанных между собой схем, опирающихся на самостоятельный или на один общий исходный репер.

Расчет величины обратного веса в выбранной схеме производят параметрическим, коррелатным способами, а также способом эквивалентной замены.

Рассмотри в общем виде пример расчета необходимой точности измерений для обеспечения заданной точности определения осадок основных сооружений ТЭЦ. Допустим, что в техническом задании точность определения осадок задана величиной mS = 1,0 мм, а, исходя из условий, для производства работ выбран метод геометрического нивелирования.

В сущности задача сводится к определению средней квадратической ошибки единицы веса м по первой из формул (2). По величине этой ошибки определяется класс нивелирования или необходимость разработки специальной методики измерений, если она окажется меньше тех ошибок, которые характеризуют известные классы. Поскольку при сравнительно небольших длинах количество станций в ходе значительно, то в качестве единицы веса примем превышение, измеренное на одной станции. Тогда обратный вес нивелирного хода в замкнутом полигоне или между узловыми точками будет равен числу станций n в этом ходе. В примере число станций в ходах показано на схеме (см. рис. 3).

Для определения обратного веса QH наиболее слабо определяемой точкой схемы воспользуемся способом эквивалентной замены. В этом способе применительно к решаемой задаче необходимо путем последовательных преобразований общую схему нивелирных ходов заменить одним эквивалентным ходом, соединяющим искомую точку с исходным репером.

По результатам расчетов обратный вес отметки слабо определяемой точки Е в середине секции 11 - 13 оказался равным QH = 11,9. По формуле (2) с учетом требуемой точности определения осадок mS средняя квадратическая ошибка единицы веса получилась равной

м = 1,0 мм / v2*11,9 = 0,2 мм.

Для обеспечения такой же точности определения превышений на станции необходимо разработать специальную методику высокоточных измерений.

4.2 Наблюдения за горизонтальными смещениями сооружений

Горизонтальные смещения сооружений или их отдельных элементов измеряют различными способами, основными из которых являются: линейно - угловой, створный и стереофотограмметрический. Применяют также прямые и обратные отвесы.

Линейно - угловые построения применяют в случае, когда величины смещений необходимо знать по двум координатам. Эти построения могут развиваться в виде специальных сетей триангуляции и трилатерации, комбинированных сетей, угловых и линейных засечек, ходов полигонометрии, сетей из вытянутых треугольников с измеренными сторонами и высотами. Применение того или иного вида построения зависит от характера сооружения и его геометрической формы, требуемой точности и условий измерений, организационных и других факторов. Так, например, угловую и линейную засечки применяют для определения смещений недоступных точек сооружения, а триангуляцию, полигонометрию, сети из вытянутых треугольников с измеренными сторонами и высотами - для протяженных сооружений криволинейной формы. Во многих случаях применяют комбинированные схемы, когда, например, триангуляция или трилатерация используются для определения устойчивости исходных пунктов, с которых способами засечек или полигонометрии определяются смещения точек на сооружении.

Применительно к измерениям деформаций каждый из видов линейно - угловых построений обладает своими особенностями. Однако для всех видов характерным является постоянство схемы измерений и необходимость получения в конечном итоге не самих координат деформационных точек, а их изменений во времени, т.е. разностей координат в двух циклах.

Для специальной триангуляции характерна высокая точность измерения углов (0,5 - 2,0?) при коротких сторонах, большое количество связей, обеспечивающих минимальную величину обратного веса определения функции координат точек сети.

Полигонометрия применяется в основном в виде одиночных ходов, опирающихся на исходные пункты. Часто из-за невозможности азимутальной привязки используют лишь привязку координатную.

Уравнивание линейно - угловых построений производят строгими способами. Координаты пунктов вычисляют в условной системе.

Для предвычисления точности построения сети в общем случае используют формулу

 (3)

где mq - требуемая (заданная) средняя квадратическая ошибка определения величины смещения; м - средняя квадратическая ошибка единицы веса; QF - обратный вес функции оцениваемого элемента, характеризующий качество проекта схемы измерений.

При необходимости определения смещений раздельно по осям координат X и Y для их оценки применяют формулы

(4)

где QX и QY - обратные веса определения координат исследуемых точек соответственно по осям X и Y.

