способ совместного определения зенитного и азимутального углов столбовых ям и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения зенитного и азимутального углов залегания следов от дерева в материнской породе, заключающийся в определении этих углов по параметрам округлых пятен, выделяемых по разнице цветов грунта на зачищенной поверхности горизонта, образованных сечениями следов от дерева горизонтальными плоскостями, отличающийся тем, что сначала определяют положение в пространстве прямой линии, проходящей через центры двух пятен, причем положения центров пятен определяются как пересечение их осей симметрии, по возвышению горизонта центра верхнего пятна относительно его проекции на нижнюю горизонтальную секущую плоскость и по проекции на эту плоскость отрезка, соединяющего центры пятен, определяется зенитный угол, а азимутальный угол определяется по положению проекции отрезка, соединяющего центры пятен на нижнюю горизонтальную секущую плоскость относительно некоторого опорного направления.

2. Устройство для определения зенитного и азимутального углов залегания следов от дерева в материнской породе, содержащее основание и подвижную относительно его рамку с установленными на ней уровнем, компасом и узлом регистрации результатов измерений, отличающееся тем, что основание выполнено в виде квадратной металлической рамки с крестообразными ребрами, соединяющими противоположные ее стороны, а в центре основания на ребрах закреплена полая втулка, причем один из торцов втулки выполнен заподлицо с нижней плоскостью основания, при этом на полую втулку как на ось устанавливается подвижная рамка, которая имеет крестообразные ребра, соединяющие обод рамки с центральным приливом, имеющим внутреннее отверстие с диаметром, равным наружному диаметру втулки основания, причем на ребрах основания и подвижной рамки нанесены риски мерительных линеек, при этом на подвижной рамке жестко закреплена прозрачная основа, на которой нанесена азимутальная сетка с центром, совпадающим с центром отверстия в приливе рамки, и установлены компас и уровни, при этом через втулку основания проходит штырь-репер с нанесенными по его длине рисками мерительной линейки, а на подвижной рамке с возможностью перемещения вдоль одной из ее осей установлена на опорах траверса, перемычка которой в средней части имеет овальное искривление, а на линейных участках перемычки нанесены риски мерительных линеек.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам и устройствам определения угловых параметров (азимута и угла падения или возвышения, зенитного угла) залегания протяженных локализованных инородных тел в горных породах или грунте.

Известны способы и устройства, относящиеся к маркшейдерскому делу, предназначенные для определения угловых параметров (азимута и угла падения) залегания горных пород. В частности, в качестве примеров таких устройств могут быть отмечены устройства по а.с. СССР №870923, 1767335 [1, 2]. Такие устройства применяются для определения положения пластов, трещин, контактов и т.п. параметров, характеризующих положение горных пород относительно сторон света и линии горизонта. При использовании для измерения параметров залегания горных пород горных компасов известных конструкций необходимо производить много операций при измерении каждого из искомых параметров. Например, при работе с горным компасом, описанным в работе [3], необходимо неоднократно дезарретировать и арретировать магнитную стрелку и клинометр, проводить манипуляции с самим компасом для раздельного определения угла падения и азимута простирания, что в конечном итоге приводит к большим погрешностям в измерениях.

Отмеченный выше горный компас по а.с. СССР №870923 [1] обладает более высокой точностью измерений и более простой методикой его использования в полевых условиях и позволяет одновременно определять и угол падения и азимут простирания пород. Однако и эта конструкция горного компаса, и аналогичные конструкции горных компасов не позволяют определять положение в пространстве небольших, локальных инородных включений в основной породе. В частности, не позволяют определять соответствующий азимутальный угол и зенитный угол для продольной оси отдельного кристалла минерала или оси протяженной пустоты в породе. Подобная задача является одной из важнейших при проведении археологических раскопок, когда необходимо определить (измерить) зенитный и азимутальный углы для каждой из продольных осей следов от деревянных столбов в материнской породе (далее: следов от дерева) с целью визуальной реконструкции наземных частей сооружений по их следам. Ввиду непригодности по указанной выше причине для решения этой задачи горных компасов используются иные технологии.

