Лекция 3. Метод исследования осадок и деформаций 1 страница

Метод обладает рядом существенных положительных отличий от всех других методов определения осадок и деформаций сооружений. Прежде всего-это объек­тивность получаемых результатов; возможность измерений на значительной площади объекта в единый физический момент времени; возможность определения положения любого количе­ства точек, включая и недоступные для непосредственных из­мерений; относительная простота и достаточно высокая точ­ность измерений. Кроме того, фотограмметрический метод по­зволяет хранить всю полученную информацию по данному объ­екту с возможностью в любой момент времени восстановления изображения его пространственной модели. В отличие от мно­гих других методов — фотограмметрический позволяет на один и тот же момент времени определять смещения точек по трем координатам.

Сущность фотограмметрического метода определения оса­док и деформаций заключается в вычислении разности коор­динат точек сооружения, измеренных по фотоснимкам нуле­вого (или предыдущего) цикла и фотоснимкам деформацион­ного (текущего) цикла.

В зависимости от поставленной задачи могут применяться два способа: фотограмметрический (способ нулевого базиса) для определения деформаций в одной плоскости и стереофотограмметрический — для определения деформаций по любому направлению.

Фотограмметрическим способом определяют деформации в плоскости XZ,параллельной плоскости фотоснимка (плоскости прикладной рамки фотокамеры). Фотографирование произво­дят с одной точки при неизменном положении фотокамеры для сохранения во всех циклах одних и тех же элементов ориенти­рования. По измеренным на снимках координатам х_m, z_m иX_k, Z_kточек в циклах с номерами т и k, измеренному в натуре отстоянию Yот фотокамеры до объекта, и известному фокус­ному расстоянию фотокамеры f вычисляют деформации ∆Х (боковые сдвиги) и ∆Z (осадки, прогибы) по формулам

∆Х = (Y/f)(х_k- х_m) = M∆Х_{m, k} (12)

∆Z = (Y/f)(z_k- z_m) = M∆Z_{m, k}

Величины ∆Х_m,k и ∆Z_m,k могут быть также определены не­посредственным измерением, если снимки, полученные в цик­лах т и k, обрабатывать совместно. Например, установив на левую кассету стереоприбора снимок цикла m, ана правую — цикла k. При этом, для точек, получивших смещение, обнару­живается стереоэффект, и смещения ∆Х_m,k и ∆Z_m,k будут, соот­ветственно, равны продольному ри поперечному qпараллак­сам.

При стереофотограмметрическом способе фотографирование объекта производят с двух точек - с некоторого базиса длиной В,в результате чего получают пару перекрывающихся сним­ков. По снимкам, полученным с одного и того же базиса, в циклах m и kизмеряют координаты х_m, z_mи x_k,z_k, а также продольные параллаксы р_mи р_k.

При определении деформаций стереофотограмметрическим способом по измерениям смещений измеряют сначала фотоснимки m и kциклов, полученные при фотографировании с ле­вого конца базиса, и находят значения координат Хл, Zл и сме­щений ∆ Хл, ∆ Zлтак же, как это выполняется при фотограммет­рическом способе. Затем измеряют фотоснимки m и kциклов, полученных с правого конца базиса, и определяют координаты Хп, Zп и смещения ∆ Хп, ∆ Zп. Измерение величин Zп, ∆ Zп повы­шает точность определения осадок.

Деформации, подсчитанные по формулам (12), выражены в плоской прямоугольной системе координат, параллельной аналогичной системе координат снимка, началом которой слу­жит точка пересечения осей х и z снимка.

Для определения по фотоснимкам пространственных коор­динат и деформаций точек объекта необходимо знать положе­ние фотоснимков или стереопар фотоснимков в пространстве в момент съемки. Положение фотоснимка при фотограмметриче­ском способе определяется девятью основными параметрами - тремя элементами внутреннего и шестью элементами внешне­го ориентирования. Элементы внутреннего ориентирования определяют положение центра проектирования (задней узловой точки объектива) относительно фотоснимка. К ним относятся фокусное расстояние f фотокамеры и координаты х₀, z₀глав­ной точки фотоснимка. Элементы внешнего ориентирования определяют положение фотоснимка относительно принятой про­странственной системы координат.

