авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |

Геоэкологические проблемы оползнеопасных территорий и их решение с использованием геодезических методов

-- [ Страница 3 ] --

и вообще возможность своевременно зафиксировать начало оползневого

процесса, однако этим вопросам уделяется недостаточно внимания. В практике наблюдений за динамикой оползней встречаются случаи, когда по тем или иным причинам происходит смещение опорных или ориентирных пунктов, которые ранее считались неподвижными. В одномерном пространстве (на линии) положение точки фиксируется значением одной координаты X, и ошибка положения точки mр равна средней квадратической ошибке mx этой координаты, тогда истинное положение точки может находиться в интервале [(X- t·mx);( X+t·mx)], где коэффициент t обычно задают равным 2.0 или 2.50. В двумерном пространстве (на поверхности) положение точки фиксируется значениями двух координат, и ошибка положения точки должна задаваться двумя величинами: направлением и погрешностью положения по этому направлению, или погрешностью по двум координатам Х и У. Геометрическая фигура, внутри которой находится истинное положение точки, может иметь разную форму; в частном случае, когда погрешность положения точки по всем направлениям одинакова, получается круг радиуса R. В строгой теории данный критерий называется радиальной ошибкой, применяются и более сложные критерии, такие как "эллипс ошибок" (кривая 2-го порядка) и др.

Если оползневые точки смещаются достаточно быстро, то определенная таким образом средняя квадратическая погрешность измерений может оказаться значительно больше, чем в случае неподвижных пунктов вследствие неодновременности измерения направлений и углов. Не следует считать такое определение ошибочным, так как погрешность определения положения пункта в таком случае возникает не только вследствие погрешности угловых измерений, но и вследствие смещения оползневых точек за время производства цикла наблюдений или между циклами. Поэтому в диссертации была разработана новая методика определения координат опорных пунктов геодезической сети в условиях активизации оползневых процессов.

Традиционно для организации геодезического контроля за оползневыми процессами на оползнеопасной территории создается долговременная опорная (каркасная) геодезическая и оползневая сеть. Все опорные реперы связываются между собой и создают наблюдательную опорную сеть, состоящую из геодезических четырехугольников, треугольников или центральных систем, которую вычисляют известными геодезическими методами. Желательно наблюдательную сеть привязать к государственной или к городской опорной геодезической сети, однако сети для наблюдений за оползнями могут быть свободными. После того как закреплены пункты наблюдательной оползневой сети, проводят их первое наблюдение. При этом наблюдают все видимые опорные и оползневые знаки независимо от того, сколько направлений приходится на данную точку. Таким образом, во всех треугольниках, образованных одними только опорными реперами, будут измерены все три угла, а в треугольниках, в которые входят оползневые точки, если с них нельзя выполнить измерения, только по два угла. Для каждого опорного репера выбирают свой ориентирный пункт, на который и берут начальное направление. После этого определяют координаты всех пунктов опорной сети. пользуясь известными в геодезии аналитическими методами. По полученным координатам составляют схематический план расположения опорной сети, очертаний оползня и необходимой ситуации.

Однако, как показывает геодезическая практика, очень часто для решения поставленной задачи в стесненных условиях городской застройки описанный многоэтапный и дорогостоящий традиционно применяемый метод контроля планового положения грунтовых реперов не оправдывает себя. Выполненный в диссертации сравнительный анализ с использованием методов математического моделирования показал, что применение линейно-угловой сети в городских условиях не обеспечивает стабильной точности определения координат пунктов сети из-за влияния не только случайной, но и систематической части погрешностей измерений, которые в свою очередь зависят от геометрической схемы сети и удаления оползневых пунктов от опорных.

Развитие оползневых процессов зависит от многих факторов, таких как геологическое строение склона, степень обводненности грунтов, техногенных нагрузок и т.д, что требует изучения проблемы в комплексе. Геодезические методы позволяют следить за природно-техногенными процессами в системе «Геологическая среда-инженерное сооружение». Результаты геодезических наблюдений за осадками дают объективную характеристику деформаций, а математическая модель, построенная по данным наблюдений позволяет выявить причины появления и закономерности их развития, оценить прогнозируемую и допустимую величину деформаций или осадок.

