Размещение и конструкция исходных и деформационных знаков

Геодезический мониторинг – это работы по наблюдению за техническим состоянием объекта и прилегающей территории, выявление деформаций, определение динамики отклонений и прогнозирование дальнейшего развития процессов. Главная задача мониторинга заключается в предотвращении аварийных ситуаций, в увеличении срока службы объекта и поддержание его в устойчивом состоянии.

Для измерений горизонтальных или вертикальных перемещений зданий и сооружений в конструкциях последних, закрепляют геодезические знаки, так называемые деформационные марки. Фиксируя изменение пространственного положения деформационных марок, судят о горизонтальных или вертикальных перемещениях сооружения или его частей.

Измерения перемещений производится относительно других геодезических знаков, знаков основы, которые закрепляются вдали от зон возможных деформаций. Их пространственное положение контролируется и считается незыблемым.
Геодезические знаки основы могут быть высотными, плановыми или совмещёнными, несущими информацию о плановых координатах и о высоте одновременно.

Исходные или опорные знаки высотной основы ещё называют реперами.
Реперы могут быть глубинными (незаиляемыми трубчатыми, свайными и др.), фундаментальными (железобетонными, скальными, трубчатыми и др.), грунтовыми или рабочими (бетонными, трубчатыми и др.) и стенными из литья или изготовленными в мастерских.

Высотные деформационные марки

Высотные деформационные марки (рис. 10.1) иногда называют осадочными.
Их закладывают в стены и фундаменты зданий, промышленных, гидротехнических и других сооружений. Они могут иметь различную конструкцию, но должны быть жёстко связаны с конструктивными элементами сооружения, быть достаточно эстетичными и не уродовать фасады зданий и сооружений, но в то же время должны иметь антивандальную защиту.
В простейшем исполнении осадочная марка представляет собой отрезок уголковой стали или арматуры около 15 см длины при закладке в каменные фундаменты.
При закладке марок на стальных конструкциях их длину и место крепления подбирают с учётом удобства установки нивелирной рейки.

При высокоточных наблюдениях используют более сложные конструкции марок закрытого типа с потайным (в виде втулки) креплением ответственной её части. Нивелирные рейки заменяют шкаловыми марками, имеющими такую же оцифровку, что и инварная полоса.

Для наблюдений за осадками в основаниях земляных и бетонных сооружений используют так называемые глубинные деформационные марки, которые могут быть трубчатыми, металлическими или железобетонными плитами-марками и др.
Для измерения осадок и просадок грунтов дневной поверхности используют поверхностные марки.
Марка для измерения осадок отдельных слоёв пород, залегающих непосредственно под сооружением, представляет собой штангу, верхний конец которой имеет полусферическую головку, а нижний – башмак в виде опорного диска с арматурными шипами.

Проектирование мест расположения деформационных марок и опорных геодезических знаков и их закладка являются одним из основных и ответственных этапов всего комплекса работ по измерениям вертикальных и горизонтальных перемещений исследуемых сооружений. От того, насколько рационально размещены знаки, от их оправданного количества во многом зависит качество, полнота и информативность результатов измерений. Поэтому места расположения знаков согласовываются с проектировщиками, строителями, геологами и другими специалистами генплана проектной организации.

Проект размещения марок на сооружении (рис. 10.2) составляют с учётом конструкции фундамента, нагрузки на отдельные части основания, геологических и гидрологических условий площадки. Деформационные марки устанавливают примерно на одной высоте в нижней части несущих конструкций через 10–15 м по всему периметру сооружения. Марки устанавливают также внутри сооружения, на углах и стыках строительных блоков, по обе стороны осадочных или температурных швов, в местах примыкания продольных и поперечных стен, на несущих колоннах, вокруг зон с большими динамическими нагрузками и т.п.

Деформационные знаки, служащие для контроля плановых перемещений объекта, имеют различную конструкцию в зависимости от способа измерений плановых деформаций. Так, если измерения выполняются электронным тахеометром способом полярных координат, то в качестве деформационных знаков могут быть использованы марки из светоотражательной плёнки (катафоты). Эти марочки приклеивают в характерных точках исследуемого объекта так, чтобы их отражающая поверхность была направлена на опорный знак, где устанавливается прибор.

