第13章_工程建筑物垂直位移与水平位移观测

1、第十章 垂直位移与水平位移观测第十章 垂直位移与水平位移观测v10-1.10-1.垂直位移监测网布设及观测标志垂直位移监测网布设及观测标志v10-2.10-2.垂直位移观测垂直位移观测v10-3.10-3.地面倾斜测量地面倾斜测量v10-4.10-4.水平位移观测网及观测标志水平位移观测网及观测标志v10-5.10-5.水平位移测量技术概述水平位移测量技术概述v10-6.10-6.视准线法测量水平位移视准线法测量水平位移v10-7.10-7.激光准直测量激光准直测量v10-8.10-8.引张线法测量水平位移引张线法测量水平位移v10-9.10-9.建筑物主体倾斜和挠度测量建筑物主体倾斜和挠度测

2、量v10-10.10-10.裂缝测量裂缝测量 垂直位移观测中的水准基点、观测点的标志构造与埋设，倾斜观测，液体静力水准测量，水准点稳定性的检验和分析。水平位移观测中基准线法测定水平位移，视准线观测的精度估算，激光准直，引张线法测量水平位移，建筑物主体倾斜和挠度测量以及裂缝测量等。 地面和建筑物的位移包括垂直位移和水平位移两种。地面垂直位移指地表面的沉降或上升，水平位移指地表面在水平方向上的移动，出现位移的原因除了地壳本身的运动外，主要还有人类的各种生产活动和建设施工的原因。 进行地面垂直位移和水平位移观测，掌握地面移动和变形的规律，采取必要的预报及防治措施，以保障安全生产和人们的正常生活，达到

3、预测和防治或减轻自然灾害和工程灾害的目的。10-1.10-1.垂直位移监测网布设及观测标志垂直位移监测网布设及观测标志v建筑物垂直位移观测是测定基础和建筑物本身在垂直方向上的位移。建筑物垂直位移观测应该在基坑开挖之前进行，并且贯穿于整个施工过程中，而且延续到建成后若干年，直至沉降现象基本停止为止。v地面垂直位移观测也是要在地面开始移动之前进行首次观测，然后在移动过程中定期进行观测，直至地面移动基本停止，地表面开始趋于稳定为止。一、垂直位移监测网布设v垂直位移测量通常采用水准测量的方法，多次重复测定埋设在移动区或变形体上的观测点相对于基准点的高差随时间的变化量。v建筑物的垂直位移测量包括基础的沉

4、陷观测与建筑物本身的变形观测。v对于工业与民用建筑物，通常在其4个角点、中点、转角处布置观测点；沿建筑物的周边每隔1020m布置一个观测点；设置有伸缩缝的任意一侧设置观测点；对于宽度大于15m的建筑物，在其内部有承重墙或支柱时，应在该部位尽可能布置观测点。为了查明建筑物基础的纵向和横向的弯曲和曲折，在其纵横轴线上也应埋设观测点。v对于一般的工业建筑物来说，出来在立柱的基础上布设观测点之外，其主要设备基础的四周以及动荷载四周，地质条件不良处也应布置观测点。v垂直位移测量与一般水准测量相比，具有观测工作局限在某个固定的范围内，观测路线相对固定，观测工作重复进行，观测精度要求高，视距短，有时一次安置

5、仪器可以观测多个前视点等特点。为了减少测量系统误差的影响，一般考虑采取以下措施：v（1）监测观测点的垂直位移时，设置固定的安置仪器点和立尺点，保证往、返测量和复测是同一水准路线。v（2）监测工作中使用固定仪器和水准标尺，有条件时最好固定人员进行观测。二、水准基点标志的结构和埋设 为了测定地面和建筑物的垂直位移，需要在远离移动变形区的稳固地点设置观测点，以水准基点为依据测定移动变形区内的观测点的垂直位移。为了检查水准基点本身是否稳定不动，其高程是否变动，可将其成组埋设，通常每组设3个点，形成一个边长约100m的等边三角形ABC。CBAP水准基点高程的检查 水准基点是沉陷观测的基准点，因此它的构造

