Показатели объектов для назначения геодезического контроля

Основными показателями для выбора конкретных геометрических параметров объекта геодезического контроля являются конструктивные особенности зданий, сооружений и оборудования, а также условия эксплуатации их, устанавливаемые в процессе изысканий и проектирования, с учетом требований монтажников и эксплуатационников. Параметры задаются либо в проектах и инструкциях по эксплуатации, либо в нормативных документах на монтаж и эксплуатацию.

При разработке процессов контроля следует для каждого объекта и параметра контроля назначить:

- методы контроля (по полноте охвата, по характеру воздействия, по временной характеристике);

Под категорией контроля понимают градацию процессов контроля, устанавливаемую при их разработке, в зависимости от требований к качеству объектов контроля. Категория контроля определяет уровень качества самого контроля, характеризуемого достоверностью результатов, точностью, полнотой, оснащенностью измерительными средствами, правилами проведения и т.п.

Выбор категории контроля конкретного объекта осуществляется на основе его назначения, условий эксплуатации и других качественных признаков, приведенных в таблице.

Классификация категорий контроля объектов

Категория контроля

Общие качественные признаки

Проверка объектов контроля с требованиями особо высокого качества и наивысшего уровня надежности; а также повышенного уровня ответственности по экономическим, социальным и экологическим последствиям их отказов, для которых теоретическая вероятность отказа должна быть ничтожно мала (высотные плотины, реакторные установки, головные образцы сложного и высокопроизводительного оборудования большой единичной мощности и т.п.); а также отдельных объектов, преимущественно 2-й категории контроля при наличии критических дефектов. Проверка объектов контроля с требованиями высокого качества и уровня надежности; а также повышенного уровня ответственности по экономическим, социальным и экологическим последствиям их отказов (здания и сооружения основного производственного назначения, испытывающие большие нагрузки и воздействия внутренней и внешней среды; основное крупногабаритное технологическое оборудование большой производительности с тяжелым режимом работы и высокой степенью использования и т.п.); а также отдельных объектов, преимущественно 3-й категории контроля, связанных с обеспечением безопасности и здоровья людей или при наличии критических дефектов. Проверка объектов контроля с требованиями оптимального качества и среднего уровня надежности; а также нормального уровня ответственности по экономическим, социальным и экологическим последствиям их отказов (серийные здания и сооружения основного производственного назначения, не испытывающие больших нагрузок внешней и внутренней среды; здания и сооружения вспомогательного производственного и социального назначения, испытывающие значительные нагрузки внутренней и внешней среды; основное крупногабаритное технологическое оборудование большой производительности со средним и низким режимом работы); а также отдельных объектов, преимущественно 4-й категории контроля, связанных с обеспечением безопасности и здоровья людей или при наличии значительных дефектов. Проверка объектов контроля с требованиями оптимального качества и низкого уровня надежности; а также пониженного уровня ответственности по экономическим, социальным и экологическим последствиям их отказов (здания и сооружения вспомогательного производственного и социального назначения, не испытывающие больших нагрузок внутренней и внешней среды, но при наличии значительных дефектов; крупногабаритное технологическое оборудование с низкими режимами работы при наличии значительных дефектов).

Категории контроля определяют не только достоверность и точность, но и состав методов контроля по временным, объемным и управляющим признакам

По временной характеристике контроль разделяется на непрерывный, периодический и летучий.

Назначение метода контроля по временной характеристике

Методы контроля

Условия применения

Непрерывный Периодический Летучий

Проверка технического состояния объектов, требующих самых высоких категорий контроля, когда контроль обусловлен требованиями самой высокой надежности, безопасности (например, при испытаниях ядерные установки атомных электростанций), когда решения о режимах работы объекта должны приниматься незамедлительно; непрерывный контроль должен осуществляться автоматическими или автоматизированными средствами измерений. Проверка технического состояния объектов при планируемых нормальных режимах работы сооружений и оборудования; прогнозируемых поведениях объектов в процессе эксплуатации, стабильном характере производства; медленных изменениях геометрических параметров во времени, что характерно для большинства объектов промышленных предприятий при их правильном проектировании, строительстве и эксплуатации. Проверка технического состояния объектов в случаях аварийных ситуаций, отказов, непредусмотренных выходах технических параметров за допустимые величины и других непредвиденных факторах, а также при инспекционных проверках.

По объемной характеристике контроль разделяют на сплошной и выборочный

Назначение метода контроля по объемной характеристике

Методы контроля

Условия применения

Сплошной Выборочный

Проверка технического состояния объекта при: - резко изменяющихся характеристиках технологических процессов, режимов грунтовых вод и физико-механических свойствах грунтов их оснований; - монтаже, наладке и испытаниях основного крупногабаритного оборудования; - видимых значительных деформациях конструкций зданий и сооружений и средств технического оснащения, обнаруженных в результате их обследования; - исследовательских работах на головных образцах оборудования; - отсутствия материалов систематических измерений осадок и деформаций оснований и фундаментов ("упущенных осадок"); - нестабильном характере производства; - небольших объемах контролируемых объектов и единиц контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) или маяков в объекте; - повышенных требованиях к обеспечению заданной точности, связанных с необходимостью применения выборок большого объема. Проверка технического состояния объекта при: - стабильных, нормальных режимах работы оборудования; - стабилизации осадок, горизонтальных перемещений, деформаций и других геометрических параметров конструкций зданий, сооружений и оборудования, установленных ранее при проведении сплошного контроля; - условии, если основные данные о нормальном техническом состоянии объекта могут быть получены из контроля по другим параметрам (например, выборочный контроль может быть установлен для контроля осадок колонн каркаса здания, если при контроле геометрических параметров подкрановых путей мостовых кранов в этом здании выявлено их хорошее состояние).

По управляющему воздействию на ход производственного процесса раличают:пассивный и активный контроль.

