Способ определения объёмов грунта на линейных объектах с применением рублено-компенсированных расстояний
METHOD OF DETERMINING VOLUME OF SOIL ON LINEAR OBJECTS USING CHOPPED COMPENSATED DISTANCES

Изобретение относится к строительству автодорог, ж/д путей, и предназначено для определения объемов грунта при разработке выемки, или устройства насыпи, на стадии проектирования и в процессе производства (при приеме-сдаче выполненного объема).
На сегодня при расчете объемов грунта на строительстве автодорог, ж/д путей, известны способы:
1) Поперечных сечений (общепринятый).
Способ поперечных сечений позволяет видеть конструктив (геометрию насыпи, выемки, или полувыемки, канав, залегание грунтов, расположение различных слоев, учитывать просадку насыпи); закрывать выполненные объемы в границах проекта (проектного конструктива); учитывать и подмечать для исправления недоработки.
Однако, при всех своих выше описанных положительных качествах, данный способ не всегда точен. Так как рельеф не идеально ровная поверхность, то сечения зафиксируют неровности только там, где они проходят. Все неровности, что между ними, не зафиксируются (не учтутся). Особенно не точен данный способ на круговых и переходных кривых трассы, при гористом рельефе, когда площади поперечных сечений по разные стороны от оси трассы отличаются друг от друга (одна больше другой), при этом расстояния между самими сечениями при удалении от оси трассы, увеличиваются или уменьшаются. Все это приводит:
- к неправильному расчету объемов грунта при строительстве трассы, и как следствие - к неправильному планированию работ, нарушению сроков сдачи объекта;
- к расхождению проектного и закрываемого объемов грунта (при приеме-сдаче) с фактическим, а также, с оперативным учетом, где под понятием закрываемого объема имеется ввиду объем выполненный - на оплату;
- при выемке - к неправильному расчету взрывчатых материалов.
2) Способ вычисления композитных объемов. Данный способ применяется во многих компьютерных ГИС, САПР программах (Credo, Топоматик Robur, Carlson, Civil, IndorCad и т.п.), и позволяет с высокой точностью рассчитывать объем по разности двух TIN-поверхностей. Но, как правило, данный способ не применяется к линейным объектам, к которым относятся трассы, т.к. при работе с ними нужны поперечные сечения.
3) Способ расчета объема грунта при строительстве автодорог, ж/д путей на круговых и переходных кривых трассы с помощью поперечных сечений с применением рубленых расстояний (ПС-РР) (патент РФ №2686227, 2018 г). Этот способ является наиболее близким к заявленному способу.
По сравнению с общепринятым способом поперечных сечений, данный способ является очень точным, но трудоемким, и все-таки не на столько точным, как способ вычисления композитных объемов, из-за того, как выше уже было сказано, что на сечениях не могут быть учтены все неровности рельефа, что находятся между ними.
Техническая проблема, решаемая данным изобретением, состоит в создании способа, позволяющего с высокой точностью и малой трудоемкостью определять объем необходимой выемки или насыпи грунта при строительстве автодорог, ж/д путей на кривых участках трасс и при горном рельефе.
Это достигается тем, что предлагаемый способ позволяет использовать вычисленные (на стадии проектирования) композитные объемы, но при этом также применять (во время проведения работ по устройству насыпи или разработки выемки) поперечные сечения, которые необходимы при учете выполненных объемов грунта на линейных объектах.