Для оценки проекта полигонометрических ходов вытянутой формы с примерно равными сторонами и с координатной привязкой к исходным пунктам используют формулы

(5)

(6)

где MXi и MYi - средние квадратические ошибки определения абсциссы и ординаты i-й точки хода; mв и mS - средние квадратические ошибки измерения углов и линий; n - число сторон в ходе.

Формулы (5) и (6) справедливы для случая, когда ось абсцисс проходит через исходные пункты.

Створные наблюдения широко применяют для исследования деформаций сооружений прямолинейной формы, когда смещения достаточно знать по одному направлению. При этом координатную систему выбирают так, чтобы с направлением смещений совпадала ось ординат, а с направлением створа - ось абсцисс.

Величины смещений находятся по разности значений ординат (нестворностей), измеренных в двух циклах.

Нестворность определяют различными методами, из которых наиболее распространены методы подвижной марки и малых углов. Для задания створной линии применяют струнные и оптические способы, а также способы, основанные на принципах физической оптики. Струнный способ предусматривает использование натянутой стальной струны различного диаметра, оптический - зрительных труб большое увеличение (теодолиты, нивелиры, автоколлимационные системы, специальные алиниометры).

В методе подвижной марки величина нестворности определяется непосредственно. Для этого в точке А (рис. 5, а) устанавливается оптический прибор, коллимационная плоскость которого ориентируется по марке в точке В и задает створную линию. Подвижная марка, установленная в точке С, вводится в створ. Положение подвижной марки, когда мишень ее находится в створе, фиксируется по отсчетному устройству марки. Если известен отсчет, когда ось мишени совпадает с точкой С, то Нестворность qC может быть вычислена как разность отсчетов при положении марки в точке С и в створе АВ. При возможности поворота марки на 180° Нестворность может быть получена как полуразность отсчетов для двух положений марки при введении ее в створ.

В методе малых углов Нестворность q определяется путем измерения малого угла б (рис. 5, б) между линией створа и направлением на точку С и расстояния S. Величина нестворности вычисляется по формуле

qC=Sб/с.

Для створов значительной протяженности с большим числом определяемых точек на створе в зависимости от условий измерений применяют различные схемы (программы) наблюдений. Простейшая из них - схема общего створа (рис. 6, а), когда нестворности всех точек определяются относительно общего створа между концевыми (опорными) точками створа. В схемах частных (пересекающихся) (рис. 6, б) и последовательных (рис. 6, в) створов нестворности измеряются между определяемыми точками относительно этих створов.

Рис.6. Схемы створных измерений

Так, схема последовательных створов предусматривает определение нестворности ?1 точки 1 от створа

1 - II, ?2 точки 2 от створа

1 - II, ?3 точки 3 от створа

2 - II и т.д. В схеме частных створов нестворность ?1 точки 1 определяется от створа 1 - 2, ?2 точки 2 от створа 1 - 3, ?3 точки 3 от створа 2 - 4 и т.д. В обеих схемах нестворности q относительно общего створа могут быть получены лишь путем соответствующих вычислений, зная расстояния S между всеми точками.

В общем случае, когда расстояния между определяемыми точками не равны между собой, нестворности всех n точек относительно общего створа могут быть найдены из решения системы следующих линейных уравнений:

для схемы последовательных створов

; (7)

;

;

для схемы частных створов

;

; (8)

;

.

На практике расстояния между точками створа стараются сделать равными. В этом случае нестворность qi любой определяемой точки i в схемах последовательных и частных створов может быть вычислена соответственно по формулам

(9)

(10)

где k - номер очередного слагаемого под знаками суммы.

4.3 Наблюдения за кренами, трещинами и оползнями

Крен - вид, деформации, свойственный сооружениям башенного типа. Появление крена может быть вызвано как неравномерностью осадки сооружения, так и изгибом и наклоном верхней его части из-за одностороннего температурного нагрева и ветрового давления. В связи с этим полную информацию о кренах и изгибах можно получить лишь по результатам совместных наблюдений за положением фундамента и корпуса башенного сооружения. В зависимости от вида и высоты сооружения, технических требований и условий наблюдений для определения крена применяют различные способы.

Наиболее просто крен определяется с помощью отвеса или прибора вертикального проектирования (оптического или лазерного). Этот способ применяется в основном при возведении башенных сооружений, когда можно встать над его центром.

В сложных условиях, особенно для сооружений большой высоты, для определения крена применяют способы вертикального проектирования, координат, углов и др.