Линейными элементами внешнего ориентирования являются координаты центра проек­ции X_s, Y_s, Z_s,которые определяются в пространственной фо­тограмметрической или в условной геодезической системах ко­ординат. Угловые элементы внешнего ориентирования в зави­симости от принятой системы координат могут иметь различ­ный вид.

В фотограмметрической системе в качестве угловых элемен­тов могут быть взяты углы:

- угол поворота фотоснимка в горизонтальной плоскости вокруг оси z;

- угол наклона фо­тоснимка (вращение вокруг оси х);

- угол разворота фото­снимка в своей плоскости (вращение фотоснимка вокруг опти­ческой оси фотокамеры).

В геодезической системе вместо угла берется угол A₀ - дирекционный угол направления оптиче­ской оси фотокамеры, отсчитываемый от положительного на­правления оси X.

Положение стереопары фотоснимков, полученных одной фо­токамерой, определяется 15 элементами ориентирования: 3 - внутреннего и 12 - внешнего. Обычно для стереопары исполь­зуют систему элементов внешнего ориентирования, исключаю­щую координаты центра проекции фотокамеры при установке ее на правом конце базиса. В этом случае в качестве элемен­тов внешнего ориентирования принимают:

Xs_л, Ys_л, Zs_л - координаты левого центра проекции;

А - дирекционный угол базиса;

_л - горизонтальный угол между базисом и оптиче­ской осью левой камеры;

_л - угол наклона оптической оси фотокамеры на левом конце базиса;

_л - угол разворота лево­го фотоснимка в своей плоскости;

В -горизонтальное проложение базиса;

В_г -превышение правого центра проекции отно­сительно левого;

- угол конвергенции - горизонтальный угол между оптическими осями фотокамеры при установке на левом и правом концах базиса;

_п - угол наклона оптической оси фотокамеры на правом конце базиса;

- угол разворота пра­вого фотоснимка в своей плоскости.

Вследствие неизбежных погрешностей в установке и опре­делении элементов внутреннего и внешнего ориентирования возникает необходимость во введении соответствующих попра­вок в измеренные значения координат и смещений. Поправки за влияние погрешностей элементов ориентирования вводятся по измерениям на контрольных точках, по контрольным на­правлениям и т. п.

В зависимости от точности установки линейных элементов ориентирования при фотосъемке деформационного цикла мож­но выделить три случая.

1.Фотосъемка деформационного цикла выполняется практически при полной стабильности положения центров проекций (при фотосъемке со специальных монолитных столбов или труб, при фотосъемке быстро протекающих процессов без изменения положения штативов и т.д.) или при сравнительно малых изменениях положения центров проекции (при фотосъемке со штативов, устанавливаемых с допустимой погрешностью в положение, которое они занимали при фотосъемке ну­левого цикла, и т. д.).

2.Фотосъемка деформационного цикла выполняется с то­чек стояния, находящихся примерно вблизи точек стояния фо­токамеры при фотосъемке нулевого цикла (когда уничтожены центры точек стояния нулевого цикла, и установка штативов производится примерно в прежнее положение).

3.Фотосъемка деформационного цикла выполнена с точек,
находящихся на значительном удалении от точек стояния, с ко­торых выполнена фотосъемка нулевого цикла.

Во всех трех случаях определение деформаций может быть выполнено как по измерениям координат, так и по измерениям смещений. Однако более целесообразно в двух первых случа­ях определять деформации по способу смещений, как обеспечи­вающему более высокую точность.

В третьем случае при больших изменениях в положении центров проекций деформации целесообразно определять по способу координат, обеспечивающему в этом случае более про­стую математическую обработку при примерно равной точности результатов. Кроме того, измерения таких фотоснимков по спо­собу смещений часто затруднено, а иногда и невозможно из-за больших взаимно - перспективных и масштабных искажений. В двух первых случаях координаты контрольных точек не определяются даже при измерении фотоснимков по способу координат. При необходимости координаты контрольных точек могут быть определены из фотограмметрических измерений по фотоснимкам нулевого цикла.

В третьем случае координаты контрольных точек должны быть определены из геодезических измерений с достаточно высокой точностью.

