способ и устройство для измерения объемов земляных сооружений

Формула изобретения

1. Способ измерения объема земляного сооружения, преимущественно из намытого грунта, включающий измерения пространственных прямоугольных координат в точках поверхности с помощью не менее чем двух приемников, один из которых установлен на исходной точке, расположенной на границе сооружения и его естественного основания, а второй приемник перемещают по контрольным точкам поверхности, отличающийся тем, что приемники принимают сигналы от спутников, при этом измеряют координаты точки сооружения наиболее удаленной от исходной, передвигая второй приемник в направлении продольной оси сооружения, после чего второй приемник перемещают для измерений в направлении, перпендикулярном продольной оси сооружения, и переносят его с одной стороны границы сооружения и его естественного основания к противоположной, причем количество этих перемещений совершают тем больше, чем меньше задана погрешность измерения размеров сооружения, а затем определяют объем земляного сооружения по результатам измерений.

2. Устройство для измерения объема земляного сооружения, преимущественно из намытого грунта, содержащее приемник с антенной, отличающееся тем, что приемник с антенной для приема сигналов навигационных спутников установлен на штанге, при этом штанга в основании снабжена источником и регистратором ультразвуковых волн, причем опорная часть основания выполнена с возможностью изменения массы и удельного давления на поверхность грунта путем установки впускных и выпускных клапанов для воды и пульпы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для определения объемов земляных сооружений, преимущественно из намытого грунта.

Цель - повышение точности определения объемов земляного сооружения, увеличение производительности измерительных работ, обеспечение возможности измерений одновременно наземной части сооружения и поверхности его основания на различных этапах намыва грунта.

Известен способ измерения объемов земляных сооружений, включающий определение пространственных прямоугольных координат в точках поверхности с одной из двух позиций приемника (Современные геодезические технологии в строительстве, GPS - оборудование, журнал Промышленное и гражданское строительство, 1998, N 9, с.64).

Известен способ определения объемов земляных сооружений, включающий измерения пространственных прямоугольных координат в точках поверхности с помощью не менее чем двух приемников, один из которых установлен на исходной точке, расположенной на границе сооружения и его естественного основания, а другой приемник перемещается по контрольным точкам поверхности (Описание изобретения к патенту РФ N 2102701, М. кл. G 01В 11/02).

Недостатками указанного способа являются недостаточная точность определения размеров земляного сооружения, низкая производительность процесса измерений и невозможность одновременного определения объемов наземной части сооружения и его основания.

Целью изобретения является повышение точности определения объемов земляного сооружения, увеличение производительности измерительных работ, обеспечение возможности измерений одновременно наземной части сооружения и поверхность его основания на различных этапах намыва грунта.

Поставленная цель достигается за счет того, что приемники принимают сигналы от спутников, измеряют координаты точек поверхности сооружения относительно исходной точки, являющейся концом осевой линии, связывающей две наиболее удаленные друг от друга точки основания сооружения. При этом один из приемников в течение всего сеанса измерений выполняет наблюдения видимых спутников на исходной точке, а другой (другие) поочередно перемещается по контрольным точкам сооружения, начиная со второй осевой точки сооружения, выполняя на них кратковременные (в течение до 1 минуты) сеансы наблюдения. Контрольные точки располагают на поверхности сооружения вблизи плоскостей сечений, перпендикулярных осевой линии и проходящих на примерно одинаковых расстояниях друг от друга. Число сечений и количество контрольных точек на каждом земляном сооружении зависит от требуемой точности определения объемов сооружения. Чем выше требуется точность определения размеров земляного сооружения, тем выполняют большее число измерений.

Способ реализуется в устройстве, содержащем комплект спутниковой геодезической аппаратуры (СГА), включающий один приемник, установленный на исходной точке на штативе, и один (или несколько) переносных приемников с антенной, установленной на штанге, в котором штанга снабжена источником и приемником ультразвуковых волн, при этом опорная часть основания штанги выполнена с возможностью изменения массы и удельного давления на поверхность грунта путем установки выпускных и впускных клапанов для воды и пульпы.

Сущность способа поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 схематично изображена расстановка приемников на различных этапах измерений; на фиг. 2 - сечение 1-1 на фиг. 1; на фиг.3 - приемник с антенной на штанге и на фиг. 4 - опорная часть основания штанги с выпускными и впускными клапанами для воды и пульпы.

