книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие
.pdfSi = 20,6 м и S2 = 20,0 м. Конечные точки базиса А и В закреп ляют металлическими костылями или деревянными кольями с вбитыми в торец гвоздями для установки рейки. Нивелир уста навливают в точке / (в середине между точками А и В) и опре деляют превышение
|
|
|
|
h^ax |
— bv |
|
(IV.21) |
|||
где |
C |
i , b\ — отсчеты |
по рейкам |
в миллиметрах. |
|
|
||||
Превышение 1г, определенное |
«из середины», считается |
сво |
||||||||
бодным от ошибки за угол i. |
|
|
|
|
|
|||||
Устанавливают |
нивелир |
в точке / / и определяют то же |
пре |
|||||||
вышение способом |
«нивелирование вперед», беря |
отсчеты |
а2 и |
|||||||
Ь2 по рейкам. Вычисляют превышение h: |
|
|
||||||||
|
|
|
|
h = (a2 |
— b2) — x, |
(IV.22) |
||||
где х— погрешность за угол i, мм. |
|
|
|
|||||||
Из |
формул (IV.21) и (IV.22) |
имеем |
|
|
||||||
|
|
|
х = (а2 — Ь2) — {аг |
— bx). |
(IV.23) |
|||||
Вычисляют угол i по формуле |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
i" = Xp"/Sv |
|
(IV.24) |
||||
При 5[ = 20,6 м = 20600 мм имеем |
|
|
|
|||||||
|
|
|
i" = (206265/20600) х = 1 Ox, |
|
(IV.25) |
|||||
Далее, не снимая |
нивелира |
с точки //, производят вычисле |
||||||||
ние и |
(если нужно) |
исправление |
угла |
/. Для нивелиров НС-4 и |
||||||
НТ-6 |
|
допустимое |
значение |
угла |
i= |
15". Пример |
определения |
|||
угла |
дан в табл. IV.2. |
|
|
|
|
|
|
|||
На |
основании формулы |
(IV.23) имеем |
|
|
х = 290,0 — 287,5 = + 2,5 мм,
на основании формулы (IV.25) —
I" = 10 X 2,5 = 25".
При недопустимом значении угла I исправление положения визирного луча производится следующим способом. Имея ниве лир установленным на точке II, вычисляют правильное значение
отсчета по рейкам а\ и b\:
а-2 = а2 |
— 2х, |
(IV.26) |
|
b2—bz |
— х. |
||
|
140
В приводимом примере
а2 = 1865 — 5 = 1860 мм,
Ъ'2 = 1575 — 2,5 = 1572,5 мм.
В нивелире НС-4 исправление положения луча визирования производится передвижением сетки нитей. Для этого наводят трубу нивелира на точку Д, и, действуя исправительными вин тами сетки нитей, перемещают ее по рейке до отсчета а2 (в при мере 1860). По рейке в точке В контролируют правильность исправления (отсчет должен равняться b\, в примере 1572,5).