Если плановое положение деформационного знака определяется из угловых измерений, то знак выполняется в виде обычной визирной марки. Визирные марки могут быть закреплены на объекте постоянно или центрироваться над точками в процессе измерений.
Места расположения деформационных знаков проектируют на планах и разрезах фундаментов, каждой марке присваивают номер.
Исходные или опорные геодезические знаки, служащие для измерений вертикальных перемещений, как отмечено ранее, подразделяются на:
• глубинные фундаментальные реперы, закладываемые в коренные, стабильные породы;
• грунтовые реперы, закладываемые ниже глубины промерзания грунта;
• стенные реперы – знаки, заложенные в стенах капитальных зданий и сооружений, осадку фундаментов которых можно считать практически завершённой.

Глубинные реперы

Глубинные реперы (рис. 10.3) могут быть металлическими, биметаллическими, биструнными и другими. Основания глубинных реперов закрепляются в коренных скальных и других практически несжимаемых грунтах на глубину от 2 до нескольких десятков метров.

Основные конструктивные элементы глубинного репера – это реперная труба, реперная головка, защитная труба, колодец с люком и сальник из смолистых веществ.
Реперная труба состоит из стальных газовых или буровых труб диаметром около 90 мм. Для длительной сохранности трубу заполняют битумом или цементным раствором.

В верхний конец трубы ввинчивается или приваривается реперная головка из бронзы или нержавеющей стали.
Защитная труба предохраняет реперную трубу от возможных смещений, вызываемых сжатием или набуханием окружающего грунта. На защитную трубу надевается крышка.
Колодец предохраняет верхнюю часть репера от смещения вследствие температурных изменений, случайных повреждений или пучения грунтов от промерзания.

Сальник выполняется из стального цилиндра, заполняется тяжёлыми смазочными материалами или битумом и служит препятствием для проникновения ила в пространство между трубами.
Главным требованием, предъявляемым к глубинным фундаментальным реперам, является их высотная устойчивость на весь период наблюдений за деформациями.

Для производства измерений II, III и IV классов точности разрабатываются конструкции грунтовых реперов, которые закладываются ниже глубины сезонного промерзания грунта, а также стенные реперы, устанавливаемые на несущих конструкциях зданий и сооружений, осадки фундаментов которых практически стабилизировались.

Грунтовые реперы

Грунтовые реперы (рис. 10.4) устанавливаются в котлованах, скважинах или путём забивки и могут быть металлическими, железобетонными и трубчатыми.
Число исходных грунтовых реперов должно быть не менее трёх, а стенных реперов – не менее четырёх. Грунтовые реперы должны располагаться в стороне от проездов, подземных коммуникаций, вне зоны распространения давления от исследуемых сооружений, вне пределов влияния осадочных явлений оползневых склонов, подземных выработок, карстовых образований, на расстоянии, исключающем влияние вибрации от транспортных средств, машин и механизмов. Реперы рекомендуются располагать на газонах, в скверах, в местах, где отсутствуют подземные коммуникации. Якоря реперов закладываются на 1 м ниже уровня промерзания грунтов.


При закладке в стенах и фундаментах зданий стенных реперов (рис. 10.5) необходимо руководствоваться следующим:
• здания должны быть капитальными, построены за несколько лет до закладки знаков в местах, не подверженных оползневым явлениям и пучению;
• при осмотре зданий необходимо убедиться в отсутствии видимых деформаций стен;
• не допускается производить закладку стенных реперов в сооружениях, предназначенных к сносу или капитальному ремонту, расположенных среди железнодорожных путей или содержащих работающие станки и механизмы.