Так, в способе вертикального проектирования с двух точек I и II (рис. 7), расположенных на взаимно перпендикулярных осях сооружения и на удалении от него в полторы-две высоты, с помощью теодолита проектируют определяемую верхнюю точку на некоторую плоскость в основании сооружения (цоколь, рейку, палетку и т.п.). Зная расстояние S от теодолита до сооружения и затем d до его центра О, из наблюдений в нескольких циклах, используя отсчеты b и b1, можно вычислить составляющие крена QX и QY по выбранным осям и полную величину крена Q.



Рис.7. Схема наблюдений за креном башенного сооружения способом вертикального проектирования

В способе координат вокруг сооружения на расстоянии, равном 1,5 - 2 его высотам, прокладывают замкнутый полигонометрический ход и вычисляют в условной системе координаты его пунктов. С этих пунктов через определенные промежутки времени прямой засечкой определяют координаты точек на сооружении. По разностям координат в двух циклах наблюдений находят составляющие крена по осям координат, полную величину крена и его направление.

Способ горизонтальных углов применяют, если основание сооружения закрыто для наблюдений. При этом способе с опорных пунктов, расположенных на взаимно перпендикулярных осях, периодически измеряют углы между направлением на определяемую верхнюю точку и опорным направлением. По величине измерения наблюдаемых углов и горизонтальному положению до наблюдаемой точки находят составляющие крена по осям и полную величину крена.

Для определения величины крена по результатам нивелирования осадочных марок должно быть не менее трех на фундаменте или цокольной части сооружения. С этой же целью применяют различного вида клинометры, представляющие собой накладные высокоточные уровни с ценой деления до 5".

Наблюдения за трещинами обычно проводят в плоскости конструкций, на которых они появляются.

Для выявления трещин применяют специальные маяки, которые представляют собой плитки из гипса, алебастра и т.п. Маяк крепится к конструкции поперек трещины в наиболее широком ее месте. Если через некоторое время трещина появляется на маяке, то это указывает на активное развитие деформации.

В простейшем случае ширину трещины измеряют линейкой. Применяют также специальные приборы: деформометры, щелемеры, измерительные скобы.

Наблюдения за оползнями выполняют различными геодезическими методами. В зависимости от вида и активности оползня, направления и скорости его перемещения эти методы подразделяют на четыре группы:

? осевые (одномерные), когда смещения фиксированных на

оползне точек определяют по отношению к заданной линии или оси;

? плановые (двумерные), когда смещения оползневых точек наблюдают по двум координатам в горизонтальной плоскости;

? высотные - для определения только вертикальных смещений;

? пространственные (трехмерные), когда находят полное смещение точек в пространстве по трем координатам.

Осевые методы применяют в тех случаях, когда направление движения оползня известно. К числу осевых относят:

. метод расстояний (рис. 8, а), заключающийся в измерении расстояний по прямой линии между знаками, установленными вдоль движения оползня;

. метод створов (рис. 8, б), оборудованных в направлении, перпендикулярном движению оползня;

. лучевой метод (рис. 8, в), заключающийся в определении смещения оползневой точки по изменению направления визирного луча с исходного знака на оползневой.



Рис.8. Схемы наблюдений за оползнями

К плановым относятся методы прямых, обратных, линейных засечек, полигонометрии, комбинированный метод, сочетающий измерение направлений, углов, расстояний и отклонений от створов.

Высотные смещения оползневых точек находят в основном методами геометрического и тригонометрического нивелирования.

Для определения пространственного смещения оползневых точек применяют фототеодолитную съемку.

Смещения оползневых точек вычисляют по отношению к опорным знакам, располагаемым вне оползневого участка. Число знаков, в том числе и оползневых, определяется из соображений обеспечения качественной схемы измерений и выявления всех характеристик происходящего процесса.

Наблюдения за оползнями проводятся не реже одного раза в год. Периодичность корректируется в зависимости от колебания скорости движения оползня: она должна увеличиваться в периоды активизации и уменьшаться в период угасания.

4.4 Наземная фотограмметрия в архитектуре и строительстве

Фотограмметрический метод позволяет быстро произвести обмер архитектурных сооружений и получить их проекции на горизонтальную и вертикальную плоскости. Применение этого метода особенно эффективно для изучения труднодоступных и сложных архитектурных сооружений.

В строительстве фотограмметрия применяется для определения деформаций инженерных сооружений, контроля точности монтажа крупнопанельных зданий, исследования моделей инженерных сооружений, подсчета объема земляных работ и выбора оптимальной трассы дороги, а также для решения других задач.