Новизна и отличие настоящего способа является: вычисление расстояния между двумя рядом стоящими сечениями через композитный объем между ними. В таком случае оно (расстояние) тогда компенсирует все неточности в подсчете, которые были бы, если использовался общепринятый способ поперечных сечений.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе расчета объемов грунта на линейных объектах с применением рублено-компенсированных расстояний, включающем разбивание оси на круговой и переходных кривых трассы на интервалы точками - пикетами, построение в местах точек-пикетов поперечных сечений, перпендикулярных оси трассы, определение площадей полученных поперечных сечений, вычисление среднего сечения между рядом стоящими сечениями, вычисление объема грунта между сечениями, а затем их суммирование, вычисление объема грунта между сечениями выполняют способом композитных объемов с использованием одной из САПР или ГИС программ, который выполняется путем создания двух TIN-поверхностей цифровой модели местности, выполненных в виде треугольников, которые накладываются друг на друга: рельефа - нижней, проекта насыпи - верхней, на разных высотных уровнях, создавая при этом новые сегменты призм с гранями в виде еще более мелких треугольников, и линий TIN - боковых граней призм, рассчитывая при этом объем каждой призмы, а затем их сумму - композитный объем грунта, после чего вычисляют рублено-компенсированное расстояние между сечениями, с помощью которого вычисляют объемы грунта между сечениями, при этом
где: Lp.к. - рублено-компенсированное расстояние - расстояние между 2-я рядом стоящими сечениями, полученное через вычисленные композитные объемы;
Vсеч.к - объем между 2-я рядом стоящими сечениями, полученный способом вычисления композитных объемов,
Sср. - средняя площадь между 2-я рядом стоящими сечениями,
где S A - А и S Б - Б - площади рядом стоящих сечений, а
где Vсеч. - объем между двумя рядом стоящими сечениями, при этом
Изобретение представлено на следующих рисунках:
Фиг. 1. Прямой участок, круговая и переходные кривые трассы, где
1 - круговая кривая;
2 - переходные кривые;
3 - прямой участок;
Фиг. 2. Участок для примера учета объема грунта способом расчета объемов грунта на линейных объектах с применением рублено-компенсированных расстояний, где
4 - ось трассы;
5 - Rкр., радиус кривой, 300 м;
6 - Lр.к, рублено-компенсированное расстояние, 21, 744 м.;
7 - расстояние между сечениями с краю насыпи, 26,19 м (показано для сравнения с расстоянием на оси, которое равно 20 м.);
Фиг. 3. Конфигурация поперечных сечений трассы, где
8 - рельеф;
9 - конструктив;
Фиг. 4. Иллюстрация проблемы неточности определения объема грунта способом поперечных сечений, где
10, 11 - фигуры, полученные при делении сечения осью, соответственно слева и справа;
n, k, c - расстояния между параллельными сечениями: по оси, слева, справа, соответственно;
n', k', с' - расстояния между непараллельными сечениями: по оси, слева, справа, соответственно;
S1, S2 - площади сечений;
S1л, S1п, S2л, S2п, - площади на сечениях, полученные при разделении осью трассы. Цифрами обозначено, на каком сечении - на первом или втором; буквами - слева или справа;
c-a-e-f-b-d - фигура неучтенного объема грунта;
c'-a'-e'-f'-b'-d' - фигура лишне зачтенного грунта.
Способ осуществляется следующим образом.
Разбиваем ось участка трассы на кривой, на котором следует рассчитать объем, на интервалы точками-пикетами. В местах точек-пикетов строим поперечные сечения, перпендикулярные оси трассы. Так как площади сечений разные, определяем среднее значение площади между двумя рядом стоящими сечениями по формуле:
где S A - A и S B - Б - рядом стоящие сечения.
Затем с помощью одной из компьютерных ГИС или САПР программ (Credo, Топоматик Robur, Carlson, Civil, IndorCad и т.п.) рассчитываем объем земляных масс по разности двух TIN-поверхностей способом вычисления композитных объемов на каждом участке - от сечения до сечения.
Затем вычисляем рублен-компенсированное расстояние (Lр.к.) между рядом стоящими сечениями по формуле:
К
где: V - объем между 2-я сечениями, полученный способом композитных объемов.
После этого делаем контрольное вычисление объема грунта между сечениями по формуле:
а затем полученные в каждом сечении объемы суммируем.
При этом Vсеч.=Vсеч. к.
Термин «рублено-компенсированное расстояние» (Lр.к.) - это расстояние между сечениями, вычисленное путем деления объема, полученного вычислением композитных объемов, на среднюю площадь рядом стоящих сечений.
Объяснение понятия «рублено-компенсированное» (расстояние):
Приставка «рублено» позаимствовано у такого термина, как рубленый пикет. Но рубленый пикет - это термин иной: в рубленом пикете, из-за изменения (при перетрассировке) части проекта трассы, меняется проектное расстояние между пикетами. В настоящем способе расстояние между пикетами не меняется, но меняется при подсчете расстояние между сечениями.
«Компенсированное» означает, что рассчитанное расстояние компенсирует все неточности (связанные: с неровностью рельефа, а на круговых и переходных кривых трассы при гористом рельефе - с тем, что площадь сечения с одной стороны может быть больше и при этом расстояния между сечениями при удалении от оси трассы увеличиваться или уменьшаться), которые были бы, если использовать общепринятый способ поперечных сечений, где расстояния берутся по оси.
Пример.