6、与埋设必须保证稳定不变和长久保存。根据建筑物场地的地质情况、建筑物使用的重要性和使用年限，水准基点可分为长期的和简单的两种。沉降观测基准点沉降观测基准点三、沉陷观测点标志的结构和埋设 沉陷观测点应布设在监测对象上最有代表性的地方。对于建筑物沉陷观测点的布设，要考虑建筑物基础的地质条件、建筑结构、内部应力的分布情况，以及便于观测等。埋设时要注意观测点与建筑物的联结要牢靠，使得观测点的变化能真正反映建筑物的沉陷情况。具体建筑物的观测点的设置：具体建筑物的观测点的设置： （1）对于工业与民用建筑物 （2）对于混凝土坝 （3）对于钢筋混凝土大坝 （4）矿区地表沉陷观测10-2.10-2.垂直位移观测垂

7、直位移观测 垂直位移观测包括基坑回弹观测，地基土分层沉降观测、建筑物基础及建筑物本身的沉降观测和地表沉降观测等内容。 目前垂直位移观测最常用的是水准测量方法，有时也应用液体静力水准测量方法观测。深基坑开挖时深基坑开挖时 12天天 出现暴雨，管涌应加密出现暴雨，管涌应加密浇筑地下室底扳后浇筑地下室底扳后 34天天建筑物主体施工建筑物主体施工 12层层 结构封顶后结构封顶后 3个月个月竣工投入使用竣工投入使用 3个月个月 直至沿体稳定直至沿体稳定观测周期观测周期一、基坑回弹观测 建筑物施工时，首先要开挖基坑，基坑工程是临时工程，特别是高层建筑造价高，施工难易程度不一，岩土的力学性质也不同，施工条件

8、也千差万别，多数情况下场地狭小，而施工中的安全稳定性要求非常严格，而建筑基础在基坑开挖后，由于卸除基坑土自重而引起的基坑内外影响范围内相对于开挖前的回弹量。 显然，为了合理地选择或修正施工方案，优化施工设计，科学地组织施工，确保施工安全和工程质量，必须对深埋基础的基坑进行安全监测和变形监测，对施工过程中有可能出现的险情进行预报。基坑回弹观测应是进行一个重要的监测内容。 为了观测基坑开挖过程中地基的回弹现象，在施工前应布设地基回弹观测的工作基点和工作测点。 观测点位置的选择，应根据基坑形状及地质条件、周边地形地物情况来确定，观测点布设有以下要求：（1）对于矩形基坑，应在基坑中央及纵(长边)横(短

9、边)轴线上布设，纵向每810m布一点，横向每34m布一点，特别是距基坑边缘约1/4坑底宽度处，以及其他变形特征位置应设观测点。对其他形状不规则的基坑，可与设计人员商定（2）对基坑外的观测点，应埋设常用的普通水准点标石。观测点应在所选坑内方向线的延长线上距基坑深度1520倍距离内布置。当所选点位遇到地下管道或其他物体时，可将观测点移至与之对应方向线的空位置上； （3）在基坑外相对稳定，便于保存且不受施工影响的地点，布设工作基点及为寻找工作基点用的定位点。 （4） 回弹标志应埋入基坑底面以下2030cm，根据开挖深度和地层土质情况，可采用钻孔法或探井法埋设。根据埋设与观测方法，可采用辅助杆压入式、

