Контрольные вопросы:

1. Как ведутся наблюдения за плотинами.

2. Где размещают репера и марки для определения деформации плотин.

3. Какие бывают виды плотин.

4. Какие репера применяют при определении деформации гидротехнических сооружений.

5.От чего происходит деформация плотин

Лекция 9. Наблюдения за высотными зданиями и сооружениями

Возводимые высотные здания и сооружения различаются по значению и конструкции. С точки зрения организации наблюдений за деформациями наибольший интерес представляют конструктивные особенности. По конструктивным признакам различают высотные сооружения ступенчатого, коробчатого и башенного типа.

Почти для всех высотных сооружений за счет значительной высоты характерно сосредоточение огромной нагрузки (иногда в несколько десятков тысяч тонн) на сравнительно небольшой площади. Отсюда большая нагрузка на фундамент и основание, вызывающая осадку сооружения. Неравномерность осадки при­водит к нарушению вертикальности (крену), прогибам отдель­ных элементов сооружения и трещинам. Эти деформации, при­сущие всем типам высотных сооружений, возрастают с ростом нагрузки в строительный период и постепенно, по мере уплотнения грунтов, стабилизируются в период эксплуатации.

Сооружения же башенного и частично ступенчатого типа под воздействием температурных факторов и переменной ветровой нагрузки еще и изгибаются, совершая колебательные дви­жения. Деформации этого вида принято называть динамиче­скими.

Наблюдения за осадками производят в основном методом высокоточного геометрического нивелирования по осадочным маркам, закрепленным непосредственно на исследуемой части сооружений. Осадочные марки размещают на фундаменте на стенах сооружения по обе стороны осадочных швов и линий, разграничивающих разные нагрузки на основание, по осям сим­метрии сооружения, в местах сопряжения продольных и попе­речных стен и в других местах. Проект размещения марок увя­зывают с конструкцией сооружения и с геологическими данны­ми о грунтах основания. Кроме того, расположение марок дол­жно обеспечивать их длительную сохранность и удобный подход с инструментом при измерениях. Опыт показал, что осад­ка высотных сооружений вызывает осадку и соседних зданий. Для определения зоны деформаций часть марок размещают на стенах соседних зданий. Если же высотное сооружение стро­ится на отдельной площадке, то зона распространения дефор­маций определяется нивелированием располагаемых вблизи не­го грунтовых реперов.

Исходными служат один или несколько кустов фундамен­тальных реперов, закрепляемых вне зоны распространения де­формаций. Каждый куст содержит не менее трех реперов.

Требуемая точность измерения осадок, зависящая от це­лей исследований, задается проектировщиками. Для большинства практических случаев средняя квадратическая ошибка определения осадки характеризуется величиной в 1 мм.

Для измерения осадок применяют также переносные и ста­ционарные гидростатические системы. В этом случае абсолют­ные величины осадок определяются путем периодической при­вязки нескольких точек гидростатической системы к исходным фундаментальным реперам.

Для определения осадки верхней части сооружения могут быть применены метод тригонометрического нивелирования или метод непосредственного измерения высот контрольных точек над опорными с помощью рулетки большой длины.

По результатам измерений, выполненных не менее чем в двух циклах, вычисляются абсолютная величина и скорость осадки каждой марки, средняя осадка для всего сооружения, крены и прогибы его отдельных частей.

Крен верхней части сооружений башенного типа может быть определен различными способами, наиболее распространен­ными из которых являются: способ координат, способ углов, трехстворных наблюдений и вертикального проектирования. Общим для этих способов является необходимость заложения двух или нескольких опорных точек, расположенных от сооружения на расстоянии не менее двух-трех его высот. В-первых двух способах с помощью теодолита измеряются гори­зонтальные углы на хорошо заметные или специально закреп­ленные на верху сооружения контрольные точки. Во-вторых двух способах при двух положениях круга теодолита проекти­руют контрольные точки на некоторую плоскость в низу соо­ружения (цоколь, рейку). Перспективным является фотограмметрический способ оп­ределения крена.

При ограниченных подходах к сооружению могут быть при­менены способы, предложенные В. Я. Раинкиным и А. М. Зеленским. Сущность способа В.Я. Раинкина состоит в том, что с одного опорного пункта измеряются горизонтальные и вертикальные углы на марки, закрепленные на различной высоте сооруже­ния. Опорный пункт закладывается на минимальном по воз­можности расстоянии от сооружения с тем, чтобы для увеличе­ния точности измерений углы наклона направлений были как можно больше. По соответствующим формулам вычисляются координаты контрольных марок, а по разностям координат, оп­ределенным в двух циклах измерений, величины смещения марок, характеризующие крен.

В способе А. М. Зеленского крен определяется путем перио­дического измерения малых зенитных расстояний с двух диаметрально противоположных станций при постоянном расстоянии от теодолита до сооружения. Последнее обеспечивается применением трегера с опорным штырем и закреплением на со­оружении марок-упоров. Точность определения крена зависит от вы­соты сооружения и для всех спосо­бов в среднем характеризуется ве­личиной порядка 10".

