4.1 Система получения пространственной информации в мостостроении
Вопросы получения пространственной информации для мостового строительства не решены в полном объёме на современном уровне. Необходимость использования ГИС-технологий предусматривает по-новому подойти к задачам получения ГПД.
По результатам тщательного изучения информации о состоянии объекта и тенденциях его развития создаётся информационная модель, определяются управляемые параметры, диагностические и идентификационные признаки, с помощью которых и принимаются решения по преобразованию объекта и оценке реальности ситуации [109].
Чем точнее и объективнее информация, находящаяся в распоряжении системы принятия решений, чем полнее она отражает действительное состояние объекта и взаимосвязи в нём, тем более обоснованы реальные меры, направленные на достижение поставленных целей, и тем меньше степень риска (ошибочности) принимаемого решения.
Анализ объективности и надёжности информации включает оценку правильности и точности системы используемых показателей. При этом проверяются классификационные связи, правильность агрегатирования и усреднения отдельных показателей. Это важно для обоснования ведущих и значительных признаков, включаемых в информационные модели.
Полнота информации может быть охарактеризована, если за основу анализа принять обеспеченность ею различных решаемых задач. При этом устанавливается нормативный состав и число сведений, необходимых для принятия решения, то есть разрабатываются стандартные, или эталонные, модели решения задач, а сопоставление их с имеющейся информацией свидетельствует о полноте последней.
Помимо общих требований важно, чтобы информация соответствовала требованиям ГОСТа и других нормативных документов, подтверждающих правильность её применения при решении различных задач.
Исходя из основных принципов представления пространственной информации для геоинформационных систем [61], автор разработал информационную систему контроля пространственной информации в мостостроении, показанную на рисунке 4.1.
В соответствии с предложенной системой контроля пространственной информации необходимо разработать соответствующую технологическую цепочку геодезического обеспечения модели для решения поставленных задач.
Одним из основных факторов обеспечивающим развитие системы являются современные технологии строительства мостов, примеры которых приводились в разделе 1.3.
Переход от существующего уровня к гибким автоматизированным производствам достигается в мостостроении сочетанием различных направлений совершенствования предприятий, а именно: специализацией и автоматизацией на основе новейшей структуры организаций; оптимальным планированием и управлением; агрегатированием конструкций; применением прогрессивной технологии; внедрением компьютерных технологий в процессе проектирования и работы технологического оборудования. На современных предприятиях автоматизация развита в двух направлениях: системы управления технологическими процессами и системы автоматизации проектирования. В мостостроении проблемы автоматизации успешно решаются путём агрегатирования отдельных специфических устройств и технологий на базе использования типовых конструктивных решений [73].
Оптимизация технологического процесса осуществляется по нескольким, иногда противоречивым критериям. Так, повышение точности вызывает усложнение технологии, а рост производительности труда ведет к уменьшению точности. В функционале качества их следует объединить в общий показатель, характеризующий эксплуатационные свойства, что практически позволит свести многокритериальные задачи выбора к однокритериальным. Одной из важнейших характеристик качества работы гибкой производственной системы является точность изготовления и установки конструкций в проектное положение, определяющая их прочность, эксплуатационную надёжность и долговечность
Неотъемлемой частью получения ГПД при инженерных изысканиях являются инженерно-геологические изыскания. Для геометрического контроля положения объектов, составления профилей и принятия решений по различным критериям качества (рисунок 4.1) необходимо учитывать геологическую составляющую. Далее приведём основные положения по геодезическому обеспечению при инженерно-геологических изысканиях.
Содержание и объем инженерно-геологических изысканий зависит от сложности геологических условий района мостового перехода, стадии проектирования и размеров проектируемого моста.
В состав работ на стадии сравнения вариантов входят: построение схематических геолого-литологических разрезов, приближенное изучение склоновых и русловых процессов, получение данных о месторождениях строительных материалов. Решение этих задач выполняется без полевых наземных работ по архивным и литературным материалам, по имеющимся топографическим картам и аэроснимкам прошлых аэрофотосъемок. Наземные инженерно-геологические работы выполняют в один этап. Топографической основой для проведения инженерно-геологических съемок служат аэроснимки, фотосхемы, топографические карты масштаба 1:10 000 – 1:5 000. При пересечении селеносных долин или при расположении селей на склонах вблизи мостового перехода инженерно-геологической съемкой масштаба 1:25000 – 1:10000 охватывается область формирования, зона транзита и конус выноса селей. Съемкой должны быть охвачены участки, где проектируются регуляционные сооружения, места подмыва берегов, образования отмелей. Полоса должна быть не менее 300 м вверх и 200 м вниз по течению от мостового перехода. При наличии на участках перехода неблагоприятных русловых, береговых и склоновых явлений масштаб съемки принимают более крупный – 1:2 000 или 1:1 000.
По результатам геофизических исследований и инженерно-геологических съемок производят целенаправленное размещение точек и глубин бурения скважин и горных выработок (шурфов). Обычно на каждом берегу перехода закладывают по одной скважине, глубиной не менее 15 метров; в русле закладывают одну две скважины для средних мостов, а для больших мостов выработки задаются через 100 м при той же глубине бурения, считая от дна реки. При неблагоприятных условиях число скважин и глубина бурения увеличиваются. Скважины и горные выработки должны быть координатно привязаны (с помощью электронных тахеометров или приёмников ГНСС) и нанесены на планы. В результате составляется продольный инженерно-геологический продольный профиль мостового перехода и поперечные геологические разрезы основания каждой опоры и береговых устоев моста. При наличии материалов фотосъемки прошлых лет выполняется инженерно-геологическое дешифрирование аэроснимков, при котором устанавливают общие ландшафты и геологические закономерности, исследуют под стереоскопом крупные формы рельефа, растительный покров, изучают микрорельеф и различные компоновки природной обстановки. В предгорной обстановке по аэроснимкам точно фиксируются конусы выноса, узкие ложбины и неглубокие долины. Водопроницаемость пород устанавливают по цвету грунта или растительности: сухие грунты имеют светлые тона, увлажненные – темные. Граница хорошо дренирующих грунтов на снимке изображается четко, плохо дренирующих – нечетко [83].
Места появления и границы распространения эрозии, оползней, карста, абразии можно определить на аэрофотоснимке по образованию специфических мезо- и микроформ рельефа. Различные эоловые и гравитационные процессы (дюны, осыпи, обвалы, барханы) дешифрируются на аэроснимках с точностью, не уступающей наземным способам определений.
Сведения о форме и размерах затопляемой части долины, ее типе можно получить по характеру растительности (луговая, кустарниковая, заболоченная). Общие особенности речной долины (поймы) в значительной мере определяет характер русла реки. В большинстве случаев очертания русла в плане и русловые образования дешифрируются на аэроснимках по прямым дешифровочным признакам. Глубокий темный тон водной поверхности, изобразившийся на снимке, свидетельствует о большой глубине водотока, малом содержании взвешенных частиц в водном потоке и темной окраски дна. Серые и светло-серые тона изображения на аэроснимке водотока свидетельствуют о большом содержании наносов, малой глубине и светлой окраске донных отложений (песок, мелкая галька).
