8. Осадки и деформаций инженерных сооружений по данным геодезических измерений.

В отечественной практике используется несколько методов прогнозирования осадок и деформаций. Прогнозирование - это научно обоснованное предсказание повторения процесса или явления при определенных идентичных условиях. В СНиПе «Основание фундаментов, методы проектирования» заложена теория прогнозирования осадок и деформаций с помощью нескольких методов. Метод послойного суммирования: в процессе изысканий на строй площадке берут пробы грунта на различных глубинах, в лабораториях испытывают грунт. В результате испытаний получают физико-механические св-ва грунтов (объемный и удельный вес, пористость, угол скольжения, коэф-ты фильтрации), затем по формулам механики грунтов находят вторичные показатели и затем их используют для расчета осадок

S , где В - коэф-т перехода от натуры к физическим испытаниям; ρ -давление в слоях грунта от нагрузки; Е -модуль деформации грунта; h - толщена слоев грунта. Сущность по хар-кам физики механических свойств грунта определяют модуль деформации грунта по исследованиям. Затем по формуле вычисляют осадку. Расчетная осадка не должна превышать допустимой. Если же она превышает допуск, то следует сооружение перепроектировать (увеличить площадь, изменить состав грунта под сооружением). Метод моделирования: В лабораториях создают макет будущего сооружения в масштабе 1/10 - 1/50 и испытывают до разрешения на деформацию, а затем переносят данные исследования на будущее сооружение. Макет плотины на расстоянии от неё упор с датчиками, по мере нагрузки от заполняемой воды плотина начинает откланяться и задевать датчики на упоре фиксируется деформация. Метод прогнозирования по данным геодезических измерений: по данным получаем осадку готового сооружения за период. Затем подбираем империческую формулу (кривую) наиболее точно описывающую кривую осадки сооружения, и по параметрам кривой можно определить осадку S_n на будущее t_n.

9, Методы и средства измерения горизонтальных смещений инженерных сооружений. Размещение киа, точность, цикличность измерений, створные методы, методы угловых и линейных измерений.

Схема контроля – совокупность процедур по определению контрольных точек объекта, где осуществляется съем информации о контролируемых параметрах; выбору поверхностей базирования средств контроля. Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средство измерения – техническое средство, предназначенное для измерения физических величин и имеющие нормативные метрологические свойства.

Основными факторами, влияющими на выбор методов и средств измерений, являются: 1) характеристика объекта и вид контролируемых геометрических параметров, 2) требуемая точность контроля параметра, 3) виды контроля по полноте охвата, временной характеристике, управляющему воздействию, 4) характеристика условий измерений, 5) продолжительность процесса измерений, 6) стоимость средств измерений и контроля в целом, 7) наличие средств измерений и специалистов, выполняющих контроль.

Створные способы и методы измерений применяются для установки частей сооружения и оборудования на одну прямую линию. Под способом понимают технологический процесс измерений, под методом - геометрическое построение створных линий.

Створом называют вертикальную плоскость, проходящую через две закрепленные точки, относительно которой измеряют нестворности наблюдаемых точек сооружения, т.е. их отстояния от этой плоскости.

Закрепленные точки створа должны по возможности размещаться вне деформационной зоны и быть в пределах точности измерений незыблемыми на весь период наблюдений.

Створ обычно задается высокоточными оптическими приборами (теодолитом, микротелескопом, алиниометром) или реализуется натянутой струной.

Створные измерения применяют для определения смещений прямолинейных плотин, мостовых переходов, подпорных стенок, колонн зданий и других сооружений, где имеется возможность установить наблюдаемые точки в плане на одной прямой и по высоте расположить их примерно на одном уровне.

На рис. 1 приведена наиболее простая схема расположения знаков при створных измерениях, где А₁, А₂ – исходные (опорные) пункты; I, II – наблюдательные пункты створа; 1, 2. 3... – наблюдаемые (деформационные) точки.

Способы створных измерений:

1) струнный и струнно-оптический;

2) оптический (способ малых углов, способ подвижной марки);

3) коллиматорный способ;

4) дифракционный способ;

В струнном способе, прямая задается проволокой или калиброванными струнами диаметром 0,3 - 1 мм, которая натягивается между опорными точками (A₁ A₂) с натяжением 8 - 60 кг. В качестве проектирования используются остроконечные отвесы различной массы (0,2 - 5 кг). Точность измерений зависит в основном от окружающей среды и практически колеблется от 1 - 3 мм, при створах длиной до 80 метров.

При струнно-оптическом способе струна натягивается над оборудованием на высоте 2 - 4 м. Проектирование точек со струны на оборудование осуществляется с помощью оптических проектирующих приборов. Измерения производятся только в закрытых помещениях, где нет воздушных токов. Применяются комбинированные струны диаметром 0,1 - 0,3 мм, которые натягиваются грузами 8-30 кг.

В оптическом способе створ задается оптическими приборами, как правило, теодолитом или алиниометром и неподвижной визирной маркой. Измерение нестворностей осуществляется либо подвижной маркой, либо измерением малого угла, под которым видится нестворность. Центрирование прибора и марок - принудительное с помощью гнездовых центров.