Во всех случаях, если между нулевым и деформационным циклами положение контрольных точек может измениться, определяются их координаты, как при нулевом, так и при деформационных циклах.

На рисунке 2 показано применение фотограмметрического способа на примере определения крена сооружения башенного типа

Рисунок 2 - Схема определения крена сооружения фотограм­метрическим способом

Перед фотографированием на сооружении отмечены мар­ками контрольные точки 1, 2и деформационные точки 3 и4.Фотографирование выполнено с базиса АВ. На фотоснимке соо­ружение изобразилось симметрично относительно оси

На стереокомпараторе выполняется измерение места нулей МО_x MO_Z и координат х, г точек 1-4.Результаты записываются в журнале измерений, затем по формулам вычисляют величины деформаций.

Осн.: [2], [219-235]

Доп.: [5], [97-152]

Контрольные вопросы:

1. Какими способами можно определить деформацию сооружений.

2.Какие плоскости используют при стереофотограмметрическом способе измерения деформации.

3.Сколько раз фотографируется объект при определении деформации.

4.Что необходимо измерять при фотограмметрическом способе.

5.Как производят фотографирование объекта при стереофотограмметрическом способе.

Лекция 4. Классификация основных типов геодезических знаков и их размещение

Классификация знаков и требования к их конструкции

При исследовании деформаций сооружений используют раз­личные по конструкции типы знаков в зависимости от их на­значения, условий закрепления и наблюдений. По основному назначению знаки разделяют на опорные, деформационные и вспомогательные, а также на плановые, высотные и планово-высотные. Знаки могут быть глубинными, грунтовыми, поверх­ностными. В названии типа применяемых знаков обычно со­держится как его целевое назначение, так и основные конст­руктивные особенности.

Опорные знаки служат для закрепления в схеме изме­рения деформаций тех пунктов, положение которых принима­ется на протяжении всего периода исследований неизменным в пределах заданного допуска, назначаемого в зависимости от точности наблюдений.

Пунктов, закрепляемых опорными знаками, может быть несколько, но лишь один из них принимается в качестве исходного для определения величин деформаций. Наличие не­скольких опорных знаков позволяет осуществлять контроль за устойчивостью их положения. Конструкция опорных знаков должна обеспечивать как их длительную сохранность для неизмененности схемы измерений во всех циклах наблюдений, так и максимальную стабильность положения в плане и по высоте для надежного определения величин деформаций.

Наибольшая стабильность положения знаков достигается закреплением их в практически несжимаемых скальных грун­тах, к которым относятся изверженные (гранит, базальт, диа­баз и др.), метаморфические (кристаллические сланцы, гнейсы,, кварциты и др.) и осадочные (кремнистые песчаники, известня­ки, доломиты, глинистые песчаники и др.) породы. Они нередко располагаются на большой глубине и в этом случае знаки ста­новятся глубинными. Достаточно надежное закрепление знаков; возможно и на небольших глубинах в полускальных породах - различных глинистых отложениях (аргиллитах, алевритах, мергелях и др.).

Повышенной устойчивостью должны обладать знаки для ис­следования микросмещеиий грунтов на площадке прецизион­ных сооружений, а также для наблюдений за деформациями.

Деформационные знаки закладываются непосред­ственно на исследуемом сооружении, составляя с ним одно це­лое. По наблюдениям за положением марок судят о деформа­циях сооружения в различных его частях, поэтому надежность закрепления их на элементах сооружения является важным условием. Размещение и количество деформационных знаков должно быть таким, чтобы наиболее полно выявить деформа­ции сооружения, иметь возможность включить их в схему на­блюдений и производить предусмотренные этой схемой геоде­зические измерения в благоприятных условиях. Они должны быть расположены в характерных точках сооружения и мес­тах, где ожидаются наибольшие деформации. Но число знаков не должно быть особенно большим, так как это может привес­ти к увеличению объема измерений и времени производства од­ного цикла наблюдений. Фактор времени при наблюдениях задеформациями имеет важное значение. Во время цикла наблю­дений происходящие деформации не должны влиять на точ­ность выполняемых измерений. Выбор местоположения знаков зависит также от конструктивных особенностей сооружений, включающих фундаменты, значительное число сопряженных между собой несущих строительных конструкций, взаимосвя­занных элементов технологического оборудования.

