Борисов 2012 - Донецкий институт железнодорожного

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
Украинской государственной академии
железнодорожного транспорта
ФАКУЛЬТЕТ “ИНФРАСТРУКТУРА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА”
Кафедра «Строительство и эксплуатация пути и сооружений»
Э.А. Борисов
Инженерная геодезия
Методические указания
к учебной геодезической практике.
Раздел: "Геодезические наблюдения за осадками
сооружений"
для студентов специальности 7.07010801
“Железнодорожные сооружения и путевое хозяйство”
Донецк 2012
Методические указания рассмотрены и утверждены на
заседании кафедры “Строительство и эксплуатация пути и
сооружений” протокол № 8 от 18.02.2012 г.
Рекомендовано к печати на заседании методической
комиссии факультета “Инфраструктура железнодорожного
транспорта”, протокол № 6 от 06.03.2011 г.
Приведены сведения о видах деформаций сооружений,
размещении и закреплении деформационных знаков (осадочных
марок). Рассмотрена методика измерений превышений
геометрическим нивелированием способом «из середины».
Представлен порядок обработки результатов измерений и
определения характеристик осадок. Приведены формулы
расчетов и таблицы примеров обработки, а также поясняющие
рисунки.
Автор:
доцент, к.т.н.
Э.А. Борисов (ДонИЖТ)
Рецензент:
ст. преподаватель
Е.Г. Корниенко (ДонИЖТ)
2
Оглавление
1
Сведения о деформациях сооружений …………………
4
2
Размещение осадочних знаков ………………………….
5
3
Подготовка приборов к нивелированию ………………
6
3.1
Поверки нивелира ……………………………………….
6
3.2
Поверки реек …………………………………………….
10
4
Измерение осадки сооружений …………………………
11
5
Обработка результатов измерений ……………………..
12
6
Пример обработки осадочных наблюдений ……………
14
7
Список рекомендованной литературы …………………
15
3
1 Сведения о деформациях сооружений
Деформации – это изменения пространственного
положения зданий, сооружений и их частей, возникающих
вследствие действия разнообразных природных и техногенных
факторов, которые оказывают существенное влияние, как на сами
объекты, так и на технологические процессы в них. В частности,
это может привести к разрыву технологических цепей.
В большинстве случаев деформации возникают в
результате смещения горных пород в основаниях объектов,
вызываемых особенностями природных факторов:
 способность горных пород к просадкам и оползням;
 пучение
грунта
при
замерзании
и
оттаивании
водонасыщенных пород;
 объемное изменение при сезонных колебаниях температуры
и влажности пород, и уровня грунтовых вод.
Технологическими факторами являются:
а) влияние нагрузки от сооружения;
б) изменение несущих свойств горных пород вследствие
искусственного изменения уровня грунтовых вод;
в) изменение давления на основание при надстройке или
сооружения рядом новых объектов.
Смещение
горных
пород
представляет
явление
разнонаправленное, из них выделяют два направления –
горизонтальное и вертикальное смещения.
К вертикальным деформациям относят:
1) осадки – возникают при уплотнении грунта под
воздействием внешних сил;
2) просадки – появляются вследствие уплотнения грунта,
изменяющего свою структуру под влиянием, как внешних сил,
так и собственной массы грунта;
3) набухание и усадка – возникают изменения объема
некоторых грунтов при изменении их влажности;
4) оседание – деформация земной поверхности вследствие
подземных разработок.
После обработки результатов измерений осадки разделяют
на равномерные (воздействие внешних сил одинаково) и
4
неравномерные (действие внешних сил на отдельные части
сооружения неодинаково).
Под воздействием собственной массы объекта осадки
постепенно затухают. Например, на песчаных грунтах осадки
прекращаются сравнительно быстро, а на глинистых
уменьшаются по много лет.
Наблюдения за деформациями проводят с начала
строительства сооружения и до момента стабилизации
деформационных явлений циклами с равными временными
интервалами.
