Геодезические работы при эксплуатации инженерных сооружений
Общие сведения о деформациях зданий и сооружений. Под воздействием окружающей среды и нагрузок от эксплуатации оборудования, а также от других причин с течением времени здания могут изменять свое положение, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Такие изменения в ряде случаев могут приводить к перекосам, прогибам, трещинам и кренам конструкций. Если эти изменения не будут во время обнаружены и устранены, то здание или сооружение может разрушиться. В этой связи за положением зданий и сооружений в процессе эксплуатации необходимо вести натурные наблюдения с проведением необходимых геодезических измерений. Кроме наблюдений за состоянием строительных конструкций, в ряде случаев необходимо наблюдение за положением технологического оборудования в процессе его эксплуатации. Смещение здания, сооружения или оборудования в вертикальной плоскости называется осадкой, а соответствующее горизонтальное смещение – сдвигом. При равномерных осадках все точки здания или сооружения перемещаются в вертикальном направлении на одну и ту же величину, что не существенно влияет на их прочность и устойчивость. В тех случаях, когда свойства грунта под фундаментом здания сильно зависят от координаты, или нагрузка на грунт по координатам фундамента сильно изменяется, осадка может иметь неравномерный характер, что приводит к заметным деформациям здания, появлению трещин или разломов. Наблюдения за деформациями зданий и сооружений необходимо проводить в первые годы эксплуатации и до их стабилизации. При этом необходимо установить периодический цикл наблюдений. В течение этого цикла наблюдения надлежит выполнять через равные промежутки времени в зависимости от скорости осадок. При снижении скорости осадок интервал между повторными наблюдениями может быть увеличен.
Размещение реперов и марок для наблюдений за осадками. Для наблюдений за осадками зданий необходимо иметь систему определенных точек, закрепленных специальными постоянными нивелирными знаками. Эти точки являются фундаментальными глубинными реперами, закладываемыми в стороне от сооружения, где их сохранность и неизменность геометрического положения в системе геодезических координат не вызывают сомнений в течение длительного времени. В районе наблюдений за осадками зданий должны быть установлены не менее трех глубинных реперов с учетом возможного обеспечения контроля их высотного положения с одной постановки нивелира. Глубинные фундаментальные реперы для наблюдений особо ответственных сооружений устанавливаются при измерении осадок нивелированием 1 класса. При измерении осадок нивелированием II и III классов можно использовать реперы, расположенные в грунте ниже уровня его промерзания. Наиболее распространенными типами грунтовых реперов являются трубчатые реперы, или забитые в грунт сваи. Верхняя часть трубчатого репера или сваи должна иметь сферическую головку. Кроме грунтовых реперов для наблюдений за осадками зданий необходимы так называемые контрольные осадочные марки, которые закладываются в стены сооружения и перемещаются вместе с ними. По наблюдениям за положением марок можно определить численные значения величины осадки сооружения или его отдельных частей. От правильности размещения и количества осадочных марок, заложенных в тело сооружения будет зависеть достоверность определения величин осадок. При этом необходимо учитывать удобство для наблюдения марок. Размещение марок на сооружении проводится с учетом конструкции фундамента, нагрузки на отдельные части основания, а также с учетом свойств грунта. Желательно устанавливать осадочные марки примерно на одном уровне в местах, где ожидаются наибольшие осадки. Для жилых и общественных бескаркасных зданий с кирпичными стенами и ленточным фундаментом марки размещаются по периметру через 10÷15 метров. Для промышленных сооружений и каркасных жилых и общественных зданий марки размещаются на несущих колоннах по продольным и поперечным осям не менее трех в каждом направлении. Для бескаркасных крупнопанельных зданий со сборными фундаментами марки устанавливаются по периметру через 6÷8 метров. Для сооружений со свайными фундаментами марки размещаются через 10÷15 м по продольным и поперечным осям сооружения. На доменных печах, дымовых трубах устанавливается не менее 4 марок по периметру. Для гидротехнических сооружений, разделенных на секции, устанавливают не менее трех марок на каждую секцию, а при ширине секции более 15 м – не менее четырех марок. Осадочные марки бывают различных видов. Простейшая марка представляет собой стальной уголок длиной 15 см при закладке в каменную стену и 5 см при креплении марки к стальной конструкции. Более сложная марка имеет сферическую поверхность и при закладке в стену должна выступать на 3-4 см для удобства установки рейки. В земляные сооружения типа плотин, дамб закладываются марки, представляющие собой штанги, верхний конец которых имеет головку, а нижний – башмак в виде диска с арматурными шипами. Марка устанавливается в защитную трубу, заполненную на 0,5 бетоном, в который вдавливается башмак. Сверху марка закрывается крышкой. Марки закладывают на разную глубину и по результатам их нивелирования определяют деформации земляного сооружения.
