山东理工大学图书馆沉降观测方案设计.doc

目录 -i- 中国地质大学（武汉） 题题 目：目： 中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉） 北区综合楼沉降观测方案北区综合楼沉降观测方案 学 院： 信息工程学院 专 业： 测 绘 工 程 学生姓名： 指导教师： 目录 -ii- 摘 要 随着我国改革开放的不断深入和经济建设的飞速发展，各种建筑物及重点 工程不断出现。这些建筑物在施工和运营过程中，由于地质条件和土壤性质的 不同、地下水位和大气温度的变化、建筑物荷载和外力作用等影响，使其在施 工和使用过程中，会产生一定的变形，当这种变形在一定限度内时可认为属正 常现象，但超过了一定的范围就会影响其正常使用并危及建筑物自身及人身的 安全。因此需要对施工中的重要建筑物和已发现变形的建筑物进行变形观测， 掌握其变形量、变形发展趋势和规律，以便一旦发现对建筑物不利的变形可以 及时采取加固措施，以确保建筑物的施工安全和使用安全。 本次设计采用三等水准测量的方法对我校图书馆的沉降变化进行了实验研 究，阐述了北区综合楼沉降观测的等级和所达到的技术指标，研究了建筑物沉 降观测点的布设原则，以及在特定条件下如何进行基准点的选择与埋设及基准 点、观测点的外业观测和内业计算。同时，提出了具体的一些预防沉降的措施， 用以指导建筑物的设计、施工和已有建筑物的健康维护。 主要成果有： （1）依据北区综合楼所处位置及周围控制点分布情况，合理地选择了对图 书馆沉降及其变形进行观测的基准点和工作基点，并与已知控制点进行联测， 得到了基础数据，建立了沉降观测网，为进一步进行多周期观测做好了准备条 件，具有现实意义。 （2）对各沉降观测点进行了周期性的观测，并得出了相应的数据，通过理 论分析，论证了北区综合楼在近期的沉降变化情况及其稳定性，验证了有关建 筑地基、结构设计的理论和设计参数的准确性与可靠性。 （3）运用 microsoft excel 电子表格处理软件代替传统手工进行沉降观测数 据的整理、计算和汇总。 （4）研究变形规律，预报变形趋势，为安全性诊断提供依据，最后提出了 建筑物不均匀沉降的防治措施。 目 录 摘 要i 目录 -iii- 目 录 第一章第一章 引引 言言.1 1.1 课题的目的和意义1 1.2 变形观测研究近期的进展3 1.3 本课题的研究目标、方法和内容7 第二章 变形观测的基本理论 .8 2.1 引起变形的原因分析8 2.2 类型划分、观测方法及特点8 2.3 监测网参考基准的选取与统一 10 2.4 建筑物变形观测的实施过程 12 2.5 观测成果的整理与分析 13 2.6 反馈调整，确保安全 14 第三章 北区综合楼降观测方案设计. 15 3.1 中国地质大学（武汉）北区综合楼概况. 15 3.2 变形观测点的布设. 15 3.2.1 沉降观测点的布设 16 3.2.2 基准点的设置 18 3.3 观测周期及频率的确定. 19 3.4 观测方法和精度要求. 19 3.4.1 三、四等水准测量相关规范和方法. 20 3.4.2 沉降观测各等级观测的技术指标. 23 3.5 三等水准测量中应注意的问题. 24 3.6 沉降观测的成果整理. 25 第四章 测量数据处理及成果整理分析. 28 4.1 已知控制点分布图及三维坐标数据 28 4.2 基准网的测量及平差计算 29 4.2.1 引点联测 30 4.2.2 各基准点高程计算 31 4.3 基准点的检核 34 4.4 沉降观测点各期观测数据整理分析 35 第五章 不均匀沉降对建筑物的影响及防治措施. 39 5.1 不均匀沉降对建筑物的影响 39 目录 -iv- 5.2 建筑措施 39 5.3 结构措施 42 5.4 施工措施 45 结论. 47 参考文献 48 致谢及声明 49 第一章 引言 -1- 第一章 引言 1.1 课题的目的和意义 一、问题的提出 变形是自然界普遍存在的现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、 大小及位置在时间和空间域中的变化。变形体的变形在一定范围内是允许的， 如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象很普遍，如地震、 滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。 建筑在软土地基上的建（构）筑物，人们对其结构和地质条件等环境因素 精心设计、研究，在施工或运营过程中，仍然产生倾斜、裂缝，影响安全使用， 更有甚者倒塌或自行实施爆破销毁。例如：苏州虎丘塔，原名云岩寺塔，建于 公元 961 年（宋朝），距今 1040 年有余。全塔七层，高 47.5m，塔底直径 13.66m，呈八角形，由外壁、回廊与塔心三部分组成。1961 年国务院将其列为 全国重点文物保护单位。1980 年，虎丘塔因向东北方向严重倾斜（塔顶离中心 垂线 2.31m，倾斜角 24702“，倾斜值 0.0486 大于建筑地基基础设计规范 0.006 这个允许值的 8 倍），塔底座处发生多处裂缝，成为危险建筑而停止开放，称 为中国的“比萨斜塔”。 相比之下，加拿大特朗斯康谷仓（平面呈矩形，长度 59.4m，宽度 23.47m ，高度 31.00m，容积 36368m3。