На фиг. 1 показан план насыпи на кривой трассы ж/д пути (радиусом 300 м, протяженностью 894 м).
Примечание: В наше время по данным съемки - точкам и структурным линиям, с помощью САПР или ГИС программ создаются поверхности цифровой модели местности (ЦММ) рельефа и проекта.
Для примера, вычленим участок длиною 100 м (см. фиг. 2). Для подсчета разобьем его на более мелкие участки, например, по 20 м (зададим пикеты). Под прямым углом к трассе в полученных через 20 м точках (пикетах) определим конфигурацию сечений А-А, Б-Б, В-В, Г-Г, Д-Д, Е-Е (они обычно «нарезаются» по поверхностям ЦММ), в геодезии которые принято называть поперечными сечениями, и обозначать по значению пикета: 3099+00, 3099+20, 3099+40, 3099+60, 3099+80, 3100+00, соответственно (см. фиг. 3). Значения пикетов запишем в таблицу 1 - колонку 2. Все сечения имеют свои площади, в данном примере - площади насыпи. Их также запишем в таблицу 1 - в колонку 3. В колонку 4 запишем средние значения площадей. Например, среднее значение площади между сечением А-А (ПК 3099+00), с площадью 1507.54 м, и Б-Б (ПК 3099+20), с площадью 1450.52 м, будет - 1479.03 м ((1507.54+1450.52)/2=1479.03). Для определения объема грунта при учете предлагаемым способом нам требуется вычислить между сечениями рублено-компенсированное расстояние Lр.к. Для чего далее следует в контурах, ограниченных сечениями участков, рассчитать по разности 2-х TIN-поверхностей ЦММ (рельефа и проекта) объемы с помощью одной из САПР или ГИС программ, которые могут это сделать способом вычисления композитных объемов. Зная вычисленные таким образом объемы на участках, определим на каждом участке рублено-компенсированное расстояние Lр.к. по формуле:
К
где: V - объем между 2-я рядом стоящими сечениями, полученный через вычисление композитных объемов,
Sср. - средняя площадь между 2-я рядом стоящими сечениями, Lр.к. - рублено-компенсированное расстояние между 2-я рядом стоящими сечениями.
Занесем вычисленные для каждого участка Lр.к. в таблицу 1 колонку 6.
Далее, делаем контрольные вычисления объемов между 2-я сечениями, т.е. на каждом участке:
Полученные объемы между сечениями записываем в колонку 7. Рассчитанные объемы (а также их сумма) должны полностью совпасть с объемами, полученными способом вычисления композитных объемов.
Сумма всех вычисленных объемов на участках от сечения до сечения (которые в приведенном примере располагаются через 20 м (по оси)) составит объем всего участка (100 м), в таблице 1 находится в самой нижней строке.
Примечание: В дальнейшем, при строительстве на участках, где был применен данный способ, следует пользоваться формулой 2, используя вычисленные Lр.к., а также придерживаться требования, которое будет освещено ниже. Это нужно для того, чтоб не допускать путаницы, и подсчет объема при проектировании и производстве не разнился.
Требование к данному способу таково:
Если данный способ был использован при подсчете грунта при проектировании, то и в производственном процессе (приема-сдачи объемов, которое еще также называют закрытием объемов) на этих участках также следует расчет производить с его использованием, т.е. применять в подсчетах вычисленные проектировщиками рублено-компенсированные расстояния.
Сравнение предлагаемого способа расчета грунта с другими:
- поперечными сечениями,
- ПС-РР (патент РФ №2686227, 2018 г).
Прежде, чем сравнить предлагаемый способ с другими способами, на примере участка в 100 м трассы, который фигурировал при описании формулы предлагаемого способа, представим объем этого участка, который наиболее приближен к факту, рассчитанным при помощи способа расчета грунта с помощью вычисления композитных объемов. Как выше уже было указано, это программный способ, и для него были созданы две TIN-поверхности (ЦММ): рельефа - нижней, и проекта насыпи - верхней.
Он наиболее точен. Его точность лишь зависит от того, насколько тщательно (как много было набрано точек) и точно (брались ли точки по характерным изгибам, неровностям, бровкам и т.п.) была произведена исполнительная съемка рельефа и создана проектная поверхность.
Краткое описание способа расчета объема грунта с помощью вычислений композитных объемов:
Две TIN-поверхности, состоящие из треугольников (триангуляции) накладываются друг на друга (на разных высотных уровнях), создавая: новые сегменты призм (с гранями в виде еще более мелких треугольников) и линии TIN (боковые грани призм). Далее - считается объем каждой призмы (площадь грани на высоту), а затем объемы всех призм складываются.