Методы определения осадок зданий и сооружений. Самым распространенным методом наблюдений за осадками зданий является метод геометрического нивелирования. При этом методе через заданные промежутки времени проводится нивелирование осадочных марок относительно исходных глубинных или грунтовых реперов. Численное значение величины и скорость изменения координаты осадочной марки по высоте является основной характеристикой осадки сооружения. Интервал между циклами наблюдений выбирается в зависимости от типа сооружения, характера грунта в основании фундамента и времени, прошедшего с начала эксплуатации сооружения. Наблюдения за особо сложными сооружениями, например, АЭС, гидроэлектростанциями, начинаются с возведения фундамента и проводятся нивелированием 1 класса в прямом и обратном направлениях с ошибкой в превышениях, полученных из двух горизонтов нивелира, не более 0,3 мм. Для многих промышленных сооружений определение осадок проводится нивелированием II и III классов. Нивелирование II класса проводят при одном горизонте прибора в прямом и обратном направлении, используя инварные штриховые рейки. При определении осадок нивелированием III класса с помощью нивелира Н-3 и двусторонних геодезических реек с сантиметровыми делениями, нивелирование проводят при двух горизонтах прибора в одном направлении. Длина визирного луча не должна превышать 40 м, высота визирного луча должна быть не менее 0,3 м над поверхностью земли. Неравенство расстояний от нивелира до реек не должно превышать 2 м, а предельная невязка хода – не более 2 n мм, где n – число станций. Допустимые средние квадратические ошибки определения осадок здания относительно исходного репера не должны превышать 1мм для здания на скальных или полускальных грунтах, 2 мм для зданий и сооружений на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах, 5 мм для зданий на насыпных, просадочных и других сильно сжимаемых грунтах.
Методы определения горизонтальных перемещений зданий и сооружений. Горизонтальные перемещения зданий, называемые сдвигом, определяются от опорных пунктов, расположенных вне сферы влияния здания и принимаемых за неподвижные точки. Перемещения, определяемые относительно какой-либо точки здания, выбранной за опорную, называются относительными или взаимными. Согласно требованиям строительных норм и правил (СНиП) средние квадратические ошибки определения горизонтальных перемещений точек здания на скальных грунтах не должны превышать 1 мм, на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах – 3 мм, на насыпных, просадочных и других сильно сжимаемых грунтах – 10 мм, земляных плотин – 15 мм. Наблюдение за горизонтальными перемещениями зданий после ввода их в эксплуатацию проводится дважды в году, желательно весной и осенью и прекращаются, когда скорость смещения становится менее 2 мм в год. Наблюдения могут возобновляться, когда на здании появляются деформации, непредусмотренные проектом. Метод створных наблюдений применяют для определения горизонтальных перемещений прямолинейных плотин, колонн зданий и других сооружений, когда наблюдаемые точки в плане лежат на одной прямой.
Рис. Схема расположения знаков при створных наблюдениях
На схеме изображены опорные точки пунктов А и В, задающие створ наблюдений и контрольные точки 1, 2, 3, 4 находящиеся в стенах здания. В каждой контрольной точке размещают подвижную визирную марку, снабженную наводящим винтом. При наблюдениях за горизонтальными перемещениями сооружения необходимо определять величины отклонений контрольных точек от створа АВ с помощью подвижной марки. При наблюдениях визирную цель марки наводящим винтом перемещают до совмещения вертикальной оси этой цели с визирной осью теодолита. Перед наблюдениями устанавливают теодолит в точке А и визируют его зрительную ось на точку В, задавая таким образом соответствующий створ. Взяв отсчет по шкале марки, получают численное значение величины сдвига контрольной точки от створа линии. В случае установки в контрольных точках здания неподвижных марок, задача определения горизонтальных деформаций и перемещений контрольных точек может быть решена путем измерения малых углов между линией створа здания и направлением на контрольную точку. Для этих измерений необходимо использование высокоточных приборов. При этом кроме численных значений величин малых углов, необходимо измерять соответствующие расстояния от точки А до контрольных точек. При невозможности закрепления створа на здании или сооружении для измерения перемещений применяется метод отдельных направлений. Сущность данного метода заключается в повторных измерениях горизонтальных углов β1 и β2 в опорных точках пунктов А и В. Углы измеряются высокоточным теодолитом, а расстояния – измерительными приборами с точностью 1:1000.
