Проектирование методов и средств измерений превышений

Как показано в работах [2, 3], основными факторами, влияющими на в бор методов и средств измерений геометрических параметров технических объектов, являются:

- характеристика объекта и вид контролируемых геометрических параметр

- требуемая точность контроля параметров;

- 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.

Основным методом контроля осадок объектов промышленных предприятий является метод геометрического нивелирования короткими лучами. Этотметод позволяет охватить очень широкий диапазон точностей измерений превышений (от 0,05 до 5 мм на одну станцию), позволяет вести измерения в широком диапазоне внешних и внутренних воздействий природной и производственной среды, имеет более высокую производительность по сравнению с другими методами и более низкую стоимость работ.

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

- государственное нивелирование I, II, III и IV классов [18];

- разрядное нивелирование для измерения осадок гидротехнических сооружений [14];

- разрядное нивелирование для измерения деформаций оснований зданий сооружений [13];

- нивелирование специальных классов для инженерно-геодезических работ

Основные технические характеристики названных видов классификаций геометрического нивелирования приведены в табл. 7.9 - 7.12.

Таблица 7.9

Технические характеристики государственного нивелирования I, II, III и IV классов (выписка из [6, 18])

№ п/п	Наименование характеристик	Классы нивелирования
I	II	III	IV
	Предельная длина визирного луча, м
	Неравенство длин визирных лучей на станции, м (не более)	0,5	1,0
	Накопление неравенств длин в ходе, м (не более)	1,0	2,0
	Число горизонтов
	Число линий
	Число ходов
	Допустимая невязка (1 мм на км хода)
	Средняя квадратическая погрешность определения (окончательного превышения на станции, мм (не более)	0,16	0,30	0,65	3,0
Примечания: 1) нивелирование I и II классов выполняют штриховыми рейками, III и IV классов – шашечными; 2) типы нивелиров и технология нивелирования устанавливаются согласно [18]

Таблица 7.10

Технические характеристики разрядного нивелирования для

измерения осадок гидротехнических сооружений (выписка из [14])

№ п/п	Наименование характеристик	Разряд нивелирования
I	II	III
	Средняя длина визирного луча, м
	Неравенство длин визирных лучей на станции, м (не более)	0,5	0,5	1,0
	Накопление неравенств длин в ходе, м	1,0	1,0	2,0
	Высота визирного луча над препятствием, м (не более)	0,8	0,8	0,3
	Число горизонтов
	Число направлений
	Средняя квадратическая погрешность определения окончательного превышения на станции, мм (не более)	0,08	0,13	0,40
	Предельное расхождение прямого и обратного ходов (для III – невязка), мм
Примечания: 1) нивелирование всех разрядов выполняют одними и теми же нивелирами с цилиндрическим контактным уровнем или самоустанавливающейся линией визирования; 2) нивелирование всех разрядов выполняют стандартными штриховыми рейками с инварной полосой, разрешается применение специальных реек того же класса

Таблица 7.11

Технические характеристики разрядного геометрического нивелирования для измерения деформаций основания зданий и сооружений (выписка из ГОСТ 24846-81 [13])

№ п/п	Наименование характеристик	Классы нивелирования
I	II	III	IV
	Предельная длина визирного луча, м
	Неравенство плеч на станции, м (не более)	0,2	0,4	1,0	3,0
	Накопление неравенств плеч в замкнутом ходе, м (не более)	1,0	2,0	5,0	10,0
	Высота визирного луча над препятствием, м	1,0	0,8	0,5	0,3
	Число горизонтов
	Число направлений
	Допускаемая невязка (n – число станций)
	Средняя квадратическая погрешность определения окончательного превышения на станции, мм (не более)	0,08	0,25	0,75	2,5
Примечания: 1) нивелирование I и II классов выполняют нивелиром типа Н-05 и равноточными ему, III и IV классов – нивелирами типа Н-3 и равноточными ему; 2) нивелирование I и II классов выполняют штриховыми рейками, III и IV классов – шашечными рейками.

Таблица 7.12

Технические характеристики геометрического нивелирования специальных классов (выписка из [2,3,7])

№ п/п	Наименование характеристик	Классы нивелирования
ГН-005	ГН-010	ГН-025	ГН-050
	Предельная длина визирного луча, м
	Оптимальная длина визирного луча, м	5-7	10-15	15-25	25-35
	Неравенство длин визирных лучей на станции, м (не более)	0,05	0,10	0,20*-0,30	0,30*-0,50
	Высота визирного луча над препятствием, м (не менее)	0,5	0,5	0,5	0,5
	Число горизонтов
	Число направлений
	Точность отсчитывания по барабану плоскопараллельной пластинки, деления	0,1	0,1
	Средняя квадратическая погрешность определения (окончательного) превышения на станции, мм (не более)	0,05	0,10	0,25	0,50
Примечания: 1)* - первый показатель применяют при нивелировании по осадочным маркам, второй – по костылям; нивелирование ГН-005и ГН-010 выполняют одной рейкой, а ГН-025 и ГН-050 – двумя рейками.

Каждая из приведенных видов классификаций и методик нивелирования имеет свои положительные и отрицательные стороны в зависимости от объектов и условий контроля.