2 Размещение осадочных знаков
Определение
осадок
ведется
по
специальным
деформационным знакам (осадочным маркам или реперам),
которые размещаются по периметру сооружения через 10÷15 м
примерно на одинаковом уровне, позволяющем наблюдать рейки
(или специальные реечки, шкалки), установленные на знаки, с
помощью нивелира. Марки обязательно устанавливают на углах,
стыках соседних блоков, по сторонам усадочных и
температурных швов (рисунок 1). Конструкция осадочной марки
представлена на рисунке 2. Болт с головкой 1 и стержнем 2 из
нержавеющей стали внедряется в стену сооружения. При
использовании специальных подвесных шкалок в головке болта
просверливают отверстие.
Рп. І
9 КН
Рп. ІІ
Рисунок 1 – Схема наблюдения марок
5
1
2
Рисунок 2 – Стенная марка
3 Подготовка приборов к нивелированию
Перед началом работ следует убедиться в том, что приборы
соответствуют необходимой точности. Для этого производят
исследования и поверки нивелира и реек. По результатам поверок
проводят юстировку (исправление) приборов и приступают к
наблюдениям.
3.1 Поверки нивелира
1) Поверка установочного уровня: вертикальная ось уровня
должна быть параллельной к оси вращения нивелира.
Подъемными винтами приводят пузырек круглого уровня
на середину. Верхнюю часть нивелира поворачивают на 180°.
Отклонившийся от нуль-пункта пузырек приводят в исходное
положение перемещением его на половину отклонения при
помощи юстировочных винтов, а другую половину –
подъемными винтами.
Поверку повторяют.
2) Поверка сетки нитей: горизонтальная нить должна быть
перпендикулярна к оси вращения нивелира. Визируют на
выбранную точку одним концом горизонтальной нити, затем
смещают точку на другой конец поля зрения. Отклонение точки
от нити не должно быть более 2t, где t – толщина нити (рис. 3).
2
1
1
Допуск: T≤2t
T
t
Рисунок 3 – Поверка сетки нитей
6
3) Поверка правильности
уровня (поверка угла i)
установки
З.Р.
П.Р.
З2
П2
ГН
З1
i
i
цилиндрического
П1
II
I
S3=47 м
Sп=47 м
ℓ≤10 м
Рисунок 4 – Определение угла i
Таблица 1 – Определение угла i
Даты
Cт. І
Cт. ІІ
Правильный
отсчет
З'2
10.07.10
З1 1400
П1 1715
h1 -315
З2 1470
П2 1826
h2 -356
іх″ -90″
Δh -41
1511
Нивелир Н-3 №2075
10.07.10
1509
1826
-317
-4″
-2
Нивелир устанавливают на І станции точно между
рейками, находят точное превышение (рис. 4).
h1 = З1 - П1
Затем нивелир переносят за переднюю рейку на расстояние
до 10 м (ІІ станция), находят превышение h2 = З2 + П2
Расхождение Δh=h2-h1=x должно быть x≤4 мм или i≤10″,
где
i 
h
   .
S3  S П
Если расхождение Δh или угол i больше допустимого,
вычисляют правильный отсчет З'2= h1 + П2 и устанавливают
7
среднюю нить элевационным винтом цилиндрического уровня
(Н-З) или вертикальным винтом (под защитным кожухом
окуляра) для Н-ЗК на вычисленный отсчет.
Поверку повторяют.
4) Поверка компенсатора состоит в оценке средней
квадратической ошибки самоустановки визирной линии.
В полевых условиях нивелир устанавливают в середине
между рейками. Наблюдения ведут 5 сериями. Перед взятием
отсчетов по рейкам ось нивелира наклоняют подъемными
винтами по схеме (точки-центры пузырька) на рис. 5.