.В нивелире ЫТ исправление положения визирного луча произ
водится |
поворотом |
оптического клина |
(см. рис. IV.6,6 |
поз. 10). |
|||||||||||||
Для |
|
этого |
ослабляют |
|
винт, |
|
|
|
|
Т а б л и ц а IV . 2 |
|||||||
удерживающий |
оправу |
оп |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
Нивелир НС-4 |
|
|
|||||||||||||
тического |
клина |
от |
прово |
|
|
|
|
||||||||||
17 июня |
1972 |
г. |
|
|
|
|
|||||||||||
рачивания, |
вычисляют |
пра |
|
|
|
|
|||||||||||
вильное |
значение |
|
отсчетов |
станций |
|
|
|
евышение |
|
|
|||||||
по |
рейкам |
|
[по |
|
формулам |
|
|
|
|
|
|||||||
(IV. 26)] и поворачивают оп |
О |
Отсчеты |
|
|
|||||||||||||
О |
|
|
|||||||||||||||
тический |
клин до |
получения |
О . |
|
|
|
ftcp |
||||||||||
по сетке |
нитей |
нужного от |
% |
|
|
|
о. |
|
|
||||||||
|
|
|
С |
|
|
||||||||||||
счета. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В нивелире НТ с контакт |
|
А |
1788 |
(а{) +287 |
+287,5 |
||||||||||||
ным |
|
уровнем |
исправление |
I |
|
6472 |
|
+288 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
положения |
луча |
|
визирова |
|
|
4684 |
|
|
|
|
|||||||
ния |
производят |
|
вертикаль |
|
В |
1501 |
(6Х ) |
|
|
|
|||||||
ными |
винтами |
контактного |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
6184 |
|
|
|
|
|||||||||||
уровня |
(см. рис. IV. |
7, б |
|
|
4683 . |
|
|
|
|||||||||
поз. 14). Для этого |
элева- |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
1865 |
(а,) |
|
|
|
|||||||||||
ционным винтом наводят го |
|
А |
|
|
|
||||||||||||
ризонтальную |
нить |
сетки на |
|
|
6547 |
|
+290 |
+290,0 |
|||||||||
|
|
4682 |
|
||||||||||||||
правильный |
отсчет, |
вычис |
II |
|
|
+290 |
|
|
|||||||||
ляемый |
по |
|
формулам (IV. |
|
В |
1575 (&„) |
|
|
|
||||||||
26), |
после чего, |
передвигая |
|
|
6257 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
4682 |
|
|
|
|
|||||||||||
уровень |
по |
высоте, |
добива-' |
|
|
|
|
|
|||||||||
ются |
|
оптического |
|
контакта |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
изображений |
концов |
|
его |
пузырька, |
видимых в окуляр |
(см. |
|||||||||||
рис. IV.7, в). После исправления угла i поверку повторяют, |
убеж |
||||||||||||||||
даясь |
в правильности |
ее выполнения. В полном объеме |
поверки |
выполняются 1—2 раза в месяц. Ежедневно выполняются повер ки 1 и 3.
Следует помнить, что при работе с нивелирами НС измере ние высоты инструмента (высоты визирного луча) следует выполнять от точки на земле до центра объектива. В некоторых нивелирах для этой цели применяют крышку на объектив с ма леньким отверстием в середине.
141
§ IV. 5. Нивелиры гидростатические
Все вышеописанные инструменты для геометрического ни велирования, несмотря на их достоинства, обладают и рядом недостатков, ограничивающих применение геометрического ни велирования. Оптические нивелиры требуют прямой видимости между инструментом и нивелируемыми точками, хорошей осве щенности нивелирных реек. На некоторых строительных объ ектах эти нивелиры неприменимы из-за громоздкости реек и отсутствия свободных удобных площадок для установки ниве лира и работы наблюдателя. К тому же, инструменты для гео
метрического нивелирования |
имеют предел фокусировки |
зри |
тельной трубы, составляющий |
обычно 2 3 м, что делает |
их не |
пригодными для работы в тесных закрытых помещениях. Даже при самых благоприятных условиях работы оптические нивели ры подвержены разъюстировкам, что заставляет постоянно вы полнять довольно сложные поверки. Наконец, результаты гео метрического нивелирования искажаются влияниями рефрак ции, которые учесть крайне трудно.
От части этих недостатков свободны гидростатические и гид ромеханические нивелиры. Не требуя сложных поверок, они просты в обращении и обеспечивают быстрое определение пре вышения. Гидростатическое нивелирование, кроме того, дает широкие возможности автоматизации измерений и получения непрерывной информации о высотном положении наблюдаемых объектов. В последние годы гидростатические нивелиры приме няются :
1) при нивелировании фундаментов и монтаже крупногаба ритного оборудования;
2)для измерения отклонений от горизонтальности и прямо линейности направляющих большой длины;
3)при монтажных работах на строительстве шахт и метро;
4)при наблюдениях за осадками и деформациями опор мо стовых кранов, опор транспортных мостов и других сооружений, подвергающихся действию динамических нагрузок;
5)при наблюдениях за осадками зданий и сооружений, особенно таких уникальных, как ускорители заряженных частиц;
6)при строительстве самотечных канализационных коллек торов с малыми уклонами;
7)при передаче высот через крупные водные преграды. Нивелирование с помощью жидкости, свободная поверхность
которой всегда устанавливается нормально к направлению силы тяжести и в сообщающихся сосудах располагается на одном уровне, независимо от массы жидкости и поперечных сечений сосудов, зародилось в глубокой древности. Еще более двух с по ловиной тысяч лет назад трассирование канала, соединяющего Средиземное и Красное моря, выполнялось с помощью хоробата — переносного вытянутого желоба, наполненного водой, сво-
142
бодная поверхность которой использовалась для построения го ризонтального луча зрения.