При слиянии потоков различной мутности граница раздела двух водотоков выделяется на аэроснимке различным тоном изображения поверхности воды. Чем больше скорость течения, тем структурнее изображение на снимке водной поверхности. По характеру изображения поверхности воды можно приближенно судить о диапазоне скоростей течения и распространения их по руслу.
Различные русловые образования – отмели, косы, выражаются в виде светлых полос на общем темном или сером фоне поверхности воды. Порожистые участки определяются по вспененным полосам на поверхности воды. Хорошо опознаются на аэроснимках водопады. На основании геологического дешифрирования аэрофотоснимков удается четко определить и разграничить грунты трех категорий – песчаные, глинистые и каменистые.
Высоту берегов над урезом воды и их крутизну определяют по стереомодели на фотограмметрических приборах, рассмотренных в разделе 2.1. Берег, подмываемый рекой, дешифрируется по изломанным очертаниям береговой линии и её значительной крутизне. В залесенной местности подмываемый берег определяется по упавшим в воду деревьям и характеру их произрастания. Общий характер меандрирования русла может быть определен на основе дешифрирования микрорельефа пойменной части.
При мониторинге объектов железных дорог для определения термокарстовых явлений (рисунок 4.2) с помощью методов ДЗЗ на РЖД разрабатывают программные комплексы, позволяющие получать и дешифрировать различные геологические процессы и явления [149].
4.2 Геодезическое обеспечение строительства опор мостов
Первым видом работ в технологической цепочке строительства мостов является сооружение искусственного островка для возведения опор мостов. В нормативной и научной литературе вопросы точности выноса островка в натуру и способы осуществления разбивки освещены недостаточно. В справочнике [174] приводится точность разбивки в плане 1:3 000, а по высоте 1 см (для насыпей), предельная погрешность в определении объёма земляных работ 10 %. В СНиПе 3.02.01 – 87 для разбивки насыпей приведены предельные ошибки в плане ±15 см, по высоте ± 5 см. В работе [175] указано, что объём земляных масс находится с погрешностью 5–8 %, а, следовательно, предельные ошибки составят 10–16 %.
В книге [28] отмечено, что подсчёт объёмов земляных работ производится с предельной ошибкой 11–12 % (от всего объёма). Неумывакиным Ю.К. отмечает, что на стадии рабочих чертежей предельная погрешность в подсчёте объёмов земляных работ составляет 10 % [97]. При этом выполненное им исследование по экспериментальным данным при определении объёмов земляных работ для колодцев канализационных коллекторов дало предельную ошибку в 20 %.
Размеры искусственного островка определяются габаритами опор и для большинства мостов не превышают в диаметре 10 м, за исключением внеклассных мостов [160, 180]. Существующие допуски на разбивку достаточны с позиции точности.
Однако необходимо исследовать точность разбивки относительно её влияния на точность определения объёмов земляных работ. Увязка точности разбивки с точностью определения объёмов земляных работ выполнена автором в работе [109].
Искусственный островок до 4м по высоте может возводиться без ограждения, а свыше 4м его сооружение должно выполняться под защитой шпунтового ограждения [34]. При ограждении тело островка будет иметь форму цилиндра (рисунок 4.3), а без ограждения – форму усечённого конуса (рисунок 4.4).
СКП разбивки островка с использованием шпунтового ограждения вычисляется по формуле
СКП разбивки островка без ограждения находят по формуле
СКП плановой и высотной разбивки искусственных островков для строительства опор мостов в зависимости от высоты показаны в таблице 4.1. При этом точность угловых измерений рассчитывалась для способа прямой угловой засечки.
Т а б л и ц а 4.1 – СКП разбивки искусственного островка
Таким образом, чтобы обеспечить величину СКП определения объёма, составляющую 5 % от объёма земляных работ при сооружении искусственного островка, следует пользоваться значениями погрешностей, приведенными в таблице 4.1 или рассчитывать их по формулам (4.1) и (4.2) для каждого конкретного случая разбивки.
Следующим объектом геодезического контроля является опоры мостов. В настоящее время в РФ значительная часть фундаментов мостов возводятся из металлических и железобетонных свай – оболочек (извлекаемых и не извлекаемых). Причём диаметр оболочек варьируется от 0.8 м до 10 м. Рассмотрим технологию работ при строительстве мостов с применением опор в виде свай-оболочек [171].
Секции оболочек соединяют между собой при помощи специальных фланцевых стыков на болтах, фланцевых с нарезными наконечниками, сварных с кольцевидными патрубками.
Перед погружением оболочки доставляют к месту работ, где устанавливают в требуемое положение, а при малой глубине погружения оболочки рекомендуют предварительно собрать на полную их длину и в таком виде доставить к месту работ. Такой способ упрощает технологию погружения, особенно если оболочки погружают с закрытым концом или с непрерывным извлечением грунта эжекторами, но при этом необходимо использовать краны значительной грузоподъёмности. Секции оболочек среднего и большого диаметров наращивают по мере погружения.
Перед установкой каждой секции убирают вибропогружатель вместе с наголовником. При этом извлекают грунт из полости оболочки. Секции оболочек больших диаметров (более 4 м) весом 20-35 т доставляют к месту работ, как правило, с помощью плавучих кранов. При наличии мощных кранов удается предварительно укрупнить до трех секций общим весом до 70 т. При глубине воды, превышающей 12-15 м, общий вес всех собранных секций в пределах глубины воды даже с учетом из взвешенности в воде может значительно превышать грузоподъемность кранов. Такую оболочку опускают на дно при помощи тросов и полиспастов, прикрепленных к установленным на плашкоутах башенным подмостям из инвентарных элементов и к ножу оболочки. Тяжелые оболочки погружают на дно, придавая им плавучесть с помощью устройства временных днищ или потолков. При этом используют рельеф дна водоема для того чтобы последовательно наращивать секции плавучим краном. Затем необходимо переместить собранную часть оболочки под водой.
Разработка и извлечение грунта из полости оболочек является одной из основных технологических операций, которые определяют общие сроки сооружения фундамента.
Извлекают грунт из оболочек эжекторами, в ряде случаев это делают не периодически, а непрерывно в процессе погружения оболочки. При этом гибкие трубопроводы пропускают в отверстия, образованные в стенках наголовника. Так как скорость погружения оболочки и скорость извлечения грунта из ее полости не одинаковы, необходимо предусматривать приспособления, позволяющие перемещать эрлифт относительно оболочки и закреплять его в требуемом положении.
При возведении уникальных мостов, например через бухту Золотой Рог, для контроля пространственного положения опор применяют системы, состоящие из приёмников ГНСС, электронных тахеометров, датчиков наклона (инклинометров) [98, 136]. Весь комплекс оборудования и программное обеспечение позволяют практически в режиме реального времени определять координаты точек объекта. Такое дорогостоящее оборудование применяется, как правило, при строительстве внеклассных мостов. Поэтому для геодезического контроля больших, средних и малых мостов необходимо разрабатывать способы контроля, позволяющие получать оперативную информацию, обрабатывать её и принимать инженерные решения для корректировки планово-высотного положение опор мостов. При этом следует учитывать технологию строительства фундаментов с применением свай – оболочек и современные методы производства геодезических работ.
