Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование методов геодезических измерений сдвигов, осадок и деформаций зданий и покрытия автодорог

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов геодезических измерений сдвигов, осадок и деформаций зданий и покрытия автодорог"

На правах рукописи

Афанасьев Александр Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ СДВИГОВ, ОСАДОК И ДЕФОРМАЦИЙ ЗДАНИЙ И ПОКРЫТИЯ АВТОДОРОГ

Специальность 25.00.32-Геодезия

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 2007

003055764

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете

Научный руководитель: Консультант

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук Г.А. Лысков

доктор технических наук В.И. Куштин доктор технических наук И.Т. Трунов,

кандидат технических наук В.Г. Соколов

Ведущая организация:

Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС)

Защита состоится «9» февраля 2007 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета К 212.207.01. по присуждению ученой степени кандидата наук в Ростовском Государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 325

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 9.01.2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд.тех.наук, доцент

Туполева Г.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ Актуальность исследований. Повышение полноты и точности получаемой информации об исследуемом объекте — всегда актуальная задача, в том числе и рассмотренная в данной работе. Это связано с тем, что в настоящее время резко возросли объемы работ по исследованию зданий и сооружений, а также искусственных покрытий (автомобильные дороги, взлетно-посадочные полосы, железнодорожные насыпи и т.д.), построенные на деформированном основании. Обследование этих сооружений со значительным сроком эксплуатации на предмет определения степени их деформируемости выполняются на основе геодезических работ, которые позволяют определять фактическую геометрию сооружения в двух плоскостях. В вертикальной плоскости осадки и перегибы определяются геометрическим нивелированием. В горизонтальной плоскости для определения сдвигов и деформаций путем измерения кренов отдельных или всех ребер здания используют теодолит и лазерную рулетку «О181ок1а8з1к».

В настоящее время для решения вышеуказанных задач стали широко применяться электронные тахеометры, а также геодезические приборы типа Георадар «Око», ЭРА-Макс, ИДС-1. Все перечисленные приборы дорогостоящие и их приобретение в ряде случаев затруднительно.

Поэтому применяемые в настоящее время геодезические методы определения осадок, сдвигов и деформаций зданий и инженерных сооружений многообразны как в технологическом и временном отношении, так и в приборном обеспечении.

Для решения вышеуказанных задач предлагаются новые методы, позволяющие определять характеристики деформации в трехмерном пространстве в одном временном процессе (цикле) наблюдений в системе координат, принятой для данного здания или инженерного сооружения. Эти методы основаны на обработке геодезических измерений с использованием теории проективной геометрии и фотограмметрии и позволяют определять

А

степень деформации зданий даже в случае, когда наблюдения за осадками не велись в процессе его эксплуатации, что крайне актуально для зданий, построенных на деформируемом основании и находящихся в настоящее время в аварийном состоянии.

Цель диссертации. Целью данной работы является совершенствование существующих и разработка новых методов определения деформационных характеристик зданий и покрытий автодорог на основе геодезических измерений кренов и осадок с применением теории проективной геометрии и фотограмметрии.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующих методов наблюдения за осадками, сдвигами и деформациями зданий;

- сделать анализ существующих методов наблюдения за осадками, сдвигами и деформациями покрытий автодорог;

- разработать предложения по совершенствованию геодезических методов наблюдения за осадками, сдвигами и деформациями зданий;

- создать метод определения величины и степени деформаций покрытий автодорог на отдельных его участках на основе теории проективной геометрии и фотограмметрии;

- получить формулы для априорных и фактически полученных среднеквадратических ошибок определения элементов деформаций зданий и применительно к автодорогам;

- проверить эффективность найденных решений на производственных материалах.

Объект исследования. Объектами исследования являются отдельные здания и участки автодорог в г. Ростове-на-Дону и Ростовской области.