Геодезическое обеспечение деформационного мониторинга за инженерными сооружениями неразрывно связано с геоинформационными технологиями, которые при всем многообразии вопросов решают четыре основных задачи: 1) сбор данных; 2) обработку данных; 3) моделирование, интерпретацию и анализ; 4)выработку проектов пространственных решений. Как указывает проф. А.П. Карпик, ГИС предназначена для анализа геопространства и управления его развитием на основе создаваемых и сохраняемых геоинформационных моделей с учетом пространственно-временных факторов. В этом случае геодезические наблюдения за осадками зданий и сооружений вообще, а в особенности на оползневом склоне имеют большое практическое и научное значение. При этом результаты геодезических наблюдений рассматриваются в связи с геологическими и гидрогеологическими условиями. Однако следует заметить, что информация только об осадках отдельных марок не дает полной информации о состоянии инженерного сооружения, так как деформации вызывают только неравномерные осадки.

Поэтому на основе ГИС-технологий для контроля изменения пространственного положения отдельных элементов эксплуатируемых жилых домов или строений, расположенных на оползневом склоне, автором была разработана и внедрена в систему геомониторинга на территории г.Томска методика и программа выявления деформаций и анализа их однородности на основе математического моделирования методом многократной аппроксимации криволинейными функциями, которая позволяет, выделив постоянную и случайную составляющие в вертикальных деформациях для всего строения в целом и его отдельных частей, прогнозировать перемещение всего строения, как единой конструкции и определить элементы конструкции с неравномерными осадками, особенно опасными для целостности конструкции дома, а затем на основе метода многократной аппроксимации осуществить прогнозирование недопустимых деформаций Разработанная технология применения математических методов и моделирования для анализа состояний объектов по геодезическим данным, может быть оценена как новая информационная технология в задачах прикладной геодезии.

Особенности данной методики и новизна ее применения для деформационного мониторинга на оползневых склонах рассмотрена в диссертации как на модели, так и на реальных объектах. Плавное развитие процесса деформации инженерных сооружений в пространстве и времени позволяет применить метод многократной аппроксимации криволинейными функциями для выявления деформаций и анализа их однородности под условием минимума средней квадратической погрешности вычисленных значений деформаций от непосредственно измеренных. Выделив постоянную и случайную составляющие в вертикальных деформациях для всего сооружения в целом, можно исследовать перемещение этого сооружения, как единой конструкции и определить марки с неравномерными осадками, особенно опасными для целостности конструкции, так как эксплуатационная пригодность исследуемых инженерных сооружений зависит в основном не от абсолютных величин осадок, а от их неравномерности, то есть от деформаций конструкций. Поэтому для организации нормальной эксплуатации инженерных сооружений необходим постоянный мониторинг осадок и деформаций оснований этих сооружений, что особенно актуально при активизации оползневых процессов. Для таких сооружений целесообразно создавать опорные сети, повторяющие форму сооружения. Расчет основных деформационных характеристик целесообразно вычислять от геометрических оформляющих. Оформляющая поверхность или плоскость основания сооружения определяется таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений точек изучаемого основания от плоскости была минимальной. Такое определение недеформируемой, но движущейся во времени и пространстве аппроксимирующей оформляющей плоскости (а в общем случае -поверхности), позволяет определить ее положение с помощью метода наименьших квадратов. Запишем уравнение этой плоскости в общей форме:

Ах + Ву + С = Z (1)

где х, у, z - координаты точек, на которых выполняются измерения. Если выполнить n измерений, то можно получить n уравнений типа (1)

Zi = a0 + a1Xi + a2Yi (i =1, 2, …, n) (2)

а параметры А, В, С из (1), или a0, a1, a2 из (2) определяются из решения системы нормальных уравнений (3) под условием Z2 = min

