11. Схемы последовательных створов и малых створов
Программа последовательных створов (рис. 4.3.15), предложенная Г.П. Левчуком для выверки оборудования промышленных предприятий, нашла, благодаря своим высоким точностным показателям, успешное применение при контроле смещений сооружений гидроузлов.
Рис. 4.3.15. Схема последовательных створов
Для получения точных результатов в этой схеме необходимо также свести к минимуму погрешности центрирования приборов и визирных марок, а также использовать створные приборы, в которых перефокусирование зрительной трубы вызывало бы пренебрегаемо малую погрешность, во всяком случае, ее влияние не должно превышать ошибки визирования.
Применительно
к наблюдениям за горизонтальными
смещениями схема и
программа последовательных створов
состоят в следующем. В створе, разделенном
на п
примерно равных частей, устанавливают
в начальном опорном пункте теодолит, в
конечном пункте – визирную марку. От
общего створа А-В измеряют
при двух положениях круга только
отклонение
точки
1
(рис.
4.3.15). Затем
прибор переносят в эту точку, устанавливая
его вместо марки, и относительно створа
1-В измеряют нестворность
точки 2. Прибор переносят в точку 2 и от
створа 2-В измеряют нестворность
точки 3 и т. д. Дойдя до конечной
точки, производят измерения в обратном
направлении. Установив теодолит в пункте
В,
а
визирную марку – в пункте А, относительно
створа В-А наблюдают
отклонение точки 7. Перейдя с прибором
в эту точку, от створа 7-А находят
нестворность точки 6 и т. д. Таким образом,
в этой схеме прибор последовательно
устанавливают на все наблюдаемые точки
створа, ориентируют по конечному
наблюдательному пункту и относительно
последовательно измеряемого створа
измеряют нестворность ближайшей по
ходу наблюдаемой точки.
Средневесовая величина нестворности определяется по формуле
,
(4.3.27)
где – нестворность точки i, полученная из прямого хода с опорного пункта А;
– нестворность точки i, полученная из обратного хода с опорного пункта В;
– СКП определения
нестворностей соответственно из прямого
и обратного ходов.
П
риведение
измерений к общему створу
А-В в прямом
ходе выполняют по формулам, которые
выводят непосредственно с рисунка.
Подобным образом выполняется приведение результатов измерений в обратном ходе.
Средняя квадратическая погрешность отклонения точки в прямом ходе вычисляется по формуле
.
(4.3.29)
Средняя квадратическая погрешность средневесового отклонения от створа А-В вычисляется по формуле
.
(4.3.32)
По сравнению с
схемами полустворов и четвертьстворов
в схеме последовательных створов более
полно выравнивается точность определения
нестворностей. Так, в схеме на рис. 4.3.15
погрешность наиболее слабой средней
точки лишь в
раз превосходит ошибки крайних точек.
Исследованиями также установлено, что
чем длиннее створ, тем эффективнее
применять схему последовательных
створов с коротким шагом измерений.
Для условий плохой видимости по всему створу В.М. Гудковым и Б.И. Беляевым [80] была предложена схема малых створов.
В схеме малых створов измерения сводятся к последовательному определению отклонений каждого пункта от створа двух соседних (рис. 4.3.16).
В прямом ходе прибор устанавливают в пункте А, визирную марку – в точке 2 и от створа А-2 измеряют отклонение точки 1. Прибор переносят в точку 1, визирную марку – в точку 3 и от створа 1-3 определяют нестворность точки 2. Соответственно от створа 2-4 измеряют отклонение точки 3 и т. д. Заканчивают прямой ход определением отклонения точки 7 от створа 6-В. В обратном ходе теодолит устанавливают на пункте В, визирную марку – в точке 6 и относительно створа В-6 измеряют нестворность точки 7, от створа 7-5 – точки 6 и так до пункта А.
При больших
величинах нестворностей точек применяют
способ малых углов, при незначительных
отклонениях – метод подвижной марки.