Методы исследования, применяемые в работе. Методами исследования, применяемыми в работе, являются: математическое моделирование, анализ, обоснование, эксперимент, выводы.

Научная новизна.

1. Разработана методика определения основных деформационных характеристик;

2. Создана методика определения дополнительных деформационных характеристик: прогибы (выгибы)фундамента и верха этажей, вертикальной осадки в любой точке, коэффициента сжимаемости и растяжимости, и др. с использованием ранее определенных основных деформационных характеристик;

3. Обоснована возможность использования предложенного метода центрального проектирования при определении дилатансии грунтов;

4. Разработана методика определения основных и дополнительных деформационных характеристик в плане и по высоте насыпи автодороги по геодезическим измерениям;

5. Разработаны теория и методика определения приращений деформированных площадей и объемов поверхности полотна автодороги в процессе ее эксплуатации.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований используются в РГСУ, НПФ «Интербиотех», ООО «Луч», ООО «ГеоПриз» и в других организациях в г.г. Ростове-на-Дону, Волгодонске, Каменск-Шахтинском.

На защиту выносятся:

- концепция определения основных деформационных характеристик (общий крен и его дирекционное направление, кручение фундамента в горизонтальной плоскости, углы скручивания ребер здания по измеренным их кренам) с применением способа наименьших квадратов;

- методика определения дополнительных деформационных характеристик: прогибы (выгибы) фундамента и верха этажей, вертикальной осадки в любой точке, коэффициента сжимаемости и

растяжимости и др. с использованием ранее определенных основных деформационных характеристик;

- метод центрального проектирования (инструментальный метод) при определении дилатансии грунтов при воздействии горизонтальных деформаций грунтового массива;

- методика определения основных и дополнительных деформационных характеристик в плане и по высоте покрытия автодороги по периодически измеряемым геодезическими методами осадкам в отдельных ее точках (осадочные марки).

- Методика определения приращений деформированных площадей и объемов поверхности полотна автодороги в процессе ее эксплуатации.

Теоретическая значимость. Теоретическое значение диссертации заключается в разработке нового подхода к обработке полевой геодезической информации по осадкам, сдвигам и деформациям зданий и покрытий автодорог.

Практическая значимость работы вытекает из актуальности проблемы и заключается в возможности использования разработанных автором методик как для организации геодезических работ по определению степени деформаций зданий и дорожных сооружений, так и для анализа имеющихся материалов.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований были доложены и одобрены на региональных и международных научно-технических конференциях в РГСУ в 2003-2006 гг.

По теме диссертации опубликовано 4 научных статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 173 наименований, в том числе на иностранных языках.

Общий объем диссертации 104 страницы без списка литературы. В диссертации имеется 14 таблиц, 14 рисунков.

Во введении обоснованы выбор темы и ее актуальность, сформулированы основные цели и научные задачи диссертационной работы, которая состоит из четырех разделов, рассматривающих теорию и математическое обеспечение поставленных задач.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ПРОЕКТИВНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ФОТОГРАММЕТРИИ.

Предложено при изучении деформаций здания применять способ, разработанный Г.А. Лысковым, позволяющий описывать пространственные перемещения точек уравнениями проективной геометрии и фотограмметрии.

В этом случае за центр проектирования принимают геометрический центр основания здания. Теперь представим, что оно наклонилось вокруг осей X и У на углы ¡х ¡у , а верхняя его часть относительно основания развернулась в своей плоскости на угол % Ребра стен сооружения в результате их неравномерной осадки получат свои углы скручивания Д% (рис.1). Если указанные углы невелики, что и имеет место на практике, то для каждой из четырех верхних точек ребер получим смещения вдоль осей координат, описываемые уравнениями вида

где / - номер ребра здания; А & — угол скручивания ребра здания; дХ/ и Чу - измеренные абсолютные поперечные и продольные крены ребра здания;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(1)

(2)

■9*/«9У1 - поправки в измеренные крены ребер здания; Н - высота здания или горизонтального сечения.

