Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние изученности вопроса устой чивости геодезических знаков в зоне многолетней мерзлоты 9
1.1 История и результаты изучения вопроса по литературным источникам 9
1.2 Классификация нивелирных знаков 17
1.3 Факторы, вызывающие дестабилизирую нивелирных знаков в районах многолетней мерзлоты .22
1.4 Методы исследования устойчивости реперов 27
2 Исследование устойчивости грунтовых реперов 34
2.1 Стационарные опытные площадки .34
2.1.1 Методика и вероятностно-статистический анализ результатов измерений на опытных площадках 36
2.1.2 Опытная площадка "Тикси" 46
2.1.3 Вилюйская опытная площадка .56
2.1.4 Якутская опытная площадка 61
2.1.5 Владимирская опытная площадка 65
2.1.6 Покровская опытная площадка 66
2.1.7 Чульманские опытные площадки 70
2.1.8 Эксперименты по изучению устойчивости термореперов 73
2.2 Анализ производственных материалов 83
2.2.1 Изучение стабильности реперов по данным повторных измерений в узлах связи нивелирных линий 83
2.2.2 Анализ устойчивости реперов при создании карт современных вертикальных движений земной коры 9
Устойчивость грунтовых реперов в Якутске
Исследования по оптимизации сроков ввода реперов в эксплуатацию 10]
Изучение устойчивости стенных геодезических знаков IQS Условия строительства зданий и соорукений в Якутии,
анализ причин их деформаций 106
Устойчивость стенных знаков по данным повторных ниввлировок НО
Изучение стабильности стенных нивелирных знаков на стационарных площадках 114
Разработка рекомендаций по закреплению геодезических знаков в районах многолетней мерзлоты 120
Районирование территории ЯАССР по величине сезонного протаивания грунтов 12-3
Расчет сил пучения, действующих на геодезический знак 128
Расчет сил, препятствующих дестабилизации центров и реперов 132
Разработка новых рациональных конструкций геодезических знаков и рекомендации по их закладке .138
1 Реперы и центры, закладываемые в котлованы и в буровые скважины 138
2 Реперы и центры для городов и промышленных площадок и для особо ответственных геодезических работ./ 142
4.2.3 Стенные геодезические знаки 144
Заключение 146
Литература
- Факторы, вызывающие дестабилизирую нивелирных знаков в районах многолетней мерзлоты
- Вилюйская опытная площадка
- Анализ устойчивости реперов при создании карт современных вертикальных движений земной коры
- Разработка рекомендаций по закреплению геодезических знаков в районах многолетней мерзлоты
Факторы, вызывающие дестабилизирую нивелирных знаков в районах многолетней мерзлоты
Одним из результатов исследований ЦНИИГАиК явилось внедрение в производство трубчатых знаков с многодисковыми якорями. Такие реперы применяются в производстве с 1959 года по настоящее время. Основной недостаток их состоит в сложности технологии закладки, даже незначительные на первый взгляд нарушения неизбежно ведут к дестабилизации реперов. Кроме того отрицательно сказы -вается на устойчивости реперов и переувлажнение грунтов в зоне якоря, предусмотренное технологией [84] .
Для закладки в котлованы рекомендованы трубчатные знаки с бетонными якорями, в исключительных случаях допустимо применение знаков с металлическими якорями.
Особое неудобство для производственников создает требование закладки фундаментальных реперов по типу сезонного промерзания, то есть железобетонных реперов. Непосредственно в котлованах такие реперы изготовлять нельзя, поскольку в условиях отрицательных температур трудно достичь требуемой прочности бетона. Изготовление же реперов вне котлована делает невозможной их закладку ввиду большого веса и отсутствия подъемных механизмов. Никаких рекомендаций на этот счет действующие инструкции и руководства не дают,
Для расчета глубины закладки геодезических знаков в ЦНИИГАиК разработана в 1961 году "Схематическая карта глубин промерзания и протаивания грунтов на территории СССР для установления глубин закладки центров и реперов". В 1974 году эта схема была уточнена.
Для зоны многолетней мерзлоты в основу карты положены материалы наблюдений за температурой почвы на метеостанциях и опытных площадках ЦНИЙГАиК, Следует отметить, что сеть метеостанций в зоне многолетней мерзлоты очень разрежена, поэтому для ре -тонального обобщения исходного материала оказалось недостаточно. Это видно из сравнения изданных в последнее время мелкомасштабных карт по сезонному протаиванию со схемой ЦНИЙГАиК.
