Величко В.А., Мовчан С.Ф., Дементьев В.Е. и др. Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

НОВАЯ

ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ

ТЕХНИКА

и ее применение

в строительстве

Издание второе,

переработанное и дополненное

ПОД ОБЩЕЙ РЕДАКЦИЕЙ

В. Е. ДЕМЕНТЬЕВА

Допущено

Министерством высшего и среднего

специального образования СССР

в качестве учебного пособия

для студентов строительных

специальностей вузов

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1982

ББК 38.115

Н72

УДК 528.5

Рецензенты:

Кафедра инженерной геодезии Новосибирского инженерно-строитель-

ного ин-та (зав. кафедрой проф. Д. А. Кулешов); А. М. Жилкин —

канд. техн. наук, доцент МИИГАИК

Новая геодезическая техника и ее применение в стро-

Н72 ительстве. Учеб. пособие для стр. спец. вузов/В. А. Велич-

ко, С. Ф. Мовчан, В. Е. Дементьев и др. Под ред. Демен-

тьева В. Е. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шко-

ла, 1982. —280 е., ил.

В пер.: 1 р.

В пособии описываются новые методы геодезических работ и соответ-

ствующие им приборы, приведены примеры выполнения инженерно-геодези-

ческих работ из отечественной и зарубежной практики. Второе издание (пер-

вое выпущено в 1973 г.) дополнено сведениями об оптических теодолитах,

приборах для линейных измерений, гидронивелирах и новых лазерных гео-

дезических приборах.

1902010000—639

001(01)—82

К Б. № 54—10—81

ББК 38.115

912

©Издательство «Высшая школа», 1982

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие является вторым изданием, которое

написано в соответствии со специальной частью программы курса

инженерной геодезии для студентов строительных вузов и факуль-

тетов. Изучение этой части курса проводится факультативно в 10-м

или 11-м семестрах в течение 16—30 ч. Специальные вопросы инже-

нерной геодезии читаются также на курсах повышения квалифика-

ции инженеров-строителей и инженеров-геодезистов, работающих

в строительстве.

На XXVI съезде КПСС отмечалось, что условия, в которых на-

родное хозяйство будет развиваться в 90-е годы, делают еще более

настоятельным ускорение научно-технического прогресса.

Особенность современного строительства — его массовость и

«скоростной» характер, обусловленный применением мощной стро-

ительной и землеройной техники, типовых и унифицированных дета-

лей, изготавливаемых индустриальным способом. Скоростной ха-

рактер строительства требует и скоростных методов его геодезиче-

ского обеспечения. Другая особенность — повышение точности гео-

дезических разбивочных работ, геодезического контроля в процессе

возведения сооружения и монтажа технологического оборудования

в цехах промышленных предприятий. Это относится к строительству

высотных сооружений, антенн радиотелескопов, направляющих пу-

тей значительного протяжения, автоматических поточных линий,

конвейеров и т. п. Появилось и технологическое оборудование («фи-

зические машины» — ускорители заряженных частиц), требующее

прецизионной точности установки и дистанционного геодезического

контроля в процессе его работы из-за наличия радиационного фона.

Без геодезических работ нельзя проводить изыскания, проекти-

рование, строительство и монтаж оборудования, эксплуатировать

инженерные сооружения. На основе геодезических измерений обес-

печивается соблюдение геометрических форм и элементов проекта

сооружений.

В настоящее время геодезическая служба в строительстве со

своими традиционными инструментами и методами не всегда соот-

ветствует уровню механизации строительства, как на этапе изыска-

ний, так и на этапах геодезического контроля.

Повышения эффективности и качества геодезических работ мож-

но достигнуть совершенствованием традиционной технологии и соз-

данием новых, более прогрессивных методов и средств геодезиче-

ских измерений. Новые геодезические приборы достаточно сложны

и для их разработки и правильной эксплуатации необходимы глу-

бокие знания оптики, физики, радиотехники. Созданы прборы, поз-

воляющие автоматизировать не только процессы измерений, но и

обработку результатов на микро-ЭВМ, встроенных в эти приборы.

Учитывая развитие геодезического приборостроения, второе из-

дание пособия (первое вышло в 1973 г.) существенно переработано

и дополнено. В гл. I приведены сведения из оптики и светотехники,

необходимые для понимания принципа действия и устройства раз-

личных приборов. В гл. II рассмотрены приборы для измерения рас-

стояний. Она дополнена сведениями о механических мерных при-

борах, оптических дальномерах и лазерных интерферометрах, гл.