Если представить, что для каждой из четырех верхних точек ребер здания непосредственно в полевых условиях с помощью теодолита и обычной линейки измерены абсолютные крены ребра и ду (продольные и поперечные), то из совместного решения восьми уравнений вида (1) и (2) можно по методу наименьших квадратов определить семь неизвестных (г х, ¡у, X, А XI А А Ъ & Х4). Учитывая, что точки имеют стандартное расположение, из решения (1), (2) получим:

А, + А2 -А, -А4 _

(3)

4Я|У|

А, -Л2 -А; + А4 АН \х\

'4 .

(4)

1=1_ .

4(х,2+};.2)'

»=4

ЕА,

/=1

(5)

н2 Г<7,, Чу ,Х,2-Г\ 2Х?+Н2 2¥2+Н2

Д у ---- + —- - (—-'—) у---1--

2хх, х, г; х,у, х,н у,н

(6)

где Д,- .

г(Н)

Рис. 1. Система координат сооружения и элементы деформации

Общий крен здания находится по известной формуле:

а его дирекционное направление

© = —. г

Дирекционное направление линии «нулевого» крена определяется как

(3 = 0 + 90°.

Измерения поперечных и продольных кренов здания выполняют с помощью теодолита методом вертикального проектирования верхних точек ребер здания на нижнюю условную горизонтальную плоскость, чаще всего совмещают с уровнем пола 1-го этажа. При определении кренов могут применяться и другие известные геодезические методы. Для исключения из результатов наблюдений влияния неравенства подставок зрительной трубы теодолита определения кренов выполняют при двух кругах. На рис. 2 показана схема определения частного крена здания методом вертикального проектирования.

Рис.2. Схема определения крена ребра здания

Оценку точности определения основных элементов деформации здания можно провести по формулам:

Я

2Н[У] " Я

2Н [X]

1

т. = —тг

х к

(7)

где Я = + К2 , а тху - средняя квадратическая ошибка аппроксимации угла здания как линии пересечения поверхностей двух стен здания к точке и вертикальной прямой. По исследованиям Мосгеотреста степень

конкретности для углов кирпичных зданий составляет 0,3-0,7 см, а для панельных 0,5-1 см на высоте до пяти метров.

При 11=20 м, Н=25 м, тху= + о,= +0,023 м, = 12 м

т1х = +0.0004; т, =+0.0008; тх = +0.0015.

Величину тху также можно получить непосредственно в процессе обработки результатов геодезических измерений кренов. Так, по найденным &„ Зу из (1) и (2) можно предвычислить величину тху по формуле:

[■^¿Ц + ЬУ^ (8)

Если величина тху не превышает ±ю мм, то крены ребер здания

V 2.5

измерены с достаточной точностью, а основные элементы деформации здания определены надежно.

Этот критерий надежности определения основных элементов деформации здания можно использовать при изучении степени деформируемости зданий, имеющих большую продольную протяженность. По этому критерию здание можно разделить как бы на самостоятельные части, имеющие свои деформационные характеристики.

После проверки надежности определения элементов деформации здания по ранее приведенному критерию производят вычисление осадок углов здания и точек, расположенных на пересечении осей координат ± X и ±У со стенами здания, по формуле:

(9)

где Ах1 рассчитывают для каждого ребра здания (3) с учетом высоты сечения Н относительно основания фундамента.

Полученные по формуле (4) осадки Б] приводят к общему началу высот. Для этого из полученных выбирают максимальную осадку со знаком плюс и ее принимают за начало высот. Приведенные осадки вычисляют по формуле:

Абсолютная средняя осадка определяется как:

с _ _

^,- 8 •

При расчете осадок точек верха здания или на отдельных его уровнях, приведенных к геометрическому центру здания, используют формулу:

(Ю)

По полученным деформациям проводится проверка условия < 5"пр, где Б„р — предельно допустимая величина совместной деформации здания и сооружения, определяемая СНиПом.