Угловые измерения
Технические теодолиты — служат для измерения горизонтальных и вертикальных углов в теодолитных и тахеометрических ходах, также для измерения расстояний нитяным дальномером. Они находят широкое применение при изыскании и проектировании инженерных сооружений.
В геодезии измеряют горизонтальные, вертикальные углы (углы наклона) и зенитные расстояния.
Способы определения превышений
В зависимости от применяемых приборов и измеряемых величин нивелирование делится на несколько видов.
1. Геометрическое нивелирование – определение превышения одной точки над другой посредством горизонтального визирного луча. Осуществляют его обычно с помощью нивелиров, но можно использовать и другие приборы, позволяющие получать горизонтальный луч.
2. Тригонометрическое нивелирование – определение превышений с помощью наклонного визирного луча. Превышение при этом определяют как функцию измеренного расстояния и угла наклона, для измерения которых используют соответствующие геодезические приборы (тахеометр, кипрегель).
3. Барометрическое нивелирование – в его основу положена зависимость между атмосферным давлением и высотой точек на местности.
4. Гидростатическое нивелирование – определение превышений основывается на свойстве жидкости в сообщающихся сосудах всегда находиться на одном уровне, независимо от высоты точек, на которых установлены сосуды.
5. Аэрорадионивелирование - превышения определяются путем измерения высот полета летательного аппарата радиовысотомером.
6. Механическое нивелирование - выполняется с помощью приборов, устанавливаемых в путеизмерительных вагонах, тележках, автомобилях, которые при движении вычерчивают профиль пройденного пути. Такие приборы называются профилографы.
7. Стереофотограмметрическое нивелирование основано на определении превышения по паре фотоснимков одной и той же местности, полученных из двух точек базиса фотографирования.
8. Определение превышений по результатам спутниковых измерений. Использование спутниковой системы ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система позволяет определять пространственные координаты точек.
Способы определений расстояний
Теодолитом можно измерить расстояние до рейке с помощью нитяного дальномера и нивелирной рейки. Для этого в поле зрения зрительной трубы имеются два коротких горизонтальных штриха – дальномерные нити. При наведении на рейку с см делениями – оценивают длину рейки, умещающуюся между дальномерными нитями. Эту длину определяют, сняв отсчеты по рейке по верхней и нижней нити. L=a-b
Расстояние d определяют = l*100
Измерение длин линий лентой, рулеткой.
Угол наклона – измеряется при помощи эклиметра
Измерение длин линий шагами
Определение расстояний при помощи линейки
Определение расстояния глазомером.
Поверки и юстировки теодолита
Поверки теодолита заключаются в соблюдении ряда геометрических условий, предъявляемых к прибору. При обнаружении несоответствия каких-то условий добиваются их выполнения с помощью определенных приемов, называемых юстировкой.
1. Ось уровня при алидаде горизонтального круга должна быть перпендикулярна вертикальной оси теодолита. Для проверки этого условия устанавливают уровень по направлению двух подъемных винтов и, вращая их в разные стороны, приводят пузырек уровня на середину трубки. Затем поворачивают алидаду на 180О и наблюдают за положением пузырька. Если он остался на середине, то первое условие соблюдено. Если пузырек сместился от середины, то исправительными винтами уровня необходимо переместить пузырек на половину отклонения, а затем повторить поверку. Далее необходимо привести вертикальную ось теодолита в отвесное положение. Для этого, установив уровень параллельно двум подъемным винтам, с их помощью приводят пузырек на середину. Затем поворачивают алидаду на 90О и с помощью третьего подъемного винта вновь приводят уровень в нуль-пункт. После этого при любом положении алидады пузырек уровня не должен отклоняться от середины более чем на одно деление.
