Геодезические знаки и их конструкции

Классификация знаков. Для изучения деформаций инженерных сооружений и земной поверхности применяются различные геодезические знаки, конструкции которых зависят от назначения знака, места его установки и способа закрепления, а также возможности его наблюдения. По назначению геодезические знаки подразделяются на опорные, деформационные и вспомогательные, которые, в свою очередь, могут быть плановыми, высотными или планово-высотными. Знаки, закрепляемые на большой глубине, называют глубинными, на расстояниях от поверхности земли, больших, чем глубина промерзания грунта – грунтовыми, устанавливаемые на поверхности сооружения или земли – поверхностными.

Опорные геодезические знаки. Данные знаки служат для сохранения неизменными координат (плановых и высотных) на весь период наблюдений за деформирующимися объектами, т.е. по ним производится сравнение координат наблюдаемых точек в процессе периодических измерений. В связи с этим и требования к установке и закреплению опорных знаков являются весьма жесткими.

Обычно число опорных знаков не менее трех, но для объектов, расположенных на больших площадях, число опорных знаков может быть увеличено для обеспечения зачастую высокой точности измерений. В некоторых случаях вблизи каждого из наблюдаемых сооружений устанавливают отдельный грунтовый опорный знак. Большее число опорных знаков, кроме того, позволяет выполнять оценку устойчивости исходной сети. При обнаружении недопустимых смещений каких-либо опорных знаков за исходный принимается наиболее устойчивый из остальных знаков.

Стабильность положения знаков в плане и по высоте достигается выбором соответствующего места их установки, в связи с этим размещают исходные знаки в местах, не подверженных деформациям: на несмещаемых грунтах, вне зоны оползневых явлений, вне зоны мульды сдвижения и т.п. Установлено, например, что влияние веса возводимого сооружения практически не сказывается на расстоянии от сооружения, равном не менее половины глубины заложения фундамента. Весьма надежным является закрепление опорных знаков в скальных породах, к которым относятся метаморфические, изверженные и осадочные породы.

Глубинные опорные знаки закрепляют, как правило, в коренных и скальных породах. При этом глубина закладки глубинного знака может оказаться очень большой, достигающей десятков метров.

Грунтовые опорные знаки закрепляют на глубине не менее 0,5 м сезонного промерзания грунта в данной местности, либо не менее 1 м ниже глубины сезонного оттаивания грунтов в районах вечной мерзлоты.

Деформационные знаки. Конструкции деформационных знаков определяются их целевым назначением, способом крепления и наблюдения. Эти знаки закладываются непосредственно на исследуемом объекте с обеспечением жесткой связи с самим объектом. Располагают деформационные знаки на характерных точках наблюдаемого объекта, в местах предположительно больших деформаций. Важнейшим требованием к деформационному знаку является его доступность для наблюдений, сохранность на период наблюдений.

Деформационные знаки, как и опорные знаки, могут быть плановыми, высотными и планово-высотными.

Вспомогательные знаки. Вспомогательными знаками закрепляют дополнительные опорные пункты, если по условиям невозможно расположить основной опорный пункт рядом с сооружением. Данные знаки являются связующими для передачи координат и высот от основных опорных пунктов на систему деформационных знаков. Часто информация вспомогательных знаков является важной для исследования состояния массива грунта вблизи сооружения, в связи с чем целесообразно закладывать несколько вспомога-тельных знаков на разных глубинах: от верхних слоев грунтов до границы промерзания (оттаивания) и далее этой границы.

Вспомогательные опорные знаки выполняют только грунтовыми, поскольку требования к их плановому или высотному положению значительно ниже, чем к глубинным опорным знакам.

Плановые знаки. Плановые опорные знаки предназначены для измерения горизонтальных смещений. Закрепление такого знака должно обеспечивать его неподвижность в горизонтальной плоскости. Часто конструкции плановых знаков предусматривают установку на них геодезических приборов или специального геодезического оборудования (угломерных приборов и приспособлений, визирных марок и т.п.). Существуют знаки открытого и закрытого типа. Рабочую часть знака открытого типа располагают на высоте от поверхности земли, удобной для наблюдений. Часто обеспечивают принудительное центрирование геодезического прибора или визирной цели на таком знаке. Знаки закрытого типа находятся практически на уровне земли или несколько ниже, поэтому центрирование на таких знаках выполняют с помощью оптического центрира. Для защиты знака от внешних воздействий рабочую штангу изолируют от грунта обсадной трубой.

