Наблюдения за горизонтальными смещениями

Организация наблюдений за горизонтальными смещениями объектов намного сложнее, чем при наблюдениях за вертикальными перемещениями. Для сравнения – стоимость работ по определению горизонатльных смещений примерно в три раза выше, чем стоимоть работ по наблюдению за осадками методом геометрического нивелирования. Чаще всего используют линейно-угловой, створный и стереофотограмметрический способы, прямые и обратные отвесы.

Стереофотограмметрический способ подобен рассмотренному способу при наблюдении за вертикальными смещениями.

Линейно-угловые построения используются для определения смещений по двум координатам (рис. 13.1): микролокальные сети триангуляции и трилатерации, комбинированные сети, сети полигонометрии, угловые и линейные засечки и др. Использование тех или иных сетей и способов определяется условиями измерений, характеристикой объекта и его сложностью, а также заданной точностью измерений. На рис. 13.1а показана схема линейно-угловых построений для регистрации оползневых процессов на карьере с некоторых базисов. При этом следует иметь в виду, что базисы сами могут смещаться, в связи с чем они должны входить в систему построений, опирающуюся на неподвижные исходные пункты. На рис. 13.1б показана схема микротриангуляции, в которой измеряют дополнительно расстояния, либо схема микротрилатерации, в которой дополнительно измеряют углы. При небольших расстояниях между наблюдаемыми объектами обычно используют метод микротриангуляции.

В сетях микротриангуляции и полигонометрических ходах горизонтальные углы измеряют с точностью 0,5" – 2,0", расстояния – с относительной погрешностью менее 1:20000. Полигонометрические ходы должны опираться на неподвижные точки с известными координатами. Если имеется возможность выполнения азимутальной привязки, то её выполняют. Азимутальная привязка обеспечивает надежный контроль измерений, а также позволяет повысить точность исходных построений.

Створные наблюдения используют при определении горизонтальных смещений точек профильной линии, построенной на склоне, или горизонтальных смещений объектов, имеющих прямолинейную форму. Смещения в этом случае определяют только по одному направлению, перпендикулярному линии створа.

Разность значений текущего и исходного положения точки сооружения называют нестворностью. Нестворность может быть определена как по отношению к начальному (исходному) циклу наблюдений, так и при сравнении положения точки в двух любых циклах.

Рис. 13.1. Линейно-угловые построения.

Створную линию задают либо стальной струной, концы которой закрепляют на неподвижных опорных реперах, либо оптическим способом, используя в качестве линии створа визирную ось зрительной трубы теодолита, нивелира и др. При оптическом задании створа прибор центрируют над неподвижным опорным репером, а на другом конце линии, также над опорным репером, центрируют визирную марку (цель).

Чаще всего при измерениях используют способы подвижной марки и малых углов.

Рис. 13.2. Створные способы:

а) способ подвижной марки; б) способ малых углов.

Способ подвижной марки сравнительно легко реализуется струнным или оптическим методом. В исходной точке А (рис. 13.2 а) центрируют прибор (теодолит, нивелир и др.), имеющий зрительную трубу большого увеличения (более 30^Х), и визируют им на точку В другого конца створа. В исследуемой точках 1 и 2 устанавливают подвижную марку с горизонтальным отсчётным устройством (шкалой). В разных циклах наблюдений исследуемая точка будет смещаться относительно неподвижной линии створа, в результате чего по шкале марки будут наблюдаться отсчёты, разность которых в сопоставляемых циклах наблюдений определит величину нестворности.

Малые углы α (рис. 13.2 б) характеризуют положение исследуемой точки относительно линии створа. Зная величину угла и расстояние от прибора до наблюдаемой точки, можно вычислить значение ƒ, определяющее отклонение точки от створа:

(13.1)

или для малых углов –

, (13.2)

где α_РАД – значение малого угла в радианах.

В этом случае горизонтальное перемещение Δ_Г точки в разных циклах 1 и 2 определится по формуле

. (13.3)

В зависимости от длины створной линии, условий измерений и др. наблюдения за горизонтальными смещениями выполняют по различным схемам: общего, частного и последовательного створов (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Схемы определения нестворности точек:

а) общий створ; б) частные створы; в) последовательные створы.

В схеме общего створа нестворности всех точек определяют относительно одной исходной линии АВ. В схемах частных створов может использоваться следующая программа измерений: нестворность точки 1 определяется относительно створа А-2, точки 2 – относительно створа 1-3, точки 3 – относительно створа 2-4, точки n – относительно створа (n – 1) – В. В схеме последовательных створов нестворность точек 1 и 3, например, определяется относительно створа АВ, а точки 2 – уже от створа 1-В, далее, точки 10 - от створа А-В, а точки 11 – относительно створа 10 – В.

