1.3 Методы измерения осадок и деформаций

1.3.1 Общие сведения о методах измерения осадок и деформаций

Для определения осадок инженерных сооружений используют геодезические и негеодезические методы.

Негеодезическими методами определяют относительные осадки частей сооружений. Негеодезические методы предусматривают использование отвесов, клинометров, деформометров, микрокренометров и других средств измерений. Эти приборы устанавливаются непосредственно на сооружении иди внутри него и позволяют измерять перемещения отдельных частей сооружений практически непрерывно. Процесс измерений может быть автоматизирован.

Применений геодезических методов дает возможность определять абсолютные и относительные величины вертикальных смещений сооружений или их частей. Геодезические методы измерения осадок позволяют получать полные и достоверные данные об осадках сооружения (или комплекса сооружений) в целом, отдельных его частей в единой системе координат.

Определение осадок (подъемов) точек сооружений выполняют следующими геодезическими методами: геометрическое, гидростатическое, гидродинамическое, тригонометрическое нивелирование, микронивелирование фотограмметрический.

1.3.2 Геометрическое нивелирование

Основным методом измерения осадок является периодическое точное нивелирование установленных на сооружении знаков, называемых осадочными марками.

Высотной опорой, относительно которой определяют отметки осадочных марок, является сеть фундаментальных реперов, устанавливаемых в устойчивых местах. В зависимости от характера грунтов и требуемой точности наблюдений за осадками применяют или обычные типы реперов, заложенные ниже глубины промерзания, или специальные глубинные знаки, забуриваемые до коренных пород.

Первый цикл наблюдений за осадками начинают после возведения основания сооружения, проводя его особенно тщательно. Из результатов этого нивелирования определяют начальные отметки всех осадочных марок. Последующие циклы повторяют по мере возрастания нагрузки на основание. В период эксплуатации сооружения частота измерений зависит от скорости осадок: один цикл в квартал, полгода, год – до полного прекращения осадок.

Нивелирование производят каждый раз по одной и той же схеме ходов.

После уравнивания нивелирных ходов вычисляют отметки осадочных марок и составляют ведомости, в которых указывают для каждой марки: величину осадки S между двумя последними циклами i-1 и i:

Si-1, i = H i-Hi-1, i (1.2)

Суммарную осадку с начала наблюдений:

S i = H i-H1i (1.3)

Скорость осадки каждой марки и среднюю скорость осадки всего сооружения:

υN = SN/t; υср = ∑υ/r (1.4)

где H i – высота осадочной марки в цикле i, t – время наблюдений в месяцах или годах; SN – суммарная осадка марки за это же время; r – число наблюдаемых марок.

Для наглядного представления о ходе осадок составляют совмещенные графики осадок марок, профили осадок по продольным и поперечным осям, план кривых равных суммарных осадок, а также графики колебаний температуры и уровня грунтовых вод.

Нивелирование может выполняться по программе государственного нивелирования I ,II, III, IV классов в соответствии с [1], точного, высокоточного нивелирования короткими лучами и по специальным программам, например, по методике гидротехнического нивелирования 1-3 разрядов.

Таблица 1.2 - Классификация гидротехнического нивелирования

Разряд нивелирования	m, мм	Предельное расхождение прямого и обратного ходов, мм	Объем измерений на станции
I	0.08	0.3n	Прямо и обратно при двух горизонтах инструмента
II	0.13	0.5n	Прямо и обратно при одном горизонте инструмента
III	0.40	1.2n	В одном направлении при одном горизонте инструмента

Обозначения: m - средняя квадратическая погрешность превышения на станции (из всех измерений); n - число станций.

Нивелирный ход I разряда прокладывают в прямом и обратном направлениях при двух горизонтах инструмента. Изменение горизонта инструмента производят подъемными винтами. Нивелирование опорной высотной сети гидроузла и глубинных марок производится I разрядом гидротехнического нивелирования.

Средняя длина визирного луча составляет 25 м, а его высота над подстилающей поверхностью, как правило, не меньше 0.8 м. при длине визирного луча 10-15 м можно выполнять измерения с его высотой не менее 0.5 м.

Неравенство расстояний от нивелира до реек на станции не должно превышать 0.5 м, а накопление неравенства в секции – 1.0 м.

При выполнении очередного цикла наблюдений необходимо следить за тем, чтобы каждая из реек устанавливалась на те же точки, на которые она была установлена в предыдущих циклах измерений. При изменении горизонта инструмента, а также при переходе от прямого хода к обратному рейки местами не меняют.

Для записи измерений могут быть использованы журналы государственного нивелирования I или II класса.

На станции вычисляют и записывают в журнал также среднее значение превышения, измеренного при двух горизонтах инструмента (в делениях барабана и в миллиметрах).

После выполнения нивелирования по секции в прямом и обратном направлениях сравнивают между собой два средних значения превышений. Если они различаются больше чем на 0.3 мм * n (n - число станций в ходе одного направления), то повторяют нивелирование в секции в одном каком- либо направлении и при отсутствии грубых ошибок в обработку берут все три превышения.

Нивелирование II разряда отличается от нивелирования I разряда лишь объемом измерений. В нивелировании II разряда превышение определяют при одном горизонте инструмента в прямом и обратном направлениях.

Нивелирный ход III разряда прокладывают только в одном направлении (прямо) теми же инструментом и рейками, что и ходы I и II разрядов. При числе станций более двух ход должен быть замкнутым.

Точное геометрическое нивелирование короткими лучами – основной метод измерения осадок ответственных сооружений, плотин и зданий ГЭС, судоходных шлюзов, элеваторов, крупных промышленных комплексов, жилых высотных зданий и т.д. условия, в которых проводят наблюдения за осадками этих сооружений, очень сложные. Вибрации от работы машин или движущегося транспорта, недостаточная освещенность внутренних помещений, потоки неравномерно нагретого воздуха существенно затрудняют работу и снижают точность. При таких неблагоприятных условиях применяют нивелирование короткими лучами (средняя длина составляет обычно 10-15 м). при этом ослабляется влияние некоторых погрешностей измерений, зависящих от внешних условий (рефракций, конвекций), повышается точность отсчета по рейке.

При наблюдениях за осадками уникальных сооружений может применяться высокоточное нивелирование. Нормальная работа таких сооружений возможна лишь при соблюдении высокой точности сопряжения отдельных строительных и технологических элементов и высокой стабильности их положения во времени.

Чтобы обеспечить высокую точность определения осадок и деформаций, созданы специальные приборы, разработана рациональная методика геодезических наблюдений при измерении осадки уникальных сооружений, в частности, проведены исследования в области совершенствования методики высокоточного нивелирования короткими лучами.

Применение нивелирования короткими лучами на уникальных сооружениях позволяет определить разность высот двух точек, расположенных на расстоянии 10-15 м, со средней квадратической погрешностью 0.03-0.05 мм. Превышение между точками, удаленными на несколько сотен метров, определяется с погрешностью 0.1-0.2 мм.

При измерении осадок гидротехнических сооружений используют знаки, которые можно подразделить на три группы:

1. Марки, закладываемые в исследуемом сооружении. По осадкам марок судят об осадках сооружения.

2. Рабочие реперы, закладываемые вблизи сооружения в деформируемой зоне; от них в каждом цикле нивелируют марки в сооружении. На рабочие реперы периодически передают отметки от исходной сети.

3. Исходные реперы, закладываемые за пределами зоны возможных деформаций в устойчивые грунты. Предполагается, что отметки исходных реперов остаются неизменными длительное время.