Плановые деформационные знаки чаще всего представляют собой визирные марки, цели, устанавливаемые или закрепляемые на сооружении. При использовании съемных визирных целей плановый деформационный знак выполняют в виде втулки (гнезда), в которую с помощью центрировочного приспособления устанавливают визирную цель, либо непосредственно геодезический прибор.

Высотные знаки. Данные знаки служат для сохранения исходной высоты, от которой определяют высоты деформационных знаков в течение продолжительного времени. Высотные опорные знаки изготавливают в виде столбов, труб, натянутых струн. Основание опорного высотного знака закрепляют, в зависимости от его назначения, на какой-либо глубине от поверхности земли. Поскольку на знак, находящийся в различных температурных условиях, может влиять трудно учитываемый температурный режим, то часто высокоточные опорные высотные знаки изготавливают из материала с весьма низким температурным коэффициентом расширения. Чаще всего используют для этих целей инварную проволоку или инварные стержни. Находят применение и биметаллические конструкции компенсационного типа.

Геодезические знаки для локальных наблюдений. Для локальных наблюдений за деформациями (в относительной системе координат, либо непосредственно для визуальной оценки деформаций) используют приспособления (рис. 5), называемые маяками. Часто это гипсовые или алебастровые пластины (плитки), рис. 5а, перекрывающие трещину (работают на разрыв). На алебастровой плитке записывают дату установки (на рисунке показан разрыв плитки, что говорит о продолжающемся процессе деформирования). Можно на маяк нанести риски и раскрытие трещины измерять линейкой по изменению расстояния между рисками.

В других случаях (рис. 5 б) маяки располагают по разные стороны трещины (точки 1 и 2) с устройством приспособлений, позволяющих производить измерение раскрытия трещины (с помощью миллиметровой линейки, штангенциркуля, микрометра, индикатора часового типа и др.). Размещение вокруг трещины треугольника точек (3, 4, 5) позволяет из линейных измерений определить движение точки 3 относительно точек 4 и 5 в плоскости установки, т.е. в двух взаимно перпендикулярных установленных направлениях.

Рис. 5. Маяки

Щелемер – устройство для измерения раскрытия трещины по одному, двум или трем направлениям. Для определения линейных величин раскрытия трещин щелемер снабжается шкалами и отсчетным индексом. Шкала и отсчетный индекс закрепляются по разным сторонам трещины.

Конструкции геодезических знаков. На рис. 6–24 представлены основные конструкции различных геодезических знаков, используемых при создании наблюда-тельной станции для измерения деформаций.

На рис. 6 представлен плановый опорный знак с жесткой консолью. Знак содержит как основной элемент (консоль) трубу 3, на конце которой имеются регулировочные винты 1, необходимые для выведения на рабочую высоту головки 7 консоли (на головку 7 устанавливается геодезический прибор или визирная цель). Защитным кожухом 5 является обсадная труба. Между бетонным основанием 2 консоли и кожухом устанавливают сальники 4, а в верхней части – диафрагму 6 из ткани. Над головкой консоли устанавливают защитный колпак 8. Высота консоли у таких знаков не более 6 м.

Рис. 6. Плановый опорный знак с жесткой консолью

Рис. 7. Плановый опорный знак с гибкой консолью

Знаки с гибкой консолью (рис. 7) по конструкции идентичны знакам с жесткой консолью, но длина консоли у них от 6 до 15 м. В связи с тем, что знаки с гибкой консолью не обеспечивают неподвижность головки 2, то ее крепят на дополнительной (обсадной) трубе 1, а на основной штанге 5 закрепляют центр 4. В этом случае обсадная труба играет роль штатива, а сама консоль остается неподвижной.

Интересна конструкция сухого обратного отвеса (рис. 8), разработанная М.С.Муравьевым, которая часто используется при глубоких залеганиях коренных несжимаемых пород. Для установки обратного отвеса бурят скважину, на дне которой закрепляют конец инварной проволоки 2. В скважину опускают обсадную трубу 1. В верхней части устроена поплавковая камера 4 с кольцевым поплавком 3, к которому прикреплен второй конец инварной проволоки. Под действием выталкивающей силы проволока постоянно находится в натяжении и всегда в отвесном положении, т.е. центр 5 знака всегда находится на одной и той же высоте. Перемещение центра относительно резервуара, измеряемое микрометром, показывает смещение верхних слоев грунта относительно нижних.

Рис. 8. Сухой обратный отвес

Рис. 9. Железобетонный плановый (высотный) знак  

Рис. 10. Конструкция глубинного репера в скальном основании  

В неглубоких по залеганию скальных породах закладывают железобетонные плановые или высотные опорные знаки (рис. 9). Основание 1 знака цементируют в скальных породах. Короб 2 изготавливают из дерева или листового железа. Внутренняя часть заполняется теплоизолирующим материалом для защиты штанги репера от нагрева и суточных колебаний температуры.