Назначение метода контроля по управляющему воздействию

Методы контроля

Условия применения

Пассивный Активный

Проверка технического состояния объекта при: - оценке состояния конструкций зданий, сооружений и оборудования, для которых характер изменения параметров во времени не имеет выраженных закономерностей из-за множества воздействующих факторов, вследствие чего в элементах конструкций предусмотрены специальные устройства для подрихтовки в процессе эксплуатации (например, при оценке состояния подкрановых путей мостовых кранов); - оценке состояния объектов с нарушенным активным контролем, восстановить результаты которого невозможно; - оценке на текущий момент состояния конструкций зданий, сооружений и оборудования, если контроль ранее не предусматривался или не проводился (выявление "упущенных" деформаций); - оценке состояния зданий, сооружений и оборудования для целей реконструкции, проведения капитальных ремонтов; - оценки состояния объектов после взрывов, пожаров и наводнений; - установке и регулировке оборудования после ремонта. Проверка технического состояния объекта при: - оценке состояния строительных конструкций и технологического оборудования, для которых характер развития деформации во времени имеет выраженную закономерность и прогнозируем до начала контроля (из опыта эксплуатации аналогичных объектов в идентичных условиях или расчетом по известным методикам). - исследованиях и испытаниях конструкций зданий, сооружений и оборудования (например, контроле положения валопровода турбоагрегатов при пусках и остановах).

4. Точность и периодичность контроля осадок зданий и сооружений (лекция + [1]-стр. 357-363, [3]-стр. 348, [4]-стр. 63-81, [6]-36-46,61-63).

Одной из основных задач геодезической науки и практики при возведении зданий, сооружений, монтаже технологического оборудования и осуществлении контроля за техническим состоянием этих объектов в процессе эксплуатации является установление требуемой точности измерений. Решение этой задачи – один из важнейших факторов повышения качества выполнения проекта, определения оптимальных трудозатрат на установку конструкций и оборудования в проектное положение в период монтажа или ремонтных работ, а также выполнения контрольных измерений при оценке их технического состояния в процессе эксплуатации.

При ГК технического состояния объектов промышленных предприятий применяют нормы точности для пассивного (контроль постоянных параметров) и активного (контроль переменных параметров) метода.

При контроле постоянных параметров точность устанавливается, как правило, введением понижающего коэффициента (коэффициента точности

) на технологические или эксплуатационные допуски. При этом понижающий коэффициент принимается по различным литературным источникам от 0,2 до 0,7 в зависимости от требуемой достоверности получения результатов контроля. В этих случаях точность геодезического контроля выражается формулами



- допуск на геодезические измерения при пассивном контроле;

- соответственно эксплуатационный и технологический допуски;

- допускаемое отклонение на геодезические измерения при пассивном контроле;



- соответственно эксплуатационное и технологическое предельное отклонение;

- среднее квадратическое отклонение (СКО) результата измерения при пассивном контроле (термин применяется в метрологии наряду с термином средняя квадратическая погрешность;

- средняя квадратическая погрешность (СКП) измерения при пассивном контроле (термин применяется в метрологии, геодезии и инженерной геодезии, согласно РМГ-29-99.

Чем меньше коэффициент точности с_п тем выше достоверность контроля, т.е. точнее будет выполнена разбраковка проверяемых деталей (конструкций объекта) на годные (в допуске) и негодные (вне допуска), тем меньше будет относительный выход за границу поля допуска, тем меньше ожидаемый процент повторной разбраковки.

Нормы точности геодезических измерений при активном контроле предназначаются для решения точностных задач, связанных с изучением и контролем характера изменений размеров, положения и формы сооружений и оборудования, а также их элементов во времени от статических и динамических нагрузок. По существу, это нормы точности измерений при контроле развития осадок, горизонтальных перемещений сооружений и их оснований, а также деформаций их конструкций во времени. В этих случаях важно изучить характер изменения параметра через определенные интервалы времени, сравнить результаты этих изменений с заданными проектными или нормативными значениями и сделать соответствующие выводы и решения заблаговременно, упреждая нежелательный ход событий. Назовем этот контроль – активным контролем или контролем переменных параметров.

Вполне логично для целей назначения точности измерений при активном контроле применить теорию назначения точности, используемую при пассивном контроле, но уже с учетом требований, изложенных выше. А именно, точность контроля следует сопоставлять не с величинами предельных отклонений

геометрических параметров, а с величинами интервалов слежения

. Тогда точность измерения параметра при активном контроле, характеризующаяся предельным отклонением

, получится делением допускаемого отклонения на геодезические измерения при пассивном контроле

на число

равных интервалов слежения или n-1 (n – число циклов измерений):

где

- коэффициент точности при активном контроле.

Минимальное число интервалов

, которое является основой для расчета точности, определяется по формуле

Рекомендации существующих нормативных документов по назначению сроков измерений весьма расплывчаты и не связаны с характеристикой грунтов основания, пусками и работой технологического оборудования. Этот факт может вносить при организации контроля деформаций непоправимые ошибки в достоверность получаемых результатов контроля, либо приводить к удорожанию геодезических работ.

Действительно, если принять нормативные характеристики цикличности согласно указаний [ 94, 118] (число циклов в год), то из рис. 2.3 видно, что для крупнозернистых грунтов частота замеров в начальный период не позволяет фиксировать самые активные изменения деформаций (участок кривой ОА на рис. 2.3); а в последующее время циклы будут производиться неоправдано часто (участок кривой ВН на рис. 2.3). Для глинистых грунтов картина будет обратной.

В этой ситуации для устранения вышеописанных недостатков в работе [77] предлагается планировать время проведения контроля (например, за осадками сооружений) в зависимости от характеристики грунтов основания под сооружением.

5. Производство геометрического и гидростатического нивелирования при наблюдениях за осадками зданий (лекция + [1]-стр.352-353, [2]-стр. 221-223, [4]-стр.104-109, [5]-стр. 27-30, 40-43, [6]-стр. 78-83).