Конструкция деформационных знаков, также как и опорных, определяется их целевым назначением (какие виды деформа­ций измеряются), способом крепления, возможностью установ­ки на них измерительного оборудования. Они бывают плано­выми, высотными и планово-высотными и отличаются многооб­разием конструкций.

Вспомогательные знаки служат для закрепления дополнительных пунктов в случае невозможности расположить опорные вблизи исследуемого сооружения. В схеме измерения они являются связующими для передачи координат и высоты от опорных пунктов к деформационным знакам. Стабильность их положения требуется лишь на период цикла наблюдений, поэтому требования к закладке знаков в грунтах менее жест­кие. Они могут, в случае необходимости, находиться в зоне воз­можных деформаций и закрепляться в верхних, менее устойчи­вых, чем глубинные, мягких грунтах, но ниже границы промер­зания.

Плановые знаки предназначены для определения гори­зонтальных смещений сооружений.

Конструкция верхней части (головки) опорных и вспомога­тельных знаков должна соответствовать применяемой методике измерений, предусматривающей центрирование на знаке с за­данной точностью угломерного инструмента, визирных марок или других измерительных приборов и оборудования.

Знаки закрытого типа, закладываемые на уровне земной поверхности, рассчитаны на использование штатива и центри­рование измерительных приборов и оборудования при помощи оптического центрира. Головку знаков открытого типа распола­гают на удобной для наблюдателя высоте над поверхностью и снабжают специальным устройством, центрирующим инстру­менты непосредственно на знаке. Такого типа знаки обеспечи­вают большую точность измерений. Для предохранения знака от динамических воздействий повреждений верхняя его часть изолируется колодцем или защитной трубой. Головка знака защищается в период между измерениями съемной крышкой.

Наиболее широкое распространение получили плановые опорные и вспомогательные знаки в виде металлических труб и железобетонных столбов или пилонов. Оригинальностью конст­рукции отличаются плановые опорные знаки в виде обратного отвеса, принцип устройства которого основан на вертикальном натяжении проволоки при помощи специальной поплавковой системы.

Плановые деформационные знаки имеют различные конст­рукции. Они могут представлять собой визирные марки или другие устройства для наблюдений, закрепляемые на сооруже­нии или оборудовании непосредственно или при помощи посто­янных и съемных кронштейнов. Центры деформационных зна­ков могут быть в виде полой втулки, в которую вставляются визирная цель, снабженная цилиндром или шариком, и вкла­дыш для линейных измерений.

Высотные знаки служат для наблюдений за осадками и другими видами деформаций, определяемыми по изменениям высот точек сооружения.

В качестве опорных высотных знаков применяют глубинные реперы в виде столбов, труб, натянутых струн, закрепляемых одним концом в скважине на глубине скальных пород. Верхняя часть реперов оформляется в виде сферической головки, несу­щей отметку, шкалой, реже оконтуренной плоскостью. Конст­рукция репера должна обеспечивать стабильность его положе­ния по высоте при возможных колебаниях температуры или позволять учитывать изменения его длины из-за изменения тем­пературы. Чтобы репер обладал минимальной чувствитель­ностью к изменениям температуры, он должен быть изготовлен из материала с очень малым температурным коэффициентом линейного расширения, например, инвара, карбопласта и т. п.

Наиболее широкое применение находят реперы с инварной струной, а также реперы, в которых удлинение вследствие из­менения температуры учитывается на основе использования принципа биметалла.

Точки на сооружении, по которым ведутся наблюдения за осадками, закрепляются высотными деформационными знака­ми - осадочными марками. Конструкция марок должна обес­печить надежное закрепление их на сооружении, длительную сохранность и возможность идентичной установки нивелирной рейки во всех циклах наблюдений. Многие осадочные марки имеют сферическую головку, на которую рейку устанавливают или подвешивают. Удобна для наблюдений осадочная марка в виде нивелирной шкалки. Размещение марок на сооружении зависит от его вида и конструктивных особенностей. По ряду причин выгодно закреплять все марки на одном уровне - гори­зонте нивелира.