[ xx] A + [xy] B + [x] C - [xz] = 0

[ xy] A + [yy] B + [y] C - [yz] = 0 (3)

[x] A + [y] B + n C - [z] = 0

где n - число всех наблюдаемых точек. Причем в начальном (нулевом или исходном) цикле измерений координаты марок Z 1= Z 2 =…= Z n. В результате деформаций в каждом новом цикле наблюдений получаем смещения наблюдаемых точек по отношению к первоначальному положению на величину V i. Отклонение точек от оформляющей плоскости основания дома находим из уравнения поправок

V i = a0 + a1Xi + a2Yi - Zi (4)

Очевидно, что отклонения Vi от аппроксимирующей плоскости зависят не только от погрешностей измерений, но и от деформации объекта. Чтобы найти деформацию инженерного сооружения в чистом виде, необходимо выделить случайную часть погрешности от общей с учетом точности измерений и геометрии геодезического построения, так как если отклонения V i не превышают погрешности измерений, то нет оснований считать, что деформации сооружения происходят в действительности.

Для анализа поведения плоскости основания дома в целом вычислим по результатам каждого цикла длину перпендикуляра Р, восстановленного из начала координат на плоскость и углы , , , которые нормаль образует с осями координат по формулам Р= - С/ N; Cos = A/N; Cos = B/N; Cos = - 1/N, где N2 = A2 + B2+ 1. Тогда изменение положения плоскости основания дома определится изменением углов , , и нормали Р, как показано на рис.1. Однако, если до начала наблюдений инженерное сооружение уже претерпело неравномерные осадки, или имеет сложную конфигурацию, то для моделирования формы основания сооружения или формы поверхности строительной конструкции необходимо использовать не плоскость, описываемую уравнением (1), а поверхность более высокого порядка.

В этом случае для математического моделирования формы поверхности любой конструкции и анализа её изменения в процессе деформации сооружения наиболее удобно использовать криволинейные функции, аппроксими

рующие форму поверхности под условием минимума средних квадратических отклонений вычисленных значений от непосредственно измеренных.

Рис.1. Определение пространственного положения плоскости основания инженерного сооружения по результатам геодезических измерений

В качестве аппроксимирующих функций в этом случае целесообразно

использовать полином n-й степени

. (5)

При этом особое внимание следует уделить выбору оптимальной степени аппроксимации, так как при завышенной степени аппроксимации изменения формы поверхности между циклами, модель будет описывать не только изменения формы поверхности, но и ошибки результатов измерений. При излишне заниженной степени аппроксимации модель не будет реагировать на изменения формы поверхности между циклами геодезического контроля, то есть не будет реагировать на процесс деформации инженерного сооружения.

В ряде работ, перечень которых приведен в диссертации, необходимая степень аппроксимации для общего числа N измерений находится по минимуму среднего квадратического отклонения

, (6)

которое определяется равенством или возрастанием при повышении степени аппроксимации полинома. Однако формула (6) не учитывает степень аппроксимирующего полинома, что приводит к искусственному завышению точности аппроксимации. Чтобы учесть степень аппроксимирующего полинома, необходимо в знаменателе формулы (6) вместо общего числа измерений N использовать число избыточных измерений N-(n+1 ), тогда формула (6) перепишется в виде

(7)

В табл. 2 приведены значения a, вычисленные по формулам (6) и (7) для аппроксимирующих полиномов до седьмой степени включительно для 21 измерения деформации сооружения, исследуемого в технической литературе. Величина a, вычисленная по формуле (6) постоянно уменьшается и при n = 21, как и следовало ожидать, обращается в нуль, так как из математики известно, что повышение степени полинома n однозначно приводит к постоянному уменьшению среднего квадратического отклонения, а при равенстве

n = N аппроксимирующий полином проходит через все измеренные точки и среднее квадратическое отклонение становится равным нулю.