谷仓圆筒仓，每排 13 个，5 排，总计 65 个圆 筒仓组成，1911 年谷仓开始施工）却没有这么幸运，它 1913 年秋完工，谷仓 自重 20000t，相当于装满谷物后总重的 42.5%。1913 年 9 月起，往此谷仓装谷 物，仔细装载，均匀分布。10 月，当谷仓装了 31822 m3 谷物时，发现谷仓下 沉，一小时沉降达 30.5cm ，结构物向西倾斜，并在 24 小时整座谷仓迅速倾倒， 倾斜度离垂线达 27，谷仓西端下沉了 8.8m，东端上抬 1.5m。 人们不禁要问：如何保证建筑物的质量？采用什么样的手段监控建筑物的 质量？采取什么样的措施确保建筑物的安全？ 为此，变形监测的首要目的是要掌握变形体的实际性状，为判断其安全提 供必要的信息。本文通过对建筑物沉降变形观测的方案设计进行系统的研究， 取得了部分可用于工程实践的成果。本次设计的目的是：结合我校图书馆沉降 观测方案设计，掌握变形监测方案的整个设计及观测、分析过程，对变形分析 在工程建设及安全保障中的应用做进一步的深入了解。 二、课题的意义 第一章 引言 -2- 改革开放以来，我国工程建设方面同其他领域一样在改革发展，在搞活经 济的带动下，整体上取得了较好的业绩，人民居住条件进一步改善。随着我国 建筑事业的发展，各种高层建筑、超高层建筑等复杂的建筑物应运而生。但是 在当前，地基不均匀沉降、墙体渗水、屋面渗水、管道漏水、下水道堵塞不畅 等质量通病仍然存在，有些已建住宅的上述情况还十分严重。这些问题的存在 就对建筑物的质量及安全保证提出了更高及更加严格的要求，如何及时发现潜 在问题并进行有效防治成为建筑施工与竣工后管理中的一个亟待认真采取措施 解决好的关键问题，而建筑物变形监测则是解决这一问题的重要方案，其中高 层建筑物的沉降观测显得尤为重要。 所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行 监视观测的工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大 小及位置变化的空间状态和时间特征。变形监测工作是人们通过变形现象获得 科学认识、检验理论和假设的必要手段。变形体的范围可以大到整个地球，小 到一个工程建（构）筑物的块体，它包括自然和人工的构筑物。 随着改革的不断深入和经济建设的飞速发展，各种建筑物及重点工程不断 出现。这些建筑物在施工和运营过程中，由于地质条件和土壤性质的不同、地 下水位和大气温度的变化、建筑物荷载和外力作用等影响，都会产生一定的变 形，当这种变形在一定限度内时可认为属正常现象，但超过了一定的范围就会 影响正常使用并危及建筑物及人身的安全，因此需要对施工中的重要建筑物和 已发现变形的建筑物进行变形观测，掌握其变形量、变形发展趋势和规律，以 便一旦发现对建筑物不利的变形可以及时采取措施，确保施工安全和建筑物的 安全。同时，通过对变形观测资料的分析，可以验证有关的设计理论和假说， 或用以修正理论上的某些假设和采用的参数，为建筑物的安全和损害防护提供 指导（见图 1-1），目前建筑物的变形预测正向着边缘学科发展（测量、结构、 施工、计算机等）。可见，建筑物变形观测具有安全预报、科学评价及检验施 工质量等三方面的作用，是工程施工和运营管理的安全的保证。 为保证工程建筑物在施工、使用和运行中的安全，以及为建筑设计积累资 料，必须在建筑进行中及竣工后进行变形监测。建筑工程的变形监测包括沉降 观测、倾斜观测、位移观测等。由于我校图书馆落成时间较晚，需要结合学校 现状，对其定期进行包括沉降与倾斜观测，以确保其变形在安全范围之内，确 保安全。 第一章 引言 -3- 理论上做一定 的参数假设 建（构）筑物变形 设计 各种内外 因作用 变形观测 变形预测公式 分析 变形与其成因之 间的关系 异常 修正理论 技术 警报 图 1-1 变形观测与分析预报流程图 变形监测工作的意义重点表现在两方面，首先是实用上的意义，主要是掌 握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时 发现问题并采取措施；其次是科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验 证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效地变形 预报模型。 1.2 变形观测研究近期的进展 一、变形观测工作的研究现状 人类社会的进步和国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代 工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。与此同时，变形监测工作 的意义更加重要。众所周知，工程建构筑物在施工和运营期间，由于受多种主 观和客观因素的影响，会产生变形，变形如果超出了规定的限度，就会影响建 筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，给社会和人民生活带来巨大 的损失。尽管工程建筑物在设计时采用了一定的安全系数，使其能安全承受所 考虑的多种外荷载影响，但是由于设计中不可能对工程的工作条件及承受能力 做出完全准确的估计，施工质量也不可能完美无缺，工程在运行中还有可能发 生某些不利的变化因素，因此，国内外仍有一些工程出现事故。