Классификация и методика государственного нивелирования хорошо приспособлены для ведения геодезических работ на больших территориях, когда реперы расположены на большом удалении друг от друга и необходимо получить их отметки с наименьшими затратами средств и времени при заданной точности измерений на километр хода. В этих случаях стараются работать на предельных длинах визирных лучей, пользоваться для ускорения работ двумя рейками, а измерения вести по башмакам или костылям. Так как ходы большой протяженности, то методика измерений направлена в значительной мере на уменьшение систематических погрешностей, влияние которых на точность возрастает по мере увеличения длин ходов. Для наблюдений за осадками зданий, сооружений и оборудования промышленных предприятий этот вид классификации и методики измерений мало пригоден из-за недостаточной точности измерения превышений по контролю оборудования, где часто требуются точности первого класса, необходимости применения различных по точности приборов, реек и приспособлений при смене классов нивелирования, что создает ряд неудобств при производстве работ в производственных цехах.

Классификация и методика для измерения осадок гидротехнических сооружений хорошо приспособлены для ведения геодезических работ на специфических (как правило, построенных по индивидуальным проектам) сооружениях - протяженных плотинах, каналах, шлюзах. Осадочные марки расположены на бетонных сооружениях через 20 — 40 м, а на земляных сооружениях через 100 - 200 м. Точность измерений превышений в ходах на бетонных и земляных плотинах существенно различается, что и проявляется в разработанных для этой цели классификации и методике нивелирования. Для контроля осадок и деформаций зданий, сооружений и оборудования в других отраслях промышленности этот вид классификации и методики измерений применяется редко.

Классификация и методика нивелирования для измерения деформаций оснований зданий и сооружений [13] по своим характеристикам близки к государственному нивелированию. Это связано с основной целью наблюдений - определением параметра «абсолютная осадка» фундамента, в то время как контроль параметров, характеризующих деформации взаимосвязанных конструкций объектов, находится на втором плане. Поэтому, из-за точности измерений превышений на станции, длин визирных лучей и их неравенства и других ха­рактеристик, данный вид - нивелирования не получил широкого распространения для контроля технического состояния конструкций сооружений и оборудования промышленных предприятий.

Классификация и методика геометрического нивелирования специальных классов [2, 3, 7] разработаны для контроля осадок и деформаций сооружений и оборудования промышленных предприятий. Точность измерений превышений на станциях, а также все другие основные характеристики нивелирования позволяют контролировать наиболее распространенные виды деформаций сооружений и оборудования многочисленных промышленных предприятий. При этом измерения во всех классах нивелирования выполняются нивелирами и рейками одной точности, что создает удобство и возможность быстрого выполнения работ при большом количестве марок на объектах предприятия и разной точности измерений превышений в ступенях.

Методы гидростатического и гидродинамического нивелирования [1, 2, 4, 5 и др.] 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 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 делает выгодным его использование 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. (Примечание. Технические характеристики гидростатического нивелирования приведены в [3].)

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 [1, 2, 4, 5 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 (Примечание. Технические характеристики тригонометрического нивелирования приведены в [3]). 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.

Проектирование методов и средств измерений студенту следует выполнить согласно расчетам измерения превышений в ходах 1, 2 ступеней и в ходе связи и характеристик нивелирования, приведенных в табл.7.9-7.12. При проектировании назначают класс нивелирования, рекомендуют средства измерений и дают краткое описание методики измерений на станции и ходах или ссылку на литературный источник.

Пример. Пусть требуется назначить класс и средства нивелирования по результатам расчета точности измерения превышений в каждой ступени схемы нивелирования и в ходе связи, изображенных на рисунке прил. 4.

Согласно расчету точности по формулам (7.21, 7.24, 7.25), получены следующие СКП измерения превышений: в первой ступени - 0,84 мм, во второй ступени — 0,37 мм, в ходе связи — 0,74 мм.

На основании полученных погрешностей и характеристик нивелирования, приведенных в табл. 7.9 - 7.12, назначаем следующие классы нивелирования:

- в первой ступени — ГН-050, выполняемого по методике [2, 3, 7]; или III класс государственного нивелирования, выполняемого по методике [6, 18]; или III разряд (для гидросооружений), выполняемого по методике [14]; или III класс (по измерению деформаций оснований), выполняемого по методике [13];

- во второй ступени - ГН-025, выполняемого по методике [2, 3, 7], или II класс государственного нивелирования, выполняемого по методике [6, 18]; или II разряд (для гидросооружений), выполняемого по методике [14]; или II класс (по измерению деформаций оснований), выполняемого по методике [13];

- в ходе связи между ступенями - ГН-050, выполняемого по методике [2, 3, 7], или III класс государственного нивелирования, выполняемого по ме­тодике [6, 18]; или III разряд (для гидросооружений), выполняемого по методике [14]; или III класс (по измерению деформаций оснований), выполняемого

по методике [13].

Выбор средств измерений производят по классу нивелирования. Для этого следует воспользоваться нормативными документами [3, 13, 14, 18], либо литературными источниками [1, 2, 4 - 9 и др.], либо краткими справочными характеристиками средств измерений, приведенными в прил. 3 работы [3].