На основании основного уравнения |
гидростатики |
Р = Ро + 12 |
(IV.27) |
величина р гидростатического давления в какой-либо точке М (рис. IV.9,a) жидкости с объемным весом у определяется дав лением ро над поверхностью жидкости и глубиной z погруже ния этой точки. Следовательно, в покоящейся жидкости давле ние во всех точках одной и той же уровенной поверхности оди наково.
Рис. IV.9. Гидростатическая система:
а — к определению гидростатического давления в точке М; б— схема гидростатической системы
Пусть имеются два сообщающихся сосуда / и 2 (рис. IV.9,6), заполненных жидкостями с различными значениями у\ и у2 объемного веса; давления на поверхностях жидкостей в сосу дах соответственно равны poi и рогЕсли Z\ и z2 — высоты сво бодных поверхностей жидкостей над поверхностью / — // их раз дела в одном из сосудов, то гидростатическое давление р в плоскости / — Я, в соответствии с основным уравнением гидро статики, будет равно:
Р = Ро1 +Чг2х . |
(IV.28) |
С другой стороны, учитывая глубину z2 погружения поверх ности / — / / под уровнем жидкости в сосуде 2, получим:
P = Po2 + T2Z2 - |
(I V -29) |
Приравняв правые части двух последних выражений, найдем уравнение равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах:
Poi + Т А = Рог + T2Z2. |
(IV.30) |
из которого следует, что при равенстве давления poi = рог на сво бодных поверхностях жидкостей в сосудах
Т А = Тг г 2 .
143
откуда |
|
lxhz = Z2/zv |
(IV.31) |
а если сосуды заполнены однородной жидкостью с одинаковыми значениями объемного веса (yi = Y 2 ) , то поверхности жидкости устанавливаются на равных высотах Z\ =z 2 , отсчитываемых в этом случае от любой произвольно выбранной горизонтальной
плоскости сравнения, и могут служить при нивелировании |
гори |
зонтальной визирной плоскостью. |
|
Простейший гидростатический нивелир — трубчатый, |
состо |
ящий из двух стеклянных цилиндрических сосудов, соединенных жесткой трубкой. Нивелир заполняют какой-либо подкрашен
ной жидкостью |
пример |
|
но до половины |
высоты |
|
сосудов. |
Визируя |
по по |
верхности |
жидкости на |
установленные на нивели руемых точках рейки с де лениями, производят от счеты по ним, как при гео
|
|
|
метрическом |
нивелирова |
|||||
|
|
|
нии, |
но |
невооруженным |
||||
|
|
|
глазом. Такой |
прибор |
не |
||||
|
|
|
поверяют |
и не |
юстируют. |
||||
|
|
|
Единственное |
требование |
|||||
|
|
|
к нему заключается в том, |
||||||
|
|
|
чтобы сосуды были чисты |
||||||
|
|
|
ми и не слишком узкими |
||||||
|
|
|
(8-Е-10 мм) во избежание |
||||||
|
|
|
явления |
капиллярности, |
|||||
|
|
|
вызывающего |
ошибки из |
|||||
|
|
|
мерений. |
Точность |
труб |
||||
|
|
|
чатого |
нивелира |
весьма |
||||
Рис. IV. 10. Определение |
превышения |
низка, |
вследствие |
чего |
|||||
в настоящее |
время |
его |
|||||||
переносным |
гидростатическим |
нивелиром |
|||||||
со взаимной |
перестановкой |
сосудов: в |
применяют крайне |
редко. |
|||||
прямом (а) |
и обратном (б) |
направле |
В |
современных |
гидро |
||||
|
ниях |
|
|||||||
|
|
статических нивелирах со |
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
суды |
соединяются |
не же |
сткой трубкой, а гибким шлангом; сами сосуды выполняются в виде заключенных в металлическую оправу стеклянных цилинд ров с миллиметровыми шкалами на стенках. В течение послед них четырех десятилетий техника гидростатического нивелиро вания развивается в трех направлениях:
1) разработка переносных высокоточных приборов для из мерения небольших превышений при наблюдениях за осадками зданий и промышленных сооружений, а также при монтаже тех нологического оборудования и исследовании сдвижения горных пород;
144
2)конструирование переносных гидростатических нивелиров средней точности с повышенным диапазоном измерений;
3)создание стационарной аппаратуры для наблюдения за деформациями крупных сооружений, тектоническими движени ями земной коры, для передачи высот через крупные водные преграды и т. п.
Для определения превышения h гидростатическим нивелиром надо знать относительные высоты Z\A над точкой А (рис. IV. 10, а) и Z2B над точкой В уровня жидкости в измерительных голов ках (сосудах). Тогда превышение h между точками А и В мо жет быть найдено:
h = z l A - z 2 B . |
(IV.32) |
В соответствии с рисунком, выполненным применительно к последним моделям гидростатических нивелиров, в которых ну левое деление располагается в верхней части нанесенной на стен ке сосуда шкалы *, получим:
h = {s1 — З п р ) — (s2 — Я п р ) , |
|
|
|
или |
|
|
|
A = ( t f n p - 3 n p ) - ( S 2 - S l ) , |
|
(IV.33) |
|
где З п р и Я п р — отсчеты, фиксирующие уровень жидкости |
в зад |
||
нем и переднем сосудах при их прямом положении |
(1—>-2)\ sx и |
||
s2 — высоты нулевых делений измерительных шкал |
над опорны |
||
ми плоскостями сосудов. |
— S J ) H X «ну |
||
Для конкретной пары сосудов разность высот (s2 |
|||
лей» — величина постоянная. Она называется местом нуля |
гидро |
||
статического нивелира. |
Обозначим |
|
|
|
s2 — sx= МО |
|
(IV.34) |
и формулу для определения превышения перепишем в виде: |
|||
А = ( Л п р - З п р ) - М 0 . |
|
(IV.35) |
|
Если в выражение |
(IV.35) подставить значение |
/г = 0, |
то ста |
нет ясно, что место нуля представляет собой разность отсчетов уровня жидкости в сосудах при установке их на горизонтальной поверхности.
В этом уравнении два неизвестных — h и МО, для отыскания которых необходимо иметь второе уравнение. При работе с пере носными гидростатическими нивелирами его можно получить, поменяв сосуды местами (рис. IV. 10,б). Тогда, взяв отсчеты
* При отсутствии шкалы на стенке стеклянного цилиндра измерительным устройством нивелира фиксируется условный нуль, относящийся также к верх ней части сосуда.
145
Зоб и Поъ, фиксирующие уровень жидкости в заднем и переднем сосудах при их обратном положении (2-—И), можем записать:
h = |
22 А — ггв |
= (S2 — Зо 6 ) — (Sj. — /7о б ), |
|
||||
или |
h = (Я о б - |
30 б ) |
+ |
(s2 - S |
l ) , |
(IV.36) |
|
|
|||||||
а с учетом (IV.34) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Л = |
( Я 0 б |
- 3 0 б ) |
+ |
ЛЮ. |
|
(IV.37) |
Суммируя и вычитая выражения |
(IV.35) |
и (IV.37), получим: |
|||||
д _ (Япр — З п р ) + |
( Я о 6 — Зоб) __ |
( З п р |
— Я п р ) |
+ (30б — Я 0 б ) |
3g^ |
Mo — ^пр — З п р ) — (Д0 б — Зоб) |
|
~~ |
2 |
( З п р — Япр) — (30б — Яоб) |
(IV. 39) |
|
Нетрудно представить, что для гидростатических нивелиров, шкалы которых имеют нулевое деление в нижней части сосуда, при прямом положении (1—У2) измерительных головок выраже ние (IV. 32) раскрывается в виде:
ft = (sx + З п р ) — (52 + Я п р ) .