Поведение маркшейдерско-геодезических знаков в условиях многолетней мерзлоты изучалось на территории Печорского угольного бассейна В.Ш.КронгаузомІ43.0собенностью данного района является наличие трех видов многолетней мерзлоты-сливающейся, неслива-ющейся и островной, а также участков, где многолетняя мерзлота отсутствует вообще. Автором отмечено, что правильность выбора места закладки знака имеет первостепенное значение для обеспечения его устойчивости. Исследования показали также, что кроме правильного выбора мест закладки, необходимо рассчитывать конструкции геознаков в зависимости от характера грунтовых процессов и физико-механических свойств мерзлых и талых грунтов. Автором разработаны на основе теоретических и экспериментальных исследований рациональные конструкции знаков применительно к Печорскому бассейну, даны рекомендации по их расчету и особенностям закладки,
Из отдельных работ, посвященных проблеме устойчивости реперов следует отметить следующие работы.
Махонько Ю.А. [49] исследовал устойчивость трубчатых реперов с бетонным якорем, закладываемым на 0,9 м ниже границы сезонного оттаивания в Магаданской области. Были также проведены наблюдения реперов, заложенных на глубину сезонного оттаивания. В этом случае принимались меры к их закреплению в искусственно созданном "кургане" мерзлоты с использованием моховых бугров над реперами. Приведенные рекомендации не могут быть использованы в топографо-геодезическом производстве, поскольку имеют местное значение и трудноприменимы.
В работе Мещерского И.Н., Шеходанова Ю.Г. и Ягнышева Л.И. _51J описывается опытно-производственное двукратное нивелирование I класса. В числе выводов есть утверждение, что стандартные реперы в данных условиях оказались достаточно устойчивы, однако наблюдения велись только летом, а дестабилизация реперов выявляется, как правило, в осенне-зимний период.
Крюков Ю.А. применил способ оценки устойчивости знаков по данным повторного нивелирования, основанный на математической статистике, В числе исследованных линий были линии, проходящие в зоне многолетней мерзлоты. В зависимости от геолого-геоморфологических признаков оценена устойчивость реперов.
В работе Е.Н.Кондратьевой [АО] рассматривается глубина заложения реперов в Якутске. Анализируя устойчивость нескольких реперов автор заключает, что закладка реперов в г.Якутске на глубину 4 м недостаточна (при нормативном значении слоя сезонного протаивания 2 м). Автор подтверждает известный вывод о том, что устойчивость репера должна обеспечиваться наличием якоря.
Проведенный анализ опубликованных материалов показывает,что вопросам исследования устойчивости реперов в районах многолетней мерзлоты уделяется недостаточно внимания. Ещё слабее изучен вопрос закрепления результатов геодезических измерений стенными знаками. По сути дела этой проблеме посвящена только одна работа [59] .
Вилюйская опытная площадка
Эксперименты по изучению устойчивости реперов проводились на девяти опытных площадках. Эти площадки расположены в наиболее типичных физико-географических зонах Якутской АССР. В северной части Якутии размещена Тиксинская опытная площадка,в средней части Якутская, Покровская, Вилюйская, "Орбита" и Владимирская опытная площадки, а в южной зоне три Чульманские площадки (рис.2.1
На зїих площадках в разное время были заложены опытные реперы, отличающиеся способом и глубиной закладки, а также внешним диаметром реперной трубы и конструкцией якорных устройств. В качестве опорных реперов на площадках использовались грунтовые знаки, заложенные на территории площадок в наиболее благоприятных мерзлотно-грунтовых условиях и значительно отличающиеся от опытных реперов глубиной закладки и конструктивными особенностями. На опытной площадке "Тикси" опорными служили скальные реперы. Чертежи или аписания опытных и опорных реперов приведены конкретно по каждой площадке.
В задачу исследований на данном этапе входило: - изучить степень влияния физико-географических и мерзлотно-грунтовых условий на устойчивость реперов; - выявить влияния глубины, способа закладки, типа и якорного устройства на устойчивость реперов.
Одновременно велись измерения сезонных гидротермических смещений земной поверхности. Для этой цели нивелировались размещенные в поверхностном слое грунта бетонные плитки размером 20 х 20 х 10 см. Местом установки нивелирных реек служили вцементированные в центре плиток металлические марки. размещения опытных площадок и наиболее крупных узлов связи нивелирных пиний 1 и П классов с Имея незначительное давление на грунт (порядка 20 г на I см2) и находясь на поверхности земли, смешения этих плиток надежно характеризуют вертикальные колебания земной поверхности, происходящие вследствие сезонного протаивания и оттаивания грунта. Наблюдения на опытных площадках велись продолжительное время: от нескольких до двух с половиной десятков лет.