Классические методы разбивки опор мостов изложены в работах [29, 81, 82, 94, 150]. Однако в связи со спецификой сооружения опор с использованием свай – оболочек большого диаметра применение известных способов либо невозможно, либо неэффективно. Поэтому возникла необходимость разработки нового способа разбивки цилиндрических оболочек. Такой способ разработан автором, и его суть изложена в работах [112, 128]. Основные положения данного способа предложены автором при работе над кандидатской диссертацией, однако к настоящему времени значительно изменились технологии строительных работ и методы геодезических измерений. Значит, методика производства работ должна тоже быть изменена, чем подтверждается полученный автором патент на изобретение [141].
Разработанная система разбивки включает построение опорных точек разбивочной сети, определение координат стандартных точек и вычисление разбивочных углов. Для её выполнения предварительно маркируют восемь контрольных точек (рисунок 4.5), расположенных на внешней и внутренней поверхности сваи-оболочки. Количество точек выбрано оптимальным, с учетом нескольких критериев: конкретного расположения на оболочке технологического оборудования; надёжного контроля оболочки в самых неблагоприятных условиях размещения геодезических пунктов; определения вертикальности оболочки.
При подготовке разбивочных данных проектные координаты контрольных точек находят по формулам:
Технологический процесс геодезического контроля положения сваи – оболочки или секции оболочки состоит в следующем:
а) определяют местоположения центра опоры и контрольных точек (т.1 – 8) с применением электронного тахеометра или приёмника ГНСС (в режиме RTK). После чего закрепляют точки на островке с помощью шпунтов:
б) монтаж сваи-оболочки начинают с установки в плане опорного кольца, путём совмещения контрольных точек на поверхности оболочки и искусственном островке. Контроль над установкой опорного кольца осуществляется с п. А, находящегося на оси мостового перехода, а в случае отсутствия видимости – с центра уже возведённой опоры. При изготовлении оболочек следует на поверхности колец предусмотреть крепления для установки отражателей.
в) определяют координаты точек и выполняют уравнивание, которое проводят на месте производства работ на компьютере. При этом оператор (геодезист, мастер) может в реальном режиме времени принимать решение по корректировки планового положения конструкции.
Отличительными признаками возведения опор мостов с применением железобетонных или металлических свай – оболочек является то, что они обладают достаточной жёсткостью. Значит, их можно считать условно недеформируемыми. В данных условиях особое значение приобретает определение положения осей этих колец, то есть – определение координат пересечения главных осей колец и их разворота относительно проектного положения, так как на цилиндрических кольцах расположены различные вставки, опорные для установки площадки вибропогружателей и т.д.
Вопросу оптимального положения осей инженерных объектов разной формы (круглой, сферической, прямоугольной) посвящено большое количество работ в геодезии. Предложенный способ позволяет упростить алгоритм оптимизации и корректно решить проблему для производства.
Для контроля определения координат главных осей оболочки, оценки точности и для принятия решений по корректировки местоположения конструкции автором разработана автоматизированная система контроля на ЭВМ. Алгоритм этой системы показан на рисунке 4.6.
Последовательность операций при выполнении методики контроля планового положения выполняется в следующем порядке. После погружения свай – оболочек до проектной отметки геодезическими средствами измерений (тахеометром) определяют фактические координаты точек (1ф|–8ф).
На каждой из полученных точек в режиме визуального изображения на компьютере выполняется построение эллипса СКП, элементы которого рассчитывают по известным формулам [68]:
Затем оператор в режиме графического изображения выполняет перемещение (вписывание) проектной окружности при условии, что все восемь точек не выходят за пределы эллипса ошибок и получают новые уравненные координаты точек (1ф–8ф). Затем оператор в режиме графического изображения выполняет перемещение (вписывание) проектной окружности при условии, что все восемь точек не выходят за пределы эллипса ошибок и получают новые уравненные координаты точек (1ф–8ф).
Также в качестве дополнительного критерия следует принимать минимальное отклонение центра оболочки от проектного положения. В результате этого появляется возможность определения величин (К1 – К) – смещения точек.
Таким образом, определяют разворот осей и смещение центра оболочки относительно проектного положения. Вычисление общего смещения центра оболочки производят по формуле
Оценку точности при нахождении смещения центра оболочки и разворота осей выполняют по формулам расчёта СКП общего вида, принимая во внимание то, что ошибки величин и будут зависеть от ошибок x и определения координат стандартных точек
Такой вид контроля применяют при завершении определённого строительного этапа или мониторинге деформаций при испытаниях мостов. Для текущего (операционного) контроля при монтаже элементов конструкций применяют электронные тахеометры и другие средства измерений.
Наиболее технологичным в условиях применения свай – оболочек является способ бокового нивелирования с созданием параллельной плоскости последовательными приближениями [9, 197].
Рисунок 4.7 – Геодезический контроль опор мостов с применением
приёмников ГНСС
При невозможности установки реек на контрольные точки целесообразно использовать методику ориентирования прибора, предложенную в работе [47] (рисунок 4.9).
Угол поворота g до направления, параллельного оси, будет равен
В настоящее время в практике мостового строительства наблюдается стремление унифицировать допуски. Это приводит к тому, что не учитываются конструктивные особенности сооружений, силовая схема несущих элементов и т. д. Для этого и необходимо включение в проект производства работ проекта производства геодезических работ, где на основе теории размерных цепей выполняют все необходимые расчёты точности и определяют методы производства геодезических работ.
По поводу точности геодезических измерений в строительстве единого мнения нет. Это связано с тем, что существуют противоположные подходы к решению задачи. Часто точностные параметры определяют в долях допуска замыкающего звена размерной цепи, хотя разбивку выполняют для реализации каждого составляющего звена. Поэтому необходимая точность геодезических работ должна быть определена в долях допуска составляющего звена размерной цепи.
В основу метода расчёта точности геодезических разбивочных работ положены следующие принципы:
– установление равных коэффициентов соотношения ошибок технологических процессов (принципы равного влияния);
– установление минимальных ошибок геодезических разбивочных работ (принцип ничтожного влияния).
Наиболее приемлемым для расчёта необходимой точности геодезических разбивочных работ следует признать «принцип равного влияния» с обязательным учётом коррелированности ошибок технологических процессов. В случае необходимости можно внести впоследствии коррективы в результаты расчёта так, чтобы значение допуска оставалось неизменным.
При расчёте размерных цепей используют теоретико-вероятностный метод [177, 181]При этом суммарный допуск определяют по формуле
оболочки. Результаты расчётов показаны в таблице 4.2.
Т а б л и ц а 4.2 – Допуски при строительстве мостов со сваями-оболочками
Полученные допуски на геодезические разбивочные работы, сравнимые с допусками на разбивочные работы при возведении зданий и сооружений, регламентированы ГОСТ 21779–82.
Определим класс точности на конкретные виды геодезических работ при строительстве опор мостов с применением свай – оболочек. Детальный расчёт точности выполнен автором в монографии [120].
