Применение нивелирования в строительстве

Нивелирование и нивелировка

Нивелирование и нивелировка

Одним из видов геодезических измерений является нивелирование, с помощью которого производится определение относительных высот любых точек поверхности земли. Условным уровнем при таких геодезических измерениях может выступать уровень реки или океана или любая другая исходная точка. То есть, по сути, нивелирование – это определение превышения уровня каждой поверхности точки над заданной, что необходимо для построения точного рельефа местности, который в дальнейшем может использоваться для построения карт, планов местности или для решения прикладных задач.

Виды нивелирования

Нивелировка поверхности может осуществляться различными методами, которые отличаются технологией и используемым оборудованием:

1. Геометрическое нивелирование.

Для съемки местности с помощью геометрического нивелирования используют рейку и нивелир. Принцип нивелировки заключается в установке специальной рейки с делениями и штрихами в необходимой точке поверхности, после чего с помощью горизонтального визирного луча отсчитывается разность высот.

Геометрическая нивелировка производится методом «из середины» или «вперед». В первом случае рейки устанавливаются в двух точках поверхности, а нивелир располагается между ними таким образом, чтобы расстояния до реек были примерно равными. Результатом измерений становится информация о превышении уровня одной из реек над другой.

Геометрическое нивелирование – наиболее распространенный метод, который широко применяется в строительстве.

2. Тригонометрическое нивелирование.

При таком методе нивелировки используют специальные угломерные приборы (теодолиты), с помощью которых измеряют углы наклона визирного луча, который проходит через две заданные точки поверхности. Такой метод используется при топографической съемке для определения разности высот двух точек, которые находятся в зоне оптической видимости, но на значительном расстоянии друг от друга.

3. Барометрическое нивелирование.

Такой метод основан на зависимости атмосферного давления воздуха от высоты точки поверхности. Измерение давления производят с помощью барометра, а в полученные данные вносят поправки на реальные температурные ивлажностные параметры воздуха при измерениях.

Такой метод обычно используется в труднодоступных местностях, при различных геологических или географических экспедициях.

4. Механическое нивелирование.

Для нивелировки поверхности с помощью данного метода используют специальный нивелир-автомат, который вычерчивает профиль местности автоматически с помощью установленного отвеса, задающего вертикаль, и фрикционного диска, фиксирующего пройденное расстояние. Такой нивелир-автомат устанавливается на транспортное средство и определяет:

5. Гидростатическое нивелирование.

Этот метод нивелировки основан на принципе работы сообщающихся сосудов. Измерения гидростатическим методом производят с помощью гидростатического нивелира, работающего с погрешностью 1-2 мм. Такой нивелир компонуется из двух стеклянных трубок, которые соединены между собой шлангом, заполненным водой. Стеклянные трубки вставлены в рейки, на которых нанесены деления, по которым определяют числовые значения превышения уровня. Из конструкции гидростатического нивелира видно, что зона его действия ограничивается длиной шланга, соединяющего сосуды.

Помимо методики производства работ, нивелирование разделяют по классам точности, каждому из которых соответствуют определенные методы и виды нивелирования:

Кроме указанных классов, применяют техническое нивелирование, класс точности которого ниже четвертого.

В зависимости от рельефа заданной местности и задач съемки, может использоваться нивелирование по квадратам, по параллельным линиям или по полигонам. Первый метод получил наибольшее распространение и широко применяется для больших открытых участков местности с малой высотой сечения.

Что такое нивелир?

Для выполнения геометрического нивелирования, которое повсеместно используется в строительстве, используются нивелиры различных конструкций. Согласно принципу действия разделяют электронные, оптико-механические, лазерные и гидростатические нивелиры. Все приборы оснащены зрительной трубой, которая вращается в горизонтальной плоскости. Современные конструкции нивелиров предусматривают автоматическую компенсацию для установки зрительной оси в рабочее положение.

Все нивелиры разделяются на различные классы точности: высокоточные, точные и технические. Высокоточные нивелиры обеспечивают погрешность измерения менее 2 мм на 1 км двойного хода, точные – менее 5 мм.

История нивелирования

Первые сведения о нивелировании относятся к 1 в. до н.э., а именно к строительству оросительных каналов в Древнем Риме и Греции. Исторические документы упоминают водяной нивелир и связывают его изобретение и использование с именами Марка Витрувия, римского архитектора, и Герона александрийского, древнегреческого ученого.

Толчком к развитию методов нивелирования послужило изобретение зрительной трубы, цилиндрического уровня, барометра и сетки нитей в зрительных трубах. Все эти открытия относятся к 16-17 векам и позволили разработать точные методы измерения поверхности земли.

В России во время царствования Петра I была создана оптическая мастерская (1715-1725 г.г.), где среди прочей техники производились нивелиры, которые назывались ватерпасы с трубой. Разработками нивелиров в этой мастерской руководил И.Е. Беляев. К этому же периоду относится измерение уровня точек поверхности с помощью барометра.

Начало 19 века ознаменовано появлением тригонометрического нивелирования, с помощью которого были проведены такие масштабные работы, как определение разности уровня Черного и Азовского морей, измерена высота горы Эльбрус.