Опытные и опорные реперы на всех стационарных площадках кроме Владимирской, расположены по радиальной схеме. Это позволило нивелировать их с одной постановки прибора, располагаемого в центре окружности радиусом 18-20 м.
Измерения выполнялись способом совмещения прецизионными нивелирами (Л/с -004, H-I, НА - I) и инварными рейками. Для контроля нивелирование выполнялось дважды с изменением высоты горизонта прибора.
При нивелировании, как правило, использовалась одна рейка, которая сначала устанавливалась на опорном репере, где брались отсчеты по основной шкале, затем рейка последовательно перемещалась по опытным реперам, на каждом из которых отсчитывались основные и дополнительные шкалы, затем рейка, завершив круг, возвращалась на опорный репер, где производились отсчеты дрпол-нительной шкалы. При втором горизонте прибора измерения повторялись лишь с той разницей, что рейка перемешалась по опытным реперам в направлении противоположном первоначальному. Расхождения превышений относительно опорного репера, вычисленных по данным двух горизонтов нивелира, допускались не более 2 мм. (в противном случае измерения повторялись). В последние годы этот допуск был уменьшен вдвое.
На Вилюйской площадке большинство измерений выполнено двумя рейками После окончания программы измерений на каждой опытной площадке проведен статистический анализ расхождений превыше - -ний, полученных при двух горизонтах прибора.
Разности превышений подвергались испытаниям на нормальность распределения по методике, которая была нами опробована ранее [ 7 ] .
Одним из способов проверки разностей Afiij на нормальность распределения является построение гистограммы распределения и сравнение ее с графиком нормальной плотности і вероятностей.
Анализ устойчивости реперов при создании карт современных вертикальных движений земной коры
Вшгойская опытная площадка находится в Центральной Якутии в 50 км западнее Якутска. Цель создания площадки - наблюдения за устойчивостью грунтовых реперов в таежных условиях. Площадка расположена на северном пологом склоне горы на высоте 210 м. Её территория затенена от прямого воздействия солнечных лучей сосновым бором. Грунты площадки представлены песками и супесями, повсеместно перекрытыми сверху слоем дерна мощностью 10-20 см. Глубина сезонного оттаивания грунта не превышает 2 метра.
В качестве опорного использован репер государственного нивелирования I класса. Репер трубчатый, диаметром 60 мм, якорь в виде металлического диска диаметром 50 см, заложен на глубину 3,5 метра.
Опытные реперы размещены по радиальной схеме радиусом 20 м. Разность отметок опытных реперов достигает 2,2 м. Все реперы исготовлены из труб диаметром 60 мм, снизу трубы снабжены якорными устройствами в виде дисков размером 35-40 см. Четыре репера из девяти заложены на глубину 3 метра, один на 2,5 м и четыре на 2 м. Все реперы заложены котлованным способом.
В 1962-1970 гг. наблюдения на площадке проводилось дважды в год, весной и осенью, а в І97І-І979 гг. только осенью. В состав работ входило нивелирование опытных реперов и линейные измерения между смежными реперами [62]
Нивелирование проводилось двумя рейками при двух горизонтах прибора. При первом горизонте рейка № I устанавливалась на опорном репере, а рейка № 2 последовательно перемещалась по всем опытным реперам. После изменения горизонта нивелира на опорный репер устанавливалась рейка № 2, а по опытньм перемешалась рейка № I. С 1973 года нивелирование выполнялось с помощью одной рейки по ранее описанной методике. Средняя квадратическая погрешность измерений составила І0,4 мм.
После окончания программы наблюдений был выполнен статистический анализ разностей превышений, полученных при двух горизонтах прибора. Испытанию на нормальность распределения были подвергнуты 256 разностей. Степень согласованности эмпирического ряда с нормальным характеризуется следующими данными: критерий предельных погрешностей 2,35, вероятность согласия по критерию Пирсона 0,58, величина эксцесса - 0.19, скошенности - 0,11 при средних квадратических отклонениях соответственно І0;34 и І0,18, гипотеза о том, что в ряде разностей отсутствуют систематические погрешности не подтвердилась.
Затем были составлены 2 статистических ряда из разностей, полученных весной и осенью. В результате анализа оказалось, что для весенних разностей вероятность согласия статистического ряда с нормальным по критерию Пирсона равна всего лишь 0,21 , а значение эксцесса - 0,62 (при допуске 20,49), Для весенних разностей величина скошенности равна -0,30 при допуске iOj.24, вероятность согласия по критерию Пирсона -0 55. В обоих рядах гипотеза о том, что в разностях отсутствуют систематические погрешности не подтвердилась.