Во многих случаях, например, при исследованиях микросме­щений грунтов на площадке, плановые и высотные знаки целе­сообразно совмещать в единой конструкции. Большинство изве­стных в настоящее время опорных знаков являются планово-высотными и могут быть использованы для комплексных иссле­дований деформаций.

При исследованиях деформаций широко применяют трубча­тые консольные знаки, заглубляемые в твердые коренные по­роды или закрепляемые непосредственно на фундаменте соору­жения в случае наблюдений деформаций технологического обо­рудования. К ним относятся знаки с жесткой консолью, которые, благодаря небольшой (до 6 м) высоте кон­соли, обладают незначительной чувствительностью к боковым воздействиям, что позволяет устанавливать геодезические при­боры на головку знака.

В зависимости от назначения знаков определяются и требо­вания к их конструкции.

К опорным знакам предъявляются следующие требования.

1. Долговечность или длительная сохранность на весь воз­можный период наблюдений. Обеспечивается она применением для изготовления знаков таких материалов, как железобетон, металл и т. д., а также предохранением знаков от коррозии, блуждающих токов и механических повреждений.

2. Устойчивость, обеспечивающая постоянство пространст­венного положения фиксированных точек знаков в заданных пределах. С этой целью выбирают соответствующие места и устанавливают надлежащую глубину закладки знаков, а также
предусматривают специальные конструктивные мероприятия.

3. Возможность установки и центрирования с требуемой точностью приборов и приспособлений для измерений. При необходимости проведения высокоточных измерений знак должен быть оборудован для принудительного центрирования.

4. Удобство работы на знаке или привязки к нему. Определяется соответствующей высотой знака и фиксированных точек, внешним оформлением, возможностью перемещения вокруг зна­ка, наличием необходимых видимостей со знака на знаки т. д.

5. При необходимости установки знака в проектное положение он должен быть снабжен устройством, обеспечивающим микрометренное перемещение его фиксированных точек.

В зависимости от условий, характера и необходимой точно­сти выполняемых измерений к конструкции опорного знака могут быть предъявлены и другие специфические требования.

Для вспомогательных знаков существенно облегчаются первые два требования, а остальные остаются теми же, что и для опорных знаков.

Деформационные знаки должны быть в первую очередь же­стко связаны с исследуемым сооружением или его элементом. Для этой группы знаков также требуется наличие видимостей, удобство подходов, долговечность, возможность установки соот­ветствующего измерительного оборудования и ряд других тре­бований, отвечающих решаемой задаче.

Осн.: [1], [16-25]

Доп.: [2], [39-41]

Контрольные вопросы:

1. Для чего служат высотные знаки.

2. Чем являются вспомогательные знаки в схеме измерений и для чего используются

3.На какие группы делятся знаки, применяемые при наблюдении за деформациями сооружений.

4. Для чего служат опорные знаки.

5. Какие требования предъявляются к размещению опорных и деформационных знаков.

Лекция 5. Линейно-угловые построения

Виды специальных сетей и особенности их построения

Линейно-угловые построения применяют для определения горизонтальных смещений сооружений или отдельных их ча­стей, когда величины смещений необходимо знать по двум координатам.

Линейно-угловые построения для этих целей могут разви­ваться в виде специальных сетей триангуляции и трилатерации, комбинированных сетей, угловых и линейных засечек, ходов полигонометрии. Применение того или иного вида построения зависит от характера сооружения, его геометрической формы, требуемой точности и условий измерений, организационных и других факторов. Так, например, угловую или линейную засеч­ку применяют для определения смещений недоступных точек сооружений, а триангуляцию и полигонометрию — для протя­женных сооружений криволинейной формы. Во многих случаях применяют комбинированные схемы, в которых триангуляция или трилатерация используются для определения устойчивости исходных пунктов и временных координат вспомогательных то­чек, с которых методом засечек или полигонометрии опреде­ляются смещения точек на сооружении. Пример такой схемы показан на рисунке 3.

Рисунок 3 -Комбинированная схема сети

Применительно к измерениям деформаций каждый из видов линейно-угловых построений обладает рядом специфических особенностей. Однако для всех видов характерным является постоянство схемы измерений и необходимость получения в конечном итоге не самих координат деформационных точек, а их изменений во времени, т. е. разностей координат в m-ом и к - ом циклах.