Таблица 2.

n Формула (6) Формула (7) n Формула (6) Формула (7)
1 9.85387 10.35952 5 0.13286 0.15720
2 0.99149 1.07093 6 0.13285 0.16271
3 0.78333 0.87062 7 0.13185 0.16758
4 0.13299 0.15236

Если на каком-то шаге a начинает возрастать, значит произошло накопление ошибок округлений, которые исказили результат, из-за чего может быть неверно выбрана степень полинома. Примеры таких ошибок приведены в диссертации. Выполненные автором точные вычисления (табл.2), показывают постоянное уменьшение a, как и должно быть, и никаких оснований для браковки полинома нет. А вот a, вычисленное по формуле (7) с учётом степени аппроксимирующего полинома по методике, исключающей накопление ошибок округления, начинает возрастать для n = 5. Поэтому мы уже можем с полным основанием утверждать, что полином четвёртой степени является оптимальным для аппроксимации деформации исследуемой строительной конструкции.

Однако условие первого минимума дисперсии (7) достаточно часто оказывается несостоятельным для выбора многочлена наилучшего приближения. Кроме того, при использовании этого критерия от внимания исследователя ускользают периодические составляющие исследуемой закономерности. Для выбора многочлена наилучшего приближения для конструкций сложной формы будет правильнее использовать критерий нормального распределения отклонений. Если кривая наилучшего приближения полностью отображает все систематические составляющие, то отклонения измеренных значений от соответствующих значений аппроксимирующего многочлена можно считать случайными ошибками. Найдя многочлены нескольких степеней, определим наиболее подходящий по нормальности отклонений. Если несколько многочленов разных степеней одновременно удовлетворяют критерию нормального распределения отклонений, то это значит, что систематическая составляющая имеет периодический характер. При этом необходимо учитывать, что если погрешности измерений превышают деформацию точек, то измерения не пригодны для анализа, а если степень аппроксимации излишне завышена, то математическая модель описывает не только функцию исследуемого процесса, но и функцию ошибок измерений. Если , то аппроксимирующий многочлен подобран не верно, или смещения точек не описываются общим законом.

Для исключения влияния точек, не подчиняющихся общему закону распределения и получения теоретического уравнения оформляющей плоскости, свободной от влияния аномальных результатов, в работе применяется

метод многократной аппроксимации. Дальнейшим этапом анализа производим проверку предсказательной силы уравнения или вероятности прогнозирования и определяем необходимое количество измерений для заданной вероятности, чтобы получить достоверные результаты прогнозирования. Накапливая после каждой аппроксимации точки, не подчиняющиеся общему закону распределения, можно получить зоны в конструкции с деформациями, превышающими ошибки измерений. На рис. 2 построена зона появления ожидаемых трещин по существующей методике, но картина получается не полной из-за отсутствия прогноза опасных зон по некоторым направлениям, где они должны были быть, но существующей методикой не выявлены. На рис.3. для сравнения показаны результаты прогноза появления трещин в монолитной плите по новой методике, разработанной в данной диссертации. Применение разработанной методики показано в диссертации на реальной плите размером 29х31 м и толщиной 300 мм, которая была разрушена в процессе строительства подземных коммуникаций в г. Москве. Наблюдения велись один раз в сутки на протяжении всего разрушения плиты и к моменту проведения четырнадцатого цикла измерений плита разрушилась. Применяя существующую методику прогноза, можно лишь к одиннадцатому циклу указать примерную зону появления будущей трещины, тогда как применяя новую методику, предложенную в данной работе, можно указать зону появления будущей трещины не только раньше, но и значительно точнее, что ещё раз подтверждает справедливость разработанной методики выявления деформаций и анализа их однородности на основе многократной аппроксимации криволинейными функциями.

Разработанная выше технология геодезического контроля за деформациями инженерных сооружений на оползневом склоне была применена в процессе реализации комплексной системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга на территории г. Томска

 Прогноз появления трещин по существующей методике Прогноз появления-6 Рис.2. Прогноз появления трещин по существующей методике Рис.3. Прогноз появления трещин по новой методике


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.