При возведении сооружений точность разбивочных работ регламентируется технологическими допусками: разбивки точек и осей в плане; передачи точек и осей по вертикали; разбивки высотных отметок; передачи высотных отметок. В мостостроении будут следующие классы точности:
а) разбивка точек и осей в плане – 4, 5;
б) передача точек и осей по вертикали –4-6;
в) разбивка и передача высотных отметок – 4-6.
Основываясь на полученных данных, проведём проверочный расчёт размерной цепи для мостов на основе прямой задачи, в которой при известных значениях технологических допусков определяется функциональный. После этого определим собираемость опор мостов с применением свай – оболочек большого диаметра.
Для расчёта точности принимаем линейную размерную цепь, в которой её составляющие соосно располагаются на одной линии (ось опоры). В качестве исходного звена (базы) принимаем опорное кольцо оболочки.
Для расчёта плановой размерной цепи в качестве замыкающего звена принимаем смещение оси в уровне подферменной площадки, а для расчёта высотной размерной цепи в качестве замыкающего звена берется допуск на определение отметки подферменной площадки.
Суммарный строительный допуск определяется известным выражением
Соответственно уравнение допусков для технологических операций имеет вид:
В результате расчёта размерных цепей для строительства опор мостов с применением свай – оболочек большого диаметра и согласования точностей геодезических работ можно сделать следующий вывод. Принятые геодезические способы разбивки опорных колец, способы контроля положения контрольных точек, способы контроля взаимного положения и вертикальности конструкций научно обоснованы и достаточны с позиции точности.
После возведения опор мостов устанавливают пролётные строения.
В настоящее время применяют следующие способы монтажа пролётных строений:
– полунавесной с пригрузом;
– навесной уравновешенный;
– продольная надвижка.
Выбор способа монтажа зависит от местных условий, конструкции моста, размеров и массы пролётных строений, имеющегося монтажного оборудования. В соответствии со способом монтажа назначается методика проведения геодезических работ, целью которых является обеспечение установки пролётных строений в проектное положение и поэтапный контроль монтажа [29, 69].
При навесной сборке особое значение придаётся контролю осадки временных опор и подмостей, так как чрезмерные взаимные отклонения секций пролётного строения приводят к перераспределению усилий в конструкции и как следствие потерю несущей способности. Неравномерная осадка временных опор затрудняет сохранение строительного подъёма без проведения дополнительных работ по его обеспечению.
В процессе монтажа с помощью геодезических средств измерений контролируют положение монтируемой консоли в пространстве. При этом тахеометр может быть установлен в центре опоры или вне моста. В данном случае эффективно применение лазерного теодолита (ЛТ), рассмотренного в разделе 1.3, так как прибор позволяет задавать различно ориентированные лазерные плоскости в пространстве.
После приведения консоли в проектное положение пролётное строение освобождается от временных опор и опускается на опорные части. Нивелированием определяют остаточный строительный подъем, по которому судят о качестве монтажа.
При навесном уравновешенном монтаже осуществляют контроль положения наращиваемых консолей с помощью т тахеометра, установленного на опоре или на смонтированной части пролётного строения. Наблюдение ведут за створностью, неизменностью контура и положением уравновешенных консолей по высоте.
При продольной надвижке пролётного строения ведут контрольные измерения за створностью поясов относительно опорных частей и за перемещением по вертикали, выдвинутой в пролёт консоли с аванбеком.
Остаточный подъём установленного на опорные части пролётного строения определяется с помощью нивелира или тахеометра после демонтажа накаточных устройств. В дальнейшем выполняется исполнительная съёмка, по результатам которой решается вопрос сохранения или исправления плана и профиля пролётного строения.
4.3 Контроль вертикальности опор мостов и транспортных объектов
При возведении мостов и транспортных объектов важным элементом контроля является определение крена сооружений. Крены (наклоны) сооружений определяют различными способами. Выбор наиболее оптимального способа зависит от технических параметров сооружения, условий местности и предъявленных требований к точности работ.
Крен можно определять с помощью механических отвесов, оптических центриров, инклинометров, а так же из различных геодезических построений с использованием высокоточных геодезических приборов теодолитов и тахеометров [19, 154]. В настоящее время в геодезическую практику активно внедряются наземные системы наземного лазерного сканирования [96, 200]. Автор работы имеет опыт применения лазерного сканера фирмы Leica Scan Station 2. С его помощью можно определять практически все геометрические параметры, однако использование сканера имеет ряд недостатков: невозможность работы при отрицательных температурах, ограничения расстояния до объектов (до 350м), длительная камеральная обработка (по отношению к полевым работам). Поэтому на данном этапе для производственных задач требуется разработка методов позволяющих оперативно определять геометрические параметры и проводить непрерывный геодезический контроль.
При использовании прямых отвесов нить подвешивается к верхней части конструкции, а отклонение её частей от вертикали фиксируют при помощи отсчётных устройств. Общий крен можно определить по отклонению отвеса от центра сооружения в его основании. Этот способ обеспечивает требуемую точность при высоте сооружения до 15 м.
Известен способ определения крена, основанный на применении приборов вертикального проектирования, когда применяют различные оптические приборы с уровнями или зенит – приборы с компенсаторами, автоматически приводящими визирную ось в вертикальное положение. Такие приборы позволяют определять крен для сооружений высотой до 100 м с ошибкой в 1–5 мм. При использовании лазера в качестве источника излучения в зенит приборах диапазон измерений существенно увеличивается.
К геодезическим методам определения крена относят способы координат, вертикального проектирования, горизонтальных углов, горизонтальных и вертикальных углов, высокоточного нивелирования.
При определении крена способом координат вокруг сооружения прокладывают замкнутый полигонометрический ход из 3–5 пунктов и в локальной системе вычисляют их координаты. С пунктов полигонометрии через определённые циклы методом прямой угловой засечки определяют координаты хорошо видимых, точек на вершине сооружения. По разностям координат этих точек между начальными и текущими циклами находят составляющие крена за данный промежуток времени и по ним определяют полную величину и направление крена.
В способе вертикального проектирования закрепляют постоянными знаками два пункта, расположенных на взаимно перпендикулярных осях сооружения. На эти пункты устанавливается тахеометр с помощью которого проецируют заметную или замаркированную точку на верху сооружения вниз на основание сооружения, где точка фиксируется на специальной закреплённой рейке или палетке. Из разностей проекций наблюдаемой точки по циклам находят составляющие и величину полного крена.
Наиболее распространённым при определении крена является способ горизонтальных углов, когда от опорных направлений с двух пунктов, расположенных на взаимно перпендикулярных осях, измеряют горизонтальные углы между опорными направлениями и наблюдаемыми точками на верху сооружения. По разностям горизонтальных углов и горизонтальным проложениям находят составляющие крена и его полную величину [123, 196].
В способе горизонтальных и вертикальных углов с опорного пункта измеряют горизонтальные углы между направлением на центр сооружения и замаркированными верху точками и вертикальные углы на них. По полученным горизонтальным и вертикальным углам, а также высоте наблюдаемой точки над горизонтальной плоскостью, проходящей через ось вращения зрительной трубы теодолита по тригонометрическим формулам, вычисляют составляющие крена и крен сооружения [151, 159].
