книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие

где рг — среднее значение температурного коэффициента объем­ ного расширения жидкости для диапазона температур At=t2 — tu а остальные обозначения — прежние.

при другом положении шланга высота .столба жидкости в систе­ ме составит 2,5 м, то погрешность в 0,1 мм появится уже при пе­ репаде температур в системе около 0°, 2.

Самой малорасширяющейся («инварной») жидкостью" явля­ ется вода при температуре около +4° С. С повышением же тем­ пературы ее коэффициент объемного расширения увеличивается:

Из анализа видно, что высокоточное гидростатическое ниве­ лирование следует выполнять с минимальной высотой z столба жидкости, располагая соединительные шланги по возможности в одной горизонтальной плоскости с измерительными головками. Кроме того, необходимо принимать меры к тому, чтобы в про­ цессе измерений на станции изменений внешних условий (давле­ ния на поверхность жидкости в сосудах и температуры жидкос­ ти в системе) практически не было, поскольку их учет крайне сложен.

Для высокоточных измерений переносными шланговыми ниве­ лирами применяют двойное нивелирование с взаимной переста­ новкой сосудов. Эта методика обеспечивает автоматическое ис­

особо высокой точности, предварительно определяют величину

* Для обеспечения «запаса прочности» расчета принято, что поверхность раздела жидкостей с различными значениями объемного веса находится в самом низком месте нашей гидростатической системы.

150

Н и в е л и р ы ш л а н г о в ы е п е р е н о с н ы е . Одним из прос­ тых и удобных в работе переносных гидростатических нивелиров является разработанный Всесоюзным научно-исследовательским маркшейдерским институтом (ВНИМИ) шланговый технический нивелир НШТ-1, выпускаемый в настоящее время серийно Харь­ ковским заводом маркшейдерских инструментов. Прибор пред­ назначен для измерения превышений в пределах ±200 мм при нивелировании фундаментов, монтаже конструкций на строи­ тельстве шахт и метрополитена, наблюдениях за осадками зда­ ний, мостовых опор и других сооружений.

Нивелир НШТ-1 представляет собой легкую переносную сис­ тему, состоящую из двух одинаковых взаимозаменяемых изме­ рительных головок 1 и 2 (рис. IV. 12, а), соединенных гибким резиновым шлангом 3 длиной 10 м, внутренний диаметр которо­ го 9 мм. Каждая измерительная головка, присоединяемая к шлангу с помощью штуцера 18 (рис. IV. 12,6), состоит из стек­ лянного цилиндра 11, заключенного в металлическую оправу 13. На цилиндр нанесена миллиметровая шкала. Концы стеклянно­ го цилиндра закрываются пробками. Верхняя пробка имеет руч­ ной и автоматический клапаны. Ручной клапан 6 используется для герметизации стеклянного сосуда при транспортировке. Ав­ томатический клапан, состоящий из свинцового грузика 8 и под­ вешенного к нему на капроновой жилке 9 клапана-поплавка 10, предназначен для свободного пропуска воздуха и для предотвра­ щения выливания жидкости при внезапном повышении ее уровня или в случае опрокидывания сосуда. При повышении уровня жидкости клапан-поплавок 10 всплывает п, прижимаясь вытал­ кивающей силой жидкости к плоским краям отверстия в кону­ сообразной детали 7, герметически перекрывает последнее.

Верхняя часть металлической оправы оканчивается рамкой 5, в которой на резьбе помещена двухсторонняя опорная пятка 4. Если измерительный сосуд надо приставить к нивелируемой точ­ ке снизу, то используют верхнюю плоскость опорной пятки. При подвеске прибора на стенной репер опирание происходит на ниж­ нюю плоскость пятки 4. Прибор имеет и нижнюю опорную пят­ ку 15 с острием 16 для установки на грунтовые репера. При не­ обходимости установки прибора на фундаменте или другой по­ верхности снизу навинчивается вторая пятка 17 — плоская.