Наблюдения за кренами

Крен относят к деформациям сооружений башенного типа, у которых линейный размер основания значительно меньше высоты сооружения.

Практически крен здания можно определить по значениям неравномерных вертикальных перемещений его точек, выбранных по углам основания. Число точек должно быть не меньше трёх. Предположим (рис. 13.4), что в двух соседних циклах наблюдений произошли неравномерные вертикальные перемещения точек 1, 2, 3 и 4 (знак «минус» указывает направление перемещения вниз). То есть общая осадка отрицательная, при этом перемещения точек 1 и 2 больше, чем точек 3 и 4 примерно на 1,5 - 2,0 мм. Построим в изолиниях перемещения точек с сечением через 0,5 мм. Структура изолиний показывает, что крен здания происходит практически в направлении поперечной оси. Если получить максимальную разность осадок ( - 1,9 мм), то можно вычислить и угол наклона ν сооружения в межцикловый период

, (13.4)

где Δ_МАКС – максимальная разность осадок; a – размер сооружения в направлении максимального крена.

Можно вычислить также и линейное отклонение t верха здания от вертикали, зная высоту Н сооружения, по формуле

. (13.5)

Рис. 13.4. Определение крена фундамента.

Для малых значений углов наклона в формулах (13.4) и (13.5) тангенс угла можно заменить на угол, выраженный в радианной мере.

Для других сооружений, не относящихся к башенным, подобные расчёты могут быть применены при определении завалов и перекосов.

Большое применение для определения крена сооружений находят способы вертикального проектирования (рис. 13.5). В простейшем случае могут использоваться нитяные отвесы с регистрацией их перемещений (острия отвеса) по линейной шкале или квадратной палетке. В последнем случае значение крена может быть определено по отношению к выбранным осям сооружения.

Вертикальная нить отвеса может быть воспроизведена оптическим способом с помощью специального прибора вертикального проектирования (рис. 13.5а), визирная ось которого устанавливается принудительно или автоматически в вертикальное положение. Прибор центрируют непосредственно у основания сооружения либо внутри него, если позволяют условия наблюдений, и отклонение верха сооружения от вертикали в двух направлениях регистрируют по квадратной палетке с миллиметровыми или двухмиллиметровыми делениями, наблюдаемой в зрительную трубу прибора. Палетка размещается в верхней части сооружения.

Вертикальное проектирование может быть осуществлено по схеме, изображенной на рис. 13.5б. На местности в точках А и В оборудуют станции, на которых центрируют теодолит. Визирные оси теодолита практически перпендикулярны друг другу и направлены вдоль осей сооружения. Расстояния от теодолита до сооружения выбирают с учётом высоты башни – примерно 1,5 – 2,0 высоты. На стене сооружения на его основании закрепляют шкалы Ш₁ и Ш₂ с миллиметровыми делениями, а в верхней части отмечают или устанавливают точки, на которые выполняют визирование. В процессе измерений получают отсчёты а_о и b_о в начальном и а₁ и b₁ в текущем циклах. Разности отсчётов Δа и Δb и их знаки указывают величину отклонения верха сооружения и направление этого отклонения.

Рис. 13.5. Определение крена башенных сооружений:

а) способ вертикального проектирования; б) с помощью теодолита.

Часто сооружение бывает недоступно для непосредственной работы у его основания. В таких случаях используют способ горизонтальных углов, который заключается в разбивке двух опорных пунктов на взаимно перпендикулярных осях сооружения и измерении горизонтального угла между направлениями на опорные пункты и направлениями на точки 1 и 2, находящиеся в верхней части сооружения (рис. 13.6). При известных расстояниях S разности горизонтальных углов для каждой из точек характеризуют перемещение исследуемых точек в направлениях, перпендикулярных соответствующей визирной оси. По формулам малых углов можно определить линейные величины смещений, полное смещение и его направление, а также определить величину крена сооружения.

Рис. 13.6. Способ горизонатальных углов.

Рис. 13.7. Способ координат.

Аналогичную схему сравнительно легко применить и в способе координат (рис. 13.7). Вокруг сооружения прокладывают замкнутый полигонометрический ход А-В-С-D и с его пунктов угловой засечкой получают координаты исследуемых точек 1 и 2. Разности значений координат в сопоставляемых циклах наблюдений укажут направление крена и его величину.

На небольших базах крен измеряют с помощью клинометров с цилиндрическим уровнем, имеющем точность не хуже 5", либо с помощью микронивелиров.