Перегруппировав члены последнего уравнения и воспользо вавшись принятым ранее обозначением [см. формулу (IV. 34)], запишем:
|
|
h |
= ( 3 n p - n N P |
) - M 0 , |
|
|
(IV |
.40) |
||
а'после |
взаимной перестановки сосудов — при |
их обратном |
по |
|||||||
ложении |
( 2 — И ) : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Л = ( З о б - Я 0 б ) |
+ |
М0 . |
|
|
(IV.4I) |
|||
Из совместного |
решения уравнений |
(IV. 40) |
и |
(IV. 41) |
получаем |
|||||
формулы для вычисления значений превышения и места нуля: |
||||||||||
|
|
h — |
(3 "р ~ |
^ " Р ) |
(3°° |
~ п°6^ |
, |
|
^ту |
42) |
|
' |
МО — |
( 3 п р |
~ / 7 п р ) ~ ( 3 |
9 б ~ / 7 о |
б ) |
• |
(IV.43) |
К настоящему времени создано немало конструкций гидро статических нивелиров различных устройств и назначений. Точ-
146
ность гидростатического нивелира определяется применяемым способом фиксации уровня жидкости в сосудах и возможностями учета (или исключения влияния) изменений условий внешней среды.
Способов фиксации и отсчета уровня жидкости известно мно го. Наиболее же широкое применение сейчас находят визуаль ный, контактно-визуальный, электроконтактный с различными их разновидностями.
В самом простом случае фиксация уровня жидкости в стек лянных трубках нивелира выполняется визуально—'взятием от-
Рис. IV.11. Способы фиксации уровня жидкости в сосудах
счета |
на глаз |
по шкале, нанесенной на стенке |
самой трубки |
(рис. |
IV. 11,а), |
против менисковой поверхности |
жидкости. По |
скольку обычно применяемые жидкости — смачивающие, поверх ность жидкости в трубке представляет собой вогнутый мениск; по самой низкой точке менисковой дуги и берут отсчет с погреш ностью ± 1 мм.
Точность визуального способа повышается до ±0,5 мм, если отсчет производить по шкале, расположенной рядом с трубкой, фиксируя уровень жидкости при помощи передвижной рамки *1 (рис. IV. 11. б) с прорезанной щелью 2 и индексом на продолже нии ее оси симметрии. Передвигая рамку по трубке, устанавли вают ее так, чтобы нижний край мениска проходил по оси сим метрии прорези, после чего против индекса берут отсчет по шка-
147
ле. Для большего повышения точности индекс может быть заменен верньером.
Визуальный отсчет по нанесенной на трубку шкале может производиться против риски плавающего на поверхности жидко сти специальной формы поплавка 3 (рис. IV. I I , в) В этом слу чае точность отсчета характеризуется погрешностью ±0,2 мм.
При контактно-визуальном способе уровень жидкости фикси руется острием мнкрометренного винта 4 (рис. IV. 11, г). Вращая барабанчик 5, мпкрометрениый винт,4 в стеклянном цилиндричес ком сосуде плавно опускают сверху и в момент прорыва острием пленки поверхностного натяжения смачивающей жидкости, когда вокруг острия образуется менисковая поверхность, производят отсчет по шкале 6, укрепленной рядом с барабанчиком мнкромет ренного винта. Для удобства шаг винта делают равным 1 мм, а окружность барабанчика разбивают на десять частей, что дает возможность по вертикальной шкале отсчитывать количество це лых, а по барабанчику — десятых и сотых долей миллиметра.