О тсчет по подвижной марке, в положении, когда ось визирной цели по вертикали совпадает с осью гнездового центра, называется местом нуля подвижной марки (МО на рис. 3).

Рис. 3. метод подвижной марки: q = МО - а — прямой ход q = а - МО — обратный ход

1) В способе подвижной марки измеряют непосредственно величину нестворности у. Для этого подвижная марка снабжена микрометренным винтом. Отсчет по шкале этого винта, когда ось симметрии визирной цели проходит через центр знака, называется местом нуля марки и определяется с помощью теодолита вращением марки вокруг основной оси на 180°. При наблюдениях подвижную марку устанавливают на створном знаке и по сигналу наблюдателя или при помощи автоматического дистанционного управления ее визирную цель наводящим винтом передвигают до полного совмещения вертикальной оси этой цели с коллимационной плоскостью теодолита, ориентированного по створу I-II (Рис. 1). Взяв при этом отсчет по шкале наводящего винта и, отняв от него место нуля, находят величину нестворности у наблюдаемой точки. Такие наблюдения производят по 2 -3 раза на каждом круге и из них образуют среднее, при этом рекомендуется для получения более или менее независимых измерений вводить марку в створ один раз при ее перемещении вправо, второй раз - влево. Примерная точность этого способа:

где l - расстояние от прибора до наблюдаемой точки; v-увеличение прибора.

2) метод измерения малых углов:

Малый угол - это угол меньше наименьшего деления лимба и, следовательно, измеряется окулярным или оптическим микрометром на одних и тех же штрихах лимба.

Сущность способа заключается в том, что, установив створный прибор на пункте I и ориентировав его по створу I - II, измеряют оптическим или окулярным микрометром несколькими приемами угловое отклонение от створа каждой из наблюдаемых точек 1, 2, 3, ... (Рис.1). По вычисленным угловым отклонениям γ_i, и расстояния l_i - до этих точек определяют линейные величины поперечных смещений:

Тогда СКО:

где m_γ - ошибка измерения угла.

При существующей организации наблюдений можно считать, что способ малых углов и способ подвижной марки примерно равноточны. В производственных условиях большее распространение получил способ подвижной марки, как более простой, требующий меньшего объема вычислений и поддающийся автоматизации по несложным схемам.

Величина горизонтального смещения определяется как разность нестворностен у; и у₀, измеренных в текущем и начальном циклах

u_i.0 = y_i – y₀

или между смежными циклами

u_i.i-1 = y_i – y_i-1

При равноточных измерениях в циклах и достаточной

устойчивости плановой основы:

Тогда будем иметь для способа малых углов:

для способа подвижной марки:

Из этих формул видно, что ошибки определения смещений возрастают пропорционально расстоянию от прибора до наблюдаемых точек.

Коллиматорный способ широко применяется при исследованиях соосности приборов и выверке высокоточных агрегатов. Так как в этом способе измерения ведутся в параллельном пучке лучей, то отпадает необходимость в перемене фокусирования зрительной трубы при изменении расстояния до наблюдаемых точек и обеспечивается высокая точность измерений.

Дифракционный способ. Высокую точность, сочетающуюся с максимальной простотой аппаратуры для измерений отклонений от прямолинейности, обеспечивает схема, основанная на явлениях дифракции и интерференции света, излучаемого узкой щелью или малым отверстием, проходящего через экран с двумя узкими параллельными щелями или малыми отверстиями. Этот метод измерений обеспечивает высокую точность контроля отклонений от прямолинейности.

Схемы и программы створных измерений:

1) Схема полного створа: Это наиболее простая схема створных измерений, в которой нестворность всех наблюдаемых точек измеряют непосредственно с общего створа I -II (Рис. 1). Прибор устанавливают в начальном пункте I, ориентируют по неподвижной визирной марке в конечном пункте II и последовательно способом подвижной марки или малых углов определяют отклонение от створа точек 1, 2, 3,

Программа наблюдений состоит в измерении нестворности в каждой точке при круге право и лево в ходах прямого и обратного направлений. Наблюдения при двух кругах производится с целью исключения возможного эксцентриситета в положении визирной оси створного прибора относительно его основной оси вращения и уменьшения влияния ошибки фокусирования зрительной трубы.

В схеме полного створа нестворность у каждой наблюдаемой точки определяется с разной точностью в зависимости от расстояния до створного прибора.

Вес измерения нестворности в прямом ходе:

В прямом ходе с наивысшей точностью

определяются нестворности первых точек, с более низкой - последних. В обратном ходе наоборот. Вес измерений в обратном ходе:

В среднем значении нестворности прямого и обратного результатов:

Несколько выравниваются СКО:

Поэтому, в схеме полного створа точность определения средних точек примерно в 3 раза меньше, чем крайних. В этом и состоит ее основной недостаток, ограничивающий ее применение на створах большой длины. Еще один недостаток: очень большая ошибка взаимного положения соседних контрольных пунктов.