Относительный прогиб (выгиб) как отношение стрелы / прогиба (выгиба) к длине Ь определяют по данным осадки трех смежных марок (5), расположенных на сооружении или вдоль характерной линии и отстоящих друг от друга на одинаковых расстояниях:

/ пп

I 21и

где 50 и 50 осадки крайних марок; 50 - осадка средней марки; 1,3 - расстояние между крайними марками.

Появление трещин, расширяющихся к верху здания, вызвано выгибами фундаментов и их ширина Шт на верху здания может быть предвычислена по формуле:

ШТ=Н/Ь±Ь-, (12)

1 2

где Н — высота здания; Г - стрела прогиба; 1,1 и Ьг - расстояния от углов здания до точки наибольшего выгиба фундамента.

Прогибы фундамента вызывают появление трещин в фундаменте и выше по стенам, но наибольшая ширина трещины образуется в самом низу фундамента и может быть рассчитана по формуле:

ШГ=И/

Ц +4 цьг '

(13)

где к — высота фундамента.

В образовавшиеся трещины будет вытекать вода из подвала здания и вымывать грунт, что в конечном счете вызовет осадку.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ПОКРЫТИЯ АВТОДОРОГИ

В случае, когда нельзя определить крены ребер сооружения непосредственно, что имеет место при изучении степени деформируемости покрытия автодорог, автором предложен способ их определения на отдельных участках по вертикальным осадкам 51, осадочных марок 0,1, -У, 2, +Х, 3, +У, 4, -X (9 точек, рис.3.)

___

Пг +х'

1У

т /

I кошур площади I покрытия дороги

ЬХ | деформации

I

' контур площади

Г

> У

покршжг дороги- ^Х площадь | до деформации

Рис.3. Формирование деформированных площади и объема поверхности покрытия автодороги

1. Определяют относительные продольные, поперечные и общий крены участка автодороги, а также его дирекционное направление и направление сдвига участка дороги

= (14)

(15)

г'о =Ф

г'о =\1'2х+12У; 'у

< = агс1& -у-;

■9 = 0 + 180°.

(16)

(17)

(18)

2. Относительные углы скручивания в точках 1,2,3 и 4 определяются по формуле

Я

А+Г,О

(19)

а угол кручения участка дороги в горизонтальной плоскости равен

^ = (2°)

3. Абсолютные крены в отдельных точках на уровне покрытия дороги (рис.3) находят по формулам

Я +

XI Я

X У

Х,У, Я

9,. =

„ У,21 х,г,. у х,г Л

Я + — г„+ ——I -Х,у+ , Аг,, Я ' Я ' Я2 '

где Я-высота насыпи автодороги.

4. Добавляемая площадь покрытия из-за его деформации находится как

1=1

а добавляемый объем равен

АУдоб - ^ + + ^ + + + ^ + ^ + + 45° 11

16 * г

(23)

5. Коэффициент дилатанеии (сжимаемости или растяжимости) грунта насыпи находят по формуле

АУдоб

(24)

Все остальные деформационные характеристики определяют по раннее описанной методике применительно к зданиям.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЛАТАНСИИ ГРУНТОВ НАСЫПИ АВТОДОРОГИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Явление дилатанеии, представляющее собой изменение объема грунта под воздействием деформаций сдвига, было открыто О. Рейнольдсом в 1885 г. Объем грунта, подвергнутого сдвигу в процессе эксплуатации автодороги, может как уменьшаться, так и увеличиваться. На рис.4 показаны разрезы насыпи дороги на разные периоды времени в зависимости от изменения сдвигающей силы Т, горизонтального перемещения q и вертикальной нагрузки Р.