І
ІІ
ІІІ
ІV
V
Рисунок 5 – Положение пузырька при исследовании в
одной серии
В каждой серии наблюдают черную и красную стороны
реек по указанной схеме и вычисляют превышения (таблица 2.1).
Между сериями изменяют высоту нивелира.
Для точных приборов расстояния между рейками 100 и 200
м, для технических – 200 м.
В каждой серии вычисляют превышения по черной и
красной сторонам реек h4=З4-П4, hk=Зk-З4. Затем по каждой
позиции превышение
h ср=
∑h
10
(т.к. число измеренных
превышений равно 100 и отклонения h  hсрv  hср 0 .
Систематическая ошибка компенсации σ на 1΄ наклона оси
нивелира равна
h h
  v 0   
2 Sv
где: hν – среднее превышение для наклона оси нивелира на
угол ν, h0 – среднее превышение без наклона оси, S – расстояние
между рейками, размерность величины σ: к΄΄ на 1΄ наклона.
8
Таблица 2 – Исследование компенсатора
Нивелир НЗК №5023, S=100 м
Номер
серии
1
Измеренные превышения h, мм
Продольный наклон Поперечный наклон
ІІ
ІІІ
ІV
V
+10'
-10'
+10'
-10'
1075,0
1075,5
1075,0
1075,0
1075,5
1075,5
1076,0
1075,5
пузырек
в 0пункте І
1075,0
1075,5
…
5
hср, мм
Δhср, мм
1075,7
0
1075,4
-0,3
1075,8
-0,1
1075,6
+0,1
1075,9
-0,1
5) Определение коэффициента дальномера.
Это исследование ведут на базисе длиной 100÷120 м,
измеренном мерной лентой с точностью 1:2000. Концы базиса и
промежуточные точки в створе на расстояниях 10, 40, 60 м
закрепляют на местности. Прибор устанавливают над концевой
точкой базиса и визируют на рейку, размещаемую на точках
базиса. При каждом визировании на рейку берут три отсчета: по
верхней N1, средней N0, нижней N2 нитям. Разности Δ1 = N1-N0,
Δ2 = N0-N2 являются контрольными для Δ3 = N1-N2.
Коэффициенты
находят по формуле
значение
K ср =
К
n
i
.
дальномера для разных расстояний
Д
K= i
i Δ
, по которым получают среднее
зi
(n – число интервалов на базисе).
Допустимое расхождение: ΔК≤0,4.
9
Таблица 3 – Определение коэффициента дальномера
Теодолит 2Т30 №1754
№№
точное
отсчеты
точек
расстояние Ni N0 N2
(мм)
1044
1
10
1094
1144
2
40
3
60
0800
4
100
1300
1799
Дата: 17.06.2010 г.
Δi=Ni-N2 Δ2=N0-N2 Δ3=N1-N2
50
50
100
K
100,0
100,3
99,9
500
499
999
100,1
Кср=100,08≈100,1
3.2
Поверки реек
1) пятка рейки должна быть перпендикулярна к оси шкалы;
2) определение разности высот нулей черных и красных
шкал шашечных реек ведется по трем установкам реек (табл. 4);
3) определение средней длины рабочего метра пары реек с
помощью контрольной линейки.
Поверки производятся по методикам [2].
Таблица 4 – Разность высот нулей шкал реек
№
Отсчеты по рейкам
Рзаности отсчетов
приема круга рейка 1
рейка 2
№1-№2
№1-№2
чер. кр.
чер. кр.
чер. кр.
чер. кр.
1
1
1363 6150 1362 6051 4787 4689 +1
+99
2
1412 6200 1411 6099 4788 4688 +1
+101
3
1491 6276 1491 6178 4786 4687 0
+99
2
…
3
…
10
4
Измерение осадок сооружений
Определение осадок типовых зданий и сооружений должно
производиться со средней квадратической ошибкой (СКО) m
 1 мм, если они возводятся на скальных и полускальных грунтах;
 2 мм, если возводятся на песчаных, глинистых и прочих
сжимаемых грунтах;
 5 мм, если возводятся на песчаных, просадочных и других сильно
сжимаемых грунтах.
