Приборы для измерения осадок и сдвигов сооружений

Деформация сооружения по высоте чаще всего проявляется в виде неравномерной осадки разных его частей. Для измерения осадок сооружений используются следующие методы:

• геометрическое нивелирование,
• гидростатическое нивелирование,
• тригонометрическое нивелирование,
• микронивелирование.

Наиболее распространенным методом изучения осадок является геометрическое нивелирование, так как оно обеспечивает высокую точность и достаточную оперативность измерений. При этом способе используется несложное и недорогое оборудование, и в целом он характеризуется сравнительно небольшими экономическими затратами. Как правило, для выполнения работ используется нивелир Н-05 и инварные рейки. Часто для этих целей используют самоустанавливающиеся нивелиры либо цифровые нивелиры, предназначенные для выполнения нивелирования I и II кл. Для наблюдений осадок методом геометрического нивелирования в испытуемом сооружении закладывают осадочные марки, располагая их в местах ожидаемых деформаций внизу сооружения: возле осадочных и температурных швов, по углам отдельных секций, на кольцах статоров генераторов и т. п. Количество циклов наблюдений за осадками в строительный период определяется по признаку роста нагрузки на основание.

Обычно первый цикл нивелирования производят после возведения фундамента или после нагрузки, составляющей 25 % полного веса сооружения. Последующие циклы нивелирования производят в зависимости от нагрузки. Далее нивелирование производится ежегодно, пока осадки не стабилизируются до величины 1-2 мм в год. Средняя квадратическая определения отметок точек из геометрического нивелирования обычно составляет 1 мм. Если нивелировать короткими лучами, метод геометрического нивелирования позволяет определить взаимное положение по высоте двух точек, расположенных на расстоянии 10-15 м, со средней квадратической ошибкой 0,02-0,05 мм. Взаимное положение точек, удаленных на несколько сот метров, определяется со средней квадратической ошибкой порядка 0,1-0,2 мм. При этом особенно жесткие требования выдвигаются к соблюдению равенства плеч, чтобы обеспечить четкое изображение задней и передней рейки при одном и том же неизменном положении фокусирующей линзы. По абсолютной величине неравенство плеч не должно быть более 10 см.

Обработка результатов нивелирования заключается в уравнивании нивелирных ходов и сравнении отметок одноименных марок с течением времени. По результатам нивелирования составляется график осадок марок (рис. 5.47), на котором по горизонтали откладывается время наблюдений t, по вертикали — отметка Н марки или осадка ∆Н от условного нуля.

Рис. 5.47. График осадок марок

Кривые 1 и 2 имеют плавный затухающий ход, что характеризует стабилизацию (затухание) осадок. Увеличивающийся со временем наклон кривой осадки (кривая 3) указывает на прогрессирующую деформацию данного сооружения.

Заключение о допустимости имеющих место деформаций получают сравнением фактических деформаций с проектными.

С помощью обычных геодезических приборов для геометрического нивелирования можно определять положение точки только в дискретные моменты времени. Преимущество лазерных приборов — возможности полной автоматизации процесса измерений с непрерывной регистрацией результатов.

Для этой цели используют комплект аппаратуры, в который входит лазерный нивелир с самоустанавливающейся линией визирования (лазерным пучком, задающим линию или плоскость), нивелирные рейки с фотоэлементами, включенными в полярную схему. Фотоприемное устройство отслеживает положение лазерного пучка. При неравномерном освещении фотоэлементов вырабатывается управляющее напряжение, которое подается на электродвигатель. Электродвигатель перемещает фотоэлементы вдоль рейки до тех пор, пока управляющее напряжение не станет равным нулю, что соответствует одинаковой освещенности фотоэлементов. Результаты измерений регистрирует запоминающее устройство. Таким образом, запоминающее устройство непрерывно записывает вертикальные перемещения контролируемой точки. Как показали исследования, стабильность горизонтального положения лазерного пучка составляет 0,3-0,5" при наклоне прибора до 15'.

Для этих же целей используются цифровые нивелиры, которые также позволяют автоматизировать процесс наблюдений за деформациями. Однако геометрическое нивелирование трудно реализовать при отсутствии прямой видимости между станцией и наблюдаемой точкой, а также в условиях, где пространство ограничено. В значительной степени от указанных недостатков свободен метод гидростатического нивелирования. К тому же метод гидростатического нивелирования обеспечивает иногда и более высокую точность измерений, чем геометрическое нивелирование, и позволяет в то же время создать автоматизированные стационарные гидростатические системы с дистанционным съемом информации.