а)

б)

///;;I У/у/

Ф

Рис.4. Деформирование верха полотна автодороги на стадиях а), б) и в)

Изменение объема грунта насыпи автодороги на конкретном ее участке через определенный период времени эксплуатации может быть определено по формуле

AF = AScp.e.P уч., (25)

где Д Sep. в. - средневзвешенная вертикальная осадка на участке автодороги за определенный период эксплуатации, Р уч. - площадь участка.

Величина Д V определяется по осадочным маркам, схема расположения которых показана на рис.5

11 1 1 Ь 1 1 ». J fi 11.iJ.jlJ J. 1. J .,t..Li-.l

2 -у 1 1 +х ) -X 3+у —у 4

ц.....<......| 1 j 1 j г |' 'Г*........I.....™|.....НН" ■""1.........|-|-|-Г-|......Г-р

Рнс.5. Схема расположения осадочных марок на участке автодороги

Средневзвешенная осадка на участке автодороги может быть определена по формуле

Д5, + Д52 + Д53 + Д£4 + + Д£+>, + Д5„ + Д5 ,)+ 45"0

Беря. =-—-, (26)

где Д5;, Д52 и т.д. - осадки 9 осадочных марок за период эксплуатации, определяемые геодезическими методами, т.е. путем нивелирования.

Учитывая то, что марки —у, 0, +у должны быть расположены на оси проезжей части автодороги, могут возникать серьезные трудности по обеспечению безопасности производства работ, а также сохранности осадочных марок. Это следует учитывать при организации работ.

В таблице приведены результаты вычислений приведенных к центру участка дороги осадок марок Д 5,°

Коорд. сдвига в м Номера осадочных марок Рассчитанные характеристики деформаций

1 2 3 4 + Y -Y

X -10 +10 +10 -10 +10 -10 0 0 ix = +0.0015 iy = +0.0017 'z= -0.0002

Y -5 -5 +5 +5 0 0 +5 +5

qx +1,010 +0,011 +0,016 +0,010 - - - -

ЧУ +0,014 +0,013 +0,018 +0,025 - - - -

i +0,006 +0,0012 -0,0041 -0,0031 0 0 0 0

AS? -4 +2 0 -7 +17 -13 +2 +3

По вычисленным Д S? найдем приращение объема грунта насыпи участка автодороги по формуле (20). При Sep. в = + 0,0011 м, , Р уч. = 200 м2, А V равно +0,22 м3. Коэффициент пучинистости грунта р на участке дороги -будет равен 0,22/200x10 = 0,00011 или 0,01 %.

На рис. 6 приведен план изолиний равных осадок с сечением через 5 мм и показаны величины прогибов (выгибов)по каждой стороне участка дороги, а также указаны направления затока и оттока воды по проезжей части автодороги.

6 О.Шб f=+l б bill

0,0002 f -+4 mi -у/а

3/-4

3/0 л то к полы выгиб

отток воды 4J-7

-ж/13 -п^оп'О 0,0007'

Рис. 6. План изолиний равных осадок участка автодороги

Таким образом, изложенный выше способ позволит на практике определять дилатансию грунтов насыпи автодорог инструментальным путем.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ПРОДОЛЬНЫМИ И ПОПЕРЕЧНЫМИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ СМЕЩЕНИЯМИ ПОЛОТНА АВТОДОРОГИ

Учитывая, что автодороги имеют на большей части прямолинейную протяженность, предпочтение при наблюдениях за горизонтальными продольными и поперечными смещениями следует отдавать створным методам. Створные наблюдения могут быть выполнены или способом измерения параллактических углов или способом подвижной марки. Эти способы подробно изложены в технической литературе.

Однако способы створных наблюдений наиболее эффективны лишь при измерениях поперечных горизонтальных смещений вдоль автодороги. Применение этих способов для определения продольных горизонтальных смещений вдоль автодороги потребует большое количество створов, что приведет к увеличению объема геодезических работ и заметно снизит их эффективность.