Широкое использование геометрического нивелирования относится к середине 19 века. Например, в 1847 году он был использован при проектировании Суэцкого канала. В отечественной геодезии геометрическое нивелирование применялось для строительства сухопутных и водных дорог.

Начало создания отечественной нивелирной сети относится к 1871 году, когда были начаты работы по установке пунктов, служащих основой для топографических съемок.

Применение нивелировки

Результатом нивелировки является создание опорной геодезической сети, которая служит основой при проведении топографической съемки местности или любых геодезических измерениях.

Нивелирование широко применяется в научных и исследовательских целях: при изучении фигуры земного шара, движений земной коры, а также для фиксации колебаний уровня океанов или морей.

Нивелировка также повсеместно применяется для решения прикладных задач, связанных со строительством различных объектов, прокладкой инженерных коммуникаций, путей сообщения и т.д. Например, нивелирование необходимо для переноса проектных решений по высоте, а также при монтажных работах для установки строительных конструкций. Для решения всех этих задач используют данные, полученные геодезистами с использованием нивелиров. Помимо этого, для решения узкоспециализированных задач, применяются автоматические системы нивелирования. К таким задачам относится, например, строительство и ремонт дорожного полотна. Кроме этого, датчики, входящие в систему автоматической нивелировки устанавливаются на автомобилях, железнодорожных вагонах, в результате чего можно получить готовый профиль местности в самые короткие сроки.

Современные технологии в нивелировании

На сегодняшний день, в виду необычайно быстрого развития технологий, для нивелировки поверхности могут использоваться различные технологии:

Для эффективной обработки больших потоков данных, получаемых в результате применения вышеуказанных технологий, требуется наличие специального программного обеспечения, выполняющего задачи хранения, управления, визуализации и обработки данных.

Современные системы нивелирования в дорожном строительстве

В современном дорожном строительстве широко применяются автоматизированные системы нивелирования, которые позволяют управлять рабочим органом дорожно-строительной техники в зависимости от его текущего положения. При этом системы автоматического нивелирования отличаются высокой точностью работ, значительно повышающей качество дорожного полотна и сокращающей общие сроки строительства.

Автоматические системы нивелирования, установленные на асфальтоукладчиках, дорожных фрезах или бульдозерах, позволяют устранять дефекты старого дорожного полотна при укладке нового слоя покрытия. Такая нивелировка контролирует поперечный уклон дороги и выполняет его точно с заданными проектом параметрами.

Современные системы нивелировки для дорожно-строительной техники разделяются на несколько видов в зависимости от используемой технологии:

В зависимости от сложности и требуемого качества дорожно-строительных работ может использоваться та или иная система автоматической нивелировки. Главной особенностью таких систем, предлагаемых лидирующими мировыми производителями, является возможность модернизации систем нивелирования от простых до наиболее сложных.

Источник

Как пользоваться нивелиром и рейкой при строительстве

Оптический нивелир многие считают архаизмом, в то время как это один из наиболее точных приборов в рамках геодезических исследований. В нашем обзоре мы удовлетворим интерес обывателей по вопросам использования нивелира для геометрического способа построения плоскостей.

Два геодезиста на разных краях пропасти:

Нивелир (кричит): Переходи!

Нивелир (ещё громче): Переходи.

Нивелир (бормочет): Глухой идиот.

Рейка (кричит): Сам идиот.

Суть и специфика нивелирования

Существует немало способов установить искривление земной поверхности: по малейшей разнице в атмосферном давлении, с использованием теодолита или водяного уровня и прочих приспособлений. Однако геометрическое нивелирование считается наиболее универсальным, быстрым и точным способом: даже у технических нивелиров, используемых в строительстве, погрешность измерений составляет всего 10 мм на один км.

Суть нивелирования заключается в определении разности высот (превышения) каждой из набора точек на местности относительно некоторой эталонной точки, называемой в строительстве репером. После того, как виртуальная плоскость была определена, относительно нее отсчитывают нулевую отметку, которая в большинстве случаев лежит на уровне пола первого этажа здания.

В принципе, в нивелировании нет ничего сложного кроме двух специфических моментов. С одной стороны, геодезист с напарником должны уметь пользоваться нивелиром и рейкой, знать тонкости настройки и правильно устанавливать контрольные столбы. Другой нюанс заключен в том, что на местности могут присутствовать объекты, препятствующие визуальному контакту между нивелиром и рейкой. Поэтому место установки нивелира приходится периодически переносить, определяя временные реперы и устанавливая разность высот для них. Но в конечном итоге все расчеты сводятся к банальной арифметике.

Определение репера и ключевых точек

При геодезическом исследовании строительной площадки репер располагают в самой низкой точке плоскости, которую определяют визуально или путем беглого «прострела». В этом месте в землю вбивают массивный столб с прямым срезом, на который удобно установить рейку.

Количество и расположение ключевых точек зависит от задач нивелирования. Если речь идет о подготовке котлована под фундамент, точки располагают на внутренних и внешних углах по контуру будущей конструкции. При размещении контрольных точек не требуется высокой точности, важно лишь, чтобы в месте установки кольев не было локальных бугров или ям.