Основными факторами, влияющими на выбор методов и средств измерений, являются: характеристика объекта и вид контролируемых геометрических параметров; требуемая точность контроля параметров и рассчитанная на их основе точность нивелирования; методы контроля по полноте охвата, временной характеристике и управляющему воздействию; характеристика условий измерений; продолжительность процесса измерений; стоимость средств измерений и контроля в целом; наличие средств измерений
и специалистов.

Практика геодезических работ показывает, что основным методом измерения общих осадок и деформаций зданий и сооружений промышленных предприятий является метод геометрического нивелирования (примерно 95% объектов), а для технологического крупногабаритного оборудования – методы геометрического и гидростатического нивелирования, причем точности определения параметров колеблются в широких пределах.

В настоящее время при контроле осадок инженерных объектов используют следующие виды классификаций и методик геометрического нивелирования:

- государственное нивелирование I, II, III и IY классов [84, 120, 161];

- разрядное нивелирование для измерения осадок гидротехнических сооружений [188];

- разрядное нивелирование для измерения деформаций оснований зданий
и сооружений [58];

- нивелирование специальных классов для инженерно-геодезических работ [84].

(Рассказать технологию нивелирования по лабораторной работе)

Методы гидростатического и гидродинамического нивелирования являются менее распространенными при изучении осадок сооружений и оснований, чем метод геометрического нивелирования, но для ряда объектов и условий контроля являются предпочтительными. Наибольшее применение они находят благодаря своим достоинствам:

- обращение с оборудованием и производство измерений не требуют высокой квалификации исполнителей;

- возможность определения осадок точек, доступ к которым затруднен и в некоторых случаях вообще отсутствует;

- при использовании гидростатических стационарных систем время и трудозатраты на непосредственное измерение осадок значительно меньше, чем при геометрическом нивелировании;

- возможность автоматизации процессов измерений;

- в благоприятных условиях точность гидростатического нивелирования может быть более высокой, чем при геометрическом нивелировании.

В то же время гидростатические приборы и системы имеют и ряд серьезных недостатков, не позволяющих использовать их широко в практике контроля деформаций многих объектов промышленных предприятий. К ним относятся:

- колебание температуры, которое приводит к изменению плотности жидкости, а следовательно, и высот столбов жидкости, что не позволяет применять повсеместно гидростатический метод в производственных цехах, особенно это проявляется в системах с перераспределением жидкости;

- влияние вибрационных нагрузок от работающего оборудования на точность отсчитывания, что не позволяет применять этот метод на сооружениях
и оборудовании со значительными динамическими нагрузками;

- малый диапазон измеряемых превышений, что затрудняет работы по установке КИА и использование метода при больших осадках и деформациях;

- большие затраты на установку, проверку и обслуживание автоматизированных систем контроля, что выгодно только при непрерывном контроле или периодическом контроле с высокой частотой замеров;

- отсутствие общепринятых классов и методик гидростатического, гидродинамического нивелирования и приборов с перераспределением жидкости, что затрудняет метрологическое обеспечение геодезических работ на контролируемых объектах.

Исходя из перечисленных выше преимуществ и недостатков, переносные приборы гидростатического нивелирования целесообразно применять при измерении осадок объектов с летучим или периодическим контролем, где требуются точности измерения превышений выше, чем это может обеспечить геометрическое нивелирование, при этом отсутствуют большие перепады температуры окружающей среды и действуют незначительные вибрационные нагрузки, а измерения приходится производить в стесненных для других методов условиях.

Стационарные гидростатические и гидродинамические системы целесообразно применять при измерении осадок объектов с непрерывным или частым периодическим контролем и требуемой высокой точностью измерений. При этом температурные и вибрационные нагрузки на систему должны быть незначительными. Автоматизированные стационарные системы, дополнительно к сказанному, целесообразно создавать и при контроле деформаций сооружений на разных уровнях и в разных помещениях, что позволит значительно ускорить
и удешевить съем информации.

Метод тригонометрического нивелирования [7, 58, 131, 134, 151, 161, 176, 188, 228 и др.] для контроля осадок применяется значительно реже по сравнению с методами геометрического и гидростатического нивелирования. Это связано с относительно низкой точностью измерений превышений и значительными затратами, связанными с точными измерениями не только вертикальных углов, но и линий. Однако, в настоящее время, в связи с созданием высокоточных электронных тахеометров, роль его значительно возрастает. Свое место он находит там, где методы геометрического и гидростатического нивелирования неприемлемы по причине значительных перепадов высот или недоступности КИА – определение осадок арочных плотин, земляных плотин и насыпей, глубоких котлованов. Особенно хорошие результаты можно получить при контроле объектов, где одновременно необходимо контролировать как вертикальные, так и горизонтальные перемещения – оползания откосов земляных плотин, бортов водохранилищ и др.

Метод наземной фотограмметрической съемки [7, 58, 134, 176, 188, 190, 228 и др.] для контроля осадок зданий, сооружений и оборудования промышленных предприятий применяется крайне редко. Это связано с недостаточной точностью измерений контролируемых параметров, сложностью выбора исходных пунктов и обзорной перспективы для съемки объектов, особенно внутри производственных помещений, необходимостью обработки результатов съемки на специальных, достаточно редких в широком применении, приборах. Вместе с тем, при больших объемах работ и приемлемой для контроля параметров точности, этот метод становится иногда наилучшим, например, при летучем пассивном контроле (точность при пассивном контроле в несколько раз меньше, чем при активном) деформаций объемных сооружений – открытых частей плотин, градирен, крупных резервуаров и т. п.

Микронивелирование как один из методов измерения осадок и деформаций конструкций по высоте, несмотря на высокую точность измерения превышений, применяется достаточно редко. Это связано с малыми величинами измеряемых превышений и малыми расстояниями между контролируемыми точками. Поэтому метод используется только при контроле деформаций крупногабаритного оборудования и его элементов – направляющих путей кареток станков для изготовления крупногабаритных деталей, плоскостности и прямолинейности опорных рам и баз оборудования и т. п.