В археологии известны два способа измерения зенитного и азимутального углов для продольных осей следов от дерева, изложенные в монографиях [4, 5].

При существующем способе поверхность земли (далее - дневную поверхность) на территории предполагаемого раскопа с помощью кольев и измерительных реек (рулетки) разбивают на квадраты со стороной 100, 200 или 500 сантиметров [4, с.82-83]. После этого лопатами снимают слой грунта на глубину, которая не превышает высоту полотна лопаты (ГОСТ 19596-87. Лопата копальная остроконечная. Лопата копальная прямоугольная). Обычно толщина снимаемого слоя составляет 10 или 20 сантиметров.

При этом оставляют на месте разметочные колья (далее - реперы) и полоски грунта между ними (далее - бровки). Обнажившуюся поверхность (далее - горизонт) зачищают горизонтальными движениями лопаты. Грунт, содержащий следы от дерева, и материнская порода имеют разный химический и гранулометрический состав и различаются по цвету. На зачищенной поверхности горизонта выделяют по разнице цветов грунта округлое пятно, в котором сохранились следы дерева от ранее установленного здесь столба. Для этого визуально оценивают разницу цвета следов от дерева и окружающего грунта. Выделенное пятно принимают за горизонтальное сечение следов от дерева.

Далее, внутри квадрата раскопа строят координатную сетку с ячейкой 10×10 сантиметров, прочерчивая на зачищенной поверхности горизонта линии острым предметом. При этом за начало отсчета линий координатной сетки принимают линии, соединяющие разметочные колья (реперы). Затем линейкой измеряют расстояния от габаритов сечения следов от дерева до линий координатной сетки и переносят их на план раскопа в некотором (произвольном) масштабе, получая уменьшенное изображение следов от дерева в данном горизонте.

После этого на всей поверхности квадрата раскопа снимают следующий слой грунта, зачищают очередной горизонт, строят на нем описанным способом координатную сетку и описанным способом получают масштабное изображение следов от дерева для данного горизонта. Указанный цикл повторяют до тех пор, пока очередной вскрытый горизонт не будет однороден по цвету, то есть на его поверхности не будет следов дерева.

Затем сравнивают полученные масштабные изображения горизонтальных разрезов следов дерева для нескольких горизонтов, и по наличию смещения разрезов относительно координатной сетки делают интуитивное заключение о наличии отклонения продольной оси следов дерева от вертикали. Пользуясь этими же изображениями, мысленно реконструируют вертикальный разрез ямы, в которой когда-то стоял столб, оставивший следы дерева в произвольно назначаемой плоскости. Либо полученные горизонтальные разрезы следов дерева обрабатывают с помощью компьютерных программ для получения трехмерной модели столба, оставившего эти следы.

Затем, пользуясь полученным изображением вертикального разреза подземной части столба либо ее трехмерной моделью, мысленно реконструируют наземную часть столба, который оставил зафиксированные следы от дерева в материнской породе.

Описанный способ имеет следующие недостатки:

1. В пределах раскопа могут быть следы дерева разной глубины. Глубина каждого из них до завершения раскопок исследователю не известна. Некоторые следы могут иметь глубину меньше, чем толщина снимаемого слоя грунта. Поэтому, исследователь не в состоянии предугадать необходимую толщину слоя грунта, который подлежит удалению. Следовательно, если, к примеру, удаляется слой грунта 20 сантиметров, то все следы дерева, глубина которых меньше указанного значения, не будут иметь следов (горизонтального разреза) на вновь открывшемся нижнем горизонте, и их параметры не будут зафиксированы. Следовательно, следы деревянных столбов при этом безвозвратно утрачиваются и не могут быть использованы в целях научной реконструкции построек.

2. При построении координатной сетки 10×10 сантиметров внутри квадрата раскопа за начало системы координат принимают репер на дневной поверхности. Плоскость, на которую этот репер проецируется в виде условной точки (дневная поверхность), не совпадает с плоскостью, в которой строится координатная сетка (плоскость горизонта). Поэтому, для перенесения расстояния от репера на плоскость горизонта необходимым условием является работа нескольких человек с применением обширного инструментария: измерительной рейки длиной не менее чем расстояния между реперами (то есть 2-3 метра); отвеса; угольника; и еще одной рейки для расчерчивания квадратов 10×10 сантиметров. Причем длина последней рейки должна быть меньше, чем расстояния между реперами, чтобы она помещалась внутри квадрата раскопа между бровками.