2. Одна из нитей сетки должна быть вертикальна, а другая горизонтальна. Вертикальность нити проверяют с помощью отвеса, который размещают на расстоянии 5÷6 метров от теодолита. Вертикальную нить оптической сетки наводят на нить отвеса и проверяют точность совпадения нити сетки с нитью отвеса. Для проверки горизонтальной нити наводят её на хорошо видимую точку местности и перемещают зрительную трубу в горизонтальной плоскости. При этом точка не должна сходить с нити. Если условия не выполняются, необходимо ослабить винты, соединяющие окуляр с корпусом зрительной трубы и повернуть окуляр вместе с сеткой нитей на нужный угол.
3. Визирная ось зрительной трубы должна быть перпендикулярна к оси вращения трубы. Угол отклонения визирной оси от перпендикуляра к оси вращения трубы называется коллимационной ошибкой. Для выявления коллимационной ошибки выбирают удаленную хорошо видимую точку, расположенную на одной горизонтали с линией визирования. Наводят трубу на эту точку при положении вертикального круга справа от трубы и берут отсчет по горизонтальному кругу (КП). Далее переводят трубу через зенит, повернув её на 180О в вертикальной плоскости, и наводят её на ту же точку, когда вертикальный круг будет слева от трубы, снова берут отсчет по горизонтальному кругу (КЛ). Величина коллимационной ошибки найдется по формуле: С = (КП – КЛ ± 180О)/2
Если величина ошибки превышает удвоенную точность отсчетного устройства прибора, вычисляют среднее из минут, полученных при КП и КЛ, и устанавливают средний отсчет с помощью наводящего винта алидады. При этом произойдет смещение перекрестия сетки нитей относительно изображения ранее выбранной точки. Ослабив вертикальные винты сетки нитей, боковыми винтами передвигают сетку до точного совмещения перекрестия с изображением точки. Для контроля поверку повторяют.
4. Ось вращения зрительной трубы должна быть перпендикулярна к вертикальной оси теодолита. Наводят трубу на высоко расположенную точку, находящуюся на стене сооружения. Наклоняют трубу до горизонтального положения и отмечают на стене точку, в которую проектируется перекрестие сетки нитей. Повернув трубу через зенит, повторяют то же действие при противоположном положении вертикального круга. При этом проекция отмеченной на стене точки должна попасть в перекрестие сетки нитей. Если это условие не выполняется, то исправлять неисправность необходимо в специализированной мастерской или на заводе-изготовителе.
5. Ось оптического визира должна быть параллельна визирной оси зрительной трубы. Для проверки этого условия зрительную трубу наводят на удаленный хорошо видимый предмет местности. Затем наблюдают этот же предмет через оптический визир. Если его визирная линия отклоняется от наблюдаемого предмета, то необходимо повернуть визир, для чего открепляют винты, крепящие визир к корпусу трубы и поворотом визира совмещают его ось с осью зрительной трубы. После этого винты вновь затягивают.
Проверки и юстировки нивелиров
Поверка круглого уровня. Поверка выполняется поворотом нивелира вокруг вертикальной оси на 180º после установки его в рабочее положение. Допуск: пузырек уровня может отклоняться от центра не более чем на 1 деление. Исправление: Так как после поворота уровня на 180º фиксируется двойной угол отклонения, то исправительными винтами пузырек следует возвратить на половину отклонения от центра, после чего вновь подъемными винтами пузырек устанавливают на середину и повторяют поверку.
Поверка сетки нитки. Допуск: При отклонениях, заметных для глаза наблюдателя, или при изменениях отсчета по рейке более чем на 1 мм, выполняется исправление. Исправление: Исправление производят поворотом сеточного кольца, предварительно сняв крышку окуляра и ослабив крепления кольца.