В этой связи для определения горизонтальных смещений полотна автодороги предлагается полярный способ, приведенный на рис.7

-4>-п

Рис. 7. Схема размещения осадочных марок на участке полотна автодороги

Осадочные марки 1,2,3,4 и т.д. должны быть закреплены по левой и правой сторонам проезжей части автодороги или по ее обочинам. Пункты наблюдений I, II и III располагают вне сооружения, по возможности на устойчивых и возвышенных местах. Для контроля эти пункты привязывают к незыблемой основе. В каждом цикле наблюдений проверяют устойчивость этих пунктов. Если при этом выявится, что их положение изменилось на величину, превышающую предельную ошибку их определения, то в измеренные смещения вводят соответствующие поправки.

На наблюдательном пункте 1 измеряют горизонтальные и вертикальные углы на все осадочные марки с контролем по направлениям 1-П и 1-Ш.Расстояния до осадочных марок 1-1, 1-2, 1-3 и т.д. определяют в начальном и конечном циклах наблюдений.

Математическая обработка результатов измерений производится по известным формулам, которые применительно к определению горизонтальных продольных и поперечных смещений полотна автодороги автором данной работы несколько видоизменены. Автором получены формулы для предрасчета ожидаемой точности определения смещений.

По полученным горизонтальным продольным и поперечным смещениям вычисляются все деформационные характеристики на отдельных участках полотна автодороги по раннее приведенным формулам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге выполненных исследований при работе над диссертацией получены следующие результаты и вытекающие из них выводы:

1. Дан обзор и анализ методов и состояния геодезического обеспечения наблюдений за сдвигами, осадками и деформациями инженерных сооружений (зданий, дорог).

2. Применены ранее разработанные доц. Лысковым Г.А. теоретические исследования по определению основных и дополнительных

деформаций по измеренным продольным и поперечным кренам ребер стен здания методом проективной геометрии и фотограмметрии, а также получены автором формулы для предрасчета ожидаемой точности их определения в зависимости от выбранных параметров и инструментов, применяемых при геодезических работах.

3. Разработана теоретическая основа и методика определения основных и дополнительных деформационных характеристик в плане и по высоте покрытий автодорожных сооружений по периодически измеряемым геодезическими методами осадкам в отдельных ее точках (осадочные марки).

4. Разработаны теория и методика формирования деформационных площадей и объемов поверхности покрытия автодороги в процессе ее эксплуатации.

5. Впервые доказана возможность использования методов проективной геометрии и фотограмметрии (инструментальный метод) при определении дилатансии грунтов при воздействии горизонтальных деформаций грунтового массива под зданиями и покрытиями автодорог.

6. Основные положения диссертации подтверждены математическим моделированием на ЭВМ. Для моделирования найдены функции в математическом редакторе Excel, позволяющие строго генерировать случайные ошибки измерений, подчиняющихся закону нормального распределения.

7. Разработанные методики внедрены в производство, на что имеются акты о внедрении.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих статьях:

1. Определение дилатансии грунтов насыпи автодороги при воздействии

горизонтальных деформаций методом проективной фотограмметрии.

(Лысков Г.А.). "Строительство-2005": Междунар. науч.-практ.конф. Ростов-на-Дону 2005.С.139-141.

2. Определение степени деформируемости полотна автодороги методом проективной фотограмметрии. (Лысков Г.А.). "Строительство-2005": Междунар. науч.- практ.конф. Ростов-на-Дону 2005.С.144-147.

3. Совершенствование геодезических методов при наблюдениях за деформациями покрытий автодорог: "Строительство - 2005" :Междунар. науч.- практ.конф. Ростов-на-Дону 2005.С.142-143.

4. Совершенствование методов центрального проектирования при изучении причин деформации полотна автодороги: Междунар. науч.-практ.конф. Ростов-на-Дону 2006.С.149-150.

Подписано в печать 8. 01. 07 . Формат 60x84/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз.Заказ 2 Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162