Расставив измерительные головки на нивелируемые точки, наблюдатели открывают краны 14 и клапаны 6 прибора и — пос­

* Каждый поплавок — пустотелый, кольцевой формы с двухсторонним конусообразным сужением центрального отверстия; такая конструкция на­ илучшим образом обеспечивает пропуск пузырьков воздуха, постоянство вы­ соты поплавка над жидкостью и его остойчивость.

152

пенные шлангом длиною 30 м с внутренним диаметром 10 мм, навешиваются на специальные стенные репера, предварительно заложенные в намеченных для наблюдений местах сооружения. Под каждым репером закладывают, кроме того, два анкерных болта *, создавая тем самым для измерительной головки три опорных точки в одной вертикальной плоскости.

Головка нивелира представляет собой стеклянный цилиндр 13 в металлическом корпусе 6, подключаемый к жидкостному шлан-

Рис. IV.14. Точный гидростатический шланговый нивелир проф. Мейссера (прецизионный шланговый ватерпас):

гу / через штуцер 16. Прибор навешивается на стенной репер пазом в верхней части корпуса и закрепляется болтовыми дер­ жателями 9. Нижняя часть корпуса обхватывается обоймой 3, закрепляемой на анкерных болтах винтами 4. С помощью уста­ новочных винтов 14 измерительной головке по круглому уровню придают отвесное положение и, вращая маховик 12, приводят в

* Репера с полированными сферическими головками, анкерные болты и шаблон для разметки отверстий под них поставляются в комплекте с прибором.

156

движение микрометренный винт 5, опуская его на поверхность жидкости. Контакт острия микрометренного винта с поверхно­ стью воды улавливают визуально или по световому сигналу лам­ почки индикатора 7. Отсчитывая уровень жидкости, количество целых миллиметров считывают по индексу 8 со шкалы У/, деся­ тые же и сотые доли миллиметра берут по барабану 10.

В нижней части головки имеется кран 2 с уплотняющей гай­ кой 15, закрывающей стеклянный цилиндр. Для учета изменений температуры рабочей жидкости в шланге под измерительной го­ ловкой помещен термометр 17. При нивелировании грунтовых ре­ перов прибор устанавливают на штатив (рис. IV. 14, б).

В 1961 г. институтом Фундаментпроект немецкий нивелир был

г и д р о с т а т че- с к и е с и с т е м ы. Для

непрерывного наблюдения за осадками фундаментов, вертикаль­ ными смещениями подкрановых путей и подобных сооружений значительной протяженности целесообразно использовать ста­ ционарную гидростатическую систему, которая, в отличие от переносных шланговых нивелиров, может состоять из большого количества водомерных сосудов. Стационарные системы значи­ тельно удобнее и практичнее, так как всегда готовы для наблю­ дений; большое число наблюдаемых одновременно точек обес­ печивает полноту материалов, причем вся система может обслу­ живаться одним человеком.

Стационарная гидростатическая система состоит из проложен­ ной по периметру сооружения коммуникации — шланга или тру­ бы 1 (рис. IV. 15), имеющей в наблюдаемых точках выходы (пье­ зометры) 2 в виде стеклянных водомерных трубок с делениями. Трубки закрепляются на сооружении с помощью различных за­ хватов. В каждом цикле наблюдений отсчитывают уровень жид­ кости в пьезометрах. Разности Az этих отсчетов, взятых в различ­

157

Вертикальные смещения отдельных трубок влекут за собой перераспределение жидкости в системе. Это должно вызывать из­ менение начальной отметки уровенной поверхности жидкости, вследствие чего результаты наблюдений на всех точках будут ис­ кажены систематической погрешностью. Для устранения этого явления в гидростатическую систему вводят компенсаторы 3 •— резервуары значительного объема. При осадках отдельных на­ блюдаемых точек жидкость нз компенсатора переходит в пьезо­ метры, однако, благодаря значительной площади поперечного сечения компенсатора высота уровенной поверхности жидкости в системе практически остается неизменной.