III — о приборах для угловых измерений написана заново. В гл. IV

содержатся сведения о гироскопическом ориентировании, в гл. V —

сведения о приборах для нивелирования. В гл. VI рассматриваются

типовые инженерно-геодезические задачи с применением новой гео-

дезической техники.

В соответствии с опытом преподавания специальных разделов

инженерной геодезии в Московском инженерно-строительном инсти-

туте им. В. В. Куйбышева наиболее целесообразным, по мнению ав-

торов, является чтение обзорных лекций по вопросам новой геоде-

зической техники с показом результатов ее применения в строитель-

стве. Приводимые примеры должны быть типичными для профиля

инженеров, готовящихся на данном факультете. Настоящее учебное

пособие написано с учетом прочитанных лекций. Для лиц, интересу-

ющихся более детальными сведениями, даются ссылки на отечест-

венную, доступную студентам литературу.

Учебное пособие написано коллективом авторов: проф. докт.

техн. наук В. А. Величко (§ И.З—II.5, гл. IV, § V.2, V.3, V.9, VI.1);

доц. канд. техн. наук Н. В. Ангеловой (§ 1.1—1.6), канд. техн. наук

В. Е. Дементьевым (§ II.2, II.6, гл. Ill, § V.10, VI.2, VI.5, VI.6, а

§ VI.3 совместно с инж. А. С. Федоровым), ст. препод. С. Ф. Мое-

чаном (§ II.1, V.l, V.4—V.8), инж. А. С. Федоровым (§ 1.7, VI.4, а

§ VI.3 совместно с В. Е. Дементьевым).

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам —

коллективу кафедры инженерной геодезии Новосибирского инже-

нерно-строительного института (зав. кафедрой проф. Д.А.Кулешо-

ву) и канд. техн. наук А. М. Жилкину, рекомендации и советы ко-

торых были учтены при работе над настоящей книгой.

Авторы будут благодарны читателям за все замечания и поже-

лания, которые просим направлять по адресу: Москва, К-51, Нед-

линная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».

Авторы

Глава I

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ

ИЗ ОПТИКИ И СВЕТОТЕХНИКИ

§ 1.1. ПРИРОДА И СКОРОСТЬ СВЕТА

Свет представляет собой электромагнитное излучение оптиче-

ского диапазона. Скорость света в соответствии с теорией Максвел-

ла (1831—1879) зависит от свойств среды, в которой он распростра-

няется. Излучение света сопровождается переносом энергии. По

современной классификации оптический диапазон занимает поло-

су частот 3-10

—3-10

Гц. что соответствует длине волн 0,1—

100 мкм. Видимый диапазон ограничен полосой частот 1,3-10

—

2,6-10

Гц, что соответствует приблизительно длине волн 0,40—

0,76 мкм.

Современное представление о свойствах и природе света исхо-

дит из предположения о единстве его волновых и квантовых свойств.

Основоположник волновой теории света — X. Гюйгенс (1629—

1695). Согласно его теории свет рассматривается как волновое

движение, распространяющееся в особой упругой среде — эфире.

Каждая точка эфира, до которой доходит световая волна, стано-

вится самостоятельным центром возбуждения вторичных элемен-

тарных световых волн.

Основоположник корпускулярной природы света И. Ньютон

(1643—1727). По его теории свет представляет собой поток мель-

чайших частиц — корпускул, испускаемых источником света прямо-

линейно во все стороны.

Квантовая природа света была сформулирована М. Планком

(1858—1947), развита далее А. Эйнштейном (1879—1955) и други-

ми учеными. Согласно этой теории, основанной на прерывистости

всех процессов, излучение и поглощение световой энергии может

происходить только определенными порциями — квантами, кратны-

ми некоторому значению Av, постоянному для данной частоты излу-

чения. По М. Планку энергия, содержащаяся в одном кванте,

где А=6,626-Ю

-34

Дж-с (постоянная Планка); v — частота коле-

баний света, Гц [2].

В 1905 г. А. Эйнштейн, развивая теорию Планка, изложил фо-

тонную теорию, согласно которой световое излучение рассматрива-

ется как поток фотонов, являющихся частицами материи, обладаю-

щими энергией, импульсом (произведением силы на время дейст-

вия) и массой движения. Соединение корпускулярных и волновых

свойств света позволило Эйнштейну объяснить такие несовмести-

мые для того времени явления, как интерференция света, фотоэф-

фект и другие сложные явления физической оптики. Этот взгляд на

природу света оправдывает применение на практике как квантовой,

так и волновой (электромагнитной) теории света в зависимости от

того, какие свойства преобладают в используемом световом явле-

нии. Полное раскрытие двойственного характера природы света —

задача современной науки.

