ЛЕКЦИЯ 8. Геодезические методы измерения перемещений

Классические геодезические методы. Под геодезическими мето­дами понимают обычно совокупность приемов для измерения перемещений в исследуемых конструкциях с помощью геодезических приборов - теодо­литов и нивелиров.

Измерение вертикальных перемещений отдельных элементов со­оружений производится на основе нивелирования - либо технического, ли­бо высокоточного. Нивелирование во время испытания может производиться по маркам и реперам, установленным для длительных наблюдений за деформационным поведением обследуемых сооружений. При использова­нии нивелиров с приспособлением для оптического смещения линии визи­рования возможна оценка определенных перемещений сооружения с точно­стью до 0,01мм.

Измерение горизонтальных перемещений сооружений или отдель­ных элементов несущих и ограждающих конструкций производят на прак­тике с использованием теодолитов.

На практике теодолит центрируют под неподвижной точкой, вы­бранной на расстоянии 25...40м от сооружения в зависимости от его высо­ты. При этом на необходимых точках сооружения прикрепляют временные марки; при определении горизонтальных перемещений наиболее часто ис­пользуются 2 способа.

1. Способ измерения углов при повторных наведениях теодолита на наблюдаемые марки. При этом, зная расстояние от теодолита до наблюдае­мой марки и абсолютную величину приращения измеряемых горизонталь­ных углов, находят расчетным путем линейные горизонтальные перемеще­ния наблюдаемых точек.

2. Способ так называемого «бокового» нивелирования, в котором при каждом отсчете рабочую трубу теодолита сначала наводят на наблюда­емую марку, а затем поворотом в вертикальной плоскости на 180 - на го­ризонтальную рейку с миллиметровой шкалой, закрепленной так, чтобы она заведомо всегда оставалась неподвижной во время испытаний. Разность последовательных отчетов, взятых по рейке, и дает искомое перемещение наблюдаемых точек в горизонтальном направлении.

Однако на практике имеют место случаи отсутствия прямой види­мости для наблюдаемых точек, что не позволяет широко использовать гео­дезические методы для глобальной оценки деформационного поведения обследуемого сооружения.

Гидростатическое нивелирование. Гидростатическое нивелиро­вание нашло широкое применение в геодезии и машиностроении при пост­роении различных профилей местности и установке в проектное положение оборудования различных технологических линий.

Рис. 24. Схема измерения вертикальных перемещений сооружений с помощью системы гидростатического нивелирования: 1 - стеклянная трубка; 2 - рабочая шкала; 3 - гибкие шланги; 4 - уравнительный бак; 5 - измеряемые перемещения; 6 - базовая (нулевая) линия измерения

Этот способ основан на определении взаимного превышения про­веряемых точек на уровне стояния жидкости в сообщающихся сосудах. Схема установки показана на рис.24. Чувствительность метода может быть значительно повышена установкой в трубках с внутренним диаметром порядка 5 см специальных микрометрических головок, оканчивающихся специальным коническим острием. При этом уровень жидкости в рассматриваемом случае определяется путем световой, либо звуковой сигнализа­ции в момент касания острия головки поверхности жидкости. Рабочие отче­ты берутся по шкале головки с точностью 0.01 мм.

Отвесы. Применяют для определения взаимных горизон­тальных смешений точек сооружения, расположенных на одной вертикали. Различают два типа отвесов: прямой и обратный.

Конструктивная схема прямого отвеса показана на рис.25, а об­ратного отвеса - на рис.26.

Рис 25. Конструктивная схема прямого отвеса: 1 –исследуемое сооружение; 2 - марка с горизонтальной шкалой; 3 - отвес в сосуде с маслом; 4 - кронштейн для отвеса; 5 - линейная шкала; 6 - микроскоп; 7 –струна.

Прямой отвес используют наиболее часто для определения гори­зонтальных смещений наземных частей зданий и сооружений, возникаю­щих при неравномерных деформациях грунтовых оснований, а также от крановых горизонтальных нагрузок либо от копровых установок.

Обратный отвес используют для выноса на дневную поверхность через вертикальную шахту положения рабочей марки заложенной, напри­мер, в основании гидротехнической плотины.

Метод натянутой нити. Для точек, расположенных по прямой (в горизонтальном «створе»), перемещения, перпендикулярные перемещению створа, могут измеряться с помощью натянутой проволоки. Это целесооб­разно при отсутствии прямой видимости или при большой длине створа, т.е. в случаях, требующих переноса оптических геодезических инструмен­тов на промежуточные марки, что на практике снижает точность получае­мых результатов. На рис.27 показана конструктивная схема метода натя­нутой нити.

Горизонтальные перемещения, перпендикулярные направлению створа, возникающие в сооружении, определяются с точностью до 0,1мм соответственно по изменению положения поплавков относительно корпуса их ванночек. Отчеты на практике берутся по линейкам с нониусами.