В случае применения способа подвижной
марки в каждом вытянутом треугольнике,
образованном из соседних пунктов, по
величинам частных нестворностей
вычисляют малые углы
(4.3.33)
По малым углам в каждом вытянутом треугольнике вычисляют углы поворота створного хода
(4.3.34)
Принимают частную систему координат х'у', начало которой совмещают с пунктом А, а ось х' направляют вдоль линии А-1. В этой системе сначала вычисляют дирекционные углы сторон
,
(4.3.35)
и ординаты точек створа
.
(4.3.36)
Вычисляют угол
разворота створа А-В в системе
(4.3.37)
Переходят от системы координат к системе координат общего створа xy. Для этого перевычисляют сначала дирекционные углы
,
(4.3.38)
а затем определяют ординаты точек хода, т. е. нестворности относительно общего створа
(4.3.39)
Для конечной точки створа В можно записать
YВ
= невязке хода =
(4.3.40)
Невязку хода сравнивают с допустимой, равной удвоенной средней квадратической погрешности, и разбрасывают пропорционально длинам линий.
Среднюю квадратическую погрешность нестворности в середине створа определяют по формуле [80]
(4.3.41)
где m – СКП измерения малого угла.
Как видно из формулы (4.3.41), в схеме малых створов происходит очень быстрое накопление погрешностей по створу, что является основным его недостатком. Однако незначительные погрешности взаимного положения соседних пунктов будут определены с меньшими значениями, чем в других рассмотренных схемах, что, несомненно, является большим его достоинством.
12. Методы и средства измерений при установке конструкций по высоте.
Высокоточное нивелирование короткими лучами, его отличие
от государственного нивелирования. Приборы и приспособления
для проведения производства нивелирования короткими лучами
Различают следующие методы нивелирования:
- барометрическое (сейчас практически не применяется из-за низкой точности измерений);
инженерно-геодезическое (тригонометрическое);
геометрическое нивелирование;
гидростатическое нивелирование;
определение высот спутниковыми приемниками.
Основным методом установки конструкций сооружений и оборудования, а также контроля осадок объектов промышленных предприятий является метод геометрического нивелирования короткими лучами. Этот метод позволяет охватить очень широкий диапазон точностей измерений превышений (от 0,05 до 5 мм на одну станцию), позволяет вести измерения в широком диапазоне внешних и внутренних воздействий природной и производственной среды, имеет более высокую производительность по сравнению с другими методами и более низкую стоимость работ.
Отличия от государственного нивелирования:
из-за близкого расстояния между нивелируемыми точками применяют короткие плечи, что существенно уменьшает такие источники погрешностей как погрешности визирования и горизонтирования визирного луча;
из-за коротких плеч уменьшаются погрешности влияния рефракции и конвекции воздуха на результаты измерения превышений;
применяют более надежные знаки и специальные марки для установки реек;
ходы прокладывают по твердым точкам и на жестком основании, что уменьшает погрешности за просадки штатива и костылей;
более точное соблюдение равенства плеч на станции, что уменьшает погрешности за угол I и перефокусировку зрительной трубы;
более точная выверка угла I ;
применение специальных реек или наиболее часто применение одной рейки для измерения превышений;
применение виброгасителей при работах в условиях вибрации основания от действующего оборудования;
более точное исследование нивелиров и реек;
применение подсветок при работах внутри затемненных помещений.
При нивелировании применяют точные и высокоточные уровенные и маятниковые оптические отечественные и зарубежные нивелиры; электронные и цифровые нивелиры зарубежных фирм.
Рейки применяют штриховые с инварной полосой, которые изготавливают разной длины и фиберглассовые штрихкодовые рейки для цифровых нивелиров.
Приспособления –зонт, подкладки под ножки штатива при работе на асфальте, подпятники для реек, рулетки, виброгасители, фонарики.
В настоящее время при контроле установки конструкций и осадок инженерных объектов используют следующие виды классификаций и методик геометрического нивелирования:
- государственное нивелирование I, II, III и IY классов [84, 120, 161];
- разрядное нивелирование короткими лучами для измерения осадок гидротехнических сооружений [188];
- разрядное нивелирование короткими лучами для измерения деформаций оснований зданий и сооружений [58];
- нивелирование короткими лучами специальных классов для инженерно-геодезических работ [84].