Для сооружений ступенчатого типа понятие о крене является достаточно условным. В этом случае определяют величину крена каждой отдельной грани сооружения путем координирования контрольных ма­рок, закрепленных по углам граней, с точек полигонометрического хода. Для определения крена приме­няют также специальные клинометры, микрокренометры и электротен­зометры, устанавливаемые на ис­следуемой части сооружения. Изучение деформаций динамиче­ского характера рассмотри на примере Останкинской телевизион­ной башни высотой 533 м. Башня состоит из железобетонного ствола 1 и стальной антенны 2 (рис.11).

Рисунок 11 – Определение крена сооружения башенного типа

Ствол, состоящий из нижнего опор­ного конуса А, конусообразной сред­ней части Б и цилиндрической верх­ней части В, имеет 10 опор, через которые нагрузка передается на фундамент. Антенна имеет телеско­пический контур и состоит из отдельных цилиндрических труб переменного диаметра. Масса башни 55 тыс. т.

Под действием ветровой нагрузки происходит отклонение (изгиб) башни от вертикали по кривой, близкой к квадратной параболе. Поскольку направление и сила ветра постоянно меняются, то башня колеблется с некоторой амплитудой и часто­той, зависящей от высоты определяемой точки и скорости вет­ра. Вследствие воздействия прямых солнечных лучей или рас­сеянной солнечной радиации происходит неравномерный наг­рев башни. Возникает разность температур нагретой и ненагретой сторон, что ведет к изгибу ствола башни в сторону, проти­воположную нагреву. Температура ствола башни и, как следствие, величина изгиба зависит от азимута и высоты Солнца.

Таким образом, задача геодезических наблюдений практи­чески сводится к определению амплитуды колебаний башни от­носительно вертикали для точек, расположенных на различной высоте, и выявлению зависимости этих колебаний от внешних условий.

Наблюдения на Останкинской башне были организованы следующим образом. С двух опорных пунктов, закреплен­ных на взаимно перпендикулярных осях на расстоянии 300 м и 600 м от центра башни, одновременно измерялись горизон­тальные углы на марки, установленные на высотах 20, 237, 300, 385, 420 и 520 м. Марка на высоте 20 м считалась исходной. Измерения велись теодолитом Theo-010 с накладным уровнем при двух положениях круга. В измеренные направле­ния вводились поправки за наклон оси вращения инструмента и за асимметрию положения марок относительно геометриче­ской оси сооружения. По данным угловых измерений вычисля­лись линейные смещения по каждой оси и полная величина смещения для всех наблюденных высот. Точность наблюдений зависит в основном от ошибки на­ведения на колеблющиеся цели. По этому поводу были выпол­нены специальные исследования, результаты которых поз­воляют считать, что средняя квадратическая ошибка определе­ния смещения составляет 15 мм.

Схема измерений была одинаковой как для изучения влия­ния ветра, так и для теплового воздействия. Менялись лишь погодные условия и программа измерений во времени. Полученные результаты имеют большой практический и научный интерес и свидетельствуют о том, что для имевших место в течение ряда лет внешних условий максимальные отк­лонения оси башни от вертикали на высоте 530 м находятся в пределах 2,5 м.

Таблица 1 – Величины предельных деформаций оснований

Наименования и конструктивные особенности сооружений	Величины предельных деформаций оснований
	Предельный крен	Абсолютная осадка
1 Дымовые трубы: Н≤100 100<Н≤200 200<Н≤300 Н>300 Прочие высокие жесткие сооружения Н≤100	0,005 1/2Н 1/2Н 1/2Н 0,004	40 30 20 10 20
2 Элеваторы из железобетонных конструкций: Рабочее здание и силосный корпус из монолитного железобетона, смонтирован- ные на одной фундаментной плите то же, из сборного железобетона отдельно стоящее рабочее здание отдельно стоящий силосный корпус из монолитного железобетона то же, из сборного железобетона	0,003 0,003 0,003 0,004 0,004	40 30 25 40 30

Геодезические наблюдения за деформациями башенных сооружений выполняют, как правило, на протяжении всего периода строительства и эксплуатации. Основной задачей таких наблюдений в процессе возведения сооружения является выяв­ление влияния деформаций на ход технологических процессов строительства. Определение деформаций необходимо также для своевременного выявления аварийных ситуаций и принятия мер по их предотвращению.

Для полного представления о кренах и изгибах башенного сооружения производят комплексные наблюдения за деформа­циями, включающие периодические наблюдения за кренами на различных горизонтах и за осадками фундамента. Все извест­ные способы определения кренов основаны на применении ме­ханических и оптических отвесов или теодолитов. Выбор того или иного способа зависит от условий производства измерений и требуемой точности. В таблице 1 представлены величины предельных деформаций оснований сооружений. Примечание: Н – высота башни, м.

Осн.: [1], [140-144]

Доп.: [3], 267-270]