Для специальной триангуляции характерна высокая точ­ность измерения углов (0,5- 2") при коротких сторонах. Длины сторон сети в зависимости от протяженности сооружения и других условий могут колебаться от 0,2 до 2,0 км. Связующие углы должны быть не меньше 30°.

Рисунок 4 - Сложная схема сети для наблю­дений за смещениями бетонной и земляной плотин

Исходя из конкретных условий, триангуляцию строят в ви­де геодезических четырехугольников, центральных систем и сложных сетей с большим количеством измеренных направле­ний между пунктами. Пример сложной схемы сети для наблю­дений за смещениями бетонной и земляной плотин Цимлян­ского гидроузла показан на рисунке 4.

Для контроля масштаба сети в начальном цикле измеряют две базисные стороны. В последующих циклах, если длины ба­зисных сторон не изменяются в известных пределах, то используют их значения из начального цикла. Допустимое относитель­ное изменение длины базисов в этом случае может быть под­считано по приближенной формуле:

(13)

где - наибольшая ожидаемая величина смещения;

- соответствующая часть средней квадратической ошибки определения смещения.

Уравнивание специальных сетей триангуляции производят строгими способами. При сохранении схемы измерений неизменной во всех циклах для уменьшения вычислений уравнивание выполняют по дифференциальным формулам. Координаты пунктов вычисляют в условной системе.

Сети трилатерации, в которых измеряются только длины сторон, для определения смещений сооружений применяются сравнительно редко. Причин здесь несколько, главной из которых является отсутствие до настоящего времени малогабаритного светодальномера, позволяющего измерять короткие расстояния с точностью менее одного миллиметра. По-видимому, с по­явлением серийных приборов подобного типа возмож­ность использования трилатерационных сетей значи­тельно расширится. Это же относится и к специальным линейно-угловым сетям, в которых в той или иной ком­бинации измеряются углы и длины сторон.

Для определения смещений сооружений могут быть исполь­зованы специальные сети из вытянутых треугольников. В этих сетях, наряду с длинами сторон , измеряются высоты (рис.5) треугольников.

Рисунок 5 - Специальные линейно-угловые сети из вытянутых треугольников

Сети из вытянутых треугольников с измеренными высотами могут быть построены или вытянутыми как на рисунке 5, или кольцевой формы как на рисунке 6.

Сети первого вида применяют для прямолинейных сооружений большой протяженности, второго - для сооружений кольцевой формы. Тех­нически наиболее совершенны сети из примерно равных по форме и размерам вытянутых треугольников. В отдельных случаях, когда смещения требуется определить по заданным направлениям, в повторных циклах можно ограничиться измерением лишь одних высот треугольников.

Рисунок 6- Специальные сети кольцевой формы

Полигонометрия при измерении смещений сооружений применяется в основном в виде одиночных ходов, опирающихся на твердые пункты. Особенностью ходов является невозможность в ряде случаев осуществить азимутальную привязку, т. е. измерить примычные углы на опорных пунктах. Поэтому исполь­зуют лишь координатную привязку. Порядок уравнивания и вычисления таких ходов известен. Для упрощения измере­ний и вычислений длины сторон полигонометрии делают оди­наковыми. В отдельных случаях, когда смещения требуется определить лишь в направлении, перпендикулярном к направ­лению вытянутого хода, измеряют только поворотные углы на определяемых пунктах. Длины сторон берут графически с пла­на или определяют в начальном цикле приближенно и в даль­нейшем считают неизменными.

Осн.: [1], [25-28]

Доп.: [3], [262-265]

Контрольные вопросы:

1. Для чего применяют линейно-угловые построения.

2. От чего зависит различные виды построения.

3. Что является необходимым результатом в конечном итоге при определении деформации.

4. Точность измерения углов для специальной триангуляции.

5. Каким способом выполняют уравнивание сетей.

Лекция 6. Точность и периодичность наблюдений

При изучении деформаций инженерных сооружений геоде­зическими методами возникает необходимость определения (или назначения) точности измерений. Важность этого вопроса несомненна, так как от его решения зависят:

- выбор метода и инструментов для измерений

Дата добавления: 2014-12-23