Для наблюдений за осадками сооружений устанавливают глубинные (вековые) реперы (рис. 10). Такой репер состоит из реперной штанги 2, состоящей из фрагментов труб, свинченных между собой муфтами. В полость штанги заливают цементный

Рис. 11. Биметаллический репер П.И.Брайта

Рис. 12. Биметаллический репер М.Е.Пискунова

раствор или битум. Нижняя часть штанги закреплена на металлическом башмаке 1, закрепленном, в свою очередь, в коренных породах. В верхнем конце штанги размещена сферическая головка 8. Сравнительно небольшая часть штанги выходит в защитный колодец 7, заполненный теплоизоляционным материалом 6. От грунта штанга защищена обсадной трубой 4. Фиксация штанги относительно обсадной трубы достигается введением деревянных прокладок 10. В нижней части устройства устанавливают сальник 3. Между колодцем и обсадной трубой находится защитный гидропояс 5. Защита устройства от блуждающих токов осуществляется контактом 9, представляющем собой цинковую пластину.

На рис. 11 и 12 приведены схемы биметаллических реперов конструкций П.И.Брайта и М.Е.Пискунова. В конструкции П.И.Брайта используются две штанги 1 и 2, изготовленные из металлов, имеющих значительно различающиеся коэффициенты температурного расширения. Это позволяет находить температурную поправку к высоте репера (для основной реперной штанги). Расстояние между биметаллическими штангами измеряют микрометром. В биметаллическом репере М.Е.Пискунова используются две струны: основная инварная проволока 10 и вспомогательная стальная проволока 3. Обе проволоки крепятся к штоку 1, закрепленному на цементном растворе в основании скважины. Скважина защищена обсадной трубой 11. Обе проволоки натянуты грузами 4 и 9 через равноплечие рычаги 5 и 7, размещенные в корпусе 2. Инварная проволока снабжена шкаловой маркой 8, отсчеты по которой берут с помощью нивелира. Разность удлинений проволок измеряют индикатором часового типа 6.

Грунтовые знаки представляют собой в большинстве случаев стержни или трубы, забиваемые в землю на установленную глубину, либо устанавливаемые в скважинах или котлованах с закреплением основания на цементном растворе. Пример установки таких конструкций в скважине и котловане приведен на рис. 13. Предварительно проходится скважина или котлован, в которую (который) заливается на определенную высоту бетонная смесь, либо цементный раствор. В этот раствор опускают до основания штангу и фиксируют ее на поверхности до затвердевания раствора. После этого пространство выработки заполняют сыпучим материалом.

Рис. 13. Конструкции грунтовых опорных знаков: а) – в скважине; б) – в котловане. 1 – центр; 2 – сыпучий материал (сухой песок); 3 – корпус репера (штанга); 4 – крестовина; 5 – бетон или крепкий цементный раствор

Центром знака является высверленное глухое отверстие глубиной 3-5 мм и диаметром 2 мм.

При применении полых труб в качестве штанги репера полость трубы заливают цементным раствором, либо битумом. В верхней части трубы в этом случае приваривают головку с заранее подготовленным центром.

Часто штангу репера защищают от воздействия грунта обсадной трубой, устанавливаемой свободно на якорь 5 репера. Место касания закрывают сальником, а пространство между обсадной трубой и репером засыпают сухим песком или теплоизолирующим материалом.

Некоторые виды сравнительно простых конструкций визирных деформационных знаков, предназначенных для угловых измерений, приведены на рис. 14.

Рис. 14. Визирные деформационные знаки

Рис. 15. Закрепление марки на кронштейне

Рис. 16. Марка-шкала

Деформационные марки закрепляют в некоторых случаях неподвижно на кронштейнах (рис. 15) в местах, обеспечивающих их абсолютную сохранность. При необходимости такие марки защищают крышками.

Марка-шкала (рис. 16) используется для нивелирных работ. Она закрепляется на стене или другой конструкции неподвижно и остается на ней на весь период наблюдения за деформациями (может оставаться на объекте десятки лет).

Рис. 17. Деформационные знаки, выполненные в виде центрирующих устройств

Деформационные марки, изготовленные в виде центрирующих устройств, показаны на рис. 17. Таким устройством может быть плита с бороздками (рис. 17 а), стержень 1 с винтовой нарезкой (рис. 17 б), предназначенной для навинчивания на него подставки теодолита или визирной цели и закрепленный на наблюдаемом объекте 2. Во многих случаях плановые марки-стержни часто совмещают с высотными, для этого выступающий конец стержня выполняют в виде полусферической поверхности. Используют центрирующую втулку 1 (рис. 17 в), в которую вставляют посадочный шарик 2 станового винта 3.