В 1964 г. стационарная гидростатическая система была при­ менена в Донбассе для измерения вертикальных смещений эле­ ментов здания серии 1-4801гв при его искусственном искривле­ нии путем поддомкрачивания *. В техническом подполье цоколь­ ного этажа была смонтирована гидростатическая система из 43 простейших водомерных устройств — стеклянных цилиндров с помещенными в них металлическими линейками с делениями че­

смещения А Я элемента поддомкрачиваемого здания вычислялась как изменение его превышения над неподвижной исходной точ­ кой:

AH = k n - h 0 ,

где h0 и hn — превышения элемента здания над неподвижной точкой до и после поддомкрачивания.

Средняя квадратическая ошибка определения величины сме­ щения составила ±1,2 мм.

Используя пьезометры с делениями через 1 мм и компенсатор правильно подобранных размеров, погрешности измерений сме­ щений водомерных трубок можно снизить до ±0,3 мм. Описанный способ измерения вертикальных смещений можно сделать непре­ рывным, применив самопишущие приборы.

Гидростатическая система может быть эффективна при гори­ зонтальной передвижке зданий. В этом случае ее целесообразно автоматизировать, оборудовав пьезометры электрическими кон­ тактами. При осадке какого-либо элемента здания на величину, близкую к установленному пределу, жидкость будет замыкать электрическую цепь, давая на пульт предупреждающий сигнал.

* Искусственное искривление путем поддомкрачивания — защитное конст­ руктивное мероприятие, проводимое в отношении зданий, подрабатываемых горными работами., Оно возможно только при условии быстрого и надежного определения величин вертикальных смещений после каждой ступени поддом­ крачивания.

158

Современное развитие науки и техники привело к созданию целого ряда объектов промышленного и научного значения, предъявляющих повышенные требования к точности монтажа, стабильности основания и отдельных элементов оборудования. К таким объектам относятся гигантские электростанции, высот­ ные железобетонные телебашни, радиотелескопы, ускорители за­ ряженных частиц и т. п. Среди них особое место занимают коль­ цевые ускорители с радиусом в несколько десятков и сотен мет­ ров. Высокие требования к точности их монтажа и, тем более, стабильности их технологического оборудования в процессе экс­ плуатации вызывают необходимость определения высот элемен: тов ускорителя с погрешностями всего лишь ±50-4-±100 мкм. Эта задача осложняется еще тем, что из-за высокой радиации во время работы ускорителя непосредственное присутствие человека в месте производства измерений невозможно. Поэтому примене­ ние для геодезического контроля за положением оборудования весьма трудоемкого прецизионного геометрического нивелирова­ ния связано с длительными простоями ускорителя. К тому же, наблюдения, выполняемые методом геометрического нивелирова­ ния, дискретны во времени, лишены оперативности и все-таки вы­ нуждают людей находиться в радиационно опасных условиях.

Поставленная задача высокоточного слежения за высотным положением оборудования ускорителей была решена созданием

стационарной гидростатической системы с дистанционным съемом информации [IV. 3]. Эта система, созданная в СССР и функционирующая ныне на одном из крупнейших в мире Ереван­ ском синхротроне, состоит из 12 измерительных головок, установ­ ленных на блоках электромагнита и соединенных шлангом из органического материала длиною 200 м. В качестве рабочей жид­ кости в гидростатической системе используется глубоко обессо­ ленная и очищенная от газов вода. Для исключения влияния вентиляции на положение уровня жидкости в головках их воз­ душные объемы соединены в единую систему резиновым шлангом.

Дистанционный съем информации о положении уровня жид­ кости в измерительных головках обеспечивается фотоэлектриче­ ской регистрацией [IV. 2] контакта с поверхностью жидкости стеклянного цилиндрического световода 8 (см. рис. IV11,е). Световод заточен конусообразно под углом 45°, превышающим угол полного внутреннего отражения света в световоде при на­ хождении его в воздухе. Под слоем жидкости — в основании из­ мерительной головки — установлен фотоприемник 9. В исходном положении, когда световод находится в своем верхнем фиксиро­ ванном положении над уровнем жидкости, количество света, по­ падающего на фотоприемник, мало и сигнал с него практически считается нулевым.

По команде «измерения» включается цепь питания электро­ механического привода, и световод начинает перемещаться

159