Определение объемов земляного сооружения 1, преимущественно из намытого грунта или выемки, начинают с инициализации, в процессе которой приемники 2 и 3 устанавливают на исходной точке (обозначенной на фиг. 1 позицией 2) вблизи друг от друга и в течение не менее 10 минут выполняют прием спутниковых сигналов приемниками. Затем первый приемник (на фиг. 1 обозначен позицией 2) оставляют на исходной точке, а второй приемник (на фиг. 1 обозначен позицией 3) начинают перемещать с точки на точку.

Для определения объемов земляного сооружения 1, преимущественно из намытого грунта или грунтовой выемки, измеряют пространственные прямоугольные координаты в точках поверхности, используя не менее двух приемников 2 и 3, работающих по сигналам навигационных спутников (на чертеже не показаны). Приемник 2 устанавливают на исходной точке (фиг. 1), расположенной вблизи границы 4 сооружения 1 и его естественного основания 5 (фиг. 2). Приемник 3 перемещают по поверхности сооружения 1 с одной контрольной точки на другую, начиная от точки 3. Приемник 3 передвигают с одной стороны границы 4 сооружения 1 и его естественного основания 5 к противоположной с интервалами, указанными на фиг. 1 позицией 7. Траектория перемещения приемника 3 в процессе измерения объемов земляного сооружения 1 показана на фиг. 1 пунктиром.

Приемник 3 выполнен с возможностью перемещения и измерения пространственных прямоугольных координат наземной 8 части сооружения 1, а также подземной 9 его части, в том числе в процессе намыва грунта, под водой 10 или при временном прикрытии поверхности измерения потоком пульпы. Для выполнения измерений нижней части сооружения 9 при мник 3 оснащен источником ультразвуковых волн 11.

Приемник 3 снабжен антенной 12 для приема сигналов навигационных спутников (на чертеже не показаны), штангой 13, источником ультразвуковых волн 14, выполненным в виде эхолота. Штанги 13 имеют опорную часть 15, выполненную с возможностью изменения массы и удельного давления на поверхность грунта путем установки впускных 16 и выпускных 17 клапанов для воды и пульпы.

Для регистрации сигналов измерения устройство снабжено приемником 18 и ПЭВМ - 19, выполненной в виде "ноутбука".

При работе устройства по указанному способу сначала устанавливают приемник 2 на границе 4 сооружения 1 и его естественного основания 5. Приемник 3 переносят вдоль продольной оси 6 сооружения 1 в наиболее удаленную точку сооружения 1, обозначенную на фиг. 1 буквой "С".

В процессе измерений координат и высотного положения наземной 8 поверхности сооружения 1 приемник 3 переносят последовательно в точки, обозначенные на фиг. 1 буквами "A1, A2, A3...A_n", "B1, B2, B3,...В_n", "С1, С2, C3,...С_n", выполняя измерения с помощью спутниковой геодезической аппаратуры в режиме "стой - иди". При этом количество перемещений и точек измерения определяют расстоянием "r", которое на фиг.1 обозначено позицией 7. Чем меньше величина расстояния "r" (позиция 7 на фиг. 1), тем больше точность определения объема земляного сооружения и тем меньше погрешность измерения его размеров.

В процессе измерения объемов земляного сооружения, преимущественно из намытого грунта, наибольшие погрешности связаны с отсутствием возможности одновременных измерений наземной 8 и подземной 9 частей сооружения. Результаты теоретических и натурных исследований (см., например, Н.Н. Маслов, Основы механики грунтов и инженерной геологии, М., "Высшая школа", 1982) показывают, что при намыве или отсыпке земляных сооружений, например насыпи дорог, штабеля, резервов, происходит сжатие грунтов естественного основания 5, обусловленное уменьшением пор в грунте под нагрузкой от земляного сооружения 1 отсыпанного или из намытого грунта. Под нагрузкой от земляного сооружения 1 происходит уплотнение во времени естественных грунтов основания 5 и изменение поверхности 9 основания земляного сооружения 1. Поверхность 9 основания земляного сооружения 1 изменяет свою форму в период всего процесса консолидации и прохождения осадок (см., например, П. Л. Иванов, Грунты и основания гидротехнических сооружений, М., Высшая школа, 1991, с.214).