以大坝为例， 发过 67m 高的马尔巴赛（malpasset）拱坝 1959 年垮坝；意大利 262m 高的瓦依 第一章 引言 -4- 昂（vajont）拱坝 1963 年因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效；美国 93m 高的提堂（teton）土坝 1976 年溃决；我国板桥和石漫滩两座土坝 1975 年 洪水漫坝失事等。可见，保证工程建筑物安全是一个十分重要且很现实的问题。 建筑工程安全监测起步较晚，它是随着建筑工程的失事为人们提供教训后， 不断地寻求监测和监测手段而逐步发展起来的。 由于建筑物破坏性变形危害巨大，变形观测的作用逐步为人们了解和重视， 因此在建筑立法方面也赋予其一定的地位，建设部已制定颁布了中华人们共和 国行业标准建筑变形测量规范（jgj/t8-97），并自 1998 年 6 月 1 日起施 行。目前国内许多大中城市己经提出要求和做出决定：新建的高层、超高层， 重要的建筑物必须进行变形观测，否则不予验收。同时要求，把变形观测资料 作为工程验收依据和技术档案之一，呈报和归档。为确保施工安全和建筑物的 安全使用，必须对其变形进行长期观测。 目前，灾害的监测与防治已越来越受到全社会的普遍关注，各级政府及主 管部门对此问题十分重视，诸多国际学术组织，如国际大地测量协会（iag）、 国际测量师联合会（fig）、国际岩石力学协会（isrm）、国际大坝委员会 （icold）、国际矿山测量协会（ism）等，经常定期的召开专业会议进行学 术交流和研究对策。经过广大测量科技工作者和工程技术人员近 30 年的共同努 力，在变形监测领域取得了丰硕的理论研究成果，并发挥了实用效益。以我国 为例： （1）利用地球物理大地测量反演理论，于 1993 年准确地预测了 1996 年发 生的丽江大地震。 （2）1985 年 6 月 12 日长江三峡新滩大滑坡的成功预报，确保灾害损失减 少到了最低限度。它不仅使滑坡区内 457 户 1371 人在滑坡前夕全部安全撤离， 无一人伤亡，而且使正在险区长江上、下游航行的 11 艘客货轮及时避险，免遭 灾难。为我国减少直接经济损失 8700 万元，被誉为我国滑坡预报研究史上的奇 迹。 （3）隔河岩大坝外观变形 gps 自动化监测系统在 1998 年长江流域抗洪错 风中所发挥的巨大作用，确保了安全渡汛，避免了荆江大堤灾难性的分洪。 科学、准确、及时的分析和预报工程及工程建筑物的变形状况，对工程建 筑物的施工和运营管理极为重要，这一工作属于变形监测的范畴。由于变形监 测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机学等诸多学科 的知识，因此，它是一项跨学科的研究，并正向边缘学科的方向发展，也已成 第一章 引言 -5- 为测量工作者与其他学科组与其他学科专家合作研究的领域。 变形监测所研究的理论和方法主要涉及到这样三个方面的内容：变形信息 的获取、变形信息的分析与解释以及变形预报。其研究成果对预防自然灾害及 了解变形机理是极为重要的。对于工程建筑物，变形监测除了作为判断其安全 的耳目之外，还是检验设计和施工的重要手段。 经过广泛的调查，获悉目前己开展的变形观测项目，有以下几个方面： 1） 建筑物基础沉降观测对建筑物基础的升降情况进行观测； 2） 建筑物水平位移观测对建筑物水平位移情况进行观测； 3） 建筑物倾斜观测对建筑物的倾斜情况进行观； 4） 建筑物裂缝观测对建筑物的裂缝情况进行观测； 5） 建筑物挠度观测建筑物（或构件）横向或纵向由于受自身的荷载或 外力作用等产生挠曲，对其观测即为挠度观测； 6） 建筑物风振变形观测高耸建筑物在强风作用下会产生水平位移，严 重时将造成顶部摇晃、楼体弯曲、墙体裂缝、引起共振。风振观测就是同步测 定建筑物在风压作用下顶部的水平位移和振辐，以取得风压分布体型系数及风 振系数，为设计人员建立合理的风荷设计方案提供依据； 7） 建筑物日照变形观测高层建筑物和高耸构筑物及构件，由于受阳光 的照射和辐射，阳面与阴面、上部与下部受热不均匀，温差较大就会产生向着 背阳面弯曲。日照变形观测，就是测出布设在高耸建（构）筑物受热面不同高 度上观测点的水平位移量； 8） 基坑回弹观测基坑开挖后，由于土体移出，减少了这部分自重荷载， 从而使原区域土层结构失去了平衡，内应力重新分布，出现基底隆起，这种现 象称为基坑回弹。观测回弹值的大小和变化即为基坑回弹观测； 9） 深基坑边坡及支护系统变形观测随着基坑的开挖，边坡会逐渐失去 稳定，为确保安全要加以支护，同时要对边坡及支护系统变形进行观测； 10 ）施工场地、相邻建筑物及设施变形观测由于新建建筑物基坑开挖、 基坑施工中井点降水、大量堆载和卸载或基础大面积的打桩等原因，必将引起 施工现场及相邻周围地表的变形，甚至危及相邻建筑物与设施的安全。因此， 对施工场地、相邻建筑物及设施变形也要进行观测。 上述的变形观测主要是监视建筑物的形态及其空间位置的变化，称它们为 外部变形观测。与此相应，对建筑物结构内部的应变、应力通常、温度渗压、 土压力、孔隙压力以及伸缩缝开合等项目的观测，通常称为内部观测。内部观 测一般不由测量人员进行，但在进行变形观测数据处理时，特别是对变形原因 第一章 引言 -6- 作物理解释时，则必须将内，外部观测的资料结合起来进行分析。 二、测量技术仪器的发展状况 变形信息获取方法的选择取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大 小和变形速度等因素。