Основные технические характеристики названных видов классификаций геометрического нивелирования приведены в табл. 4.2.1 – 4.2.4. Каждая из приведенных видов и методик нивелирования имеет свои положительные и отрицательные стороны в зависимости от объектов и условий контроля.
Таблица 4.2.1
Технические характеристики государственного нивелирования I, II, III и IY классов (выписка из [84, 120, 161])
№ п\п |
Наименования характеристик |
Классы нивелирования |
|||
I |
II |
II |
IY |
||
1 |
Предельная длина визирного луча, м |
50 |
65 |
75 |
100 |
2 |
Неравенство длин визирных лучей на станции, м (не более) |
0,5 |
1,0 |
2 |
5 |
3 |
Накопление неравенств длин в ходе, м (не более) |
1,0 |
2,0 |
5 |
10 |
4 |
Число горизонтов |
1 |
1 |
1 |
1 |
5 |
Число линий |
4 |
2 |
2 |
1 |
6 |
Число ходов |
2 |
2 |
2 |
1 |
7 |
Допустимая невязка (мм на 1 км хода) |
3 |
5 |
10 |
20 |
8 |
Средняя квадратическая погрешность определения (окончательного) превышения на станции, мм (не более) |
0,16 |
0,30 |
0,65 |
3,0 |
Примечания: 1) нивелирование I и II классов выполняют штриховыми рейками, III и IY классов – шашечными; 2) типы нивелиров и технология нивелирования устанавливаются по указанию ГУГК. |
|||||
Классификация и методика государственного нивелирования хорошо приспособлены для ведения геодезических работ на больших территориях, когда реперы расположены на большом удалении друг от друга и необходимо получить их отметки с наименьшими затратами средств и времени при заданной точности измерений на километр хода. В этих случаях стараются работать на предельных длинах визирных лучей, пользоваться для ускорения работ двумя рейками, а измерения вести по башмакам или костылям. Так как ходы большой протяженности, то методика измерений направлена в значительной мере на уменьшение систематических погрешностей, влияние которых на точность возрастает по мере увеличения длин ходов. Для наблюдений за осадками зданий, сооружений и оборудования промышленных предприятий этот вид классификации и методики измерений мало пригоден из-за недостаточной точности измерения превышений по контролю оборудования, где часто требуются точности выше первого класса, необходимости применения различных по точности приборов, реек и приспособлений при смене классов нивелирования, что создает ряд неудобств при производстве работ в производственных цехах.
Классификация и методика для измерения осадок гидротехнических сооружений хорошо приспособлены для ведения геодезических работ на специфических (как правило, построенных по индивидуальным проектам) сооружениях – протяженных плотинах, каналах, шлюзах, когда осадочные марки расположены на бетонных сооружениях через 20 – 40 м, а на земляных сооружениях через 100 – 200 м. Точность измерений осадок и, следовательно, превышений в ходах на бетонных и земляных плотинах, сильно различается, что и проявляется в разработанных для этой цели классификации и методике нивелирования. Для контроля осадок и деформаций зданий, сооружений и оборудования в других отраслях промышленности (см. единую номенклатуру отраслей [82]) этот вид классификации и методики измерений применяется редко.