6. Обработка результатов наблюдений за осадками. Понятие об анализе устойчивости реперов высотной основы. Документация контроля (лекция + [1]-стр. 354-356, [4]-стр. 112-120, [5]-стр. 30-35, [6]-стр.83-98).

Методы первичной обработки информации по измерению осадок и деформаций сооружений и их оснований по своим целям и задачам базируются на общепринятых в инженерной геодезии принципах и методах обработки инженерно-геодезических измерений. В то же время, специфика нивелирных работ при контроле осадок сопровождается рядом существенных отличий, которые необходимо учитывать при составлении проекта. К ним относятся:

- необязательный постраничный контроль измерений превышений, что связано с незначительной длиной ходов и возможным применением регистрационных нивелиров;

- составление в крупных масштабах рабочих схем нивелирных ходов со значениями измеренных превышений, по которым проверяют правильность выполнения проекта и предварительно оценивают качество измерений по невязкам в полигонах или расхождениям превышений по линиям и ходам;

- применение методов уравнивания превышений для свободных сетей (при ступенчатой схеме измерений, описанной выше), что значительно упрощает вычислительные процессы;

- производство анализа устойчивости реперов исходной основы и выбор стабильного репера для данного цикла измерений абсолютных осадок.

Как правило, при проектировании видов первичной документации по обработке результатов измерений осадок необходимо определить перечень обязательных отчетных документов, характеризующих полноту и качество самих геодезических измерений. Перечень таких документов подбирают в зависимости от категории объекта, проектируемых методов и средств измерений, наличия программного обеспечения вычислительных и оформительских работ у контролеров.

Типовой набордокументов по первичной обработке результатов измерений осадок включает:

- оформленные и проверенные полевые журналы или электронные носители первичной информации;

- результаты исследований нивелира и реек с актом метрологической аттестации;

- схемы размещения геодезической КИА со схемой нивелирования;

- материалы уравнивания нивелирования с оценкой точности результатов измерений и сравнительной характеристикой расчетной и фактически полученной точности;

- результаты оценки неподвижности исходных реперов;

Результаты измерения превышений из журнала выписываются на ра-бочую схему (как это мы делали на лабораторных занятиях). При сложных объектах такие схемы позволяют наглядно определить объемы выполненных и незавершенных работ, предварительно оценить качество выполненных измерений путем подсчетов и сравнения фактических и допустимых невязок в замкнутых полигонах. По окончании всех измерений на основе рабочей схемы составляют схемы измеренных превышений и полученных невязок (как это мы делали на лабораторных занятиях). Такие схемы являются исходными для уравнивания и вычисления отметок.

где

- сумма превышений, подсчитанная в полигоне в одном направлении (как правило, по ходу часовой стрелки).

Допустимые невязки

в полигонах вычисляют по формуле

где

- средняя квадратическая погрешность измерения превышения на одну станцию нивелирования для принятого класса нивелирования (см. табл. приложения 3);

- число станций в полигоне.

Нивелирные сети для инженерно-геодезических работ, как правило, являются свободными сетями и, следовательно, уравниваются по правилам свободных сетей. При небольших сетях, состоящих из свободных полигонов, а именно такие сети чаще всего встречаются в практике инженерно-геодезических работ по контролю технического состояния сооружений и оборудования, не всегда стоит прибегать к компьютерной обработке результатов измерений.

Это связано не только с простотой уравнивания, но и с тем обстоятельством, что компьютерная обработка с использованием распространенных программы Credo DAT, TOPOGRAD и др. не позволяет производить уравнивание превышений и вычисление отметок с погрешностью менее 0,1 мм, что зачастую недостаточно. Как показывает производственный опыт, в сетях, где количество полигонов не более 4-5, достаточно быстрое и вполне приемлемое по точности решение по уравниванию может дать метод полигонов, предложенный проф. В.В. Поповым (ка мы и делали на лабораторных занятиях).

Оценка качества нивелирования производится путем сравнения фактической СКП превышения на одну станцию нивелирования с заданной СКП для данного класса нивелирования. При этом в качестве фактического оценочного значения следует считать среднее значение СКП, полученное по невязкам и поправкам из уравнивания, так как первое дает заниженное, а второе завышенное значение действительной погрешности.

Вычисления погрешностей производят по формулам

где - средняя квадратическая погрешность превышения на одну станцию нивелирования, полученная по невязкам полигонов;

- то же, полученная по поправкам из уравнивания;

P=1/n΄,где n΄ - число станций в ходе между узловыми точками;

Анализ устойчивости исходных реперов является специфическим отличительным процессом контроля абсолютных осадок сооружений. Поэтому уделим ему особое внимание.

Из опыта контроля и наблюдения осадок установлено, что отметки глубинных (фундаментальных) реперов, заложенных даже в скальных породах, могут изменяться, вследствие чего в измеряемые осадки вносятся погрешности.

На вертикальные смещения реперов [134] влияют природные (вариации температуры пород и уровня грунтовых вод, изменения влажностного режима и т. п.)
и антропогенные факторы (давление от воздвигаемых сооружений, забор грунтовых вод и т. д.). Поэтому, для достоверного выявления осадок наблюдаемых элементов сооружения, необходимо проводить тщательный анализ устойчивости исходных (опорных) реперов, и на основании этого анализа определяется наиболее стабильный репер, который принимается за исходный для данного цикла измерений.

Проблеме контроля устойчивости пунктов высотной основы посвящен ряд исследований как в России, так и за рубежом. Все способы определения устойчивых реперов названы по именам авторов, предложивших эти решения. Известны: способ В.А. Карпенко, основанный на корреляционном анализе превышений; способ В.Н. Ганьшина и А.Ф. Стороженко, основанный на неизменности средней высоты репера; способ А. Костехеля, основанный на принципе неизменной отметки наиболее устойчивого репера сети; способ В.Ф. Черникова, в основе которого лежит принцип неизменной средней отметки реперов сети и др. Наибольшее распространение в практике работ получили два последних способа, как наиболее простых и легко реализуемых в расчетах.