在全球性变形监测方面，空间大地测量是最基本且最适 用的技术，它主要包括全球定位系统（gps）、甚长基线射电干涉测量 （vlbi）、卫星激光测距（slr）以及卫星重力探测技术（卫星测高、卫星跟 踪卫星和卫星重力梯度测量）等技术手段。在区域性研究方面，gps 已成为主 要的技术手段。近 10 年发展起来的空间对地观测遥感新技术合成孔径雷达干 涉测量（insar，interferometric synthetic aperture radar），在监测地震变形、 火山地表移动、冰川飘移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的精度已 可达 cm 或 mm 级，表现出了很强的技术优势，但精密水准测量依然是高精度 高程信息获取的主要方法。 在高层建筑物施工过程中和使用初期，由于荷载的不断变化以及外力的影 响，会引起建筑物下沉，当建筑物各部分不均匀沉降时，就会导致建筑物产生 倾斜、位移、裂缝等变形，从而影响到建筑物的正常使用并伴随着安全隐患， 因此，在施工和营运期间加强变形观测过程控制并采取适当的安全措施十分必 要。变形监测中一项重要的内容就是沉降观测。近年来，随着科研水平的不断 提高，及相关测绘技术的不断发展，建筑物沉降观测所使用的仪器、方法及测 量规范和程序都有的很大程度的发展、提高和改善。 随着数字技术的发展，几十年来人们探求的精密水准测量自动化，在 90 年 代初有了突破。自 1990 年徕卡公司第一台数字电子水准仪问世，徕卡公司和蔡 司公司相继成功地将数字电子水准仪推向市场，实现了水准标尺的精密照准， 标尺分划读数和视距的读取、数据储存和处理等数据采集的自动化，从而减轻 了水准测量的劳动强度，提高了测量和成果质量。目前的主流产品有徕卡的 na2002、na3003，蔡司 dini20、dini10，拓普康的 dl-101、dl-102 等数字 电子水准仪，它们的光学系统都采用了光学自平水准仪的基本形式，具有典型 的交叉吊带补偿器，也可以象光学水准仪一样使用。标尺采用条码分划，代替 人们眼睛的是光电二极管阵列。在水准测量中，条码的像通过一个分光器，将 光线分成两束，一束转射到传感光电二极管阵列上，另一束转射到观测镜上。 信号的分析和处理采用了相关方法，将存贮在仪器内的基准码与传感器阵列的 图象信号进行比较，仪器与标尺之间的高差即是标尺条码象的位移量和因仪器 一标尺间距离而产生的条码象的大小的相关函数。将仪器的调焦透镜位置参数 作为相关搜索的初始值，求出最佳相关，即可求出高差。电子水准仪自动记录， 第一章 引言 -7- 重量轻，大大降低了观测员的劳动强度，节省了人力，提高了观测速度。目前 国内尚未有国产电子水准仪。在光电测量仪器蓬勃发展的今天，除了大量出现 的种类繁多的测距仪，全站仪等以外，还出现了诸如激光经纬仪、激光准直仪、 激光水准仪等光电测量仪器。 1.3 本课题的研究目标、方法和内容 综上所述，对工程建筑物，变形观测具有安全预报、科学评价及检验施工 质量等三方面的作用，为确保建（构）筑物的安全使用，必须进行长期的变形 观测，以确定其变形状态。在此基础上，研究了预防建筑物变形的措施。然而， 建筑物的变形观测的技术、观测方案的选取、观测系统的设计以及建筑物变形 数据整理和分析预报的方法等都还存在着不完善、不科学的方面，有待不断的 探索与改进。同时，由于变形观测属于精密测量，在技术方法、精度要求等方 面与地形测量、施工测量等有诸多不同之处，而且具有相对独立的技术体系， 已发展成为一门专业性很强的边缘学科，涉及的理论、内容和方法很多。 本课题的内容为建筑物沉降观测方案设计，研究对象为山东理工大学图书 馆的沉降情况。目标是通过设计一套沉降观测方案，对我校的图书馆的沉降情 况进行周期性的精密水准观测，得到各个沉降观测点的高程变化，从而掌握整 个图书馆因地基荷载或外界环境等原因而发生的沉降变化，并根据各周期的变 化，进行分析，得出其在未来的一段时间内的变化趋势。 本论文将结合山东理工大学图书馆的沉降观测项目，主要开展以下几个方 面的研究： （1）沉降变形观测方案的设计与制定，包括观测点的布设、作业方法、观 测周期、成果整理和分析等多方面的内容。制定合理的变形观测方案是沉降变 形观测的第一步，也是非常重要的一项工作，因为它影响到观测的成本以及成 果的精度和可靠性，因此，必须认真仔细的进行设计。 （2）利用 microft excel 电子表格处理软件代替传统手工进行沉降观测数 据的整理、计算和汇总的方法和步骤，以期使观测人员从大量的、重复性的工 作中解脱出来。 （3）建筑物沉降在现实生活中是一个普遍现象，但不均匀沉降会对建筑物 造成不良影响甚至危害，本文针对一些常见的不均匀沉降现象，从建筑、结构、 施工三方面研究了不均匀沉降对建筑物的影响及防治措施。 第二章 变形观测的基本理论 -8- 第二章 变形观测的基本理论 2.1引起建筑物变形的原因分析 建筑物的变形有很多种，比如倾斜、位移、裂缝等等，但是为什么会产生 这些变形呢？引起建筑物变形的原因较多，但最主要的原因有以下三点： 1.自然条件及其变化，即建筑物地基的工程地质条件、水文地质条件、土 壤的物理性质、大气温度等因素引起建筑物变形。如：由于基础的地质条件不 同，引起建筑物各个部分不均匀沉降，而使其发生倾斜、位移、裂缝等变形； 或由于地基本身的塑性变形也会引起建筑物不均匀沉降；同时由于温度与地下 水位的季节性和周期性变化引起建筑物的规律性变形。 