Наиболее интенсивно и существенно поверхность 9 изменяется в период намыва земляного сооружения и сразу после его окончания, т.е. на начальном этапе консолидации, когда поверхность наземной части 8 сооружения 1 или ее часть покрыта водой 10 или потоком пульпы. Для измерения пространственных прямоугольных координат точек поверхности 9 штанга 13 приемника 3 снабжена источником ультразвуковых волн 14. Источник ультразвуковых волн 14 (эхолот) тарируют в соответствии с методикой, приведенной, например, в монографии В. В. Серебряков и Г.Н. Лопатин, Водные изыскания, М., Транспорт, 1983, с целью повышения точности измерений и установления границы различных сред. Сигналы источника ультразвуковых волн 14 регистрируют с помощью приемника 18 и ПЭВМ 19 или на регистрирующем устройстве и бумажной ленте эхолота (на чертеже не показаны).

Штанга 13 приемника 3 снабжена опорной частью 15, которая имеет впускной 16 и выпускной 17 клапаны известной конструкции (см., например, Политехнический словарь, изд.2, Советская энциклопедия, М., 1980, с. 444, Регулирующий клапан). Оснащение штанги 13 приемника 3 опорной частью 15 с впускным 16 и выпускным 17 клапанами обеспечивает повышение точности измерений поверхности 8 земляного сооружения 1, преимущественно из намытого грунта, на любой стадии его диагенеза и изменения его несущей способности, см., например, монографию И.В. Дудлер, Инженерно-геологический контроль при возведении и эксплуатации намывных сооружений, М., Стройиздат, 1987, 27 с.

По результатам измерений вычисляют площадь земляного сооружения по формуле Герона

S = (Pi(Pi-ai)(Pi-вi)(Pi-ci))^1/2, (1)

где P_i - полупериметр i - го треугольника, вершинами которого являются опорные точки; аi, вi, сi - длины сторон i-го треугольника; i = k-1 - число треугольников в сечении.

Расстояние между плоскостями сечений "r", обозначенное на фиг.1 позицией 7, принимают в зависимости от заданной точности определения размеров земляного сооружения 1 и вычисляют по формуле

r=D/(k+l), (2)

где D - длина осевой линии (на фиг. 1 - расстояние между точками 2 и 3);

k - число сечений, определяемое из выражения:

k= 2 d^-1/2, (3)

где d - предельно допустимая относительная погрешность определения размеров (объема) земляного сооружения.

По измеренным координатам осевых и контрольных точек, лежащих на границе сооружения и его естественного основания по одну сторону от осевой линии (назовем их опорными), вычисляют параметры уравнений плоскостей сечений по формулам

A= х2-х1,

В= у2-у1,

C= z2-zl, (4)

где x1, y1, z1, х2, у2, z2 - измеренные координаты 1 и 2 осевых точек (обозначенные, соответственно, позициями 2 и 3 на фиг. 1).

Выполняют отбор "k" ближайших к каждой плоскости сечения контрольных точек по расстояниям до них, вычисленным по формулам

R_ij = (AX_j + BY_j+ CZ_j+ D_i) : d, (5)

где d= (А+ В+ С);

X_j, Y_j, Z_j - измеренные координаты контрольных точек (j= 1, 2... N,

где N - общее число контрольных точек).

Редуцируют их на соответствующую плоскость сечения по формулам

X_ij = X"_ij - A:d R_ij;

Y_ij = Y"_ij - B:d R_ij;

Z_ij = Z"_ij - C:d R_ij; (6)

где X"_ij, Y"_ij, Z"_ij - измеренные координаты ближайших к i-му сечению контрольных точек; X_ij; Y_ij; Z_ij - координаты этих же точек, отнесенные на плоскость i-го сечения.

По координатам опорных и контрольных точек каждого сечения вычисляют площади сечений как суммы площадей образующих треугольников, вычисляемые по формуле (1). По площадям сечений и расстояниям между ними, вычисленным с помощью выражения (5), вычисляют объемы составляющих пирамид по формуле

(7)

где H_i - высота i-й пирамиды;

P_i, P(i+1)- площадь основания i-й пирамиды, при этом предполагается, что Р (i+1) > P_i, а для первой и последней пирамид, которые в отличие от остальных не являются усеченными, P_i = 0.

Полный размер земляного сооружения (общий объем) вычисляют как сумму объемов составляющих его пирамид, вычисленных по формуле (7).