а б

Рис. 26. Конструктивная схема обратного отвеса:

а - схема, требующая полкой герметизации и большого объ­ема масла; б - усовершенствованная схема;

1 - поплавок,

2 - струна;

3 - марка;

4 - корпус;

5 - рабочая жидкость;

6 - отсчетное устройство

а б

Рис. 27. Конструктивная схема метода натянутой нити для определения горизонтальных смешений обследуемых строительных объектов: а - общая схема; б - схема плавающих опор; 1- стальная проволока; 2 - натягивающий груз; 3 - неподвижная опора; 4 - плавающая опора; 5 - ванночки; 6 - поплавок; 7 - вилка фиксатора проволоки; 8 - ограждающие конструкции объекта

Рассматриваемый метод разработан для наблюдений перемещений в гидротехнических сооружениях.

Фотометрические методы

Фотометрические методы условно подразделяются на классичес­кую фотограмметрическую и стереофотограмметрическую съемки с после­дующей специальной камеральной обработкой полученных снимков.

Рис. 28- Схема прохождения световых лучей при фотометрической съемке: 1 - исследуемый объект; 2 - фототеодолит или фотокамера; 3 - оптический центр фотокамеры; 4 - фотопленка

В настоящее время эти съемки все шире используются как в натур­ных испытаниях сооружений, так и при испытаниях, выполняемых в лабо­раторных условиях, в том числе и при испытаниях строительных моделей.

Пространственная схема прохождения световых лучей при фото­грамметрической съемке представлена на рис.28.

Па практике при фотограмметрической съемке (рис.29) на вы­бранном расстоянии Y от объекта устанавливается фототеодолит и выпол­няется съемка до и после деформации обследуемого объекта. В результате координаты точки N по оси X и Z можно определить путем обработки по­лученных фотоснимков с использованием следующих формул:

Х=; Z=

где X и Z - соответственно координаты точки N на объекте; Y - расстояние до фототеодолита; f- фокусное расстояние фототеодолита; x и z - координаты точки N на фотоснимке.

Для решения пространственной задачи с помощью стереофотограмметрической съемки возможно дополнительное определение по вы­полненным фотоснимкам значения координаты Y, т.е. удаления рассматри­ваемой точки N от фототеодолита. Для решения данной проблемы необхо­дима съемка обследуемого объекта с двух точек согласно рис.30.

Рис.29. Горизонтальная проекция рабочей схемы фотограмметрической съемки

Рис.

1- левый снимок; 2 - правый снимок; 3 -объект;

S1, S2- местонахождения фокуса фототеодолита; В- база съемки

При этом в ходе обработки полученных двух снимков с двух пози­ций необходимо определить разность абсцисс Х1 и Х2, на указанных фото­снимках, используя следующую формулу:

р=Х1-Х2,

где р - горизонтальный параллакс фототеодолита.

Зная значения f, p, В можно определить значение Y до и после де­формирования обследуемого объекта по формуле:

Y =,

где f- фокусное расстояние фототеодолита;

p - горизонтальный параллакс;

В - база съемки.

Обработка полученных фотоснимков на практике и нахождение па­раллаксов исследуемых точек производится с помощью специально предназначенного для этой цели оптического прибора - стереокомпаратора. Предложенные методы имеют следующие преимущества.

1. Одновременность фиксирования всех точек сооружения, отраженных на снимке.

2. Возможность определения перемещений в неограниченно боль­шом числе точек, выделенных на снимке.

3. Комфортность обработки снимка, производимой а спокойных лабораторных условиях с возможностью неоднократной проверки получен­ных данных. Сами же фотографии одновременно являются надежным до­кументом, отражающим фактическое состояние обследуемого объекта в момент съемки.

Одновременно данный метод имеет и недостатки.

1. На практике требуется применение специальной аппаратуры.

2. Обслуживающий персонал должен иметь соответствующую ква­лификацию и подготовку.

3. Сама съемка ограничена пределами прямой видимости.

4. До начала работы необходимо выполнить специальные подготовительные работы.

5.Большое сооружение необходимо снимать с нескольких позиций, что нарушает одновременность съемки и усложняет контрольную обработ­ку полученных снимков.

Проведенная экспериментальная проверка показывает, что при удалении объекта от фототеодолита на 10 метров погрешность в определе­нии перемещений в плоскости сооружения не превышает ±1мм. а погреш­ность в определении перемещений из плоскости сооружения достигает 13мм.

При более близких расстояниях точность результатов измерения повышается.

Для наблюдения за перемещениями в высотных сооружениях и подземных штольнях гидротехнических сооружений эффективно используют лазерные приборы, а также современные высокоточные радио- и светодальномеры.