Геодезические работы при эксплуатации зданий и сооружений

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине

Геодезия 

Геодезические работы при эксплуатации зданий и  сооружений 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

    Курсовая  работа с.23, 1 рис., 4 табл., 5 источников.

    ДИФОРМАЦИЯ, ОСАДКИ, ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ, КРЕНЫ  И ТРЕЩЕНЫ, РЕПЕРЫ И МАРКИ.

Объектом исследования являются геодезические работы, при  эксплуатации зданий и сооружений.

    Цель  работы – рассмотреть геодезические  работы при эксплуатации сооружений.

Рассмотрены вопросы:

1. Общие сведения о деформациях зданий и сооружений
2. Размещение реперов и марок для наблюдений за осадками
3. Методы определения осадок зданий и сооружений
4. Методы определения горизонтальных перемещений зданий и сооружений
5. Наблюдение за кренами и трещинами зданий и сооружений

Содержание

Введение……………………………………………………………………….......4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

В процессе эксплуатации здания и сооружения подвергаются износу. В результате для многих объектов обязательно необходим  контроль

 Инженерная (или прикладная) геодезия — одно из основных направлений современной геодезии и применяется во время строительства самых различных сооружений, а также при монтажных и ремонтных работах. Инженерная геодезия разрабатывает методику геодезических измерений для изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений, выверки конструкций, наблюдений за деформациями. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Общие сведения о деформациях  зданий и сооружений

1. Виды  деформаций здания.

     Прогиб  и выгиб — зданий возникает в протяженных зданиях и сооружениях, не обладающих большей жесткостью. В случае развития прогиба наиболее опасная зона растяжения находится в нижней части здания или сооружения, при выгибе — наоборот, в верхней части сооружения (рис.1 , а, б)

Рис. 1. Схема прогиба (а) и выгиба (б) сооружения.

Относительный прогиб или выгиб (ƒ/L) здания или  сооружения оценивается отношением стрелы прогиба или выгиба к длине  прогнувшейся части здания и кривизной  изгибаемого участка и определяется по формуле (по пособию к СНиП, 1986; СНиП 2.02.01—83):

где S1 и S3 — осадки в краях фундамента; S2 — наибольшая или наименьшая осадка фундамента;                L — длина фундамента.

     Крен (наклон) — поворот фундамента относительно горизонтальной оси, проявляющийся при несимметричной загрузке основания. Наибольшую опасность данный вид деформации представляет для высоких сооружений (дымовых труб, узких зданий повышенной этажности, многоэтажный дом, башня и др.) характерен для жестких сооружений (рис. 2)

Рис. 2. Крен сооружения.

Крен рассматривается  как разность абсолютных осадок двух точек фундаментов отнесенных к  расстоянию между ними и определяется по формуле:

где S1 и S2 — осадки крайних точек сплошного  фундамента или двух фундаментов;                                         L — длина фундамента.

     Перекос — возникает при неравномерных осадках, приходящихся на небольшой участок длинного сооружения (рис. 3)

           Рис. 3. Перекос сооружения                                     Рис. 4. Схема горизонтального перемещения      

     Горизонтальное  смещение — возникает в фундаментах, в стенах подвалов или в подпорных стенках, при действии на основания горизонтальных нагрузок (рис. 4) 
 

2. Размещение  реперов и марок  для наблюдений за осадками

   С целью  предупреждения и прекращения опасного развития деформаций сооружений по причине деформации их оснований и фундаментов, за техническим состоянием и осадкой фундаментов должны вестись регулярные наблюдения.

Основными видами наблюдений являются:

• визуальные, которые заключаются в наружном осмотре наземных конструкций (1-2 раза в месяц).
• геодезические наблюдения за осадкой фундаментов, с точностью нивелирования третьего разряда.

 Геодезические  наблюдения состоят в периодическом  измерении высотных положений  нивелировочных марок по отношению реперов и в сопоставлении результатов измерений, проводимых в различные периоды времени. Эти работы выполняются в соответствии с указаниями по наблюдению за осадками фундаментов зданий и сооружений. В качестве геодезических знаков, применяемых для измерения осадок и деформаций сооружений методом нивелирования, служат марки и репера.

     Марка — геодезический знак, неподвижно закрепленный на конструкции здания (на фундаменте, стене, колонне), который меняет свое высотное положение вследствие осадки фундамента.

     Репер — геодезический знак, высотное положение которого является практически неизменным на все время измерения осадок.