3. Дневная поверхность, на которой установлены реперы, вследствие особенностей микрорельефа может быть не параллельна горизонту раскопа. Следовательно, в этом случае расстояния между реперами невозможно перенести на координатную сетку 10×10 см без искажений, вследствие которых измерение расстояний по такой координатной сетке будет иметь определенную погрешность. Из-за необходимости вновь и вновь строить эту координатную сетку на каждом новом горизонте погрешность измерения накапливается.

4. Масштабное изображение полученных горизонтальных разрезов следов дерева имеет определенную погрешность, величина которой возрастает с увеличением масштаба. Например, при масштабе 1:10 погрешность отображения составляет 1 см; при перенесении на план раскопа отрезка в 95 или 105 мм его изображение на бумаге будет одинаковым - 10 мм. Следовательно, порядок погрешности фиксации здесь составляет десятки миллиметров. Суммарная погрешность всех измерений по данному способу может быть сопоставима с величиной измеряемого параметра - смещения габаритов следов дерева относительно координатной сетки. В этом случае искомый параметр (смещение габаритов следов) не может быть измерен.

5. Каждое отдельно полученное горизонтальное сечение следов дерева не несет информации об углах наклона установленного в ней деревянного столба, оставившего эти следы. Поэтому для каждого столба требуется нарисовать на бумаге множество разрезов его следов в грунте. Эта работа требует привлечения квалифицированных рисовальщиков, большого количества расходных материалов и может проводиться в ходе полевых работ лишь при благоприятных погодных условиях.

6. Построение точной координатной сетки и осуществление данного способа невозможно на сыпучих и переувлажненных грунтах.

В соответствии со вторым способом, изложенным в [4], обнаруженный след дерева на горизонте мысленно делят пополам так, что его диаметр находится на пересечении плоскости пятна и воображаемой секущей вертикальной плоскости. Азимутальное направление секущей плоскости задается произвольно. Затем вертикальными движениями лопаты выбирают грунт от внешних границ следов дерева до секущей плоскости на всю глубину следов дерева. Полученный вертикальный разрез измеряют линейкой и в некотором масштабе переносят на бумагу [4, с.91].

Недостатки второго способа следующие:

1. Азимут наклона следов дерева (азимут проекции продольной оси этих следов на горизонтальную поверхность) до окончания раскопок исследователю не известен. Следовательно, невозможно назначить верную плоскость сечения, на которой угол наклона продольной оси следов дерева отражался бы без искажений, ибо если следы дерева наклонены к плоскости сечения, то они отразятся на этой плоскости как вертикальные.

2. Следы дерева могут образовывать скопления, близко располагаясь друг к другу, когда их диаметры (и, следовательно, вертикальные сечения) могут лежать в разных плоскостях. При таких условиях рассечь их единой плоскостью невозможно.

3. Построение вертикального разреза следов дерева и осуществление данного способа невозможно на подвижных (сыпучих, переувлажненных, мерзлотно-разогретых) грунтах.

Тем самым, в соответствии с обоими изложенными способами для определения азимутального и зенитного углов продольных осей следов дерева определяются их габариты для каждого из горизонтальных сечений следов дерева, которые «привязываются» к некоторой базовой горизонтальной сетке. Ввиду того, что следы дерева в грунте представляют из себя тело вращения (круговой или эллиптический цилиндр), то определить положение продольной оси такого тела в пространстве (зенитный и азимутальный угол) по параметрам только одного сечения не представляет больших математических трудностей. В этом случае след дерева имеет вид эллипса, две полуоси которого, исходя из законов тригонометрии, позволяют определить величины азимутального и продольного углов для продольной оси столбовой ямы. Для этого необходимо измерить длину оси эллипса следов дерева, путем дальнейшего съема грунта добиваются следа в виде окружности и по формуле

определяют угол между нормалью к первоначально проведенной секущей плоскости следов дерева и продольной осью этого следа. В формуле (1) d - диаметр следа дерева; D - длина оси эллипса пятна следов дерева. Определив зенитный или азимутальный угол для нормали, проведенной к секущей плоскости в центре пятна следов дерева, с учетом угла определяется соответствующий угол для продольной оси этого следа. Проведя подобные операции в отношении другой оси эллипса пятна следов дерева, легко определить другой искомый угол ориентации продольной оси следа.

