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 fкл 1,0 мм n , fкл 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 hiур1,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