Для определения крена при подъёме и выравнивании зданий в работах [22, 23] приводится оригинальная технология. Данная методика предназначена для высотных зданий и имеет сложный математический аппарат.
При определении геометрических параметров (в том числе крена) пилона моста через бухту Золотой Рог использовали комплексную систему, включающую применение электронных инклинометров, тахеометров, приёмников ГНСС фирмы Leica [132]. Эта трудозатратная и энергоёмкая технология, которую следует применять при строительстве уникальных объектов.
При строительстве опор мостов на сваях – оболочках необходимо, чтобы процесс определения крена был частью операционного контроля и проводился совместно с контролем планового положения.
Для этих целей автором был разработан способ определения крена по разности вертикальных углов [99, 110].
Обычно крен принято выражать линейной или угловой величиной. Под угловым выражением крена (на рисунке 4.11 это угол ) понимается угол, на который отклонена вертикальная ось сооружения. Линейным выражением крена является величина смещения наблюдаемого в верхней части центра сооружения при его проецировании на горизонтальную плоскость в основании сооружения.
В работах автора, в том числе и в патенте на изобретение [142] введено понятие «высотного» выражения крена, под которым понимается превышения одного края сооружения над противоположным его краем (на рисунке 4.11 это величина K). Точки для определения высотного выражения крена берутся (маркируются) на верхней поверхности сооружения в направлениях продольной и поперечной разбивочных осей сооружения. Высотное выражение крена может, при необходимости, пересчитано в линейное и угловое.
Высотное выражение крена K равно:
Линейное выражение крена составит
где – H высота сооружения.
Метод определения крена по разности измеренных вертикальных углов наиболее эффективно может быть использован для таких сооружений, как цилиндрические оболочки, применяемые при возведении опор мостов и опор крупных портовых сооружений при углах наклона ± 100.
Рассмотрим вывод формул определения крена этим способом на примере цилиндрической оболочки, показанной на рисунке 4.12 и рисунке 4.13.
Высотное выражение крена может быть определено с одного опорного пункта А (рисунок 4.12), расположенного на одной разбивочной оси сооружения АО или с двух пунктов, причём второй пункт В (на рисунке не показан) располагается на линии перпендикулярной первой. Для цилиндрических оболочек измерение разности вертикальных углов проводят по контрольным точкам (1–8). Две пары точек 1–5 и 3–7 совпадают с продольной и поперечной осями сооружения, а остальные пары точек находятся на линиях, расположенных под углом в 45° к осям сооружения. Количество точек определяется техническими данными сооружения и условиями производства работ (обоснование приведено в разделе 4.2).
Точки (1–8) маркируем с возможностью определения их координат. Координаты центров цилиндрических оболочек и контрольных точек получают по формулам (4.3).
Для любого инженерного сооружения выполняются предварительные изыскания, на основании которых составляется технический проект, в котором указаны габаритные размеры, проектные длины и отметки всех основных конструктивных элементов. Для выноса проекта в натуру готовятся разбивочные данные, в которых пред вычисляют величины, необходимые для обеспечения монтажа и определения крена по измеренным разностям вертикальных углов проектные разности вертикальных углов и проектные расстояния.
Проектным положением цилиндрической оболочки будет горизонтальным, при этом замаркированные на её верхней поверхности контрольные точки должны находятся в одной плоскости и иметь одну и ту же проектную отметку.
будут равны. Для пар точек, расположенных на оси X и линиях им параллельным, проектная разность вертикальных углов не будет равна нулю, т.к. расстояния от пункта A до соответствующих пар точек не одинаковы. Проектные разности вертикальных углов для этих пар точек (1–5, 2–4, 8–6) вычисляются следующим образом:
где h – превышения точек над пунктом разбивочной сети;
d – горизонтальные проложения линий между пунктом A и соответствующими замаркированными точками.
Следует отметить, что в случае отсутствия видимости на контрольные точки с пункта A, возникает необходимость вести наблюдения с другого пункта, расположенного перпендикулярно оси. В этом случае алгоритм действий и соответствующие формулы будут аналогичными.
При определении крена по измеренной разности вертикальных углов исключается определение высоты прибора. На точность измерения величины влияют лишь ошибки наведения на цель (визирования) и точность прибора.
СКП определения составляющих крена получим, продифференцировав формулы (4.20) по переменным , и перейдя от дифференциалов к погрешностям по правилам функции общего вида:
В разработанном способе поправкой за кривизну Земли и рефракцию можно пренебречь, т.к. измеряются не превышения, а разность превышений. Также измерения проходят на одной высоте над поверхностью и за короткий временной интервал.
При погружении цилиндрических оболочек большого диаметра в процессе возведения мостовых опор возникает необходимость не только определять, но и оперативно устранять крен. В этом случае значение угловой и линейной величин крена не содержит информации, позволяющей устранять крен, и только полученная величина крена в высотном выражении позволяет рассчитать усилия вибропогружателей, установленных на верхней поверхности оболочки, и оперативно устранить крен.
Для практического применения разработана программа, позволяющая выполнять графическое представление по определению крена в среде AutoCAD. В режиме реального времени можно определить величину крена и его направление путём измерения расстояния от ближайшей контрольной точки до вектора – направлении, которое фиксируют на поверхности оболочки и тем самым устанавливают точку приложения усилий в случаях, когда крен требуется устранить (рисунок 4.14).
В мостостроении при сооружении опор в некоторых случаях существует возможность определять крен с двух станций. С двух взаимно перпендикулярных направлений определяется крен и для наземных сооружений цилиндрической формы (рисунок 4.15).
Предварительно необходимо вынести на местность и закрепить т. В по горизонтальным проложениям и проектным углам.
Необходимо отметить, что рассмотренная методика определения крена по измеренной разности вертикальных углов может видоизменяться. Например, наклонные расстояния могут не вычисляться, а измеряться непосредственно на местности тахеометром работающем в без отражательном режиме.
Способ определения крена по измеренной разности вертикальных углов, может применяться и для контроля пространственного положения различных объектов, входящих в полосу отвода автомобильных и железных дорог. Рассмотрим использование данного способа для оперативного определения крена сооружений башенного типа.
Под сооружениями башенного типа (как элементов инфраструктуры ТК) понимаются сооружения, имеющие форму усечённого конуса, такие, например, как градирни и дымовые трубы ТЭЦ, сооружения линий связи (башни и мачты). Крен таких сооружений вызывается неравномерными осадками фундаментов, ветровыми нагрузками и другими природными факторами [41].
Так же в случае отсутствия пунктов опорной разбивочной сети, вместо опорного пункта A можно определить произвольную точку и производить измерения с этой точки, а также с точки, расположенной на взаимно перпендикулярном направлении.
Крен сооружений башенного типа определяют такими способами, как координат, горизонтальных углов, зенитных расстояний, вертикального проектирования, механические методы с использованием кренометров. Известные способы характерны большим объёмом работ. Предлагаемый автором [99, 130] способ определения крена по измеренной разности вертикальных углов обеспечивает необходимую точность и менее трудоёмок. Особенно он эффективен при использовании тахеометра, работающего в без отражательном режиме.