Другие знаки, размещенные на кронштейнах (рис. 18), позволяют обеспечить легко доступную точку. В одном случае, рис. 18 а, точка (отверстие) наносится на кронштейн 2 (швеллер), приваренный к металлической пластине 1, закрепленной на конструкции сооружения. В другом случае используется марка съемного типа (рис. 18 б). Кронштейн с маркой надевается на хомут 1, а нижние его стойки касаются упоров 2.

Рис. 18. Знаки на кронштейнах

Рис. 19. Знак с клиновидными дисками

Рис. 20. Уголок с втулкой

При высокоточных наблюдениях за деформациями деформационный знак снабжают головкой, которая используется для головок плановых опорных знаков (рис. 19). Такая головка состоит из металлического цилиндра 5, к которому прикреплены верхний 4 и нижний 6 фланцы. В нижнем фланце имеются сквозные отверстия 1 для болтов, прикрепляющих фланец к горизонтальной поверхности наблюдаемого объекта, а к верхнему фланцу крепятся два клиновидных диска 3. В верхнем диске имеется цилиндрическая втулка 2 для центрирования теодолита, визирной марки (цели) или вкладыша с меткой для линейных измерений. Для установки знака используется цилиндрический уровень, ось конструкции которого вставляется в посадочное место втулки 2. При вращении клиновых дисков в противоположные стороны вертикальная ось конструкции приводится в отвесное положение.

Применяют для установки теодолита и других приспособлений уголковый кронштейн 1 соответствующей длины, в который запрессовывают посадочную втулку 2 (рис. 20). Такие конструкции знаков используют как для наблюдения за деформациями сооружений, так и для установки технологического оборудования.

Для наблюдений за осадками на горизонтальных поверхностях сооружений закрепляют заглубленные (рис. 21 а) и выступающие (рис. 21 б) осадочные марки. Конструкция их простая и не требует каких-либо пояснений. Отверстие для заглубленной марки выполняют такого диаметра, чтобы без помех можно было установить в него нивелирную рейку.

а б

в г

Рис. 21. Осадочные марки: а) – заклубленного типа; б) – выступающие; г) – наклонные; д) – горизонтальные

Рис. 22. Стенная марка закрытого типа

Рис. 23. Потайная марка конструкции М.Е.Пискунова

На вертикальных поверхностях устанавливают часто слегка наклонные марки (рис. 21 в) уголкового типа, либо со сферической головкой. Материалом для таких марок может служить стальной уголок, металлические стержни, арматурная проволока и др. В других случаях (рис. 21 г) используют конструкции с болтом, имеющим полусферическую головку. Болт затягивается при первоначальной установке и в дальнейшем не смещается по вертикальной оси, для чего резьбовое соединение у гайки часто закрашивают краской.

Большое применение находят деформационные марки закрытого типа (рис. 22), которые устанавливают на сооружениях в местах, доступных посторонним лицам, а также в местах, где они могут повредиться движущимся транспортом или технологи-ческим оборудованием. Такая марка состоит из головки 1, по центру которой выполнено глухое конусное отверстие 2 с резьбой. Ответная резьба нарезается на хвостовике шарового болта 3. Коническое отверстие обеспечивает стабильность положения болта при переустановках. Кроме того, такая конструкция обеспечивает применение одного болта для нескольких точек подобного вида.

Рис. 24. Шкаловая марка конструкции М.Е.Пискунова

Для установки подвесных малогабаритных нивелирных реек, не создающих большого давления на выступающую часть деформационной марки, используется конструкция М.Е.Пискунова (рис. 23). Марка имеет вид полого цилиндра 2, изготовленного из нержавеющей стали. Цилиндр армируется на цементном растворе практически вровень с плоскостью стены. При измерениях в цилиндр вставляется кронштейн 3, выступающая часть которого имеет полусферическую головку 4. На хвостовике кронштейна имеются два полусферических выступа 1, которые позволяют однозначно в каждом измерении устанавливать деформационную марку. Кронштейн является съемным и используется на нескольких точках подобного вида.

Применение осадочных марок шкалового вида (рис. 15) позволяет обходиться без нивелирных реек. Для обеспечения возможности наблюдений с различных точек М.Е.Пискуновым разработана конструкция специальной нивелирной реечки (рис. 24), проворачивающейся вокруг оси ОО′ без изменения своей высоты.