История поиска путей учета рефракционных искажений в высокоточных инженерно-геодезических измерениях (стр. 3 из 4)
Различают два вида геометрического нивелирования: нивелирование из середины и нивелирование вперед.
Рассмотрим схему геометрического нивелирования из середины с большей строгостью (рис. 3).
Рис. 3 Схема геометрического нивелирования из середины с большей строгостью
Уровенные поверхности не являются плоскими, они сферические, поэтому рейки, установленные в точках А и В перпендикулярно уровенным поверхностям, будут непараллельны между собой. Визирная ось трубы нивелира, установленного между точками А и В, горизонтальна. Она пересекла бы рейки в точках С и D, если бы световой луч распространялся в атмосфере строго прямолинейно. Однако в реальной атмосфере луч света идет по некоторой кривой, которая называется рефракционной кривой. Под влиянием рефракции предмет виден несколько выше своего действительного положения.
В результате рефракции визирный луч будет занимать положение C'JD'. Опустим вывод формулы превышения, и остановимся на основном выводе: при нивелировании строго из середины влияние кривизны Земли и рефракции почти полностью исключается. Влияние рефракции может быть исключено не полностью, так как условия прохождения луча до задней и передней реек могут отличаться.[12]
По точности измерения превышений различают нивелирование 1, 2, 3, 4 классов и техническое. При техническом нивелировании предельная ошибка измерения превышения на 1 км хода не должна превышать 50 мм; это соответствует средней квадратической ошибке 20 мм на 1 км хода. Для нивелирования 1, 2, 3 и 4 классов средняя квадратическая ошибка измерения превышения на 1 км хода равна 0.8 мм, 2.0 мм, 5 мм и 10 мм соответственно.
Важнейшими характеристиками нивелира, определяющими точность измерения превышений, являются увеличение зрительной трубы и цена деления цилиндрического уровня при трубе. По этим характеристикам определяет пригодность нивелира для выполнения работ заданной точности. Чтобы получить численные значения увеличения трубы и цены деления уровня, выполняют соответствующие исследования нивелира.
Тригонометрическое нивелирование называют также геодезическим или нивелированием наклонным лучом. Оно выполняется теодолитом; для определения превышения между двумя точками нужно измерить угол наклона и расстояние. В точке А устанавливают теодолит, в точке В - рейку или веху известной высоты V. Измеряют угол наклона зрительной трубы теодолита при наведении ее на верх вехи или рейки (рис. 4).
Опустим достаточно громоздкие расчеты по выводу формулы превышения из тригонометрического нивелирования с учетом кривизны Земли и рефракции и остановимся на основном выводе:
Рис. 4. Тригонометрическое нивелирование
ошибка измерения превышения из тригонометрического нивелирования оценивается величиной от 2 см до 10 см на 100 м расстояния.
Гидростатическое нивелирование выполняют с помощью сообщающихся сосудов, заполненных одной жидкостью. Жидкость устанавливается в обоих сосудах на одном уровне, на одной отметке. Пусть высота столба жидкости в первом сосуде будет c1, а во втором c2 (рис. 4.40); тогда превышение точки В относительно точки А будет равно: h = c1 - c2.
Точность гидростатического нивелирования зависит от расстояния между сосудами, типа жидкости, диапазона измерения превышения, конструкции отсчетного устройства и других условий. Она может быть очень высокой; средняя квадратическая ошибка измерения превышения лучшими гидростатическими нивелирами достигает 5-10 мкм; диапазон измерения превышений при этом невелик - всего около 1 см.
Рис. 5. Гидростатическое нивелирование
При расстоянии между сосудами до 500 м можно измерить превышение с ошибкой около 10 мм. Естественно, при гидростатическом нивелировании не существует рефракционных искажений.
Барометрическое нивелирование основано на зависимости атмосферного давления от высоты точки над уровнем моря. Точность барометрического нивелирования невысока; средняя квадратическая ошибка измерения превышения колеблется от 0.3 м в равнинных районах до 2 м и более в горных. Основные области применения барометрического нивелирования - геология и геофизика.
3. СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ВЫСОКОТОЧНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Развитие геодезической техники для строительства имеет свои вехи. Одна из них связана с появлением полупроводниковых лазеров. Появилась возможность создавать малогабаритные и относительно недорогие приборы, которые позволяют с помощью лазерного луча обозначить плоскость горизонта или плоскость с заданным углом наклона на расстоянии до 600 м. Строительные приборы пополнились новым классом оборудования - лазерными нивелирами и уровнями, электронными рулетками.[13]
В настоящее время на строительном рынке для решения задач по высокоточным инженерно-геодезическим измерениям все шире используются лазерные нивелиры различных типов, электронные тахеометры.
Как и оптические, лазерные нивелиры предназначены для определения превышения между точками или выноса в натуру проектных отметок. Но при этом они значительно производительнее оптических, проще в работе и обслуживании.
Лазерные приборы задают горизонтальную или наклонную плоскость при помощи лазерного луча, вращающегося со скоростью до 600 об/мин. Установка плоскости в горизонтальное положение производится при помощи электронных и жидкостных уровней или автоматической системой самонивелировки. Для фиксации этой плоскости можно использовать как обычные нивелирные рейки, так и рейки, оснащенные специальным приемником лазерного излучения.
Производимые на сегодняшний день лазерные нивелиры подразделяются на два класса приборов: для внутренних и для наружных работ. Отличие между ними заключается в мощности лазерного луча, точности и функциональных возможностях.
В нивелирах для наружных работ, как правило, используется лазер высокой мощности, что обеспечивает работу нескольких человек на всей площадке без дополнительной перестановки прибора. Для выноса в натуру различных плоскостей, например, полотна дороги, в нивелирах этого типа пользователь может устанавливать лазерную плоскость под заданным уклоном.
В нивелирах, предназначенных для внутренних работ, предусмотрена возможность задания горизонтальной и вертикальной плоскостей. Для работ по вертикальному проецированию и разбивке перпендикуляров в некоторых моделях установлена призма, делящая луч на два перпендикулярных направления.
Во многих приборах, как для внутренних, так и для наружных работ, для установки лазерной плоскости используется система автоматической нивелировки. Благодаря этой системе нет необходимости нивелировать прибор, достаточно просто закрепить прибор и начать работать. Инструменты с автоматической нивелировкой и функцией задания уклона являются универсальными и хорошо себя зарекомендовали при проведении дорожно-строительных работ и в системах управления грейдерами и бульдозерами.
Лазерные нивелиры могут быть использованы везде, где есть необходимость задания горизонтальной или вертикальной плоскостей, а также отвесных линий. По сравнению с традиционными технологиями, они позволяют существенно увеличить производительность труда, исключить необходимость перепроверки и сократить количество исполнителей. Эти приборы нашли применение при работах по разбивке и при контроле поверхности дорожной одежды, прокладке дренажных и канализационных систем, установке стен и перегородок, контроле отметок фундамента здания, вертикальной планировке, установке бетонных блоков.
Инженерно-геодезические измерения и инженерно-геодезические построения занимаю особое место в общей схеме строительных работ. Они начинаются задолго до начала строительства при проведении инженерно-геодезических изысканий, выноса проектов сооружений в натуру, являются составной частью технологии строительно-монтажных работ в период всего строительства, а также сопутствуют при проверке качества строительной продукции и продолжаются в эксплуатационный период при проведении наблюдений за деформациями зданий и сооружений, если того требуют условия проекта. Поэтому вопросы точности проведения геодезических работ имеют принципиальное значение, ибо они в конечном счете определяют уровень качества и надежность выстроенных зданий и сооружений.
За последнее время в нашей стране наблюдается подъем восстановительных работ, ремонта и реставрации. Необходимость качественного выполнения поставленных задач требует точного задания горизонтальных и вертикальных плоскостей. До недавнего времени это решалось с использованием традиционных приборов, в частности, теодолитов и нивелиров, просто уровней, или даже выполнялось на глазок. Новые требования к качеству строительной продукции заставляют существенно повышать точность, надежность и эргономичность строительного оборудования и его общий технологический уровень.
Сегодня в России значительная часть всех полевых съемочных работ выполняется традиционными средствами - оптическими теодолитами, дальномерными насадками и другими устаревшими геодезическими приборами. Наиболее прогрессивные организации успешно внедряют в течение последних 5 лет технологии с применением электронных тахеометров, лазерных нивелиров и другого высокоточного оборудования, развивающегося на основе передовых технологий.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Визгин А.А., Коугия В.А., Хренов Л.С. Практикум по инженерной геодезии: Учеб. пособ. для вузов. - М.: Недра, 1989