10、钻杆送入式或直埋式标志。 （5）回弹观测的精度按规范给定或预估的最大回弹量为变形允许值进行估算后确定，但最弱观测点相对邻近工作基点的高程中误差不得大于10mm。 （6）路线应组成起、迄于工作基点的闭合或附和路线，以便对观测结果进行检核。（7）回弹观测不应少于3次，其中第一次应在基坑开挖之前，第二次应在基坑挖好之后，第三次应在浇筑基础混凝土之前。当基坑挖完至基础施工的间隔时间较长时，应适当增加观测次数；（8）基坑开挖前的回弹观测，宜采用水准测量配以铅垂钢尺读数的钢尺法。较浅基坑的观测，可采用水准测量配辅助杆垫高水准尺读数的辅助杆法。观测结束后，应在观测孔底充填厚度约为lm的白灰；二、沉陷观测 沉

11、陷观测是定期测量建筑物变形测量观测点的高程变化，得到其沉陷量，并计算其沉陷速度。 对于中、小型厂房和民用建筑物和矿沉陷观测可采用普通水准测量的方法，精度为三等水准测量；而对于大型重要的建筑物，则要采用精密水准测量，精度为二等水准测量。 工业与民用建筑物沉陷观测的水准路线应该是有一个已知的水准点开始闭合到另外的水准点上，形成闭合或者符合水准路线，并且与一般的水准测量相比视距较短，一般不要超过2530米，一次设站可以间视多个点，尽量专用仪器、专人测量和专站测量。1.沉陷观测 2. 2. 沉降观测要求和精度沉降观测要求和精度 仪器仪器 技术标准技术标准 观测方法观测方法 限差限差 （mm） 精密水准

12、仪精密水准仪 二等水准测量二等水准测量 闭合水准闭合水准 闭合差容许值闭合差容许值 0.6 附合水准附合水准 精度要求：一般建筑物能反映精度要求：一般建筑物能反映 2 mm 重要建筑物能反映重要建筑物能反映 1 mm 精密工程精密工程 0.2 mm 对于埋设在建筑物基础上的观测点，埋设之后就进行第一次观测，之后随着荷载的逐渐增加进行重复观测，周期不能过长，在运营之后重复观测周期可以根据沉陷的速度进行调整，每月、每季、每半年或者每一年观测一次，一直到沉陷结束为止。 工业与民用建筑物的范围不是很大，所以施测的水准路线不是很长，因此闭合差课按测站平均分配。如果观测点之间的距离相差很大，则闭合差可按距

13、离成比例分配。 对于大坝沉陷观测可分为基准点观测和观测点观测。为了工作便利工作基准点设置在下游，稳定性可以利用较远处的水准点观测，它的观测称之为基准点观测；观测点设置在大把的基础和坝顶处，它的观测称之为观测点观测。2.沉降观测的成果整理采用专用记录手簿逐步检查每次观测当日计算成果，分析成果。及时上报沉降结果绘制沉降曲线图沉降观测总结报告。计算各观测点高程计算各观测点高程计算相邻两次观测沉降量计算相邻两次观测沉降量计算累积沉降量计算累积沉降量沉沉降降观观测测现现场场在在施施工工现现场场进进行行沉沉降降观观测测 大坝下游工作基点与水准基点间所布设的水准环线，一般要求每千米水准测量高差中数的中误差不

14、大于0.5mm。采用精密水准仪S0.5和因瓦水准尺进行测量。 作业方法按照一等水准测量规定进行为了消除一些系统误差，转点一般为埋设的金属标头为离尺点；水准基点到工作基点的联测每年进行1到2次，尽可能选用相同的时间和外界条件，以减少外界条件的影响。 （1）水准环线是分段进行观测，往、返观测的高差加标尺长度改正后计算往返高差较差，各段往、返测高程较差不得超过：42kmdRmmR限（一）基准点观测（一）基准点观测（2）高差较差合格后，根据加标尺长度改正后的往返测高差计算高差中数，再由高差中数计算环线闭合差。将环线闭合差按各测段线路长度进行分配。（3）然后，由水准基点的高程推算工作基点和沿线各水准点的