Таблица 4.2.2
Технические характеристики разрядного нивелирования для измерения осадок гидротехнических сооружений (выписка из [188])
№ п/п |
Наименования характеристик |
Разряд нивелирования |
||
I |
II |
III |
||
1 |
Средняя длина визирного луча, м |
25 |
25 |
50 |
2 |
Неравенство длин визирных лучей на станции, м (не более) |
0,5 |
0,5 |
1,0 |
3 |
Накопление неравенств длин в ходе, м |
1,0 |
1,0 |
2,0 |
4 |
Высота визирного луча над препятствием, м (не более) |
0,8 |
0,8 |
0,3 |
5 |
Число горизонтов |
2 |
2 |
1 |
6 |
Число направлений |
2 |
1 |
1 |
7 |
Средняя квадратическая погрешность определения окончательного превышения на станции, мм (не более) |
0,08 |
0,13 |
0,40 |
8 |
Предельное расхождение прямого и обратного ходов (для III – невязка), мм |
0,3 |
0,5 |
1,2 |
Примечания: 1) нивелирование всех разрядов выполняют одними и теми же нивелирами с цилиндрическим контактным уровнем или самоустанавливающейся линией визирования; 2) нивелирование всех разрядов выполняют стандартными штриховыми рейками с инварной полосой, разрешается применение специальных реек того же класса. |
||||
Таблица 4.2.3
Технические характеристики разрядного геометрического
Нивелирования для измерения деформаций оснований зданий и
сооружений(выписка из ГОСТ 24846-81 [58])
№ п/п |
Наименования характеристик |
Классы нивелирования |
|||
I |
II |
III |
IY |
||
1 |
Предельная длина визирного луча, м |
25 |
40 |
50 |
100 |
2 |
Неравенство плеч на станции, м (не более) |
0,2 |
0,4 |
1,0 |
3,0 |
3 |
Накопление неравенств плеч в замкнутом ходе, м (не более) |
1.0 |
2,0 |
5,0 |
10,0 |
4 |
Высота визирного луча над препятствием, м |
1,0 |
0,8 |
0,5 |
0,3 |
5 |
Число горизонтов |
2 |
1 |
1 |
1 |
6 |
Число направлений |
2 |
1 |
1 |
1 |
7 |
Допускаемая невязка (мм на 1 км хода) |
0,15 |
0,5 |
1,5 |
5 |
Примечания: 1) нивелирование I и II классов выполняют нивелиром типа Н-05 и равноточными ему, III и IY классов – нивелирами типа Н-3 и равноточными ему; 2) нивелирование I и II классов выполняют штриховыми рейками, III и IY классов – шашечными рейками. |
|||||
Таблица 4.2.4
Технические характеристики геометрического нивелирования специальных классов (выписка из [84])
№ п/п |
Наименования характеристик |
Классы нивелирования |
|||
ГН-005 |
ГН-010 |
ГН-025 |
ГН-050 |
||
1 |
Предельная длина визирного луча, м |
10 |
20 |
35 |
50 |
2 |
Оптимальная длина визирного луча, м |
5-7 |
10-15 |
15-25 |
25-35 |
3 |
Неравенство длин визирных лучей на станции, м (не более) |
0,05 |
0,10 |
0,20*-0,30 |
0,30*-0,50 |
4 |
Высота визирного луча над препятствием, м (не менее) |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
5 |
Число горизонтов |
2 |
2 |
2 |
2 |
6 |
Число направлений |
2 |
1 |
1 |
1 |
7 |
Точность отсчитывания по барабану плоскопараллельной пластинки, деления |
0,1 |
0,1 |
1 |
1 |
8 |
Средняя квадратическая погрешность определения (окончательного) превы-шения на станции, мм (не более) |
0,05 |
0,10 |
0,25 |
0,50 |
Примечания: 1)* – первый показатель применяют при нивелировании по осадочным маркам, второй – по костылям; нивелирование ГН-005 и ГН-010 выполняют одной рейкой, а ГН-025 и ГН-050 – двумя рейками. |
|||||
Классификация и методика нивелирования для измерения деформаций оснований зданий и сооружений [58] по своим характеристикам близки к государственному нивелированию. Это связано с основной целью наблюдений – определением параметра «абсолютная осадка» фундамента, в то время как контроль параметров, характеризующих деформации взаимосвязанных конструкций объектов, находится на втором плане. Поэтому, из-за точности измерений превышений на станции, длин визирных лучей и их неравенства и других характеристик, данный вид нивелирования не получил широкого распространения для контроля технического состояния конструкций сооружений и оборудования промышленных предприятий.