Деформация инженерных сооружений происходит под действием внешней силы - нагрузки. Если нагрузка не превышает предела, установленного для данного материала, то после прекращения действия нагрузки сооружение возвращается к первоначальной форме благодаря взаимодействию частиц материала. При больших нагрузках появляются остаточные деформации. Может случиться, что нагрузка очень велика. Тогда частицы материала, перемещаясь, утратят взаимную связь и сооружение разрушится. В связи с этим очень важно уметь определить величины деформаций сооружений. Это позволяет рассчитать и построить сооружения так, чтобы они имели только заданные деформации и не разрушались.

Для изучения деформации инженерных сооружений применяют фотограмметрический и стереофотограмметрический методы.

Фотограмметрический метод позволяет определить деформации, возникающие в плоскости, и служит для исследования плоских объектов. Сущность метода состоит в том, что с одной и той же неподвижной точки получают несколько снимков исследуемого объекта, например первый до нагрузки, второй во время нагрузки и третий после нагрузки. При этом фотокамеру устанавливают так, чтобы плоскость прикладной рамки была параллельна плоскости объекта и элементы ориентирования снимков сохранялись.

Стереофотограмметрический метод позволяет определить деформацию, возникающую в пространстве, и применяется для исследования пространственных объектов. С одного и того же базиса получают несколько стереопар изучаемого объекта, например первую до нагрузки, вторую во время нагрузки и третью после снятия нагрузки. Обычно применяют нормальный случай съемки.

Если элементы внешнего ориентирования снимков не сохраняются, то результаты измерений исправляют, используя контрольные точки или контрольные направления.

Для повышения точности определения деформации используют специальные марки, которые прикрепляют к исследуемому объекту. Удобна марка в виде двух взаимно перпендикулярных черных полос на белом фоне. Ширина полосы

Y (t / f),

где t - ширина полосы на негативе, которая должна быть в 2 - 3 раза больше ширины измерительной марки стереокомпаратора.

Контроль точности монтажа крупнопанельных зданий можно считать частным случаем определения деформации сооружения. При этом наиболее трудоемкими работами являются определения уклонений углов панелей от вертикальной плоскости. Эта задача сводится к нахождению отстояния для каждого угла панели. Чтобы получить полную характеристику монтажных работ и поведения сооружения в процессе эксплуатации, определяют по снимкам точность монтажа во время и после строительства, а затем находят деформации через определенные промежутки времени.

Весьма существенной особенностью изучения моделей инженерных сооружений методами фотограмметрии является фотографирование с коротких базисов и на небольшие расстояния. Кроме того, если объект исследования подвижный, например модель гидротехнического сооружения, то съемка с концов базиса выполняется синхронно.

Для подсчета объема земляных работ и выбора оптимальной трассы дороги фотографируют местность с концов одного или нескольких базисов и по стереопарам создают цифровые модели. Цифровая модель представляет собой совокупность координат точек объекта, например местности. Количество точек цифровой модели зависит от сложности рельефа объекта и заданной точности решения инженерной задачи. Цифровая модель вводится в электронную вычислительную машину, которая по соответствующей программе подсчитывает объем земляных работ и выбирает оптимальную трассу дороги. Однако трассирование дорог более эффективно выполняется не по наземным снимкам, а по аэроснимкам (В.И. Федоров).

5. Обработка и анализ результатов наблюдений

Основные вопросы обработки и анализа результатов наблюдений за деформациями рассмотрим на наиболее распространенном виде работ - наблюдении за осадками.

По окончании очередного цикла измерений необходимо выполнить оценку точности полученных результатов. Поскольку в основу всех точностных расчетов этого вида работ закладывают величину средней квадратической ошибки превышения на станции, удовлетворяющую для данной схемы исходным требованиям по точности определения осадок, то для сравнений ее и необходимо получить из результатов измерений.

С этой целью используют следующие формулы:

(11)

где d - разность значений превышений в ходах прямо и обратно или при двух горизонтах прибора; n - число разностей.

По невязкам замкнутых полигонов

(12)

где щi - невязка замкнутого полигона; К - число полигонов; n - общее число превышений на всех полигонах.

Из уравнения

(13)

где [pх2] - величина, получаемая из уравнения; r - число избыточных измерений.