Если процессы и методы обработки измерений и документы первичной информации по контролю осадок, названные выше, достаточно известны и применение их не вызывает особых трудностей у геодезистов, а для большинства пользователей продукцией (проектировщиков и эксплуатационников объектов) не представляют интереса, то документы вторичной информации, содержащие интерпретацию окончательных результатов измерений, имеют более важное значение как для геодезистов, так и для пользователей. Это связано, прежде всего, с необходимостью принятия решений о техническом состоянии объекта контроля, поиском причин, приведших к нему, и разработкой мероприятий по устранению недопустимых деформаций конструкций и оснований. Здесь необходимо учитывать тот факт, что интерпретация результатов, кроме достоверности и полноты, должна характеризоваться наглядностью и доступностью восприятия и понимания происходящих процессов осадок и деформаций объектов, т. е. материалы должны быть доступны специалистам негеодезического профиля работ.

В отчетах по контролю осадок объектов промышленных предприятий указывают следующие основные документы:

- ведомости или таблицы фактически полученных и допускаемых величин контролируемых геометрических параметров как отдельных конструкций, так
и объектов в целом – средних осадок объектов, относительных разностей осадок рам, прогибов, наклонов и т. п.; по ним путем простого сравнения устанавливают степень соответствия полученных осадок и деформаций установленным нормам;

- графики развития осадок фундаментов конструкций объектов во времени (рис. 4.2.3), по которым судят о степени развития процесса деформации каждого контролируемого элемента объекта во времени;

- графики линий равных осадок фундаментов объектов (рис. 4.2.4), по которым наглядно определяют места воронок оседания частей сооружения и основания и тем самым уточняют места поиска причин возникновения осадок;

- развернутые графики осадок фундаментов объектов (рис. 4.2.5), на которых наглядно изображают деформации рам каркасов зданий, вследствие неравномерных осадок фундаментов;

- материалы прогнозирования деформаций по данным геодезических измерений (в случаях больших отклонений от проектных величин).

Документация, отражающая результаты геодезического контроля, заканчивается анализом осадок и деформаций объектов и выводами.

Рис. 4.2.3. Графики развития осадок фундаментов конструкций во времени:

А-1 – осадки фундаментов колонн по ряду А здания

Рис. 4.2.4. Графики линий равных осадок марок фундаментов каркаса и оборудования
главного корпуса ТЭС-2400 МВТ на 4.09.2001 г.

Примечания: 1) масштаб – 1: 1 000; 2) линии равных осадок проведены через 10 мм; 3) -62 – величина осадки марки в мм.

Рис. 4.2.5. Развернутые графики осадок марок фундаментов колонн каркаса
главного корпуса ТЭС-2400 на 4.09.2001 г.

Примечания: 1) масштабы: для объектов – 1: 1 000, для величин осадок – 2: 1; 2) -65 – величина осадки марки
в мм; 3) 0,0008 – фактическая величина относительной разности осадок рам; 4) 0,0020 – допустимая величина относительной разности осадок рам.

7. Прогнозирование осадок. Общие принципы прогнозирования. Прогнозирование осадок на основе теории механики грунтов. Прогнозирование деформаций сооружений на моделях малого масштаба. Прогнозирование осадок по данным геодезических измерений (лекция + [1]-стр. 363-365).

Прогнозирование есть научно-обоснованное предсказание повторения процесса или явления при определенных идентичных условиях. Оно невозможно без знания закономерностей изучаемого явления.

Методы прогнозирования в науке и технике, в том числе и осадок сооружений и их оснований:

1) Метод экспериментирования основан на компрессионных испытаниях грунтов (по пробам грунта определяют его сжатие и по известным зависимостям делают прогноз осадки сооружения);

2) Метод физического моделирования основан на создании физической модели объекта и модели процесса, изменением параметров добиваются желаемого результата, а затем внедряют в производство (например, на уменьшенной модели плотины, определяют будущие смещения и осадки ее в целом и отдельных частей).

3) Метод экстраполяции - зная базу экстраполяции, прогнозируют по определенным законам поведение объекта в будущем.

Рассмотрим применение указанных методов для прогнозирования осадок сооружений и их оснований.

Метод экспериментирования – метод послойного суммирования

Из многочисленных наблюдений за осадками и компрессионных испытаний для ряда грунтов установлена функциональная зависимость между временем, нагрузкой и осадкой.

Замечено, что абсолютные величины осадок сооружений зависят от пористости грунта основания, нагрузки на основание, от формы и размеров фундамента.

Протекание осадок во времени (консолидация грунтов) зависит от от структуры частиц грунта или от коэффициента фильтрации, который представляет собой скорость распространения или выжимания воды из грунта.

На основе изучения закономерностей поведения грунтов удается выразить их деформацию в виде графиков и формул и распространить эти зависимости для подобных идентичных условий, т.е. прогнозировать явления.

Необходимо отметить, что это прогнозирование будет тем ближе приближаться к реальности, чем точнее и полнее будут изучены и обработаны результаты исследований, а также описаны закономерности явлений.

Прогнозирование осадок и деформаций оснований и сооружений заключается в расчете этих осадок и деформаций по формулам зависимостей сжимаемости грунтов от структуры грунта, его пористости, влажности, давления на грунт и т.п.

В технической литературе имеется около 20 методов расчета осадки по теории механики грунтов. Однако наибольшее применение нашел метод послойного суммирования, который и воплощен в нормативный документ – СНиП 2.02.01-87. Основания зданий и сооружений.

По этому документу осадка основания под фундаментом расчитывается по формуле

где β – переходный коэффициент от компрессионных испытаний к натуре, принимаемый для расчетов равным 0,8 независимо от грунта,

P_i – полусумма давлений на границе i-го слоя,

(сказать, что полный расчет осадки фундамента сооружения студенты делали на практической работе по дисциплине “Технология строительства” на 3 курсе).

