ГЕОДЕЗИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ ВИСОТНІ І ПЛАНОВИХ ДЕФОРМАЦІЙ ІНЖЕНЕРНИХ СПОРУД І ЗЕМНОЇ ПОВЕРХНІ
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Аналіз деформацій є актуальним завданням для будь-якого регіону, особливо якщо на даній території спостерігається зміна земної поверхні, наприклад, для республіки Мозамбік.
В даний час область вивчення деформацій недостатньо розвинена в Мозамбіку і немає достатнього матеріалу, щоб виявити такі зміни. Для того, щоб виявити будь-які зміни земної поверхні необхідно організувати спеціальну службу з контролю всіх реперів і проаналізувавши високоточні результати таких вимірювань за кілька циклів можна дати висновок про деформації земної поверхні або інженерних споруд.
Слід зазначити, що для виявлення деформацій необхідно виконати відповідну обробку геодезичних вимірювань за спеціальними програмами, які дозволять після обробки зробити відповідні висновки. Саме цим проблемам присвячена дана дисертаційна робота, в чому і полягає актуальність проблеми.
Мета роботи
1. Розробити методику, що дозволяє застосовувати рекурентний алгоритм, розроблений проф. Маркузе Ю.І., для контролю грубих помилок і наступного вирівнювання геодезичних мереж при спостереженнях за деформаціями інженерних споруд і земної поверхні.
2. Розробити методику для застосування параметричного способу зрівнювання методом послідовного об'єднання циклів, так як при рекуррентном способі доводиться працювати з матрицями великих розмірів, що представляє незручність.
Поставлена мета досягнута за рахунок вирішення наступних основних завдань:
1. На основі розробок скласти блок програми для аналізу висотних деформацій;
2. Скласти блок програми для аналізу планових деформацій.
Методи досліджень
Теоретичні методи: метод найменших квадратів.
Експериментальні методи: аналіз висотних і планових деформацій методом використання складених блок програм з метою їх апробування.
Наукова новизна
Новими науковими результатами можна вважати розробку алгоритму і два складені блоку програм для аналізу висотних деформацій, а також для аналізу планових деформацій по GPS - вимірів.
Практична цінність роботи
1. На моделях та реальних даних щодо виконання високоточних нівелірних робіт на одному об'єкті, що будується з використанням складеною автором програми проведено аналіз висотних деформацій.
2. На моделях і умовних координатах за допомогою програми для аналізу планових деформацій по GPS - вимірів отримані реальні результати.
Результати, які виносяться на захист
1.Результати аналізу висотних деформацій за даними нівелювання II класу, отримані з використанням складеної програми.
2. Результати, отримані при апробації програми для аналізу планових деформацій по GPS - вимірів.
Публікації та апробація роботи
За темою дисертації депоновані 2 наукові статті. Опублікована 1 наукова стаття. Результати роботи були докладені на науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених МІІГАіК (Москва, 8-9 квітня 2004 р.).
Структура дисертації
Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатків. Матеріал дисертації викладено на 127 сторінках, включає 19 малюнків і 22 таблиці. Список літератури містить 76 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі сформульовано проблему, обгрунтовано її актуальність, поставлена мета, визначено завдання дисертаційної роботи і коротко викладено основний зміст кожного розділу дисертації.
Перший розділ «Загальні відомості про висотні і планових деформаціях інженерних споруд і земної поверхні» присвячена огляду літератури. З літературних джерел випливає, що визначення деформацій інженерних споруд є дуже важливим завданням, і за своєю структурою величини деформацій відіграють домінуючу роль при будівництві та експлуатації будь-яких споруд. Цією задачею займаються постійно, і методи визначення величин деформацій постійно удосконалюються.
Основними методами при вимірі осад і деформацій інженерних споруд є геодезичні. Вони дозволяють визначати не тільки відносні переміщення точок, але також їх абсолютну величину по відношенню до практично нерухомим знаків геодезичної основи.
До геодезичним методів визначення осідань і деформацій інженерних споруд відносяться:
1) геометричне нівелювання I і II класів;
2) гідростатичний нівелювання;
З) тригонометрическое нівелювання;
4) створні методи;
5) тріангуляція;
6) сучасний метод з використанням супутникових апаратури.
Проведемо короткий аналіз окремо для кожного з цих методів:
Метод гідростатичного нівелювання дозволяє визначити перевищення з високою точністю, близько 0,01 мм, робити спостереження між точками при наявності перешкод між ними. Проте, він може використовуватися лише в стаціонарних приміщеннях з хорошими метеорологічними умовами. Це є істотним недоліком.