2) В методе полустворов сначала как можно точнее определяют нестворность какого-то центрального пункта и, таким образом, полный створ разбивается на 2 части.

Измерение отклонений по полустворам выполняется по программе полного створа, а затем результаты измерений математически приводятся к полному створу.

3) В методе четвертей створа полный створ разбивается на 4 части. Сначала определяется отклонение центральной точки (С) относительно створа (АВ) затем отклонение точек (Д) и (Е) относительно полустворов АС и ВС, а отклонение всех промежуточных точек (i, k. r, m) определяются относительно четвертей створов. Результаты всех измерений математически приводятся к полному створу.

4) В Схеме последовательных створов использовано положение, что точность ориентирование линий повышается при визировании на дальние опорные пункты, а линейная величина нестворности с высокой точностью измеряется на коротких расстояниях.

Программа последовательных створов состоит в следующем: В створе, разделенном на несколько равных частей, с расстоянием между знаками 25 -50 м устанавливают в начальном опорном пункте теодолит, в конечном опорном пункте - визирную марку. От общего створа измеряют при двух положениях круга только отклонение точки 1. Затем прибор переносят в эту точку, устанавливая его вместо марки, и относительно створа i измеряют нестворность точки 2 и т. д. Дойдя до конечной точки, производят измерения в обратном направлении.

Приведение измерений к общему створу выполняют по формулам (прямой ход): y₁ = q₁

В схеме последовательных створов измеряемые нестворности можно считать равноточными.

где n - число частей, на которые делится опорный створ l_I.II.

СКО среднего результата определения нестворностей:

Ошибка наиболее слабой средней точки лишь в раз превосходит ошибки крайних точек.

Определение смещений сооружений методом линейно-угловых построений: Способ направлений используют при отсутствии возможности закрепления створа на сооружении и когда число наблюдаемых точек не велико (3-5 точек). Для измерения смещения сооружения необходимо установить не менее 3-х опорных пунктов, при этом один из них желательно расположить так, чтобы направления с него на наблюдаемые точки были примерно перпендикулярны к направлению ожидаемого смещения сооружения, а угол засечки был не менее 30°. Рекомендуется, чтобы расстояние от опорного знака до наблюдаемой точки на сооружении не превышало 1000 м. Величина сдвига наблюдаемой точки q вычисляется по формуле:

где l - расстояние от опорного знака до наблюдаемой точки сооружения;

Δβ - измерение направления на наблюдаемую точку между циклами измерений.

В каждом цикле должна контролироваться устойчивость знаков. Для этой цели используют обратные засечки, трилатерацию и т. д. Во всех циклах ориентирные направления должны быть одни и те же. Смещения сооружения определяются только с устойчивых пунктов. Ориентирные направления измеряются несколькими приемами теодолитом типа Т1 или Т2.

Способ триангуляции и угловые засечки большей частью используют определения горизонтальных смещений сооружений в пересеченной или горной местности. Для наблюдения строят специальную сеть, состоящую из опорных пунктов и наблюдаемых точек на сооружении (рис. 4). В сети измеряют базисы и углы. Величину и направление горизонтального смещения сооружения вычисляют по изменениям координат, полученных в разных циклах измерений. СКО смещения вычисляется по формуле:

Пункты триангуляции должны располагаться вне деформационной зоны сооружения.

Способ полигонометрии удобно использовать при изучении горизонтальных смещений туннелей, арочных плотин и многих кольцевых сооружений. Для измерений линий в полигонометрическом ходе надо применять инварные проволоки или светодальномеры. Угловые наблюдения следует вести высокоточными теодолитами.

Комбинированные способы. Когда опорные пункты створа неустойчивы, тогда при измерении смешений гражданских и промышленных

зданий створные измерения применяют совместно со способом отдельных направлений или с триангуляцией. При комбинированном методе оценка точности измерений выполняется отдельно для каждого способа, после чего находится общая СКО смещения точки сооружения в каждом цикле измерений.

Г еодезические КИА состоит из исходных, фундаментальных или глубинных реперов, расположенных на территории промплощадки и осадочных марок, расположенных на конструкциях зданий сооружении и оборудования. Количество исходных реперов зависит от площади территории промплощадки и требуемой точности измерений осадок. Число исходных реперов должно быть не менее 3-х. Размещение осадочных марок и их тип зависит от конструктивных особенностей объекта и от вида контролируемого параметра. Проект размещения исходных реперов и осадочных марок составляется на генплане предприятия и на общих чертежах контролируемых объектов. Согласно нормативным документам, точность измерения осадок нормируется в зависимости от характеристики грунтов основания:

1) на скальных грунтах СКО измерения осадки - 1-2 мм;

2) на полускальных грунтах СКО измерения осадки- 3-5 мм;

3) на мягких грунтах СКО измерения осадки - 7-10 мм.

Цикличность измерений связана с периодом строительства и составляет:

1) в первый месяц строительства - 2 раза;

2) в последующем квартале - 4 раза;

3) далее в течение 2-х лет каждые полгода до стабилизации осадок;

4) в последующем - каждые 5 лет.