2.与建筑物自身相联系的原因，即建筑物自身的荷载大小、结构类型、高 度及其动荷载（如风力大小、震动强弱）等引起建筑物变形。要减弱这方面变 形的影响，往往通过优化设计方案来实现。 3.由于建筑物施工或营运期间一些工作做得不合理，或由于周围环境影响 而产生额外的变形。例如：在高大建筑物周围进行深基坑开挖，就会对其原有 建筑物产生一个额外的变形。当然这些引起变形的因素是相互联系、相互作用 的，对建筑物往往是共同作用的，只是不同时间段，不同因素的作用强弱不同 而已。 在高层建筑物施工过程中和使用初期，由于荷载的不断变化以及外力的影 响，会引起建筑物下沉，当建筑物各部分不均匀沉降时，就会导致建筑物产生 倾斜、位移、裂缝等变形，从而影响到建筑物的正常使用并伴随着安全隐患， 因此，在施工和营运期间加强变形观测过程控制并采取适当的安全措施十分必 要。变形监测中一项重要的内容就是沉降观测。 2.2类型划分观测方法及特点 一、建筑物变形的类型划分： 建筑物变形分静态变形和动态变形两种。前者指其变形值是时间的函数； 后者是在外力作用下产生的变形，其变形值是以外力的函数来表示的动态系统 对于某一时刻的变化，其观测结果表示建筑物在某一时刻的瞬时变形。例如： 我们在爆破某一建筑物时，对周围建筑物在爆破瞬间产生的变形即为动态变形， 而在爆破之后的某一段时间内的变形则属于静态变形。两种类型相互作用，共 第二章 变形观测的基本理论 -9- 同影响。 二、建筑物变形观测的方法： 1. 常规测量方法 包括精密水准测量、三角高程测量、三角（边）测量、导线测量、交会法 等。测量仪器主要有（光学、电子）经纬仪、（光学、电子）水准仪、电磁波 测距仪以及全站仪等。这类方法的测量精度高，应用灵活，适用于不同变形体 和不同的工作环境。 2. 摄影测量方法 该法不需接触被监测的工程建筑物，摄影影像的信息量大，利用率高。外 业工作量小，观测时间短，可获取快速变形过程，可同时确定工程建筑物上任 意点的变形。数字摄影测量和实时摄影测量为该技术在变形观测中的应用开拓 了更好的前景。 3. 特殊测量方法 包括各种准直测量法（如激光准直仪）、挠度曲线测量法（测斜仪观测）、 液体静力水准测量法和微距离精密测量法（如锢瓦线尺测距仪）等。这些方法 可实现连续自动监测和遥测，且相对精度高，但测量范围不大，提供局部变形 信息。 4.空间测量技术 包括甚长基线干涉测量（vlb1）、卫星测高、全球定位系统（gps）等。 空间测量技术先进，可以提供大范围的变形信息，是研究地球板块运动和地壳 形变等全球性变形的主要手段。全球定位系统（gps）已成功应用于山体滑坡 监测，高精度 gps 实时动态监测系统实现了对大坝、大桥等全天候、高频率、 高精度和自动化的变形监测。 三、建筑物变形观测的特点： 1. 观测精度高 由于变形观测的结果直接关系到建筑物的安全，影响对变形原因和变形规 律的正确分析，观测必须具有较高的精度。变形观测的精度要求，取决于该工 程建筑物预计允许变形值的大小和进行观测的目的。一般来讲，如果变形观测 是为了确保建筑物的安全，则测量精度应小于允许变形值的 1/10-1/20；如果是 为了研究变形的过程，则观测精度还应更高。 2. 重复观测量大 建筑物由于各种原因产生的变形都具有时间效应，计算变形量最基本的方 法是计算建筑物上同一点在不同时间的坐标差和高程差。这就要求变形观测必 第二章 变形观测的基本理论 -10- 须依一定的时间周期进行重复观测。重复观测的频率取决于观测的目的、预计 的变形量大小和变形速率。通常要求观测的次数，既能反映出变化的过程，又 不遗漏变化的时刻。 3. 数据处理严密 建筑物的变形一般都较小，甚至与观测精度处在同一个数量级；同时重复 观测的数据量较大。要从大量数据中精确提取变形信息，必须采用严密的数据 处理方法。数据处理的过程也是进行变形分析和预报的过程。 2.3监测网参考基准的选取与统一 物体的变形是通过监测点的位置移动来反映的。这种移动分为绝对位移和 相对位移，在大多数情况下我们研究的都是相对位移，既然是相对位移，就要 涉及参考基准的选取和统一的问题。 监测网的基准应根据网的实际情况灵活选取。一般地，如果变形监测网中 存在若干个固定点（有多余起算数据），最好采用固定基准并做间接平差，以 此基准求得的位移量属绝对位移。这也是变形监测者最希望看到的情况。但如 果变形监测网中不存在多余起算数据，即自由监测网，选取基准前首先要对网 中监测点的稳定情况进行综合分析，然后才能确定基准，其一般原则为： 1. 如果自由网中存在不动点，最好采用固定基准，它有坚实的稳定基础。 这种情况实际上也是存在的。例如，滑坡观测，测站点相对变形点在许多场合 可以认为是完全不动的。这种网相应的可采用经典平差。 2. 如果自由网中存在着一部分点相对另一部分是稳定点，但实际上它们不 是固定不变的，则采用拟稳基准，相应的采用拟稳平差。这样对变形点而言， 也有了较稳定的基础，这种情况在实际中遇到的较多，当然要确定网中哪些点 较稳定也并不是一件容易的事，要进行稳定点分析的研究。 3. 如果自由网中各点都是变形点，即它们都是非固定不变的稳定点，根据 观测数据和形变点情况分析，认为它们是等概率形变的，在这种情况下，采用 重心基准，相应的采用伪逆平差最为合适。但这种方法缺乏稳定基础，而且重 心基准与网形大小有关。 