15、高程，再与各点的首次观测高程比较，可得到工作基点和沿线各水准点高程的变化值。 按照上述规定所施测的精密水准测量，根据经验，高程的传递精度可以达到0.5mm/km的要求。每千米水准测量高差中数的中误差可按下式计算 而4kmpddn1(1,2, )iipinR 混凝土坝观测点的沉陷是根据两岸的工作基点来测定的。对于建筑在基岩上的混凝土坝，其沉陷观测中误差要求不超过1mm。一般采用精密水准仪，按二等水准测量操作规定进行施测。 由于沉陷观测在施工过程中受到施工条件的干扰和空间的限制，视线断，站数多，误差积累大，所以应该严格按照如下规定测量。（二）观测点观测（二）观测点观测对了按二等水准测量操作规定以外

16、还有： （1）设置固定的安置仪器点与立尺点，使往返或复测在同一路线上的固定点进行。（2）每次观测使用固定的仪器和标尺（3）仪器至标尺的距离，最长不得超过40m，每站的前后视距差不得大于0.3m，前后视距累积差不得大于1m，基辅差不得超过0.25mm。（4）每次观测进出廊道前后，仪器、标尺均需凉置半小时以后再进行观测（5）在廊道内观测采用手电筒照明。 测定观测点沉陷的水准路线大多敷设成两工作基点之间的附和路线。每次观测值均要加标尺长度改正、根据视线短、每千米线路测站数多的特点，对附和线路闭合差采取按测段的测站数多少进行分配的方法。然后，根据工作基点的高程推算各沉陷观测点的高程，将本次计算的各观测

17、点高程与各点首次观测的高程比较，即可求得各观测点相对于该点首次观测的沉陷量。v附和水准路线上一测站高差中数的中误差可按下式计算v而4pddn站11,2,iipinNv离工作基点最远点的观测点，其高程的测定精度最低。最弱点相对于工作基点的高程中误差按下式计算v式中， 为由两工作基点分别测到最弱点的测站数。1212mKKKKKK弱站12KK、10-3.10-3.地面倾斜测量地面倾斜测量 倾斜测量有相对于水平面的倾斜测量和相对于垂直面的倾斜测量两类。 相对于水平面的倾斜可通过测定两点间的相对沉陷的方法来确定，如用水准测量方法、液体静力方法和倾斜仪测量方法测定。一、水准测量方法 该方法的原理原理是用水

18、准仪测出两个观测点之间的相对沉陷，由相对沉陷与两点间距离之比计算出两点间的平均倾斜值。 例如，测出A、B两点的沉陷值为 ，A、B两点间的距离为 ，则其平均倾斜值为：ABWW、ABLBAABABWWiL二、倾斜仪测量方法 常用的倾斜仪有水准管式倾斜仪、气泡式倾斜仪和电子倾斜仪。 （一）气泡式倾斜仪（一）气泡式倾斜仪 气泡倾斜仪由一个高灵敏度 的气泡水准管e（见图11-4） 和一套精密的测微器组成。 测微器中包括测微杆g， 读数盘h和指标k。 气泡水准管e固定在支架a上，a可绕c点转动，a下装一弹簧片d，在底板b下有置放装置m。将倾斜仪安置在需要的位置上以后，转动读数盘，使测微杆向上或向下移动，直

19、至水准管气泡居中为止。此时，在读数盘上读数，即可得出该处的倾斜度。 （二）电子倾斜仪（二）电子倾斜仪 为了实现倾斜观测的自动化，可采用电子水准器，它是在普通的玻璃管水准器（内装酒精和乙醚的混合液，并留有空气气泡）的上、下面装上三个电极形成差动电容器的一种装置。 电子倾斜仪的工作原理原理：当玻璃管水准器倾斜时，气泡向一旁偏移了量x，使电容器C1和C2的介电常数发生变化，引起电桥两臂阻抗发生变化，因而使桥接电路失去平衡，其变化被测量装置及时记录下来。三、液体静力水准测量 液体静力水准测量是测定观测点高程的一种方法。 （一）基本原理（一）基本原理 当两个容器中装有同类均匀液体时，两液面将处在同一水平