     Установка марки в кирпичной стене производится следующим образом. В кирпичной  кладке выбивается гнездо на глубину 120 - 150 мм, которое промывается водой и сразу же заполняется цементным раствором; в раствор втапливается стальной уголок ребром вверх под углом 60° к плоскости стены. Полки уголка расклиниваются кирпичным щебнем, втапливаемым в раствор, а поверхность стены в месте установки марки затирается раствором. На открытой части марки, которая окрашивается масляной краской, проставляют ее порядковый номер. При установке марок на стальных колоннах один конец срезается под углом 60° к ребру и приваривается к стволу колонны. При установке марок на железобетонных колоннах вскрывается рабочая арматура и к ней приваривается уголок так же, как и к стальной колонне, после этого защитный слой бетона восстанавливается. При бетонировании сваи в верхний конец ее вставляется стальной анкер с приваренной к нему реперной головкой, которая служит для постановки на нее пяты нивелирной рейки. Марки и репера должны предохраняться от каких бы то ни было нарушений их первоначального положения и от повреждений.

     Наблюдения  за осадками проводятся в следующей последовательности: составляется программа необходимых работ; намечается размещение и нумерация марок на здании и реперов на площадке завода; составляется календарный план нивелирования; производятся нивелировочные работы в соответствии с календарным планом; производится обработка результатов нивелирования с определением размеров деформаций оснований, фундаментов и описанием состояния наземных конструкций здания.

При обработке  результатов нивелирования составляется ведомость отметок марок по определенной форме.

     Для наблюдений за осадкой фундаментов  зданий каркасной системы марки  устанавливаются на колоннах каркаса  по периметру здания и внутри его; расстояние между марками определяется программой наблюдений. У зданий с  несущими кирпичными стенами марки следует размещать по периметру через 15—20 м с обязательной установкой их на углах зданий, в местах примыкания поперечных стен к продольным, у осадочных швов (с каждой стороны шва). При ширине здания более 15 м марки надлежит устанавливать и на продольной внутренней стене и в лестничных клетках.

Репера на площадках  завода должны быть размещены так, чтобы  каждый из них:

• мог служить исходной точкой для наблюдения за осадкой нескольких зданий и находился возможно ближе к маркам (на расстоянии 20 - 100 м)
• находился вне зоны динамических воздействий, вне проездов, складских территорий и оползневых склонов, а также вне той части основания, которая под влиянием давления фундаментов здания может изменить высотное положение репера.

Приближенно число  реперов на одно здание можно определить по формуле:  

N=1,5F,

где F —  площадь здания или сооружения,  в га. 

     На  крупных заводах для наблюдения за осадкой отдельных зданий необходимо иметь не менее двух постоянных реперов, остальные могут быть временными. В качестве временных реперов могут быть использованы рельсы или трубы, забитые в грунт, уголки или штыри, закрепленные в стенах зданий. При каждом нивелировании отметки временных реперов сверяются с отметкой постоянного репера. В период строительства измерение осадок увязывается с окончанием определенных этапов работ (кладка цоколя, монтаж колонн, кладка стен по этажам и т. д.). По результатам измерений строится график роста осадки во времени с учетом возрастания давления на грунт под подошвой фундамента.

После завершения строительства объекта в течение первых двух лет его эксплуатации измерение осадки рекомендуется производить 2—3 раза в год, а в дальнейшем при нормальной эксплуатации — 1 раз в год. 
 
 
 
 
 
 

3. Методы  определения осадок зданий и сооружений

Измерения деформаций зданий и сооружений зданий можно определять:  

• Геометрическим нивелированием
• Тригонометрическим нивелированием
• Гидростатическим нивелированием
• Барометрическим нивелированием
• Микронивелированием
• Фотограмметрическим способом

   Наибольшее  распространение на практике получил способ геометрического нивелирования, путем периодического высокоточного нивелирования осадочных марок. В качестве опорных знаков (высотной основы) служат глубинные реперы. Их закладывают в коренных породах в количестве не менее трех, для того, чтобы в дальнейшем можно было контролировать стабильность их положения по постоянству превышений между ними во времени. 

     Геометрическое  нивелирование — наиболее распространенный способ Его выполняют с помощью нивелира, задающего горизонтальную линию визирования. Сущность геометрического нивелирования (рис. 5) заключается в следующем. Нивелир устанавливают горизонтально и по рейкам с делениями, стоящими на точках A и B, определяют превышение h как разность между отрезками а и b: h = а - b.

Рис. 5. Схема  нивелирования. 