Значителен вклад русских ученых в формирование взглядов на

природу и свойства света. В 1889 г. А. Г. Столетов (1839—1896)

открыл фотоэлектрический эффект, сущность которого состоит в

том, что некоторые вещества при облучении их светом излучают

электроны. А. Г. Столетовым впервые в мире был создан фотоэле-

мент — прибор для преобразования световой энергии в электриче-

скую. В наше время немыслимо развитие таких отраслей науки и

техники, как автоматика, телемеханика, телевидение и другие без

использования фотоэффекта.

Большое значение имеет открытие П. Н. Лебедевым (1866—

1912) светового давления, что имело огромное значение для подт-

верждения электромагнитной теории света. Работы П. Н. Лебедева

доказали наличие у электромагнитных волн не только энергии, но и

импульса и массы, и послужили исходным пунктом для установле-

ния соотношения между массой и энергией.

Существенное практическое значение имеют работы С. И. Вави-

лова

(1891

—1951) в области люминесцентного свечения.

Наши современники академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров —

создатели первого молекулярного квантового генератора на аммиа-

ке (1954). Их работа явилась основой для осуществления принци-

пов квантового усиления и генерации электромагнитных волн оп-

тического диапазона, что привело к созданию лазера на рубине

(1960), газового лазера (1961) и, наконец, полупроводникового ла-

зера (1962).

В технике использования электромагнитных волн для инженер-

но-геодезических целей, в частности для измерения расстояний по

времени и скорости распространения света, большое значение име-

ет знание скорости в воздушной среде в момент измерений. Ско-

рость света в свободном пространстве (вакууме) с=29 979 458 м/с.

В физике для характеристики скорости пользуются термином

«фазовая скорость», имея в виду скорость, с которой передается фа-

за колебаний от одной точки пространства к другой. Фазовая ско-

рость в вакууме не зависит от частоты колебаний; при распростра-

нении же колебаний в среде — зависит от частоты (длины волны).

Это свойство электромагнитных волн, называемое дисперсией, осо-

бенно резко выражено у световых волн. Скорость света в воздухе

уменьшается с уменьшением длины волны.

Так как при измерениях практически пользуются смешанным

по спектральному составу световым потоком, то вычисляют так на-

зываемую групповую скорость света (м/с)

<V = cln, (1.1)

где п — показатель преломления воздуха для групповой скорости

света.

В зависимости от состояния воздушной среды при решении гео-

дезических задач показатель преломления

(1+<х*)760 1

+(Х

где п

,760 — показатель преломления для групповой скорости света

при температуре воздуха /=0°С, давлении р = 760 мм рт. ст. и

влажности е=0 мм рт. ст.; а= 1/273 — объемный коэффициент рас-

ширения воздуха.

В зависимости от длины волны света

"о.7бо=

+[2876,04+(48,86/Х2) + (0,68/Х4)]Ю-7, (1.3)

где Xv — длина волны света, соответствующая максимуму спект-

ральной чувствительности приемника излучения (мкм).

Волновые свойства света широко используются в инженерной

геодезии при решении задач методами интерференции, дифракции,

двойного лучепреломления и поляризации.

§ 1.2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

СВЕТА

При объяснении основных законов распространения света ис-

пользуют понятия светящейся точки и светового луча. Светящейся

точкой называют геометрическую точку, являющуюся источником

световых колебаний. Световым лучом называют линию, по которой

распространяется свет от источника. Раздел оптики, изучающий

распространение света, пользуясь приведенными понятиями светя-

щейся точки и светового луча, называют геометрической оптикой.

Геометрическая оптика базируется на следующих законах рас-

пространения света:

1) в однородной прозрачной среде свет распространяется пря-

молинейно;

2) лучи света распространяются независимо друг от друга;

3) лучи света могут отражаться, т. е. изменять первоначальное

направление на обратное, на границе раздела двух сред. Отраже-

ние может быть правильным (зеркальным), если неровности на

границе двух сред меньше длины волны падающего света; в этом

случае виден сам источник света, а граница раздела не видна; угол

i\ падения луча равен по абсолютной величине углу —/2 отражения

и обратен по знаку. Отражение может быть неправильным (диф-

фузным), если неровности двух сред больше длины волны света.

При диффузном отражении видна граница двух сред, а источник