Метод физического моделирования основан на создании физической модели объекта и модели процесса, изменением параметров добиваются желаемого результата, а затем внедряют в производство (например, на уменьшенной модели плотины, определяют будущие смещения и осадки ее в целом и отдельных частей).

Модели сооружения строятся из гипса или другого материала с известными свойствами в масштабах от 1:10 до 1:100. На модель как и в натуре производят необходимые нагрузки и воздействия. От жесткой базы в характерных точках модели производят измерения перемещений и деформаций. Зная масштаб модели и коэффициенты упругости материалов модели и будущего сооружения вычисляют ожидаемые осадки и деформации объекта и сравнивают с расчетными значениями при проектировании.

(Рассказать примеры: 1) Прогнозирование деформаций на модели плотины Саяно-Шушенской ГЭС – по просмотру фильма “Исполин на Енисее” в лаборатории института Гидропроект. 2) Прогнозирование деформаций на модели вантового покрытия театра “Глобус” в институте СибЗНИЭП. 3) Прогнозирование деформаций фундамента турбоагрегата К-1200 МВт для Костромской ГРЭС на модели в лаборатории ВНИИГ.)

Метод экстраполяции применяется при наличии уже результатов наблюдений за объектом. Задача прогнозирования состоит в расчете ожидаемой осадки или другого вида деформации объекта в будущем. Задача сводится к подбору функции (импирической формулы) наиболее правильно описывающей осадку или деформацию объекта. А затем, зная параметры импирической формулы можно задаваясь временем t на будущий период определить на него осадку или деформацию.

При прогнозировании величин осадок сооружения из бесчисленного множества функций следует выбрать только те функции, которые бы обеспечивали не только высокую тесноту связи между функцией и точками измерений, но и главное правильно описывали процесс явления, иначе может получиться парадокс.

При прогнозировании осадок используют кривые, графики которых имеют горизонтальную асимптоту (по опытным данным осадка должна стабилизироваться)

Общего метода для подбора наиболее лучшего вида зависимости не существует.

1) Сначала строят графики осадок во времени по данным измерений и определяют общий вид функции. Для этого необходимо иметь для сравнения графики различных функций (обычно это показательная функция, степенная функция, парабола).

2) Когда подбор кривой сделан, приступают к нахождению коэффициентов функциональной зависимости, после чего по подобранному уравнению вычисляют предполагаемые осадки сооружения в будущем.

Подбор можно производить различными способами. Наиболее часто и наиболее точно коэффициенты можно получить по методу наименьших квадратов.

8. Контроль горизонтальных смещений сооружений. Общая технологическая схема контроля. Выбор объектов и параметров контроля (лекция + [4]-стр. 121-131, [6]-стр.99-104).

Общая технологическая схема контроля
горизонтальных смещений

Контроль горизонтальных смещений некоторых видов сооружений и технологического оборудования промышленных предприятий имеет специфические особенности среди других видов контроля геометрических параметров. К таким особенностям, прежде всего, относят специфические способы, методы и средства измерений, присущие, как правило, контролю данного типа параметров.

Технология геодезического контроля горизонтальных смещений сооружений и некоторых видов технологического оборудования состоит из трех основных процессов, которые, в свою очередь, включают в себя определенные этапы. (Примечание - см. Технологию контроля осадок и можно с целью экономии времени дать только ссылку на нее)

- выбор объектов, параметров, разработка процессов контроля, назначение точности;

- выбор схемы и метода контроля параметра с разработкой схемы размещения геодезической контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), расчетом точности измерения элементов геометрической схемы, назначением метода и средств измерений;

- разработка методов обработки результатов измерений и форм отчетной документации по контролю горизонтальных смещений.

2. Проведение геодезического контроля на объекте:

- изготовление и установка геодезической КИА;

- подготовка персонала, приборов, приспособлений;

- разработка правил техники безопасности и пожарной безопасности при проведении контроля;

3. Обработка и анализ результатов измерений:

- проверка и обработка первичной документации;

- заполнение паспорта объекта или составление технического отчета.

Контроль горизонтальных смещений в процессе строительства и эксплуатации в проектах назначают, как правило, для объектов, испытывающих силовые горизонтальные нагрузки или температурные воздействия, приводящие к изменению формы самого объекта или его пространственного положения в горизонтальной плоскости относительно основания и других взаимосвязанных объектов. К таким объектам относятся:

1) постоянные гидротехнические сооружения (СНиП 2.06.01-85):

- устои и подпорные стены, входящие в состав напорного фронта;

- берегоукрепительные (внепортовые), регуляционные и оградительные сооружения;

- каналы деривационные, судоходные, водохозяйственных и мелиоративных систем, комплексного назначения и сооружения на них;

- напорные бассейны и уравнительные резервуары;

- гидравлические, гидроаккумулирующие электростанции, насосные станции и малые гидроэлектростанции;

- судоходные сооружения (шлюзы, судоподъемники и судоходные плотины);

- гидротехнические сооружения портов (пристани, набережные, пирсы), судостроительных и судоремонтных предприятий;

- гидротехнические сооружения тепловых и атомных электростанций;

- рыбопропускные сооружения, входящие в состав напорного фронта;

- сооружения, входящие в состав инженерной защиты городов, сельскохозяйственных и народнохозяйственных угодий и других народнохозяйственных объектов;

- морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения;

3) подпорные стенки, служащие опорой для зданий и сооружений;

4) некоторые виды точного технологического оборудования, горизонтальные смещения частей которого влияют на качество выпускаемой продукции.

Из всех видов указанных сооружений наибольшего внимания по сложности проектных, строительно-монтажных и эксплуатационных работ заслуживают гидротехнические сооружения и наиболее ответственные из них – плотины, им и будет уделено, в дальнейшем, наибольшее внимание.