在上述自由网三种基准的选取中，难点就在于如何对网中点的稳定性作出 合理判断，现在比较常用的是平均间隙法（1971 年德国测量学者 pelzer 提出） ，其基本思想是：先对监测网进行整体检验，如果通过检验，则认为所有的参 考点是稳定的。否则就利用“尝试法”依次去掉不稳定点。直到整体检验通过 为止。当然还有一些其他的方法，例如：t 检验法、变形椭圆法、分块间隙法等。 第二章 变形观测的基本理论 -11- 一般在判断点的稳定性时都采用两种以上方法进行对照分析，以提高结果的可 靠性。 不同的参考基准将给出不同的位移值：采用固定基准所得到的位移值是相 对固定点的变化量；采用拟稳基准所得到的位移值是相对拟稳点的重心的变化 量；采用重心基准所得到的位移值是相对网的重心的变化量。 例如：设有水准监测网如图 2-3-1 所示，两期的高差观测值见表 2-3-1。 图 2-3-1 水准监测网图示 表 2-3-1 两期观测高差（m） h1h2h3h4h5h6h7 第一期11.3115.0413.1414.2510.5612.1211.05 第二期11.8215.9613.5814.7311.1812.6712.11 现分别以固定基准、拟稳基准和重心基准对该网相应的进行经典平差、拟 稳平差和伪逆平差。经典平差以点 1 为不动点，拟稳平差以点 1， 2 和 4 为稳 定点，但要注意所取的两期平差的高程近似值必须相同。经计算求得的两期在 不同基准下的变化量见表 2-3-2。 表 2-3-2 两期在不同基准下的变化量（m） 基准123456 固定基准00.511.430.440.992.05 第二章 变形观测的基本理论 -12- 重心基准-0.9-0.390.53-0.460.091.15 拟稳基准-0.320.191.110.120.671.73 从此例可以看出，在不同基准下求得的结果相差很大。所以说，如果在各 期观测数据中采用不同的基准的话，得到的结果是相对于不同基准而言的，它 们不具有可比性，因此求得的位移值也是不符合实际情况的。这就要求我们在 作变形分析时，一定要设定统一的参考基准。 一般的，变形监测网的网形在变形观测过程中是保持不变的，这时只 要根据实际情况采用统一的基准计算分析就可以了，但有时监测网点会因 为环境或人为的原因产生移动或丢失 ，或因需要又增设若干个点 ，致使两 期的网形不同 ，当出现这种情况时 ，我们要特别注意两期的平差基准是否 统一。如果不统一 ，就需要作一些特殊的处理使其统一。 2.4建筑物变形观测的实施过程 依据建筑物变形的主要原因及其类型的划分进而对变形观测的过程进行详 细的策划。变形观测策划输入包括： （1）业主要求变形观测所能提供的信息； （2）国家规范； （3）以前类似建筑物的变形观测方案； （4）观测对象所在地的地质条件及周围环境； （5）施工进度计划。 1. 变形观测具体方案内容（策划的输出） （1）建筑物变形观测的类型：沉降观测、倾斜观测（垂直度观测）、位移 观测、裂缝观测。 （2）不同变形观测的精度与方法 变形观测的精度取决于该工程设计的允许变形值大小和进行观测的目的。 在工业与民用建筑的变形观测中，由于其主要观测内容为基础的沉降和主体倾 斜，其观测精度应根据建筑物基础的允许沉降值、允许倾斜度和允许相对弯矩 来决定。同时还应考虑沉降速度的影响。在国际测量工作者联合会（fig）第十 三届会议中规定：“当观测目的是为了使其变形观测精度中误差应小于允许变形 值的 1/101/20”。在我国，对于不同内容的变形观测，其精度要求在测量规范 中均有明确规定。不同等级，不同精度的变形观测，所采用的观测方法也不相 同。这样，观测精度决定采用何种观测方法，而观测方法的选用必须确保观测 精度的实现，并尽可能简单。 第二章 变形观测的基本理论 -13- （3）变形观测的频率 变形观测的频率或次数取决于变形值的大小，变形速度快慢和观测目的。 通常要求观测的次数既能反映出变化过程，又不遗漏变化的时刻，在施工过程 中，待埋设的观测点稳定后进行第一次全面观测，以后对于高层建筑物每增加 一层应观测一次，直至稳定。其他建筑物观测的总次数不少于五次。竣工后的 观测频率一般为第一年每季度观测一次；第二年，每半年观测一次，以后每年 观测一次。当遇到特殊情况时，还应进行临时紧急观测。值得注意的是，在整 个变形观测期间要按时、按规定、按设计要求进行，以便取得完整可靠的第一 手原始资料，确保观测精度，并对观测结果进行正确的变形分析。 （4）对测量人员及测量仪器的要求 测量人员必须精通测量专业知识，以便有效实施所策划的变形观测方案。 测量仪器必须满足相应的精度要求，且在使用前须使各项计量特性得到确认。 （5）变形观测点的布设 变形观测结果的准确性以及其数据能否正确反映出建筑物的实际变形，与 其变形观测点布设是否合理、全面有直接关系。下面以沉降观测点的布设为例： 每个工程应当在施工作业范围外至少埋设三个水准点，并确保不受施工影 响。每次在进行沉降观测前，须检验水准点的稳定性，只有稳定的水准点方可 作为沉降观测的基准点。沉降观测点的布设应遵循以下原则： 通常在建筑物的四角点、中点、转角处等能反映变形特征和变形明显的 部位布设沉降观测点，点间距一般为 1020m。 对于设有后浇带及施工缝的建筑物，还应在其两侧布设沉降观测点； 对于新建建筑物与原有建筑物的连接处，应在其两侧的承重墙或支柱上 布设沉降观测点； 对于一些大型工业厂房，除按上述原则布设沉降观测点外，还应在大型 设备四周的承重墙或支柱上布设沉降观测点。 （6） 观测结果的记录 对观测值按照事先设定了的记录表格进行记录，确保记录完整、准确、可 靠。 2.5 变形观测成果的整理与分析 欲使变形观测真正成为工程施工和营运管理的耳目，确保安全施工和充分 发挥工程效益的作用，除了取得现场观测的第一手资料外，还必须对观测资 第二章 变形观测的基本理论 -14- 料进行整理与分析，并编制变形分析报告。 一方面是观测资料的整理，绘制各种数据表格和变形曲线，编制说明， 使其成为便于使用的成果，具体内容有： 1. 校核各项原始记录，检查每次变形观测值计算是否有误； 2. 对各种变形值按时间逐点编写观测数值表； 3. 计算绝对沉降值、平均沉降值、平均沉降速度、倾斜度、垂直位移、水 平位移等。 4. 绘制观测点变形过程曲线和建筑物变形分布图。 另一方面，利用变形分布图，结合观测过程中的各种因素对观测成果进行 分析。总结出建筑物变形过程、变形规律、变形幅度、变形原因，并找出变形 值与引起变形的内在原因和规律。 对变形观测成果的整理与分析，可借助计算机技术采用 excel 来实现。 2.6 反馈调整、确保安全 利用观测成果的分析结果，采取相应的处置措施确保施工及建筑物营运的 安全，主要考虑以下几个方面： 1. 是否严格按照所策划的观测方案进行变形观测； 2. 所策划的方案的正确性审查； 3. 对施工生产和运营管理提出指导性建议。 为了确保施工安全和加强劳动管理，施工单位和监理单位以及营运单位必 须对建筑物变形观测引起足够的重视，确定恰当精度，采用正确方法，确保观 测成果的可靠性。若一旦发现建筑物的变形观测值超过其设计允许的最大变形 时，应及时将观测结果书面报告勘察、设计、质检单位，以便共同研究、制定 方案，采取切实可行的措施，防止发生意外。在此期间，应暂停施工或者暂时 关闭、停止使用被监测建筑物，同时应增加变形观测次数，密切观注其发展变 化。 第五章 不均匀沉降对建筑物影响及防治措施 -15- 第三章 北区综合楼沉降观测方案设计 变形观测开始前，应根据变形类型、测量目的、任务要求以及测区条件等 进行变形观测方案的设计。变形观测方案编制前，应对观测对象的设计图纸和 现场情况进行充分的了解和研究，多方案精度估算和技术经济分析比较后择优 选取。 变形观测方案的内容，一般包括：观测任务及目的、观测的技术标准、观 测点的布设、作业方法、观测周期和观测期限等。变形观测的周期应以能反映 所测变形的变化过程且不遗漏其变化时刻为原则，根据单位时间内变形量的大 小及外界因素影响确定。当观测中发现变形异常时，应及时增加观测次数。变 形观测属于精密测量，测量精度要求较高，要做到“技术先进、经济合理、安 全适用、确保质量”。 制定合理的变形观测方案是沉降变形观测的第一步，也是非常重要的一项 工作，因为它影响到观测的成本以及成果的精度和可靠性，因此，本章结合山 东理工大学图书馆的沉降观测对建筑物变形观测方案进行了系统研究和精心设 计。 3.1 中国地质大学（武汉）北区综合楼概况 本次毕业设计的内容是我校北区综合楼 的沉降观测。中国地质大学（武 汉）北区综合楼 位于大学北区中心位置，地下一层，地上四层，根据设计要求 该建筑在施工过程及运营期间需要进行沉降观测，直至无沉降为止。 3.2 变形观测点的布设 变形观测点分为控制点和变形点两大类。控制点包括基准点、工作基点 以及联系点、定向点等。基准点应选设在变形影响范围以外便于长期保存的 稳定位置 ；使用时，应作稳定性检查或检验，并应以稳定或相对稳定的点作 为测定变形的参考点。工作基点应选设在靠近观测目标且便于联测观测点的 稳定或相对稳定位置 ；使用前应利用基准点或检核点对其进行稳定性检测。 当基准点和工作基点之间需要进行连接时应布设联系点，选设其点位时应顾 及连接的构形，位置所在处应相对稳定。对需要定向的工作基点或基准点应 布设定向点，并应选择稳定且符合照准要求的点位作为定向点。观测点应选 第五章 不均匀沉降对建筑物影响及防治措施 -16- 设在变形体上能反映变形特征的位置，可从工作基点或邻近的基准点和其他 工作点对其进行观测。 3.2.1 沉降观测点的布设 建筑物确定需要进行沉降观测之后，在工程开工之初，应根据设计图纸的 安排做好沉降观测策划工作、制定沉降观测方案，对于符合条件的应委托有资 质的单位观测，适时埋设观测点。 一、沉降观测点布设原则 沉降观测点是固定在待观测对象上的测量标志，应牢固地与待观测对象结 合在一起，便于观测，并尽量保证在整个沉降观测期间不受损坏。为了能够反 映出建（构）筑物的准确沉降情况，沉降观测点要埋设在最能反映沉降特征且 便于观测的位置。一般要求建筑物上设置的沉降观测点纵横向要对称，且相邻 点之间间距以 15-30 米为宜，均匀地分布在建筑物的周围。通常情况下，建筑 物设计图纸上有专门的沉降观测点布置图。此外，埋设的沉降观测点要符合各 施工阶段的观测要求，特别要考虑到装修装饰阶段，是否会因墙或柱饰面施工 而破坏或掩盖住观测点，不能连续观测而失去观测意义。 观测基准点应设在基坑工程影响范围以外，一般不小于 30-50 米且数量不 应少于两个。 观测点的布设是沉降观测工作中一个很重要的环节，它直接影响观测数据 能否真实地反映出建筑物的整体沉降趋势及局部沉降特点。 