Метод тригонометричного нівелювання застосовується для визначення вертикальних зміщень віддалених, відкритих і важкодоступних точок споруди.
Метод тріангуляції - зручний метод для визначення лінійних зсувів.
Геодезичний метод з використанням супутникових технологій в даний час може бути використаний для визначення деформацій, як на великих територіях, так і на локальних ділянках. Важливою особливістю супутникових визначень є їх оперативність і синхронність виконання вимірювань, і ця обставина дає можливість визначити деформації на всьому досліджуваному ділянці одночасно з тією точністю, з якою може дати використовувана супутникова апаратура і методика обробки супутникових вимірів.
Створні методи спостереження - під створними вимірами розуміють сукупність дій з визначення положення однієї або декількох точок відносно прямої лінії, що задає площину воріт.
Метод геометричного нівелювання є найбільш поширеним з геодезичних методів вимірювання осідання. Основними його перевагами є висока точність і простота у виробництві робіт, що дозволяє проводити вимірювання для будь-якої кількості грунтових реперів і стінних марок в будь-яких погодних умовах. Умови, при яких виконуються спостереження за деформаціями споруд, суттєво відрізняються від польових умов при виробництві державного нівелювання. Специфіка вимірювань в тому, що точки на спорудженні розташовані на відстані від 5 до 25 метрів один від одного, тому застосовують нівелювання короткими плечима. Крім того, загальна довжина ходу при нівелюванні рідко досягає I км. У цьому випадку втрачає сенс середня квадратична помилка перевищення на I км ходу, яка приймалася як середня квадратична помилка одиниці ваги при державному нівелюванні. Тому, з метою правильного встановлення ваг виміряних елементів, виникла необхідність прийняти за середню квадратическую помилку одиниці ваги іншу, більш відповідну величину. Найбільш зручно прийняти за середню квадратическую помилку одиниці ваги середню квадратическую помилку перевищення, отриманого на станції як середнє арифметичне з перевищень, обчислених за основною і додатковою шкалами рейок, при одному горизонті інструменту, в ході одного напрямку з певною довжиною променя візування, тобто перевищення
=
. (1)
Питання точності визначення перевищень в залежності від довжини візирного променя і числа вимірюваних на станції перевищень, а отже, питання встановлення ваг перевищень - це окреме питання. Тут же коротко опишемо загальну схему визначення осідань і деформацій споруд за допомогою методу геометричного нівелювання, яка складається з наступних етапів:
1. Створення геодезичної мережі, що складається з точок, закріплених на споруді (осадових марок) і вихідних реперів висотної основи (одного або декількох);
2. Періодичне вимір перевищень між точками мережі методом високоточного геометричного нівелювання;
З. Оптимальне оцінювання параметрів осад і деформацій споруд за результатами вимірювань;
4. Аналіз результатів обробки і інтерпретація.
З появою нових технічних можливостей визначення положення пунктів, як в плані так і по висоті, з'явилася можливість, зберігаючи старі дані приєднувати до них нові масиви даних. Таке завдання може вирішити рекурентний метод зрівнювання.
У другому розділі «Математичні основи для обробки геодезичних вимірювань при спостереженні деформацій» описані способи вирівнювання геодезичних мереж, на основі яких автор виконував свої дослідження. Це рекурентний і параметричний способи зрівнювання. Подробиці у книзі Ю.І. Маркузе, Є.Г. Бойко, В.В. Голубєв «Обчислення і врівноваження геодезичних мереж».
Третя глава «Аналіз вертикальних деформацій інженерних деформацій». У цій главі автором виконано аналіз вертикальних деформацій інженерних споруд. Для виконання цієї задачі використано ефективний алгоритм для аналізу деформацій методом послідовного об'єднання циклів, розроблений проф. Маркузе Ю.І.. Ідея цього методу полягає в тому, що на підставі наявних даних з аналізу деформацій додають нові дані і після обробки і послідовного об'єднання циклів отримують нову інформацію про деформації інженерної споруди.
В основу алгоритму покладено матриця
, (2)
у якій блок відноситься до невідомих
вже об'єднаних ціклов1 ... .. s -1, а аналогічно блок
відноситься до циклу s.
виходить при зрівнюванні окремих вимірювань в циклі s з контролем грубих помилок.
Умовне рівняння для обліку за рекуррентной формулою для стабільних реперів зрівнює нівелірної мережі
, (3)
де s - число циклів,
j - число умовних зрівнювання.
Ваги мають значення = 0 і
,, Що в підсумку дає можливість отримати матрицю
і вектор
. Якщо в цьому випадку величина w неприпустима, то ми можемо відразу зробити висновок, що є деформації, які таким способом можна детально аналізувати, і тоді умовне рівняння не враховується, що і є критерієм стабільності реперів. Стабільні пункти можна визначити і за допомогою діагональних елементів послідовно складеної матриці N.