Однако изложенный способ имеет низкую точность определения искомых углов, поскольку на практике границы следов дерева в грунте нечетко выражены. А даже незначительная ошибка в определении длин осей эллипса может привести к значительным погрешностям в определении искомых углов. Более того, в соответствии с этим способом необходимо определять направление нормали к плоскости сечения следов дерева, что также связано не только с определенными трудностями, но и приводит к дополнительному росту погрешности определения азимутального и зенитного углов продольной оси следов дерева в грунте.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения углов (азимутальный и зенитный угол) пространственной ориентации продольной оси малоразмерных тел, например осей следов дерева в грунте.

Указанная цель достигается тем, что определение положения прямой линии в пространстве, каковой является продольная ось следов дерева, производится по координатам двух разнесенных вдоль этой линии точек [7]. Тем самым может быть предложен следующий способ определения азимутального и зенитного угла для продольной оси следов дерева: необходимо определить положения двух центров пятен следов, а сами пятна получены в двух параллельных горизонтальных сечениях следов, разнесенных по длине их продольной оси. Центр каждого пятна определяется как точка пересечения его осей симметрии. После определения расположение этих точек относительно друг друга и относительно горизонтальной плоскости, проходящей через одну из этих точек, которую примем за базовую плоскость, определяется по правилам тригонометрии азимутальный и зенитный углы продольной оси тела вращения (следов от дерева в грунте).

Для реализации этого способа может быть использован горный компас, позволяющий определить азимут (азимутальный угол) и вертикальный угол (зенитный угол) залегания горных пород. Аналогами могут быть названы а.с. СССР №302595 и №577403 [8, 9]. Так устройство [9] содержит основание, на котором крепится магнитный компас и механизм регистрации результатов измерений, выполненный в виде поворотного круга, соединенного гибкой связью со шкалой компаса. Измеряя положение залегания пород, устройство прикладывают основанием на соответствующую плоскость, по показаниям компаса подводят поворотный круг, а на пересечении двух линеек фиксируют результат в виде точки на специально разграфленной сетке. Однако эти устройства не позволяют получить в полевых условиях стереографических изображений залегания горных пород.

По а.с. СССР №1767335 [2] устройство для определения параметров залегания горных пород содержит основание с прикрепленным к нему компасом, уровнем и узлом регистрации результатов измерений, размещенным на рабочей пластине, которая закреплена в вырезе основания с возможностью поворота относительно горизонтальной плоскости, а на рабочей пластине размещена съемная азимутальная плоская сетка на прозрачной основе.

К сожалению все известные конструкции горных компасов ввиду особенностей их использования не могут быть применены для определения положения продольной оси столбовой ямы, в том числе и по причине малых размеров столбовой ямы по сравнению с размерами тела залегания породы. Более того, ни один горный комплекс не позволяет найти центр пятна следов от дерева. От этих недостатков свободно устройство, изображенное на чертеже.