Деформация гидротехнического сооружения, ее характер и размер зависят от нагрузок, оговоренных выше, свойств грунта, конструкции сооружения и его температурного режима.

Огромные массы воды, заполняющие водохранилище, пригружают своим весом поверхность грунта в верхнем бъефе и приводят к образованию фильтрационного потока в основании сооружения, что влечет за собой существенное изменение напряженного состояния основания и наклон его поверхности в сторону верхнего бьефа. Теоретические исследования и результаты натурных наблюдений за осадкой и сдвигом возведенных сооружений показывают, что, несмотря на значительные горизонтальные нагрузки, возникающие при наполнении водохранилища, наклон гравитационных плотин в процессе этого наполнения в большинстве случаев происходит в сторону верхнего бьефа.

Таким образом, нагрузка на поверхность грунта верхнего бьефа весом воды и возникновение фильтрационного потока в основании оказывают преобладающее влияние на величину и направление наклона сооружения в процессе наполнения водохранилища.

В период эксплуатации основным фактором, влияющим на изменение напряженного состояния основания гидротехнического сооружения, является сезонное колебание горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах, которое связано как с прохождением паводковых вод, так и со сработкой горизонта воды в водохранилище. Вследствие этого изменяется горизонтальная и вертикальная нагрузки на основание, а также интенсивность гидродинамического давления фильтрационного потока. Сезонные колебания воды приводят к появлению преимущественно упругих деформаций основания, величина которых меньше полных деформаций.

Под влиянием гидрометеорологических условий непрерывно меняется температура самого гидротехнического сооружения, вызывая температурные напряжения и деформации.

Вот почему исследования и контроль определенных проектом параметров гидротехнических сооружений на соответствие заданным допускам, должны проводиться в комплексе; включая измерение осадок и сдвигов, наклонов, изгибов и других геометрических параметров; измерение противодавления и фильтрации; измерение раскрытий температурно-осадочных швов и измерение напряжений в арматуре и бетоне и др.

Работы по исследованию и контролю гидротехнических сооружений преследуют три основные задачи:

1) осуществление систематического контроля за состоянием сооружений
и их отдельных элементов;

2) изучение условий и характера работы отдельных элементов;

3) выполнение научно-исследовательских работ общего значения путем использования построенных гидротехнических сооружений в качестве натурных лабораторных установок.

Первая задача имеет преимущественно практическое значение. Основная цель – систематический контроль за состоянием сооружений и их отдельных частей. Сюда входит: контроль общих перемещений; исследования фильтрационных процессов; наблюдения за размыванием русел в нижнем бьефе, за устойчивостью креплений, за состоянием затворов и других элементов гидромеханического оборудования. Результаты этих контрольных измерений позволяют своевременно предотвратить аварию, начать ремонтные работы, а также улучшить эксплуатацию.

Вторая задача носит более научно-исследовательский характер. Здесь выполняются специальные исследовательские работы. К ним относятся: изучение деформаций с целью наращивания плотин, изучение гидравлических процессов, определение скоростей и направления фильтрационного потока в отдельных частях сооружений, выявление причин размывов русел в нижнем бьефе сооружений, оценка эффективности дополнительных антифильтрационных мероприятий, изучение вибраций и т. п.

Третья задача заключается в использовании существующих гидротехнических сооружений для постановки специальных научных исследований с целью разрешения научно-технических проблем, которые не могут быть достаточно надежно решены теоретическим путем или посредством лабораторного экспериментирования на моделях малого масштаба.

Необходимо отметить, что чем выше класс сооружений по высоте, тем большее число параметров подлежит контролю, тем больший объем исследований назначается по номенклатуре и содержанию.

В результате исследований, а также контроля предписанных проектом параметров и наблюдений, происходит накопление материала большой ценности, который может быть использован для проверки и корректирования формул и опытных коэффициентов, для вывода новых опытных зависимостей, для уточнения отдельных вопросов в теории моделирования и т. д.

9. Точность и сроки наблюдений горизонтальных смещений (лекция + [1]-стр. 380-381, [4]-стр. 63-64, 71-81, [6]-стр.105-111).

Согласно СНиП 2.06.01-86, СНиП 2.06.05-84, СНиП 2.06.06-85, горизонтальные смещения плотин при проектировании определяют путем расчета напряженно-деформированного состояния с учетом изменения сжимаемости грунтов при повышении их влажности, а в северной строительно-климатической зоне – при изменении их температурно-влажностного состояния.

Для плотин II – IV классов допускается оценивать горизонтальные смещения на основе аналогов плотин, построенных в подобных условиях и такой же конструкции.

При расчетах плотин всех классов должны устанавливаться предельно допустимые значения (ПДЗ) параметров состояния плотин и их оснований. Значения предельно допустимых параметров в виде отдельной таблицы включают
в проект.

Предельно допустимые значения параметров [CНиП 2.06.01-85] состояния плотины принимаются равными расчетным значениям для основного и особого сочетаний нагрузок и могут уточняться в процессе строительства и эксплуатации.

Для предварительных оценок горизонтальных смещений гребня грунтовых плотин [СниП 2.06.05-84] следует принимать их равными осадке гребня после наполнения водохранилища.

Натурные наблюдения на бетонных и железобетонных плотинах подразделяются на контрольные и специальные.

На основании выбранной для каждого объекта категории и процессов контроля для каждого объекта назначают сначала точность контроля параметров, а исходя из требуемой точности контроля назначают методы и средства измерений.

Необходимо также отметить, что при выполнении специальных исследований, где необходимо устанавливать причины и связь между изменением нагрузок и перемещениями, точность измерений последних увеличивается по сравнению с контрольными измерениями. Так как зачастую для контроля и исследования геометрических параметров используется одна и та же контрольно-измери-тельная аппаратура и методы измерений, то при разработке проектов и назначении точности измерений следует ориентироваться на более высокие требования.