Разработанные стационарные гидростатические системы с дистанционным съемом информации имеют длину в несколько сотен метров, часто располагаются на ломаном профиле и обеспечивают определение превышений со средней квадратической ошибкой порядка 0,05-0,1 мм. В связи с этим для непрерывного наблюдения за осадками фундаментов, вертикальными смещениями подкрановых путей и подобных сооружений значительной протяженности целесообразно использовать стационарную гидростатическую систему, которая, в отличие от переносных шланговых нивелиров, может состоять не только из двух, но из большего количества водомерных сосудов. Так например, для изучения деформаций Красноярской плотины была использована стационарная электроконтактная гидростатическая система, которая была оборудована вдоль плотины в потерне, имеющей ломаный профиль по высоте, и в семи поперечных потернах. В продольной потерне общей длиной 795 м, разделенной на 10 участков, были установлены самостоятельные гидростатические системы, связь между которыми осуществлялась через пары перекрывающихся марок, осадки которых считаются одинаковыми. Гидростатические системы, расположенные в поперечных потернах, связывались с гидростатическими системами крайних участков продольной потерны и привязывались к фундаментальным реперам высотной основы высокоточным геометрическим нивелированием. Точность передачи высоты по всей гидростатической системе характеризуется средней квадратической ошибкой 0,1 мм.

В последнее время создана видеоизмерительная гидростатическая система с дистанционным съемом информации, предназначенная для измерения взаимных положений заданных горизонтов.

Работа системы, как и большинства гидростатических систем, основана на принципе сообщающихся сосудов, уровень жидкости в которых измеряется с помощью видеоуровнемеров, которые представляют собой видеодатчик на основе ПЗС-матрицы. ПЗС-матрица формирует видеосигнал, содержащий изображения визирных целей, отраженных от измеряемого уровня жидкости. Компьютерная обработка видеосигналов видеодатчиков, установленных на сосудах видеоизмерительной гидростатической системы, осуществляется по специальной программе.

Видеоизмерительная гидростатическая система (ВГС) предназначена для измерения взаимных высотных положений заданных горизонтов и имеет следующие основные технические характеристики:

Диапазон измерений                                                                  100 мм
Средняя квадратическая погрешность измерения
уровня жидкости в сосуде ВГС, не более                                0,01 мм

Тригонометрическое нивелирование позволяет определять осадки сооружения в точках, расположенных на существенно разных высотах в труднодоступных местах, и уступает по точности измерений геометрическому и гидростатическому. Тригонометрическое нивелирование используют при наблюдениях за зданиями и башнями, плотинами, при производстве нивелирования через препятствия.

При измерении вертикального угла с точностью 0,4-1" и длиной визирного луча до 100 м можно определять отметки точек с ошибкой 0,5-1 мм. К тому же на коротких расстояниях существенно уменьшается влияние вертикальной рефракции. Для ослабления влияния рефракции целесообразно вести наблюдения в пасмурную погоду либо в такое время дня, когда температурная стратификация атмосферы близка к безразличной.

Микронивелирование используется при выполнении наблюдений за высотным положением близкорасположенных точек (порядка 1-1,5 м) металлических конструкций либо направляющих, а также при монтаже технологического оборудования. При достаточной простоте процесса измерений обеспечивается высокая точность измерений порядка 0,01 мм, т. е. высокая надежность получаемых результатов.

Для микронивелирования используются приборы отечественного и зарубежного производства с ценой деления цилиндрического уровня 5-10". В отдельных видах конструкций используются электронные уровни с ценой деления от 4 до 20" на 20 мм.

Стереофотограмметрическая съемка позволяет определять сразу 3 координаты исследуемых точек. Для коротких расстояний она обеспечивает точность несколько мм, но весьма трудоемка, так как значительный объем времени затрачивается на проявление и обработку стереопар с помощью дополнительного оборудования. Возможности такой съемки значительно расширились с появлением лазерных сканеров, которые практически заменили фототеодолитную съемку, используемую для этих целей.

В последние годы для исследования деформаций все большее распространение получает спутниковая аппаратура.