Слід зазначити, що при рекуррентном зрівнюванні, особливо при об'єднанні циклів, підвищується точність висот або координат пунктів навіть тих, які під час аналізу визнані рухливими. Використавши формулу
, (4)
де
знаходимо матрицю об'єднаних циклів, в якій а = .
У цьому випадку , І поправки до невідомих при рекуррентном зрівнюванні обчислюємо за формулою
, А вектор невідомих об'єднаних циклів
.
У рекуррентном зрівнюванні необхідно отримувати зворотні матриці, і при обліку кожного -Го умови для стабільних пунктів це є недоліком і в цьому випадку треба працювати з матрицею
. (5)
Правий верхній блок вимагає значного обсягу обчислень та комп'ютерної пам'яті, якщо нивелирная мережа складається з великої кількості пунктів.
Автором був складений блок програми, за якою передбачається обробка результатів геометричного нівелювання по параметричного способу без обчислення правого верхнього елемента матриці .
Результати експерименту, проведеного при апробації даного алгоритму
На основі геодезичних даних по виконанню геометричного нівелювання ΙΙ класу на ряді об'єктів, що піддаються деформаціям, c метою апробування складеної програми були оброблені сім циклів спостережень нівелірної мережі, з інтервалами в три місяці.
У першому циклі представлена інформація по чотирнадцяти реперним точкам, включаючи вихідний Rp-29090 з висотою 150.00м, рис № 1. Слід зазначити, що репер Rp-29090 був обраний таким чином, щоб мав стабільне положення по висоті. Якщо визначаються відносні деформації, то безпомилкові репера не потрібні, і в якості вихідного репери для зрівнювання приймається будь-який репер, але з постійною відміткою у всіх циклах.
Рис. 1
У першому циклі в завдання входило: на основі результатів високоточного нівелювання з використанням програми обробити всі результати і оцінити точність отриманих зрівняних висот усіх реперів. Для цього в якості вихідної інформації були введені назва проекту і виміряні перевищення між точками, при цьому було враховано, що вони неравноточние. Після цього програмою виконується ряд обчислень і рішень, починаючи з застосування рекурентного способу обчислення, і в результаті отриманий контроль грубих помилок вимірювань з одним вихідним пунктом і при зрівнюванні параметричним способом отримані остаточні результати зрівнювання. Отримані зрівнялися програмою висоти точок Н (м), а також СКО (Н) у мм, представлені в таблиці 1, а діагональні елементи зворотного матриці наступні: 1) 0.0, 2) 0.929, 3) 0.929,4) 1.714, 5) 1.714 , 6) 2.357; 7) 2.357; 8) 2.857; 9) 2.857; 10) 3.214; 11) 3.214; 12) 3.429; 13) 3.429; 14) 3.500.
Таким чином закінчується обробка результатів вимірювань в першому циклі, а на диску інформація буде зберігатися у файлах moz-1.Rz і moz-1.pvv. Отримані результати, як при контролі грубих помилок, так і при зрівнюванні параметричним способом, а також СКО (Н) дозволяють зробити висновок про те, що результати виконаного високоточного геометричного нівелювання мають високу якість. Результати обробки даних в першому циклі представлені в таблиці 1.
Табл. 1
№ марки
ім'я
марки
Н
(M)
С.К.О (Н)
(Mm)
1
R Р29
150.0000
0.0
2
Р9
148.2825
0.7
3
Р6
148.2614
0.7
4
Р10
146.9954
0.9
5
Р5
146.9789
0.9
6
Р11
146.7839
1.1
7
Р3
146.7374
1.1
8
Р13
147.1644
1.2
9
Р2
147.0958
1.2
10
m 9
148.6389
1.3
11
m 11
148.6949
1.3
12
m 15
148.0635
1.3
13
m 16
147.6339
1.3
14
m 10
148.6528
1.3
У другому циклі змодельовані деформації для точок m9, m11, m15 і m16 тієї ж геодезичної мережі, що і на першому циклі. Після деформування на 6 мм зазначених точок програмою виконуються обчислення і рішення, в результаті яких отримують результати параметрів другого циклу. Всі результати обробки другого циклу, а також [pvv] і r = nk будуть зберігатися на диску в файлах moz - 2.x і moz - 2. Діагональні елементи матриці у файлах moz-1.diagonal.
Наступним етапом буде перехід програми до другої частини роботи, яка необхідна для аналізу деформацій з об'єднанням всіх циклів параметричним способом. Отримано результати:
Табл.2
№ марки |