Вот почему при контроле и исследовании деформаций уникальных плотин часто применяют самую точную измерительную технику, а цикличность измерений, особенно в строительный период и начальный период эксплуатации, когда действуют переменные нагрузки, значительно увеличивают по сравнению с контролем обычных промышленных зданий и сооружений. При частых измерениях на таких гидроузлах целесообразно автоматизировать процессы измерений, что будет экономически оправдано.

Для гидротехнических сооружений, где не проектируются специальные исследования, а таких большинство, целесообразно выполнять проектирование геодезического контроля по установленной технологической схеме, приведенной выше, а точность измерения параметров назначать по формулам активного контроля, т.е.

где

- коэффициент точности при активном контроле.

Минимальное число интервалов

, которое является основой для расчета точности, определяется по формуле

Планировать время проведения контроля (например, за горизонтальными смещениями сооружений) рекомендуется, как и при контроле осадок, в зависимости от характеристики грунтов основания под сооружением, а также температурного режима объекта и регулирования стока.

10. Составление проектов контроля перемещений. Размешение знаков для измерения смещений. Методы измерения смещений гидротехнических сооружений низкого и среднего напора - метод отдельных направлений, метод триангуляции и полигонометрии, створные способы и методы измерений. Применение спутниковых методов измерений (лекция + [1]- стр. 381-386, 386-402, [2]-стр. 224-231, [4]-стр. 134-139, 144-186, 190-192, [5]-стр. 62-73, 76-86, [6]-стр.110-121).

Проекты контроля перемещений составляет как правило проектная организация (Гидропроект). В случаях проектирования особо ответственных сооружений в сложных условиях привлекается ВНИИГ и другие научно-исследовательские институты и организации.

Согласно СНиП 2.06.01-85, СНиП 2.06.05-84 и СНиП 2.06.06-85, в бетонных и железобетонных плотинах I, II, III классов необходимо предусматривать установку контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) для проведения натурных наблюдений и исследований за состоянием сооружений и их оснований как
в период строительства, так и в процессе эксплуатации.

КИА для измерения горизонтальных смещений гидротехнических сооружений подразделяют на три группы [188]: исходные знаки, опорные знаки и контрольные точки. Исходные знаки закладываются за пределами зоны возможных деформаций. Относительно исходных знаков определяют смещения опорных и контрольных знаков. Опорные знаки – знаки, закладываемые вблизи объекта в зоне возможных деформаций грунта и служащие для измерения смещений контрольных знаков. При небольших воронках оседания грунтов исходные и опорные знаки совмещены.

Контрольными точками (точками съема первичной информации) при измерении горизонтальных смещений могут служить как характерные точки самого объекта, так и специальные деформационные знаки – контрольные знаки и центры, устанавливаемые на конструкциях бетонных сооружений или в тело земляных плотин.

Контрольные точки первого типа применяют, как правило, при пассивном контроле параметра объекта и четких геометрических формах самого объекта, позволяющих идентифицировать положение точки с положением проверяемой оси объекта, с точностью, не вносящей значительных ошибок в результат контроля параметра.

Контрольные точки второго типа применяют при активном контроле параметра и отсутствии четкой идентификации положения точки с объектом. В этих случаях на конструкциях объекта предусматривают специальную визирную цель или закладку контрольных знаков, по которым выполняется съем первичной информации. Выбор конкретного способа закрепления исходной опорной основы и контрольных точек решается в процессе проектирования с учетом конструктивных решений объекта, метода контроля по управляющему воздействию, требуемой точности измерений. Наиболее характерные конструкции геодезической КИА приведены в [7, 8, 131, 134, 144, 151, 176, 188, 228 и др.].

При составлении проектов размещения контрольно-измерительной аппаратуры следует руководствоваться «Указаниями ВНИИГ» [237], которые составлены на основании опыта работ на Каховской, Новосибирской, Бухтарминской, Ладжанурской, Братской, Красноярской, Ингури и других ГЭС.

Проект размещения и установки КИА должен включать:

а) пояснительную записку с изложением цели, задач, состава и объема
с указанием сроков закладки, номенклатуры и технических характеристик КИА;

б) общие схемы и рабочие чертежи размещения и монтажа КИА в плотине, основании, береговых примыканиях и отдельных элементах, прокладки и коммутации кабельных линий и устройства измерительных пультов;

в) рабочие чертежи закладных деталей и монтажных приспособлений для установки КИА;

г) спецификации устанавливаемой КИА, вторичных приборов, вспомогательного оборудования, кабелей;

д) инструкцию по установке КИА, прокладке кабельных линий и оборудованию пультов;

е) смету на приборы, вспомогательное оборудование, кабельную продукцию, проведение наблюдений, обработку и анализ результатов.

Места закладки геодезической КИА, ее конструктивные чертежи и методы установки составляются проектной организацией в соответствии с «Указаниями по составлению проектов размещения контрольно-измерительной аппаратуры» [237].

Проектирование КИА осуществляется в две стадии: 1 – проектное задание, 2 – рабочие чертежи. Эскизы такой аппаратуры приведены в [7, 8, 131, 134, 144, 151, 176, 188, 228].

Методы измерения смещений гидротехнических сооружений низкого и среднего напора - метод отдельных направлений, метод триангуляции и полигонометрии, створные способы и методы измерений. Применение спутниковых методов измерений

Схемы измерений горизонтальных смещений и сопутствующих им геометрических параметров, а также конструкция и схема размещения геодезической КИА, зависят, в первую очередь, от конструктивного решения гидротехнического сооружения, нагрузок, передаваемых на него в процессе строительства и эксплуатации, и характеристики грунтов основания.

В практике геодезического контроля и исследований горизонтальных смещений гидротехнических сооружений просматриваются три основные схемы измерений и размещения КИА

1. Схема контроля горизонтальных смещений и деформаций бетонных и железобетонных гравитационных и контрфорсных плотин; глухих земляных плотин; а также подводных конструкций зданий гидроэлектростанций, судоходных шлюзов, судоподъемников и других сооруж