Работа по определению крена предлагаемым способом начинается с выбора произвольной точки A, с которой была бы прямая видимость на сооружение, для которого определяется крен, и на сектор, расположенный под углом в 45° от начального направления AO (рисунок 4.16) в правую или левую сторону.
Для оперативности выполнения работ и контроля измерений следует добиться равенства расстояний LАВ=LАО=LВО (в тахеометре перевод наклонных расстояний в горизонтальные проложения осуществляется в программном меню).
Дальнейшие вычисления выполняются аналогично рассмотренной выше методики в соответствии с формулами (4.20) и (4.25). При этом измерения выполняют на разных высотных горизонтах.
Общая величина высотного выражения крена Кh находится по формуле (4.21).
Угловая величина крена вычисляется как:
Рисунок 4.16 – Схема по определению крена сооружений башенного типа
H– высота сооружения (от основания до наблюдаемого пояса).
Оценку точности результата определения 
определяют так:
Недостатком следует считать то обстоятельство, что высотная величина крена определяется по малым величинам горизонтальных осей (диаметра) сооружения, особенно по верху конструкции, поэтому величины крена выражаются малыми числами, а при перевычислении их в линейную величину крена их численное выражение увеличивается на порядок, естественно увеличивается погрешность определения.
Поэтому важна выработка методики наблюдений и расчёт необходимой точности измерений для каждого типа сооружений.
Рассмотрим возможность применения предложенного способа для определения крена дымовых труб ТЭЦ. Для необходимых расчётов примем следующие нормативные допуски [71]:
– предельная погрешность измерений для дымовых труб не должна превышать 0,0005H, где H – высота сооружения;
– предельные относительные значения кренов для дымовых труб высотой до 100 м – 0,005, а высотой от 100 до 300 м – 1,2H;
– предельная погрешность определения крена при H до 300 м – 50 мм (для способа координат, направлений с одного пункта) и 30 мм (для способа горизонтальных направлений), приведены в работе [41];
– предельная разность отметок смонтированных поясов не должна превышать величины 0,00067H, но не более 5 мм.
Выполним расчет точности работ по определению крена для многоствольной дымовой трубы с железобетонной оболочкой [75], имеющей следующие технические характеристики: высота трубы – 250 м, диаметр отверстия по верху трубы – 16 м, диаметр трубы по низу – 26,9 м.
Примем предельную ошибку определения высотной величины крена по базовому допуску 0,0005H, получим допуск на определение крена по верху трубы 8 мм.
Для обеспечения этого допуска по формуле (4.27) рассчитаем СКП измерения разности вертикальных углов, приняв mh = 4 мм, расстояние от тахеометра до сооружения L = 250 м, = 100². Получим = 3,5²; предельную 7², что вполне обеспечивается современными тахеометрами.
При измерениях разности вертикальных углов по среднему и нижнему поясам трубы в связи с увеличением базы измерений (диаметра трубы) необходимые точностные характеристики увеличиваются = 6² (для нижнего пояса).
Определяемые величины составляющих крена помимо погрешностей геодезических измерений будут содержать погрешности изготовления и монтажа поясов, которые в качестве систематической части войдут в общую ошибку нахождения крена, и будут характеризовать не параллельность наблюдаемых поясов. Предельный допуск точности монтажа поясов труд составляет 5 мм, а СКП за не параллельность поясов не должна превышать 1/5 СКП определения крена.
Однако в реальных условиях длительной эксплуатации дымовых труб целесообразно ошибку за не параллельность наблюдаемых поясов выявить и исключить из результатов определения составляющих крена. Величину ошибки Dh можно взять из результатов исполнительной съёмки или вычислить по имеющимся отсчётам по вертикальному кругу прибора и горизонтальному проложению d до наблюдаемых точек. Определение не параллельности поясов поясняется на рисунке 4.17, где Dh – разность отметок между поясами в наблюдаемых точках, или разность превышений, вычисляемая по формуле
Таким образом, предложенный способ определения крена по измеренной разности вертикальных углов может применяться при наблюдениях за креном дымовых труб ТЭЦ, а также других сооружений башенного типа при предрасчёте точности для каждого типа сооружений.
При этом следует иметь в виду тот факт, что точность определения рассматриваемым способом ухудшается с увеличением высоты сооружения и уменьшением диаметра по верху сооружения.
Проведённые расчёты дают высокую точность определения крена при диаметре по верху сооружения не менее 10 м и при высоте сооружения до 100 м.
Поэтому способ определения крена по разности вертикальных углов для сооружений башенного типа не может быть рекомендован для сооружений большой высоты и малого диметра сооружения вверху, а может эффективно применяться при высоте сооружений до 100 м и диаметре сооружения по верху не менее 10 м, то есть способ применим при соотношении:
При появлении признаков деформаций зданий, выражающихся появлением трещин, осадках частей сооружения, изгибах конструкций, возникает необходимость проведения наблюдений за их динамикой (ростом или затуханием) с тем, чтобы своевременно разработать и осуществить мероприятия по предотвращению разрушения объекта. Классические и современные методы наблюдений за деформациями инженерных объектов рассмотрены в работах [42, 63, 196] и других.
Достаточно эффективным является методика наблюдений за деформациями транспортных объектов, основанная на измерении разности вертикальных углов, изложенная в работе автора [100]. В предлагаемой методики восстанавливают геометрические оси объекта одним из известных способов. Определяют разности вертикальных углов и наклонные расстояния L (рисунок 4.18), после чего вычисляют превышения между парами точек по формуле
В результате всего комплекса измерений получают построение, аналогичное замкнутому нивелирному ходу. По превышениям определяют осадки сооружения относительно одной из замаркированных точек, например первой. Если есть необходимость в получении абсолютных осадок, тогда замаркированной точке передаётся абсолютная отметка от осадочной марки, заложенной в цоколе здания под замаркированной точкой на верху сооружения и принятой за исходную. Более эффективно рассматриваемый способ проявляется при его совмещении с другими известными способами определения деформаций.
Так при совмещении его с определением осадок фундамента по осадочным маркам, заложенным в цоколе здания, под замаркированными точками методом высокоточного нивелирования возникает возможность вычленить осадку фундамента из осадок всего здания, а также вычислить осадку тела сооружения (рисунок 4.19).
Возможно по тем же замаркированным точкам определить и плановые смещения всего здания или его частей (сдвигов), для чего на указанные точки от твёрдого (исходного) пункта необходимо измерять горизонтальные направления 
или углы с тех же станций, что и при измерении разностей вертикальных углов.
При этом отсчеты на замаркированные точки берут по вертикальному и по горизонтальному кругу тахеометра. Измеренные горизонтальные направления или углы 
будут давать значения по продольной и поперечной осям здания или линиям им параллельным.
При последующих циклах наблюдений выявляются угловые величины продольных и поперечных смещений по соответствующим парам замаркированных точек:
В данном разделе рассмотрим вопросы, которые не достаточно отражены в классических и современных исследованиях, связанных с эксплуатацией транспортных сооружений. При этом для надёжного представления ГПД важно знать и технологию соответствующих гидрологических, геологических и строительных работ.