     Тригонометрическое  нивелирование (рис. 6)

выполняют теодолитами  — приборами, позволяющими измерять вертикальные углы. Если с точки А на точку В или с точки В на точку С измерить углы наклона v и определить горизонтальные проложения d то превышения между этими точками можно определить по формуле: 
 

где i — высота теодолита над точкой; v — высота наведения при измерении угла наклона;                               f — поправка за кривизну Земли, выбираемая из специальных таблиц. 

Рис. 6. Схема  тригонометрического нивелирования. 

     Гидростатическое  нивелирование (рис. 7)

основывается  на свойстве жидкостей находиться в сообщающихся сосудах на одном уровне. Превышение h между точками А и В может быть получено как разность отсчетов по шкалам сосудов 2, 3. Как правило, расстояние между точками ограничивается длиной соединительного шланга 1 между сосудами и достигает нескольких десятков метров.

     Достоинство гидростатического нивелирования, применяемого для строительных целей — простота работы, возможность производства работы в тесных местах (комнатах, сооружениях, среди оборудования), быстрота действия. К недостаткам относятся: невысокая точность (±10 мм) и затруднительные работы со шлангами.

Рис. 7. Схема  гидростатического нивелирования. 

     Барометрическое нивелирование основано на свойстве разности воздушного давления в различных по высоте над уровенной поверхностью точках. Нивелирование выполняют барометрами-анероидами или микробарометрами.

     Микронивелирование — использование микронивелирования целесообразно при определении осадок только близко расположенных точек с расстоянием между ними в пределах 1 м. Например, при наблюдении за стабильностью различного рода направляющих и отдельных конструкций (балок, ферм, фундаментов), а также при определении наклонов и деформаций технологического оборудования. Этот метод отличается простотой и высокой точностью процесса измерения.

     Фотограмметрический способ - технология дистанционного зондирования Земли. Фотограмметрический метод применяют при определении вертикального и горизонтального смещений наблюдаемых точек на различных уровнях сооружения в двух и трех координатах. Достоинства фотограмметрии: высокая точность измерений; высокая степень автоматизации процесса измерений и связанная с этим объективность их результатов; большая производительность (поскольку измеряются не сами объекты как таковые, а лишь их изображения); возможность дистанционных измерений в условиях, когда пребывание на объекте небезопасно для человека. 

4. Методы  определения горизонтальных перемещений зданий и сооружений.

   Горизонтальные  смещения сооружений или их отдельных  элементов измеряют различными способами, основными из которых являются: линейно-угловой, створный и стереофотограмметрический. Применяют также прямые и обратные отвесы.

      Линейно-угловые  построения применяют в случае, когда  величины смещений необходимо знать  по двум координатам. Эти построения могут развиваться в виде специальных  сетей триангуляции и трилатерации, комбинированных сетей, угловых и линейных засечек, ходов полигонометрии, сетей из вытянутых треугольников с измеренными сторонами и высотами. Применение того или иного вида построения зависит от характера сооружения и его геометрической формы, требуемой точности и условий измерений целесообразных для данного метода. 

     Метод створных наблюдений 

     Створные  наблюдения широко применяют для  исследования деформаций сооружений прямолинейной  формы, когда смещения достаточно знать  по одному направлению. При этом координатную систему выбирают так, чтобы с направлением смещений совпадала ось ординат, а с направлением створа — ось абсцисс.

     Величины  смещений находятся по разности значений ординат

(нестворностей), измеренных в двух циклах.

     Нестворность  определяют различными методами, из которых

наиболее распространены методы подвижной марки и малых  углов. Для задания створной линии  применяют струнные и оптические способы, а также способы, основанные на принципах физической оптики.

     Струнный  способ предусматривает использование натянутой

стальной струны различного диаметра, оптический — зрительных

труб большого увеличения (теодолиты, нивелиры, автоколлимационные системы, специальные алиниометры).

      В методе подвижной  марки величина нестворности определяется непосредственно. Для этого в точке А (рис. 8) устанавливается оптический прибор, коллимационная плоскость которого ориентируется по марке в точке В и задает створную линию. Подвижная марка, установленная в точке С, вводится в створ. Положение подвижной марки, когда мишень ее находится в створе, фиксируется по отсчетному устройству марки. Если известен отсчет, когда ось мишени совпадает с точкой С, то нестворность может быть вычислена как разность отсчетов при положении марки в точке С и в створе АВ.

     При возможности поворота марки на 180° нестворность может

быть получена как полуразность отсчетов для двух положений марки

при введении ее в створ.

Рис. 8. Определение величины нестворности методом подвижной марки. 

     В методе малых углов нестворность определяется путем измерения малого угла α (рис. 9) между линией створа и направлением на точку С и расстояния S. Величина нестворности вычисляется по формуле:

Рис.9. Определение величины нестворности методом малых углов.  