Устройство состоит из квадратного основания 1, которое выполнено в виде квадратной металлической рамки с крестообразными ребрами, соединяющими противоположные ее стороны, причем в центре рамки на ребрах закреплена полая втулка 2. Один из торцов полой втулки выполнен заподлицо с нижней плоскостью основания 1. На полую втулку 2 устанавливается с возможностью проворота относительно ее (относительно основания) поворотная рамка 3, которая выполнена в виде рамки с крестообразными ребрами, расположенными под углом в 90 градусов друг к другу и соединяющими рамку с приливом 4, имеющим внутреннее отверстие с диаметром, равным наружному диаметру полой втулки, продольная ось которого перпендикулярна плоскости поворотной рамки. На ребрах основания и подвижной рамки нанесены риски мерительных линеек, для измерения линейных размеров, при этом началом отсчета линеек является след продольной оси полой втулки 2. На подвижной рамке 3 жестко закреплена прозрачная основа 5, на которой нанесена азимутальная сетка 6. На подвижной рамке 3 с возможностью перемещения вдоль одной из осей подвижной рамки установлена на опорах 7 траверса, перемычка 8 которой в средней своей части имеет овальное искривление, а на линейных участках перемычки 8 нанесены риски мерительных линеек. Овальное искривление на перемычке 8 выполняется с целью прохождения в исходном положении устройства осей линейных участков перемычки 8 через ось полой втулки 2. На подвижной рамке размещаются также уровень и компас, обозначенные позициями "У" и "К". Полая втулка 2 базируется на штыре-репере 9, на котором нанесены вдоль его насечки мерительной линейки.

Определяют азимутальный и зенитный угол следов о дерева в материнской породе с помощью описанного устройства следующим образом.

Обнаружив пятно следа от дерева (или пятна), ставят на него (на них) устройство таким образом, чтобы пересечения границ пятна совпадали с одинаковыми делениями (рисками) линеек, нанесенных на противоположные ребра основания 1 или подвижной рамки 3. В результате этого полая втулка 2 устанавливается по центру пятна. С помощью уровня, установленного на подвижной рамке, поворачивая ее, горизонтируют устройство, при необходимости удаляя понемногу грунт из под его основания 1, чем добиваются вертикальности продольной оси полой втулки 2. В полую втулку 2 вставляют штырь-репер 9 заостренным концом вниз и ударами молотка по его верхней части забивают в грунт. После того как торец штыря-репера 9 совпадет заподлицо со срезом полой втулки 2, устройство снимают со штыря-репера, оставляя последний на месте.

Вертикальными движениями лопаты удаляют грунт от края ямы к ее центру на глубину 5...10...15...20 см, ориентируясь по рискам на штыре-репере 10. При этом визуально оценивают отношение толщины снимаемого горизонта и глубины следов дерева. При необходимости уменьшают толщину слоя так, чтобы она всегда была меньше глубины разбираемого следа дерева. После удаления грунта по всей площади пятна следов дерева равняют образовавшуюся поверхность грунта горизонтальными движениями лопаты. Далее надевают на штырь-репер 9 устройство и устанавливают одну из осей основания 1 с помощью компаса коллинеарно опорному направлению. Вращением рамки 3 и перемещением каретки 8 определяют центр пятна. С помощью рисок мерной линейки, нанесенных на ребро подвижной рамки, определяют расстояние между центром следов от дерева и штырем-репером, которое является расстоянием между проекциями центров пятен следов дерева на горизонтальную плоскость. Толщину снятого слоя грунта при вскрытии следов дерева определяют по рискам штыря-репера 9. Тангенс зенитного угла определяют как отношение толщины снятого грунта к расстоянию между проекциями центров пятен следов от дерева на горизонтальную плоскость.

Азимутальный угол определяется как угол между опорным направлением, которое задается продольной осью основания, и продольной осью подвижной рамки 3, который определяется по азимутальной сетке 6.

Таким образом, предлагаемый способ состоит в определении с помощью описанного устройства центра пятна следов от дерева в горизонте, как точки пересечения осей симметрии этого пятна (верхней точки), фиксации этой точки в пространстве с помощью вертикально установленного штыря-репера, проецировании этой точки на плоскость нижележащего горизонта и определении центра пятна следов дерева в нижележащем горизонте (нижней точки) с помощью того же устройства, измерений расстояния между проекцией верхней точки на нижнюю и осью ямы в нижнем горизонте (нижней точкой), определении с помощью устройства толщины снимаемого грунта и вычислении величины тангенса зенитного угла оси следов дерева в материнской породе при одновременном определении азимутального угла относительно опорного направления, и линии-перпендикуляра, опущенного из нижней точки на штырь-репер.