Поверка главного условия. Нивелир устанавливают на расстоянии от т А в любом направлении на расстоянии (3-5м),снимают отсчеты а и б по черной стороне рейки, установленной точках А и В. Затем снимают отсчеты а2 и б2 с точки В. Вычисляют два превышения н1=а1-б1 н2=а2-б2
Несоблюдение условия характеризует величиной х = (н1- н2)/2, или
углом i = (х*p´´)/2 , p´´=206265”
Допуск: Цена деления цилиндрического уровня -15”,это значит что при d =50+70 величина х допустима до +-4 мм
Инженерно- геодезические изыскания зданий и сооружений
Инженерно- геодезические изыскания линейных сооружений
Практически любому строительству предшествуют изыскания – комплекс экономических, геодезических, геологических, гидрогеологических и других исследований участка предполагаемого строительства с целью получения данных, необходимых для решения задач проектирования, строительства и эксплуатации различных объектов. В результате инженерно-геодезических изысканий составляют топопланы и профили, создают на местности основу для выноса и разбивки проекта в натуре.
При геодезических изысканиях линейных сооружении (дорог, каналов, линий электропередач и т.д.) выполняют трассирование. Под трассой понимают ось линейного сооружения, обозначенная на плане плане, карте или закрепленная на местности. Трассирование бывает камеральным - проектирование трассы выполняется на планах или картах и полевым - положение трассы уточняется и закрепляется на местности.
При полевом трассировании на местности определяют и закрепляют специальными знаками главные точки трассы: начала и конца, вершин углов поворота. Затем по трассе прокладывают теодолитный или полигонометрический ход, разбивают пикетаж с обозначением плюсовых точек и поперечников. Пикеты закрепляют через сто метров (для дорог) кольями, забиваемыми вровень с землей. Рядом устанавливают сторожек, на котором подписывают номер пикета (рис.44а).
Вместе с разбивкой пикетажа заполняют пикетажный журнал блакнотного типа (рис.44б), в котором показывают схематично ось трассы и элементы ситуации (абрис). При этом съемка ситуации влево и вправо от оси трассы на расстоянии 20 м выполняется способами перпендикуляров и линейных засечек, - от 20 до 50 м - выполняют глазомерную съемку.
Технология выполнения разбивочных работ на трассе следующая.
Закрепляют на местности пикет 0, устанавливают теодолит, определяют дирекционный угол (магнитный азимут) начального направления. С помощью ленты разбивают пикетаж по предварительно проведенному направлению. Для характеристики рельефа местности в поперечном направлении разбивают профили влево и вправо на 50 м от оси трассы. Вместе с разбивкой пикетажа ведут пикетажный журнал. Влево и вправо на расстоянии 20 м способами перпендикуляров и линейных засечек выполняют съемку ситуаций, от 20-50 м - глазомерная съемка.
Определить по карте высоту, прямоугольные и географические координаты на указанной карте
Вертикальная планировка. Расчет отметок земли проектных и рабочих и картограмма земляных работ
Нивелирования поверхности – один из видов топографической съемки, по результатам которой получают крупномасштабные планы участков местности с изображением рельефа.
Вертикальная планировка – изменение существующего рельефа участка местности и приспособление его к проектируемой застройке, инженерно – транспортным нуждам.
Исходным материалом для разработки проекта вертикальной планировки служат крупномасштабные топографические планы с изображением рельефа горизонталями через 1,0; 0,5; 0,25м.
Расчет проектных отметок
Вычисление проектных точек с координатами Х=0,У=0 вычисляют в след последовательности:
- вычисляют проектную отметку H цт центра тяжести площадки;
- вычислить прямоугольные координаты Х цт и У цт центра тяжести площадки;
- вычислить проектную отметку Нпр,0 точки начала отсчета координат
- вычислить проектные отметки Н пр, i
Вычисление рабочих отметок
Hp, i = Hпр, i –H i.
Картограмма земляных работ отображает результаты выполненных расчетов. Составляют ее в следующем порядке:
- вычерчивают сетку в заданном масштабе (1:500) на листе формата А4;
- наносят точки нулевых работ и проводят линии нулевых работ синим цветом
- выписывают красным цветом рабочие отметки вершин квадратов со схемы с расчетом проекта вертикальной планировки
- выписывают объемы земляных работ в каждую фигуру
- закрашивают площади соответствующие выемки - желтым, насыпи – красным
- внизу под сеткой квадратов составляют таблицу в графах которой записывают значения объемов выемок и насыпей, сложив соответствующие объемы земляных работ в колонках сетки квадрата