В черте населенного пункта имеются специальные, измеренные и утвержденные официально, реперные точки для привязки к ним при измерении новых строительных площадок.

Все точки должны быть по возможности равноудалены от места установки нивелира и находиться от него на расстоянии не менее 5 метров. Если нивелируется маленький участок, нивелиром можно отстреливать все точки со стороны, ну или воспользоваться гидростатическим уровнем.

Установка и выравнивание визира

Для начала необходимо установить штатив. Ослабив винты крепления телескопических ножек, треногу нужно выровнять так, чтобы верхняя площадка лежала в горизонтальной плоскости, здесь все делается «на глазок». Ножки нужно вдавить в рыхлый грунт, надавив ногой на упор, при этом расстояние между ними должно быть одинаковым. Высоту ножек нужно отрегулировать так, чтобы площадка штатива находилась на уровне груди, после чего затянуть винты.

Когда штатив установлен, на нем посредством центрального винта крепится сам нивелир. Он имеет две площадки: нижняя фиксируется к треноге винтом или иным штатным способом, верхняя покоится на трех регулировочных винтах. По сторонам образованного винтами треугольника расположены три цилиндрических пузырьковых уровня предварительной настройки. Вращая одну пару винтов, сначала нужно добиться, чтобы пузырек между ними стал точно между метками. После этого путем подкручивания третьего винта выставляются два других уровня. Индикатор точной настройки — круглый уровень — располагается на корпусе оптической трубы нивелира. Может потребоваться немного покрутить регулировочные винты, чтобы пузырек расположился точно в пределах круглой метки. Нивелир готов к работе.

Обозначения нивелирной рейки

Рейка разбита на сегменты, каждый длиной по 10 см. Внутри каждого сегмента есть черные и белые участки, длина каждого равна 1 см. Крайние три черных участка объединены боковой линией — это чтобы проще было визуально определять центр сегмента. Цифры обозначают, в каком десятке сантиметров находятся метки сегмента, то есть по сути положение на рейке определяется числом белых и черных участков, прибавленных к номеру десятка.

Но ведь точности в один сантиметр явно недостаточно. Дело в том, что на обратной стороне рейки имеется обычная миллиметровая градуировка, которой на больших расстояниях пользоваться не очень удобно. Поэтому помощник, удерживающий рейку, может дополнительно подстраивать бегунок, руководствуясь командами геодезиста «выше» и «ниже», а затем показать на пальцах количество миллиметров. Также некоторые нивелиры оснащаются метрической сеткой, по которой это отклонение определить еще проще.

Напоследок самый интересный вопрос: почему верхней части рейка имеет красную разметку, расположенную в обратном порядке. Дело в том, что у старых нивелиров не было дополнительной линзы и изображение геодезист видел перевернутым. Но с такими «динозаврами» вам вряд ли придется иметь дело.

Порядок измерения превышения точки

Перед отстрелом точки помощник должен установить рейку как можно ближе к контрольному колышку, мягко оперев ее на прилегающий грунт. Рейку во время измерений нужно держать недвижимо и строго вертикально, используя для выравнивания отвес или круглый пузырьковый уровень.

Нивелир нужно повернуть в сторону рейки так, чтобы вертикальная ось сетки расположилась точно по ее центру. После этого путем вращения оптического винта нужно настроить резкость изображения, чтобы метки на рейке были отчетливо видны. Затем нужно подстроить резкость отображения сетки, вращая кольцо на окуляре.

Чтобы определить превышение, необходимо отметить номер сегмента, на котором расположилась вертикальная ось, а затем посчитать, сколько от начала сегмента до оси целых чёрных и белых промежутков. Дописав после номера сегмента это значение, вы получите возвышение в сантиметрах. Если нужна более высокая точность, после возвышения ставится запятая, затем помощник перемещает ползунок так, чтобы его край точно совпал с горизонтальной осью и передает число дополнительных миллиметров, которое записывается после запятой.

Можно обойтись и без ползунка. Если горизонтальная ось расположилась точно посередине белой или чёрной метки, добавляют три миллиметра, если в нижней четверти — один или два, если в верхней четверти — четыре. Такого визуального определения для строительства более чем достаточно.

Ведение журнала и расчёты

Процесс нивелирования сопряжён с ведением большого количества записей. Геодезист должен иметь под рукой план участка, на котором схематически изображен объект, для строительства которого выполняется нивелирование, а также места расположения контрольных кольев. Каждый колышек нужно пронумеровать и вынести эти обозначения в отдельную таблицу, в которой отмечаются измеренные превышения.

Практический смысл нивелирования заключается в нанесение на колья отметок, находящихся в одной горизонтальной плоскости. Для этого необходимо найти самую высокую точку с наибольшим положительным значением превышения и добавить к нему, например, 20 см. Следуя от одного колышка к другому, на них с помощью рулетки откладывают значение превышения точки, к которому добавлено значение смещения — те самые 20 см. Полученные метки используются при ведении земляных работ и определения глубины котлована, либо для натягивания причального шнура.

Видео по теме:

Источник