Но данный способ хоть и точен, обычно не используется на трассе (поскольку трасса - это линейный объект): Когда много слоев - тяжело отследить, проверить работу, закрыть в границах проекта, и пр., но в данном случае, для проверки точности предлагаемого способа расчета, он будет уместен, и более того, в предлагаемом способе, он все таки будет участвовать, но лишь на этапе проектирования (произвести расчет в рамках проекта).
3
При определении объема способом вычисления композитных объемов объем насыпи на кривом участка трассы нашего примера составил - 154119 м. Он верен (его можно считать фактическим), потому как TIN-поверхности, что были использованы в этом подсчете, также использовались при «нарезании» всех поперечных сечений (см. фигура 3).
Определим объем грунта насыпи на этом же участке трассы нашего примера общепринятым способом - способом поперечных сечений. Расчет приведен в таблице 2.
Также на этом участке определим объем грунта насыпи способом ПС-РР (РФ патент №2686227,2018 г). Расчет приведен в таблице 3.
Теперь сравним объемы грунта, полученные при расчетах различными способами. Сравнение представлено в таблице 4.
При сравнении расчетов грунта разными способами видно, что на кривом участке трассы в 100 м:
3
3
- объем грунта при расчете способом поперечных сечений значительно отличается от того объема, что был определен способом вычисления композитных объемов. Он составил - 139497 м, что на 14622 м меньше фактического.
3
3
- объем грунта при расчете способом ПС-РР составил 153543 м, что на 576 м меньше фактического. По большей части, это отклонение обусловлено тем, что на сечениях не могут быть учтены все неровности рельефа, что находятся между ними.
- объем грунта при расчете предлагаемым способом (в таблице записан, как поперечные сечения с применением рублено-компенсированных расстояний) находится в самом выигрышном положении: он имеет погрешность - 0. Это объясняется тем, что при том, что данный способ имеет поперечные сечения, он «завязан» (при проектировании) на способе вычисления композитных объемов.
3
3
Сравнение показало, что предлагаемый способ точнее: способа поперечных сечений на 14622 м, способа ПС-РР на 576 м (и при этом он проще в использовании).
На примере простых фигур (см. фиг. 4) объясним почему, в отличии от предлагаемого способа, другие способы работаю не так точно.
а) Участок прямой, рельеф ровный.
Когда участок трассы прямой, а рельеф имеет плавные переходы, или почти ровный (сечения параллельны, находятся друг от друга на одинаковом расстоянии, k=n=c), то общепринятый способ поперечных сечений работает верно, а способ ПС-РР не целесообразен, но в действительности так бывает не всегда - трассы изгибаются (т.е. имеют круговые и переходные кривые), а рельеф может быть горист и иметь неровности.
б) Ситуация, когда трасса изгибается.
Способ ПС-РР решает проблему неточности в подсчете на круговых и переходных кривых трассы, при горном рельефе, когда площади поперечных сечений по разные стороны от оси трассы отличаются друг от друга (одна больше другой), при этом расстояния между самими сечениями при удалении от оси трассы, увеличиваются или уменьшаются, k≠n≠c, но он как и способ поперечных сечений не может учесть неточности, связанные с неровностями рельефа, что находятся между сечениями.
в) Рельеф между сечениями изгибается вниз (например, имеет яму).
В этом случае образовавшаяся фигура c-a-e-f-b-d выходит за область расчета объема грунта, и не учитывается в объеме.
г) Рельеф между сечениями изгибается вверх (например, имеет холм).
В таком случае образовавшаяся фигура c'-a'-e'-f'-b'-d' - это фигура, где по факту не будут вестись работы, но поскольку она входит в область расчета объема грунта, то она засчитается (припишется).
Предлагаемый способ нивелирует все неточности во всех выше описанных ситуациях за счет использования рублено-компенсированного расстояния. Если рельеф изгибается вниз (объем по факту больше), то Lр.к. увеличится, если рельеф изгибается вверх (объем по факту меньше), то Lр.к. уменьшается.
Техническим результатом использования изобретения является точность расчета объема грунта, необходимого передвинуть, при строительстве автодорог, ж/д путей, как на прямом участке трассы с неровным рельефом, так и на кривых участках трассы и при крутом, неровном горном рельефе в процессе производства (при приеме-сдаче выполненного).