Закладка реперов возможна в любое время года, а использование допускается не ранее 10 дней после окончания работ по их устройству.
В целом относительно опорных высотных знаков следует сказать, что их конструкция определяется проектной организацией исходя из поставленных задач, условий района работ, свойств грунтов и их гидрогеологического режима. Перечисленные параметры весьма разнообразны, также многообразны и конструкции опорных знаков.

Надёжность результатов наблюдений за осадками в значительной степени зависит от стабильности высотного положения исходных реперов. Для контроля исходную высотную основу создают из нескольких реперов (не менее трёх), расположенных кустом или равномерно по всей площади объекта. Наблюдения за взаимным положением нескольких реперов позволяют судить о степени устойчивости каждого и наиболее устойчивый выбрать в качестве исходного.
Анализ устойчивости реперов и выбор исходного должны производиться в каждом цикле наблюдений, но с привлечением результатов предыдущих циклов для большей представительности статистического материала.

Все известные способы оценки устойчивости реперов условно можно разделить на две группы. В основе первой группы лежит принцип неизменной отметки одного из наиболее устойчивых реперов, в основе второй – принцип неизменной средней отметки всех реперов сети или группы наиболее устойчивых.

Идея анализа устойчивости, присущая способам первой группы, заключается в том, что в текущем цикле наблюдений каждый из реперов сети последовательно принимается за исходный, и относительно него вычисляются вертикальные смещения других реперов. Репер, для которого сумма смещений или среднее смещение минимально, принимается за неподвижный. При наличии многочисленных наблюдений используются статистические методы анализа.
Для способов второй группы характерна оценка устойчивости по изменению высотного положения реперов относительно средней отметки, вычисленной в текущем цикле по отметкам n реперов исходной основы:

Плановые знаки

Плановые знаки, используемые для определения горизонтальных смещений и сдвигов сооружений так же, как и высотные подразделяются на:
- деформационные, или контрольные, закладываемые на исследуемом сооружении (в тело плотины, здания и т.п.) или в толщу оползневого участка земли, что позволяет по его пространственным перемещениям судить о смещениях всего исследуемого объекта;
- опорные, или наблюдательные столбы, закладываемые вблизи исследуемого объекта, с которых непосредственно производятся измерения смещений деформационных знаков;
- исходные, закладываемые за пределами зоны возможных деформаций, служащие для определения смещений опорных и, по необходимости, деформационных знаков.

Опорные знаки устанавливаются в стороне от сооружения в скальных или коренных породах и служат для контрольных измерений стабильности положения наблюдательных столбов и деформационных знаков.
Опорные знаки и наблюдательные столбы могут быть выполнены в виде металлических труб, заглублённых ниже уровня промерзания грунтов (рис. 10.6).

В большинстве случаев знаки предназначены для высокоточных измерений, поэтому в их конструкциях предусмотрены устройства для принудительного механического центрирования марки, тахеометра или теодолита.
При наблюдениях с таких знаков прибор (теодолит, тахеометр) устанавливается на центрировочное устройство знака. Наиболее точное центрировочное устройство представляет собой плиту с калиброванной втулкой. В этом случае измерительный прибор (теодолит, электронный тахеометр, сканер или створный прибор) в своём основании на подставке должен иметь калиброванный шар для посадки во втулку. Принятый по умолчанию диаметр втулки и шара – 1 дюйм.

В оживлённых местах в качестве опорных плановых знаков используют скрытые трубчатые знаки, закладываемые способом бурения в стороне от транспортных магистралей в удобном отдалении от наблюдаемого объекта, на тротуарах или в скверах (рис. 10.7).

Если сеть знаков плановой основы создаётся с целью наблюдений за креном сооружения, то знаки располагают в местах, обеспечивающих стабильность их положения и максимальную сохранность на удалении порядка двух-трёх высот от сооружения.
Технические требования к построению опорной геодезической сети должны соответствовать положениям СП 11-104 97. Точность определения планового положения опорных пунктов должна быть выше требуемой точности определения крена, или планового смещения, по крайней мере, в 1,5-2 раза.
После установки знаков плановой и высотной основы на них передаются координаты и высоты от ближайших пунктов государственной геодезической сети.