Определение деформаций земляного полотна
Одним из видов геодезических работ на стадии эксплуатации транспортных сооружений являются наблюдения за деформациями. Деформации сооружений возникают из-за воздействия природных и техногенных факторов, как на основание, так и на само сооружение.
К основным природным факторам следует отнести:
а) способность горных пород к гидрологическим и геологическим явлениям, таким как, например, оползни, просадки, карстовые воронки, сходы лавин и другие явления;
б) пучение при замерзании водонасыщенных и оттаивание мёрзлых лёдонасыщенных пород;
в) изменение гидротермических условий, связанных с сезонными и многолетними колебаниями температуры, влажностью пород и уровнем грунтовых вод;
Основным антропогенным факторами считают:
– влияние нагрузки от сооружений и транспорта;
– изменение несущих свойств оснований в связи с недостаточно правильным устройством дренажа и водоотвода, искусственным понижением или повышением грунтовых вод при проведении строительства и эксплуатации;
– ошибки, допущенные при проведении инженерно-геологических и гидрологических изысканий, изготовлении и монтаже строительных конструкций;
– ослабление основания подземными разработками, приводящее к смещению толщи напластований над выработками или выносу частиц пород в выработанное пространство;
– изменение давления на основание, вызванное сверхнормативной нагрузкой, возведением рядом других сооружений;
– вибрацию фундаментов и оснований в связи с движением транспорта, работой машин и механизмов.
На деформацию сооружения влияют также форма, размеры и жесткость фундамента, распределение статических и динамических нагрузок внутри сооружения.
Перемещение сооружения по высоте называют осадкой, а перемещение его в плане – сдвигом. Основной причиной деформаций сооружений является смещение горных пород в их основании. С целью выявления численных характеристик организуют наблюдения за деформациями.
В некоторых случаях определяются относительные перемещения частей сооружения, измеренные от какой-либо точки этого сооружения.
Результаты наблюдения за деформациями показывают, в какой мере проектные решения оснований и строительных конструкций обеспечивают эксплуатационную надёжность сооружения, а также дают возможность своевременно принимать меры по борьбе с возникающими деформациями и устранять последствия их влияния.
Наблюдениям за деформациями предшествует разработка программы, которая включает постановку задачи, установление мест закладки опорных пунктов, реперов и осадочных марок, а также методику наблюдений с расчётом необходимой точности измерений, календарный план проведения измерений.
Наблюдения за вертикальными и горизонтальными смещениями земляного полотна целесообразно выполнять с пунктов геодезической опорной сети, созданной для выполнения изысканий и разбивочных работ методом проложения магистрального хода электронным тахеометром или с использованием приёмников ГНСС. В случаях, когда пункты ранее созданной сети не сохранились, создаётся новая опорная геодезическая сеть.
Деформационные знаки (марки) размещают на земляном полотне. Количество марок, периодичность и сроки наблюдений согласуются с проектной организацией, выполнявшей проектирование дороги. При определении деформаций земляного полотна на косогоре деформационные знаки необходимо располагать как на земляном полотне, так и на естественной поверхности самого косогора. Разработка выемки на косогоре нарушает естественные условия протекания склоновых процессов, поэтому важно изучение трансформации этих процессов. Изучаются склоновые процессы, как в самой выемке, так и на естественных склонах. Наиболее интенсивное развитие склоновых процессов происходит в период с мая по октябрь. Планово-высотные ходы по деформационным маркам следует прокладывать оперативно, чтобы получать данные как бы одновременные для данного участка косогора и полученные результаты геодезических измерений могли бы быть отнесены к среднему времени.
В летние месяцы наблюдения за деформациями земляного полотна ведут по циклам через два месяца, в остальное время года – через четыре месяца.
Полученную по результатам геодезических измерений деформацию в горизонтальной и вертикальной плоскостях, рассматривая её как непрерывную во времени, можно представить параметрическими уравнениями:
Определённые геодезическими методами координаты деформационных марок искажены погрешностями измерений (допустимыми), поэтому координаты 
необходимо в пределах этих ошибок аппроксимировать гладкими функциями, как правило, полиномами первой, второй и третьей степени. В практической работе вычисление производных по аппроксимируемым функциям V заменяют вычислением соответственно первых и вторых разностей 
по измеренным значениям деформаций в каждой точке земляного полотна и построением соответствующих графиков.
Для наблюдения за оползнями существует много геодезических способов, позволяющих получать абсолютные величины смещений относительно неподвижных опорных пунктов, расположенных вне зоны действия оползня. Точки, по которым ведут наблюдения, закрепляют на местности постоянными знаками в виде врытых в землю деревянных,
металлических или бетонных столбов, имеющих фиксированный центр в верхней своей части.
Основной целью наблюдений является своевременное выявление активизации оползневых явлений путём фиксации микроподвижек и деформаций поверхности склона. Принятие противооползневых мер помогает предотвратить оползень и связанные с ним негативные последствия, поскольку на пологих склонах формирование полной поверхности среза от времени появления микро подвижек составляет не менее трёх-четырёх месяцев.
Основным противооползневым сооружением служит подпорная стенка из железобетонных свай, незначительно выступающих над поверхностью земли. В верхнюю часть свай бетонируют марки или приваривают их к обсадной трубе или арматуре.
Учитывая пространственный характер смещений, различают горизонтальные ΔS и вертикальные ΔZ составляющие смещений. Пространственное смещение ΔР, определяемое для каждого деформационного знака, можно вычислить по известной формуле
По результатам наблюдений за оползнем составляют планы и графики, по которым определяют для массива склона средние величины смещений, их направление и скорость перемещения.
Полный цикл наблюдений за оползнями обычно составляет 1–2 раза в год. Сокращенные циклы наблюдений проводятся между полными циклами наблюдений 4–6 раз в год. Частота наблюдений корректируется в соответствии с колебаниями скоростей оползня, в периоды активизации она увеличивается, а при угасании уменьшается.
Геодезические наблюдения необходимо рассматривать совместно с геологическими и гидрогеологическими данными по оползню, что позволит определить причины оползневых явлений и разработать меры борьбы с ними.
Наблюдения за деформациями мостов включают в себя определения вертикальных смещений (осадок) и измерения горизонтальных перемещений (сдвигов). Важной частью организации наблюдений является размещение опорных геодезических знаков и деформационных марок. Для определения осадок средних и больших мостов обычно закладывают глубинные реперы – по два-три на каждом берегу, что обеспечивает необходимую точность наблюдений и контроль определений.
Испытания мостов
Специальное обследование и испытания мостов выполняют перед сдачей их в эксплуатацию, а также при реконструкции. В своей практической деятельности автор участвовал в испытаниях более 30 мостов в Магаданской области.
В процессе такого обследования проверяют работу конструкций и элементов под действием нагрузки, обнаруживают отступления от проекта и выявляют дефекты. На основе материалов обследования и испытаний делается заключение о возможности сдачи моста в эксплуатацию, максимально возможная грузоподъемность и др.
Обследование моста состоит из освидетельствования и испытания под нагрузкой. По материалам освидетельствования составляют дефектную ведомость и общее заключение о состоянии моста. Испытания моста в зависимости от действующей нагрузки бывают статические и динамические.