Классификация и методика геометрического нивелирования специальных классов [15, 84] разработаны для контроля осадок и деформаций сооружений и оборудования промышленных предприятий. Точность измерений превышений на станциях, а также все другие основные характеристики нивелирования позволяют контролировать наиболее распространенные виды деформаций сооружений и оборудования многочисленных промышленных предприятий из единого номенклатурного списка [82]. При этом измерения во всех классах нивелирования выполняются нивелирами и рейками одной точности, что создает удобство и возможность быстрого выполнения работ при большом количестве марок на объектах предприятия и разной точности измерений превышений в ступенях.
13. Основные источники ошибок геометрического нивелирования и пути их уменьшения. Разработка специальных классов нивелирования. Оценка точности результатов нивелирования (лекция + [7]стр. 38-51)
При нивелировании короткими лучами в условиях строительства или действующего предприятия участвуют три группы погрешностей (ошибок):
инструментальные,
внешней среды,
личные.
А) Инструментальные ошибки (будем считать для 25 м):
визирования mвиз =W х S/V х ρ= 10”x 25000мм/40 x 206265=0,03 мм. Может быть уменьшена за счет более коротких линий визирования.
Совмещения концов уровня (горизонтирования визирного луча) mсов=0,25”х 25000 мм/ρ =0,03 мм Может быть уменьшена за счет более коротких линий визирования.
За угол I mi = 20”х 0,5 м / 206000 = 0,05 мм. Может быть уменьшена за счет более точной установки в середину и более точной выверки угла i.
Изменения фокусировки зрительной трубы mфок=0 – При точной установке в середину перефокусировку не делают.
Ошибки барабана микрометра mбар = 0,0005 х 50дел = 0, 025 мм. Уменьшается за счет взятия нескольких отсчетов. (основная и дополнительная шкалы, два горизонта и т.п.
Смещения сетки нитей. По Пискунову mсетки нитей = 0,03 мм. Необходимо одинаково наводится на штрихи рейки.
Нанесения делений рейки mдел = 0,35 мм. Исследуют и иногда вносят поправки в отсчеты
Разности высот нулей реек. mнулей=0. Работают одной рейкой.
За наклон рейки
Применяют оградительное кольцо.
За неточную выверку уровня mвыв.уровня- по той же формуле, но ошибки вдвое меньше за счет более тщательных действий.
За неперпендикулярность плоскости пятки mпятки = 0,025 мм (оградительное кольцо)
Коробления рейки mкороб = 0. Лента натягивается пружиной и при короблении тела рейки не изменит своей прямолинейности.
Б. Ошибки внешней среды
От изменения высоты прибора и костылей (для грунтов – 0,02 мм. (на жестком основании и по твердым точкам)
От деформации прибора, вызванной односторонним температурным нагревом – изменяется угол i (из опытных данных 0,6” на 1 градус С. Уменьшаются при быстрых измерениях, либо следует теплоизолировать прибор).
От изменения длины реек при изменении температуры по сравнению с температурой компарирования (для инвара m=0,000002 *3м*1°=0,006мм. Следует измерять температуры и вводить поправки)
От конвекции воздуха (шлюзование, отключение вентиляторов и других источников тепла, дублированный репер)
От изменения длины реперной трубы m=α ∆ t (Вводят поправки за температуру)
От температурных деформаций конструкций m=α ∆ t.(Вводят поправки за температуру).
В. Личные – постоянные и переменные (один наблюдатель)
(по двум шкалам и
по двум рейкам).
При двух горизонтах
Методика измерений – дать по лабораторной работе.
Оценку точности производят по формулам
=
;
=
;
(3.30)
где
- средняя квадратическая
погрешность превышения на одну станцию
нивелирования, полученная по невязкам
полигонов;
-
то же, полученная по поправкам из
уравнивания;
- невязка в полигоне;
- число станций в
полигоне;
- число полигонов;
P=1/n΄ ,где n΄- число станций в ходе между узловыми точками;
N΄ - число ходов в сети;
r - число узловых точек в сети.