二、点位选择及埋设要求 根据建筑物沉降观测方法dgj32/j18-2006 和建筑变形测量规范 jgj8-2007 的要求，沉降观测点应布设在能全面反映建筑物地基变形特征的点位， 砌筑小阴井加以保护，宜选在下列位置： a、建筑物的四角、大转角及沿外墙每 1015m 处或每隔 23 根柱基上； b、高低层建筑物、新旧建筑物、纵横墙等交接处的两侧，不同地质条件、 不同荷载分布、不同基础类型、不同基础埋深、不同上部结构、建筑裂缝、后 浇带、沉降缝和伸缩缝的两侧，人工地基与天然地基接壤处及填挖方分界处； c、宽度大于或等于 15 米，或宽度小于 15 米但地质条件复杂以及膨胀土 地区的建筑物的承重内隔（纵）墙设内墙点，以及框架、框剪、框筒、筒中筒 结构体系的楼、电梯井和中心筒处； d、筏基、箱基的四角和中部位置处； e、多层砌体房屋纵墙间距 6-10 米横墙对应墙端处； 第五章 不均匀沉降对建筑物影响及防治措施 -17- f、框架结构建筑的每个或部分柱基上或沿纵横墙轴线上，以及可能产生较 大不均匀沉降的相邻柱基处； g、高层建筑横向和纵向两个方向对应尽端处； h、邻近堆置重物处、受振动有显著影响的部位及基础下的暗滨（沟）处； i、重型设备基础和动力设备基础的四角、基础形式或埋深改变处以及地质 条件变化处两侧； j、对于电视塔、烟囱、水塔、油罐、炼油塔、高炉等高耸构筑物，应设在 沿周边在与基础轴线相交的对称位置上，点数不少于 4 个。 总之，观测点应设在能表示出沉降特征的点。 如图 3-1 所示（图示长度单位为 mm），沉降观测点可用角钢预埋在墙内； 如是钢结构，则可将角钢焊在钢柱上；对建筑物平面部位的观测点，可一将大 于 20 mm 的铆钉用 1：2 砂浆浇筑在建筑物上。而对于地面沉降观测点，则 需要在地面埋设相应的标石。 图 3-1 沉降观测点埋设示意图 在施工期间，经常会遇到沉降观测点被毁，为此一方面可以适当地加密沉 降观测点，对重要的位置如建筑物的四角可布置双点。另一方面观测人员应经 常注意观测点变动情况，如有损坏及时设置新的观测点。 三、北区综合楼沉降观测点的布设情况 我校北区综合楼为圆弧状，分别在东西两侧各均匀埋设有5 个沉降观 测点，相邻观测点间隔 5 米左右由南到北排列，且均位于主要承重部位。 这样的点位布设可以及便于观测，又能够反映整栋楼各部位的沉降情况。沉 降观测标志所用的是内置式预埋标志，位于墙体内部，观测时可用螺栓将其 引出，这样一方面起到保护标志防止侵蚀的作用，另一方面也便于保持建筑 第五章 不均匀沉降对建筑物影响及防治措施 -18- 物整体的美观。 3.2.2 基准点的设置 沉降观测是根据基准点进行的，因此要求基准点的位置在整个变形观测期 间稳定不变。为保证基准点高程的正确性和便于相互检核，布设基准点数目应 不少于三个并构成基准网。埋设地点应保证有足够的稳定性，设置在受压、受 震范围以外，离开铁路、公路和地下管道至少 5m。冰冻地区埋设深度要低于冰 冻线 0.5m。为了观测方便及提高观测精度，基准点距观测点不要太远，一般应 在 100m 范围以内；否则，还应布设工作基点。基准点在开工前埋设并精确测 出高程。 3.3观测周期及频率的确定 当基准点和观测点己埋设稳固，建筑物基础施工或基础垫层浇灌后即进行 第一次观测，此次观测成果即作为以后沉降变形的衡量依据。 一、 施工期间变形观测的周期及频率 （1）建筑物施工阶段的观测，应随施工进度及时进行。高层建筑物可在基 础垫层或基础底部完成后开始观测。观测次数与时间视地基与加荷情况而定， 一般每加高 1-5 层观测一次。 （2）施工期间停工时间较长时，应在停工时和重新开工时各观测一次。停 工期间，每隔 1-3 个月观测一次。 （3）基础附近地面荷载突然增加，周围大量积水及暴风雨后，或周围大量 挖方时，均应及时观测。 （4）当发现变形有异常时，应进行跟踪观测，观测频率要大一些。 由于毕业设计受到时间限制，不能进行长周期的观测，只能相应的增加观 测频率，根据实际情况缩短观测周期，以分析得到图书馆在短期内的沉降变化 情况。 二、建筑物使用阶段的观测次数与频率 建筑物使用阶段的观测周期与频率，取决于沉降变形的大小、速度以及观 测目的。工程竣工初期的观测频率要稍大些，开始可隔 1-2 个月，或每季度观 测一次，以每次沉降量在 5-l0 mm 以内为限度，否则要增加观测次数。竣工的 第一年内，每隔 2-3 个月观测一次，以后适当延长至 4-6 个月，第二年半年一 第五章 不均匀沉降对建筑物影响及防治措施 -19- 次，第三年以后每年一次，直至变形稳定为止。观测过程中，如遇地震影响、 连续大雨水浸等情况，要及时增加观测次数。当建筑物突发大量沉降、严重裂 缝时，应立即连续观测。 第五章 不均匀沉降对建筑物影响及防治措施 建筑物产生沉降是一种常见现象，特别是高压缩性土、膨胀土、湿陷性黄 土以及软硬不均等不良地基上的建筑物，很容易因不均匀沉降而开裂，影响使 用甚至突变坍塌。所以，本章系统研究了不均匀沉降对建筑物的影响及其损害， 进而研究提出了建筑物不均匀沉降的防治措施。 5. 1不均匀沉降对建筑结构的影响 在建筑工程施工后，地基承受上部建筑荷载产生附加应力，使地基土压缩 变形，导致建筑物地基的沉降。当同一建筑物各部分地基土软硬不同，或受压 层范围内压缩性高的土层厚薄不均，基岩面倾斜，其上覆盖层厚薄悬殊，以及 上部建筑层数不一，结构荷载轻重变化较大时，地基将要产生不均匀沉降，进 而引起建筑物发生倾斜。 建筑物不均匀沉降将直接对其造成不利影响。一方面上部结构中裂缝有可 能继续出现或原有裂缝继续开展，势必对基础产生拉应力，如不充分考虑该应 力的作用，当其达到一定值后就会将基础拉裂，产生自下而上发展的竖向裂缝 进而危及上部结构的