При уравнивании на ПК любая программа автоматически предусматривает оценку точности.

По результатам уравнивания составляют ведомость уравненных превышений и отметок деформационных реперов, а по разностям их отметок - ведомость осадок. При этом осадки можно вычислять по отношению к начальному циклу, выявляя их накопление за весь период наблюдений, и к предыдущему циклу для оценки текущих измерений.

В случае, когда точность полученных результатов удовлетворяет требуемой (заданной), приступают к анализу результатов наблюдений.

В соответствии с решаемой задачей анализу подлежат осадки всех деформационных точек. Поскольку на объекте наблюдений их бывает достаточно много, то только прочтение ведомостей осадок не дает общего впечатления о происходящих процессах. Поэтому стремятся представить результаты наблюдений в графическом виде.

Традиционно графики представляют в виде, показанном на рис. 9. Однако эти графики не обладают достаточной наглядностью, поскольку для изображения всего происходящего процесса по всем реперам таких графиков необходимо строить достаточно много.

Для большей наглядности составляют два графика в виде изолиний равных осадок: один - пространственно-временной по профилям, другой - пространственный в топографической системе координат на плане масштаба 1 : 500 или 1 : 1000.

Рис.9. График осадок

Первый вид графиков строится следующим образом. В выбранном горизонтальном масштабе по горизонтали откладывают расстояния между реперами профиля (рис. 10). В соответствующем масштабе по вертикали откладывают время между циклами наблюдений. В узлах полученной сетки прямоугольников подписывают значения величин осадок соответствующего репера на соответствующую длину проведения цикла измерений. Линейным интерполированием между точками осадок проводят изолинии в выбранной величине сечения, обычно - через 1 мм. Изолинии, кратные 5, утолщают. Для удобства чтения графика следует помнить, что изолинии, параллельные вертикали, свидетельствуют об общем наклоне площадки в ту или иную сторону, т.е. о неравномерной осадке; изолинии - параллельные горизонтали - о равномерной осадке. Пространственно-временной график отражает деформационный процесс по всем циклам наблюдений.

Рис.10. Пространственно-временной график осадок

Пространственный график на топографической основе строится так же, как рисуется рельеф в горизонталях, только исходными служат осадки реперов между соответствующими двумя циклами: текущим и начальным, текущим и предшествующим и т.п. Эти графики обладают особой наглядностью при отображении деформации поверхности.

Получаемая информация является исходной для анализа происходящего процесса деформаций. Для анализа используют также материалы по геологии, гидрологии, климатологии, состоянию строительных работ и т.п.

При анализе осадок отдельных зданий и сооружений отслеживают их неравномерный характер и вычисляют разности осадок характерных точек в направлении продольных и поперечных осей здания. Особое внимание уделяют зданиям, у которых обнаруживаются значительные осадки, особенно неравномерные. Сведения об этом немедленно передаются всем заинтересованным организациям для своевременного принятия необходимых мер.

По результатам наблюдений каждого цикла составляют краткую пояснительную записку, в которой приводят сведения об изменениях и их предварительном анализе.

Эти сведения, как правило, содержат: фактическую схему и краткое описание технологии измерений; результаты уравнивания; оценку точности полученных результатов; ведомости отметок и осадок реперов; графический иллюстративный материал; краткий анализ результатов наблюдений.

По окончании работ составляют технический отчет, являющийся основным техническим документом по результатам наблюдений. Он содержит те же сведения, что и пояснительная записка, но в обобщенной по всем циклам форме с более подробным анализом и обобщающими выводами.

деформация осадка здание

Заключение

Деформации зданий и сооружений возникают под действием определенных природных факторов, геологических явлений, технологических факторов, поэтому любой строящийся объект испытывает эти воздействия и деформируется.

Проектирование и строительство должно осуществляться таким образом, чтобы свести эти деформации к величинам, не нарушающим эксплуатацию зданий и сооружений. Поскольку при проектировании строительства все факторы сложно учесть практически, то для проверки совершенствования и проверки ожидаемых деформаций, а так же при применении новых технологий при строительстве в сложных условиях (грунты, сейсмические районы, подземные сооружения: крепостные сооружения, метро), необходимо проводить геодезические натурные наблюдения за деформациями в процессе строительства и эксплуатации сооружения. Это позволяет по результатам наблюдений определить величины деформации, динамику их распределения в пространстве. Анализ графического материала предоставлен в приложении 1.

...