По результатам статистического анализа сделан вывод, что разности превышений, полученные из равнения их значений из двух горизонтов, не подчиняются закону нормального распределения, поэтому с 1973 года была применена методика измерений с использованием одной рейки, Результаты наблюдений за вертикальными смещениями реперов представлены графически (рис. 2.8 ), откуда видно, что перемещения реперов имеют колебательный характер, величина колебаний практически одинакова, она не зависит от глубины закладки (в рассматриваемом диапазоне) и находится в пределах +2 3 мм.
Разработка рекомендаций по закреплению геодезических знаков в районах многолетней мерзлоты
В результате анализа выяснено, что деформации зданий происходят в основном из-за разрушения свай или колонн в местах их выхода из земли или в надземной части. На данных участках свай и колонн свойства бетона долгое время не были изучены. В строительных нормах и правилах требования к железобетону (трешиностойкость, плотность, морозостойкость) не были утверждены, что приводило к разрушению опор.
Одновременно с этим, здания имели довольно низкую посадку, верхняя часть фундаментов практически находилась в заболоченном, порою засоленном грунте и,по условиям работы приближалась к гидротехническим сооружениям, находящимся в самых неблагоприятных условиях. Низкая посадка вела в ряде случаев к повышению температуры грунтов основания.
Кроме того, в условиях Севера с большими перепадами экстремальных температур - годовых, сезонных, месячных и суточных - свайные ростверки испытывают значительные температурные деформации, что не всегда учитывалось нормами и проектами. В результате появлялись трешины и разрушения в пголовниках свай и рандбалках.
Более быстрому разрушению фундаментов способствовало и низкое качество строительно-монтажных работ. В недостаточном объеме и низкого качества были инженерно-геологические изыскания, что отрицательно сказывалось при проектировании сооружений, внося существенные ошибки в расчеты фундаментов. К развитию деформаций сооружений приводила и нерациональная система ввода и вывода в сооружение инженерных коммуникаций, особенно горячих вод, под действием которых изменялся температурный режим грунтов оснований.
В дальнейшем вышеперечисленные недостатки были учтены, что нашло отражение в ряде мероприятий по их устранению. Сваи стали изготовляться из морозостойкого бетона, повышенной плотности и марки. Претерпела изменение в сторону увеличения высота проветриваемого подполья, в результате чего ростверк стал менее чувствителен к температурным деформациям и уменьшилась практически до нуля теплоотдача от отапливаемого здания в грунты оснований.
Поверхность грунта под зданием поднимается на 15 25 см над окружающей территорией и покрывается бетоном, переувлажнение свай не происходит. Железобетонные ростверки разрезаются температурными сваями через 10 12 метров, что значительно снижает напряжения в конструкциях.
Глубина заложения свай в последнее время увеличена до 10 метров. Сваи закладываются методом протаивания грунта паром (80%) или устанавливаются в заранее пройденные механическим бурением скважины (20%). В условиях высокотемпературных грунтов основания используются сваи с камуфлетной пятой и термосваи (иногда их иначе называют "холодными сваями"). Находят применение и более прогрессивные буронабивные сваи.
Наиболее плотную городскую высотную сеть в Якутии имеет г.Якутск,в последнее время получили развитие нивелирные сети в городах Мирный, Нерюнгри и др. Частично результаты исследования стабильности стенных нивелирных знаков в Якутске опубликованы [59].
В Якутске первые стенные знаки установлены в 1936-1937 гг., когда была создана на территории города нивелирная сеть Ш разряда. Для долговременного закрепления результатов нивелирования заложено 18 стенных латунных марок. К настоящему времени в силу ряда причин в городе сохранилось не более 10 марок этого нивелирования.
В 1943 году через город проложена линия нивелирования П класса. Вновь заложено семь стенных реперов. В дальнейшем нивелирные работы 1,П,Ш и ІУ классов на территории города выполнялись в 1959, 1963-1967, 1973, 1975-1976, 1982 гг.
При исследовании в качестве исходных использованы три грунтовых репера (фундаментальный № 4, "Дача" и "Аэропорт"), расположенных в пригородной лесной зоне на второй надпойменной террасе р.Лены - сухом возвышенном песчаном месте с сезонным оттаиванием около 2 м. Все реперы заложены на глубину 4 м, якори - бетонные монолиты размером 40x40x40 см. Условия закладки весьма благоприятные. Один из них - фундаментальный репер № 4 - являлся опорным на Якутской опытной площадке, где была выявлена его высокая устойчивость. Взаимное положение исходных реперов неоднократно контролировалось высокоточным нивелированием. Результаты нивелирования,приведенные в табл. 3.1, свидетельствуют об их стабильности.