При статических испытаниях нагрузки находятся в состоянии покоя. В случае динамических испытаний нагрузку перемещают с различной скоростью либо применяют вибрационную или ударную нагрузку.
При статических испытаниях измеряют деформации, возникающие при работе всего сооружения (общие деформации), или деформации в отдельных частях конструкций (местные деформации). В зависимости от характера измеряемых деформаций применяют различные приборы. Для измерения линейных смешений используют прогибомеры и мессуры; угловые деформации измеряют клинометрами. Для измерения напряжений применяют тензометры. Прогибы и перемещения конструкции могут определяться с помощью различных прогибомеров [109].
Для определения угловых деформаций элементов конструкций моста применяют клинометры, с помощью которых измеряют тангенсы углов поворота сечений балок, прогонов, ригелей и стоек рам, стержней и узлов ферм, арок и сводов.
Динамические испытания мостов производят с целью изучения их работы при динамических влияниях нагрузки (ударной или вибрационной). Для измерения амплитуды вибрирующего элемента пользуются вибромаркой Р. И. Аронова, индикаторами, сейсмическими маятниками, амплитуд измерителями, вибрографами.
При динамических испытаниях моста по нему пропускают с различной скоростью транспортные средства; иногда применяют ударную нагрузку, сбрасывая груз. Удобно для этих целей применять специальную вибрационную машину, которая основана на действии центробежных сил при вращении неуравновешенных грузов.
Для геодезического обеспечения испытаний мостов необходимо создать жёсткую пространственную геодезическую сеть. Для надёжности измерений координаты сети должны быть определены в местной или государственной системе. Геодезические приборы должны располагаться за пределами искусственного сооружения. При динамических испытаниях для определения прогиба рационально использовать приёмники ГНСС в режиме RTK.
Определение деформаций русел
Стекающая по склонам земной поверхности и по русловой сети вода производит работу, часть которой затрачивается на отрыв частиц грунта от общей массы и перенос их вниз по течению. При определённых условиях, например при уменьшении скорости потока, происходит отложение частиц грунта. Процесс разрушения (отделения), перемещения и отложения грунта и горных пород под воздействием двигающейся воды вызывает водную эрозию, которая приводит к деформации русел и пойм рек.
В целях уменьшения деформаций часто прибегают к укреплению русел различных водотоков, однако в практике мостостроения наиболее часто приходится сталкиваться с неукреплёнными руслами. Потоки в таких руслах принято называть русловыми потоками.
Специфическим для руслового потока является взаимодействие потока и русла. Русло управляет потоком, формируя его скоростное поле, а поток влияет на форму русла, производит намывы и размывы и путём переносов вниз наносов сам формирует себе русло, отвечающее его скоростному полю.
Изменение формы русла сравнительно быстро передаётся полю скоростей потока, образование же новых русловых форм под воздействием потока происходит за довольно длительные промежутки времени, следовательно, для выяснения изменений русла необходимо производить наблюдения за большой период времени. Вопросы деформации русел освещены в известных работах, анализ которых рассмотрен в монографии автора [109].
В данном исследовании рассмотрим способ определения русловых деформаций путём построения высотных профилей русла и поймы реки через равные промежутки времени или после гидрометеорологических явлений, особо влияющих на русло формирование ледоходов, сильных штормов, паводков. Обычно строятся три профиля, плановое положение которых можно совместить с положением гидрологических створов, разбиваемых для гидрологических изысканий. Однако при этом необходимо прочно закрепить профили на местности установкой стандартных геодезических реперов или столбов, вкопанных в грунт на глубину до 1 м, положение которых определяется засечкой с помощью электронного тахеометра.
Построение профиля производится по отметкам высот в точках, лежащих на расстояниях, выбираемых в зависимости от ширины русла, то есть протяжённости профилей. При ширине русла до 1 км расстояние между точками не должно превышать 20 м, а в местах предполагаемых опор моста на центральном профиле целесообразно определять отметки через 5 м.
Определение отметок точек производится путём промера глубин потока в каждой точке. При изыскательских работах на реках всегда организуются водомерные посты – сооружения для определения мгновенного уровня реки относительно заранее выбранной уровенной поверхности, называемой нулём водомерного поста. Отметка нуля поста определяется нивелированием уреза воды относительно одной из точек съёмочного обоснования. Высота мгновенного уровня над нулём поста представляет собой срезку уровня.
Имея последовательные во времени профили русла, можно выявить тенденцию русло формирования на данном участке реки или построить математическую зависимость в виде обеспеченности намыва или размыва русла за определённый период; обычно такие зависимости строят на периоды от 1 года до 10 лет. Кроме того, зная изменчивость русла в зависимости от определённых гидрометеорологических явлений, имея расчёты повторяемости этих явлений, можно составить зависимость обеспеченности деформаций русла с учётом ледоходов, ледоставов, половодий, паводков и сильных штормов.
Из сказанного следует, что для построения профилей деформаций необходимо выполнить промеры глубин на профилях в тех точках, отметки которых надо определить, причём промеры необходимо вести как в зимний, так и в летний периоды.
Летний промер производится после полного очищения реки ото льда, в штилевую погоду. Для измерения глубин используется различные электронные эхолоты.
Таким образом, при строительстве мостовых сооружений и, особенно при их проектировании необходимо учитывать возможные изменения речных русел и пойм за период между изысканиями и началом строительства. Поэтому во время изысканий следует весьма тщательно производить наблюдения за деформациями русла и поймы с тем, чтобы выявить тенденцию их изменчивости и предусматривать проведение повторных определений деформаций непосредственно перед началом строительных работ.
Кроме того, необходимо иметь в виду, что по завершении строительства русло реки будет изменено за счёт постройки опор моста, подходных насыпей и струенаправляющих дамб. Поток, проходя через сжатое под мостовое русло, будет обладать повышенной скоростью а, следовательно, и транспортирующей способностью, что приведёт к усилению выноса донных наносов. Это вызовет дополнительный размыв и сократит намыв наносов, если таковой имел место. Этот факт особенно важен при планировании судоходства в районе строительства моста, а также на участках ниже по течению водотока, так как вынесенные из подмостового русла наносы будут осаждаться на некоторых расстояниях от моста, лимитируя возможности прохождения судов со значительной осадкой.
Выводы по разделу:
1) предложена система контроля пространственной информации в мостостроении;
2) разработан и теоретически обоснован способ контроля планового положения опор мостов, возводимых на цилиндрических оболочках большого диаметра. Доказана его производственная эффективность на основе детального расчёта точности;
3) разработан способ контроля вертикальности опор мостов по измеренной разности вертикальных углов, повышающий производительность труда. Введено понятие «высотное выражение крена», под которым понимается возвышение одного края сооружения над другим. Это значение необходимо для установления реальных величин корректировки инженерных объектов;
4) исследовано применение способа определения крена по измеренной разности вертикальных углов для сооружений башенного типа и при определении деформаций промышленных и гражданских зданий с использованием электронных тахеометров;
5) рассмотрены основные положения при производстве геодезических работ для наблюдений за деформациями земляного полотна, испытания мостов и деформациями русла рек.