Для створов  значительной протяженности с большим  числом определяемых точек на створе в зависимости от условий измерений применяют различные схемы (программы) наблюдений. Простейшая из них — схема общего створа, когда нестворности всех точек определяются относительно общего створа между концевыми (опорными) точками створа. 

     Метод отдельных направлений 

     Метод отдельных направлений следует  применять для измерения горизонтальных перемещений зданий и сооружений при невозможности закрепить створ или обеспечить устойчивость концевых опорных знаков створа.

     Для измерения горизонтальных перемещений  методом отдельных направлений  необходимо установить не менее трех опорных знаков, образующих треугольник с углами не менее 30°. Величина горизонтального перемещения q, деформационной марки с каждого опорного знака определяется по расстоянию L, от опорного знака до марки (измеряемого с погрешностью 1/2000) и изменению направления Da, с, между ориентирным знаком и маркой в двух циклах измерений по формуле:

     q = Da * L / r

     где r = 206265"; Da – деформационная марка; L – расстояние 

Величину и  направление горизонтального перемещения  каждой марки допускается определять графически. В случае несовпадения направления вектора горизонтального перемещения с направлением силы, действующей на фундамент здания (сооружения), величину горизонтального перемещения деформационной марки по направлению силы получают как проекцию вектора на направление силы. 

     Метод триангуляции

     Метод триангуляции следует применять  для измерения горизонтальных перемещений  фундаментов зданий и сооружений, возводимых в пересеченной или горной местности, а также при невозможности  обеспечить устойчивость концевых опорных  знаков створа.Величину и направление горизонтального перемещения фундамента (или его части) следует определять по изменениям координат деформационных марок за промежуток времени между циклами наблюдений.Для метода триангуляции допускается принимать условную систему координат. В этом случае оси координат X и У должны совпадать с поперечной и продольной осями здания или сооружения.

Измерение горизонтальных углов необходимо выполнять  с погрешностью, не превышающей приведенной в таблице 1

Таблица 1

5. Наблюдение  за кренами и трещинами  зданий и сооружений

     Наблюдения  за кренами 

     Крен — это вид деформации, свойственный сооружениям башенного типа. Появление крена может быть вызвано как неравномерностью осадки сооружения, так и изгибом и наклоном верхней его части из-за одностороннего температурного нагрева и ветрового давления. В связи с этим полную информацию о кренах и изгибах можно получить лишь по результатам совместных наблюдений за положением фундамента и корпуса башенного сооружения.

     Наиболее  просто крен определяется с помощью  отвеса или прибора вертикального проектирования (оптического или лазерного). Этот способ применяется в основном при возведении башенных сооружений, когда можно встать над его центром.

     В сложных условиях, особенно для сооружений большой высоты, для определения  крена применяют способы: вертикального проектирования, координат, углов и др.

     В способе вертикального  проектирования с двух точек, расположенных на взаимно-перпендикулярных осях сооружения и на удалении от него в полторы-две высоты, с помощью теодолита проектируют определяемую верхнюю точку на некоторую плоскость в основании сооружения

     В способе координат вокруг сооружения на расстоянии, равном полутора-двум его высотам, прокладывают замкнутый полигонометрический ход и вычисляют в условной системе координаты его пунктов. С этих пунктов через определенные промежутки времени прямой засечкой определяют координаты точек на сооружении. По разностям координат в двух циклах наблюдений находят составляющие крена по осям координат, полную величину крена и его направление.

  Способ горизонтальных углов применяют, если основание сооружения закрыто для наблюдений. При этом способе с опорных пунктов, расположенных на взаимно-перпендикулярных осях, периодически измеряют углы между направлением на определяемую верхнюю точку и опорным направлением. По величине изменения наблюдаемых углов и горизонтальному проложению до наблюдаемой точки находят составляющие крена по осям и полную величину крена. 

     Наблюдение  за трещинами 

Систематическое наблюдение за развитием трещин следует  проводить при появлении их в несущих конструкциях зданий и сооружений с тем, чтобы выяснить характер деформаций и степень опасности их для дальнейшей эксплуатации объекта. Для выявления трещин применяют специальные маяки, которые представляют собой плитки из гипса или алебастра. Маяк

крепится к  конструкции поперек трещины  в наиболее широком ее месте. Если через некоторое время трещина появляется на маяке, то это указывает на активное развитие деформации.

     В простейшем случае ширину трещины измеряют линейкой.

Применяют также специальные приборы: деформометры, щелемеры, измерительные скобы.

      При ширине трещины более 1 мм необходимо измерять ее глубину.