Вертикальные
смещения
измеряют
следующими
геодезическими методами:
а) геометрическим нивелированием коротким (до 25 м) лучом;
б) тригонометрическим нивелированием коротким (до 100 м)
лучом;
в)
другими
специфическими
методами
(фотометод,
микронивелирование …).
Самым распространенным является первый метод.
При использовании геометрического нивелирования из
середины должны соблюдаться такие условия:
 неравенство «плеч» на станции не должно превышать 1 м
для нивелирования ІІ класса и 2 м – для ІІІ класса;
 накопление неравенства «плеч» в замкнутом ходе не более
4 м (ІІ класс) и 5 м (ІІІ класс);
 длина визирного луча должна быть менее 30 м (ІІ класс),
40 м (ІІІ класс).
Предельная невязка замкнутого ход вычисляется по
формуле
fкл  1,0 мм n , fкл  2,0 мм n
(1)
где n – число станций
Наблюдения марок способом «из середины» производят по
средней нити нивелира при двух горизонтах прибора.
Вычисление превышений на станциях между соседними марками
ведут по формулам
h1  З1  П1 , h2  З2  П2 , hcp 
h1  h2
2
,
(2)
Расхождения превышений между горизонтами
d  h1  h 2 ,
не должны превышать для шкаловых реек величины d≤3 мм.
11
(3)
5
Обработка результатов измерений
1) Уравнивание сети. Для двойных измерений (при двух
горизонтах прибора) величина СКО нивелирования на станции
вычисляется по формуле
1
m ст =
2
√
[d 2 ]
(4)
n
Затем нивелирную сеть уравнивают
а) Находят невязку хода
f   hcp   H кон  Н нач 
или полигона (замкнутого хода)
f   hcp
(5)
(6)
Предельные невязки зависят от класса точности (1).
б) Полученную невязку распределяют с помощью поправок
vi 
f

L
i
(7)
где: ℓi – сумма расстояний от нивелира до марок («плечи») на i-х
станциях, L – длина всего хода.
Контроль вычислений:  v   f
в) Вычисление уравненных превышений
hiур  hiизм  vi
(8)
(9)
Контроль вычислений:
ур
- для отдельного хода  h  Н кон  Н нач
- для полигона
h
ур
0
(10)
Для более сложных схем нивелирования уравнивание ведут
строгими методами (параметрическим, коррелатным).
2) Вычисление уравненных высотных отметок осадочных
марок в данном цикле наблюдений
Hi  Hi 1  hiур1,i
(11)
После уравнивания сети определяют характеристики
осадок:
12
1) величины осадок S между двумя последними циклами
Si 1,i  H i  H i 1
(12)
2) суммарная осадка с начала наблюдений
Si  H i  H 0
(13)
3) скорость осадки n-й марки
Sn
(14)
t
где: Sn – суммарная осадка n-й марки за этот же период, t – время
в месяцах или годах.
4) средняя скорость осадки
vn 
vcp 
V
n
(15)
n
5
6
7
23
24
26
Рп3
25
26
Задние Передние
0418
0307
1165
1231
-0477
-0530
0453
0344
-0142
-0071
-0478
-0531
Превышения
Номер
станции
Номер
марок
Таблица 5 – Журнал нивелирования марок
Отсчеты по рейкам
Среднее
превышение
Динамику изменений осадок представляют графически в
виде одиночных или совмещенных профилей по осям
сооружения или в рельефном виде с помощью горизонталей.
Объективное суждение о величинах осадок и причинах их
проявления получают, если одновременно с геодезическими
наблюдениями вести учет температурного режима фундамента и
уровня вод.
Пример обработки журнала наблюдений (табл. 5).