Электроконтактный способ заключается в фиксации глубины опускания мнкрометренного винта от фиксированного нуля до соприкосновения с жидкостью. В момент соприкосновения замы кается электрическая цепь и появляется соответствующий свето вой или звуковой сигнал. Известны электроконтактные датчики положения уровня жидкости в сосуде как непрерывного дейст вия (из одного подвижного электрода), так и дискретные. Ди скретный датчик состоит из большого числа сигнальных уст ройств в виде контактов 7 (рис. IV. 11,(3), смонтированных по следовательно на разных высотах. Расстояние между контакта ми по вертикали (шаг) зависит от необходимой точности полу чения информации о положении уровня жидкости.
Оптико-электронный |
способ |
регистрации уровня |
жидкости |
|||
(рис. IV. 11,е) состоит в регистрации фотоэлементом |
9 светово |
|||||
го сигнала, |
проходящего |
через |
жидкость при |
контакте |
с ней |
|
стеклянного |
цилиндрического световода 8. |
|
|
|
||
Применение инструментальных контактных |
способов |
дает |
возможность дистанционного получения информации о высотном положении объекта.
Проанализируем влияние изменений условий внешней сре ды на результаты гидростатического нивелирования. При ниве лировании считается, что поверхность жидкости в сообщающихся сосудах горизонтальна и за время измерений на станции своего положения ие меняет. В действительности же факторы, опреде ляющие равновесие гидростатической системы, в различных ее частях могут быть непостоянны, к тому же непостоянны они и во времени. Неравенство атмосферных давлений на поверхность жидкости в сосудах возможно за счет естественных воздушных течений, особенно при значительных расстояниях между нивели руемыми точками, а при работе в помещении может вызываться действием вентиляционных установок. Неравномерный нагрев
148
жидкости в сосудах и различных ча.стях шланга вызывает раз личие значений объемного веса жидкости в системе. Последнее может быть также из-за неравномерного распределения в жид кости растворенных в ней газов.
С появлением разности Ар0 = ро2—poi давлений на свободную поверхность жидкости и разности Av =72—71, значений ее объем
ного веса в стремящейся к гидростатическому |
равновесию си |
|||
стеме |
прибора происходит перераспределение |
жидкости, |
вслед |
|
ствие |
чего разность высот столбов жидкости |
оказы |
||
вается |
искаженной на величину Az = z2 |
— Z \ . На эту же величи |
||
ну искажается и значение измеряемого |
превышения. |
|
||
Подставив в выражение ( I V . 30) значение y i = V 2 = Y p > K |
объем |
|||
ного веса рабочей жидкости, получим |
|
|
|
z 2 — z i — (Poi РоаУТрио
найдя, таким образом, погрешность в определении превышения за счет разности давлений на поверхностях жидкости:
Ьгр |
= — ЛрЛрж- |
|
Выразив разность давлений |
в миллиметрах ртутного |
столба, |
можно записать: |
|
|
А ^ = |
- ( т Р Л Р ж ) ' А р 0 . |
(IV.44) |
Если в качестве рабочей жидкости используется вода со зна чением объемного веса урш = 1,0 г/см3 , то
Azp = — 13,6Др0,
и для исправления результатов нивелирования поправками за разность давлений на поверхностях сосудов разность давлений необходимо измерять с погрешностью не более
Др0 = Д2 р /13,6.
Чтобы найти поправку с ошибкой ±0,1 мм, погрешность из мерения давления не должна превышать
Дро = ± 0,1/13,6 = ± 0,007 мм рт. ст. Образовав по пропорции ( I V . 31) производную пропорцию
(z2 — z1)/z1 = ('{l — Т2)/Т2
и учитывая, что изменение ,(72 — 71) значения объемного веса жидкости из-за разности At = t2 — ti ее температур в сосудах под чиняется приближенному равенству
T2 — T i » —4iP <('a — * i ) >
получим:
z2 — zx = z1 ъР, (t2 — у/та.
149
ч