Тем самым, в отличие от аналогов, предлагаемый способ для определения положения продольной оси следов дерева имеет следующие преимущества:

1. Измерению подвергаются не габариты пятна следов дерева относительно координатной сетки, а смещение центра пятен следов дерева в двух горизонтальных секущих плоскостях. Это освобождает исследователя от построения координатной сетки на каждом горизонте, делает ненужным применение многочисленного измерительного инструментария и чертежных материалов и снижает общую трудоемкость работ.

2. Расстояние по вертикали между секущими плоскостями (толщина горизонта) может быть произвольно для каждого из следов дерева в материнской породе. Это дает исследователю возможность снимать грунт, содержащий следы дерева, от края этих следов к их центру вертикальными движениями лопаты. Если исследователь видит, что толщина снимаемого им горизонта превышает глубину изучаемого следа, он имеет возможность уменьшить толщину снимаемого горизонта таким образом, чтобы удалить грунт не на полную глубину залегания следа, а так, чтобы получить горизонтальное сечение следа дерева на нижнем горизонте. Следовательно, предлагаемый способ позволяет фиксировать параметры и тех следов дерева, которые не фиксируются при существующих способах, когда глубина залегания какого-либо из следов оказывается меньше толщины слоя окружающего грунта, снимаемого по всей площади раскопа, что повышает точность фиксации археологических следов сооружений.

3. Искомые параметры (линейные размеры) для каждого из следов дерева измеряются от штыря-репера, который устанавливается по центру пятна следов после его обнаружения в самом верхнем горизонте. Это позволяет фиксировать параметр с помощью единственного измерения, точность которого при использовании линейки с миллиметровыми делениями возрастает до миллиметров, то есть, на порядок по сравнению с существующими методами. Это делает реконструкцию углов наземных частей сооружений более достоверной.

4. С использованием штыря-репера, который закреплен в слое грунта ненарушенной структуры, отпадает необходимость графического изображения разрезов следов дерева в вертикальной плоскости и самого разрезывания этих следов вертикальными плоскостями. Это позволяет фиксировать параметры следов дерева при любых погодно-климатических условиях, а также в сыпучих и текучих (переувлажненных, мерзлотно-разогретых) грунтах, которые невозможно разрезать вертикальной плоскостью и на поверхности которых невозможно нарисовать координатную сетку при существующих способах. Следовательно, предлагаемый способ расширяет источниковую базу археологии и делает возможным изучение новых археологических памятников.

5. Измерение искомого параметра производится не по чертежам после раскопок, а на натуре, во время работ в поле. Это делает возможным оперативно корректировать ход работы. Например, если обнаруживается линия следов дерева от столбов с одинаковым азимутом и наклоном к краю раскопа, исследователь логично предполагает, что противостоящие столбы сооружения находились за границей бровки существующего раскопа и получает возможность увеличить площадь раскопа в определенном направлении для того, чтобы в пределах одного сезона получить общий план исследуемой постройки.

Таким образом, предлагаемый способ определения параметров пространственной ориентации осей следов дерева в материнской породе и устройство для его реализации позволяет снизить трудоемкость их определения и повысить точность их определения, что увеличивает достоверность реконструкции наземных частей доисторических сооружений.

Источники информации

1. А.с. СССР №870923. Горный компас. МКИ G 01 С 17/16. // Исмаил-Заде Т.А., Аскеров Р.Б., Гасанов А.З., Гаджиев Э.М. Опубликовано 07.10.81. Бюл. №37.

2. А.с. СССР №1767335. Устройство для определения залегания горных пород. МКИ G 01 С 17/16. Николашин Ю.М., Воскобойников Б.И. Опубликовано 07.10.92. Бюл. №37.

3. Малахов Л.А. и др. Практикум по геологии. М.: «Высшая школа», 1966. - С.120-122.

4. Мартынов А.И., Шер Я.А. Методы археологического исследования: Учеб. пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: «Высшая школа», 2002. - 240 с.

5. Авдусин Д.А. Полевая археология СССР. - 2-е изд. М., 1980.

6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: «Наука», 1962. - 576 с.

7. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. - М.: «Наука», 1966. - 868 с.

8. А.с. СССР №302595. МКИ G 01 В 11/26.

9. А.с. СССР №577403. МКИ G 01 С 17/16.