-35
-36
-37
1307
1304
1302
+1
1
1
Разности
d, см
2
5
0
После наблюдений замкнутого хода III класса и обработки
журнала измерений получены следующие результаты:
13
n  27,
h
cp
 29,7 мм
d 2  1106.
Затем находят по (4): mСТ  3, 2мм
по (6): f  9, 7 мм
по (1): f пр  2 мм n  10, 4 мм
6 Обработка осадочных наблюдений
Так как по таблице 1 получено f < fпр, то производят
уравнивание сети по формулам (7-11), в результате которого
находят уравненные отметки осадочных марок Hi (таблица 6).
Таблица 6 – Уравнивание высот для хода Рп3 – ПП4
Превышения
Уравненные
Номера марок Расстояния ℓ, м
h, мм
отметки H, м
Рп.3
99,342
11,0
1539
+1
15
100,882
9,0
247
16
101,129
13,5
2
+1
17
101,132
14,0
-23
+1
18
101,110
9,0
23
19
101,133
12,0
-34
+1
20
101,100
10,0
-1592
ПП4
99,508
∑n=7
78,5
162
+4
0,166
f=-4
fпр=2 мм =5 мм
√n
Вычисление отметки марок являются основой для
определения характеристик осадок по формулам (12-15)
(таблица 7).
14
Таблица 7 – Характеристики осадок
Циклы Начальный
І
ІІ
ІІІ
Даты 20.04.2010
24,25.07.2010
30.10.2010
Марки
Н0
Н1
ΔН0,1 ΔН0,1
Н2
ΔН12 ΔН0,2
ПП 24 101,149 101,149 101,49
1
103,012 103,010
-2 103,007 -3
-5
2
103,106 103,097
-9 103,093 -4
-13
3
103,288 103,280
-8 103,281
1
-7
…
Отметки марок наносят на план сооружения, проводят
горизонтали и определяют области осадки или подъема частей
этого сооружения (рисунок 6).
0
+4
-4
-2
0
+2
Рисунок 6 – План сооружения с осадочными горизонталями
(линия - - - - граница разнонаправленных осадок)
Список рекомендованной литературы
1. Визгин А.А. и др. Инженерная геодезия. – М.: Недра, 1985.
2. Инструкция по нивелированию І, ІІ, ІІІ, IV классов. – М.:
Недра, 1990.
3. Пискунов М.Е. Методика геодезических наблюдений за
деформациями сооружений. – М.: Недра, 1980.
4. Левчук Г.П. и др. Прикладная геодезия. Основные методы и
принципы инженерно-геодезических работ. – М.: Недра, 1981.
15
Борисов Эдуард Александрович
Инженерная геодезия
Методические указания
к учебной геодезической практике.
Раздел:"Геодезические наблюдения за осадками сооружений"
для студентов специальности 7.07010801
“Железнодорожные сооружения и путевое хозяйство”
Комп’ютерний макет Боличев О.В.
Технические редакторы
Григорьева Л.В.
Чупахина Н.А.
Подписано к печати 06.03.2012.
Формат 60×84/16. Бумага писчая. Гарн. Times New Roman.
Печать на ксероксе.
Услов.печ. лист 1,0 Тираж 25 экз. Заказ .№
Донецкий институт железнодорожного транспорта
Опечатано в редакционно-издательском отделе ДонИЖТ
Свидетельство о внесении в Гос.реестр от 22.06.2004г.,
серия ДК №1851
83018, г. Донецк – 18, ул.Горная,6.
16
ДОНЕЦКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ФАКУЛЬТЕТ “ИНФРАСТРУКТУРА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА”
Кафедра «Строительство и эксплуатация пути и сооружений»
Э.А.Борисов
Инженерная геодезия
Методические указания
к учебной геодезической практике.
Раздел:"Геодезические наблюдения за осадками сооружений"
для студентов специальности 7.07010801
“Железнодорожные сооружения и путевое хозяйство”
Донецк – 2012
17