20、面上。高差可用液面的高度求得 121212hHHaabb （二）仪器的结构与读数（二）仪器的结构与读数 各种不同结构的液体静力水准仪，实际上只是定位和测定液面位置的方法有所不同。 1.目视法 2.目视接触法 目视接触法确定液面位置的精度要比目视法高得多。 观测时，用手转动观测圆环，使水位指针移动，直到显微镜内所观测到的指针实像尖端与虚像刚好接触，这时即停止转动圆环，进行读数。 （三）误差来源（三）误差来源 液体静力水准测量中对于确定液面位置精度有影响的误差主要来自仪器误差和外界条件的影响，而后者是其误差来源。 1.仪器误差 （1）仪器安置误差（2）液体静力水准仪观测头倾斜所引起的误差（3）量测

21、设备的误差 （4）观测头的组合部件由于温度变化而产生的误差（5）液体漏损带来的误差 2.外界条件的影响 （1）温度对液体静力水准测量精度的影响（2）气压变化对液面位置的影响（3）液体静力水准仪容器中液体蒸发的影响（4）液体污染的影响 （四）具体应用（四）具体应用 液体静力水准测量一般不用来建立等级高程控制，而大多是用来在特殊条件下进行工程水准测量。 液体静力水准测量还特别适用于有辐射危险、爆炸危险或有蒸汽、尘埃等污染的情况下监视设备的稳定性。 应用固定设置的液体静力水准仪对建筑物上观测点位置进行长期监测。10-4.10-4.水平位移观测网及观测标志水平位移观测网及观测标志 一、水平位移测量控制

22、网 为了测定建筑物或场地的水平位移，需在变形特征处设置一些点，称为水平位移观测点或目标点。 为了测取观测点的绝对水平位移值，需要有稳定点作参考，这样的参考点也称为基准点。 有时，为了方便观测，在离观测点较近的地方设置比较稳定的点，称为工作基点，在工作基点上直接对观测点进行观测。将基准点与工作基点或观测点联系起来，常常需要一些过渡点，称为联测点。 有基准点形成的测量网称为基准网。基准网也需要定期重复观测，其目的是检查基准网点的稳定性。 条件许可时，所有观测点也形成测量网，可称为变形网。当变形网不与基准点联系时，称为相对网。当与基准点联系时，可成为绝对网。相对网监测变形体的变形，绝对网是为获取变形

23、体的整体位移。 基准点、联测点、工作基点或观测点构成的网称为扩展网。工作基点的位移量由此网获得，然后修正观测点位移值。 联测点作用仅仅是坐标的传递，其自身的坐标及其变化无直接的生产应用。10-5.10-5.水平位移测量技术概述水平位移测量技术概述 可用于建筑物水平位移测量的技术很多，总体可分为地面监测方法、摄影测量方法、空间测量技术及专用测量方法四类。一、地面监测方法 地面监测方法主要指用高精度测量仪器测量角度、边长的变化来测定水平位移，是目前变形测量的主要手段。常用的地面监测方法主要有：两方向前方交会法、双边距离交会法、极坐标法、自由设站法、视准线法、小角法、测距法、三角网法、导线法、边角网

24、等。 地面监测方法的优点：优点： （1）能够提供监测对象的变形状态，监控面积大，可以有效地监测确定监测对象的变形范围和绝对位移量。（2）观测量通过组成网的形式可以进行测量结果的校核和精度评定。（3）灵活性大，能适用于不同的精度要求，不同形式的监测对象和不同的外界条件。（一）固定式全自动持续监测（一）固定式全自动持续监测 固定式全自动持续监测方式是基于一台测量机器人的有合作目标的变形测量系统，可实现全天候的无人值守监测。 1.基站 2.基准点 3.观测点 4.控制中心（二）移动式半自动变形监测（二）移动式半自动变形监测 移动式半自动变形监测系统的作业与传统的观测方法一样，在各观测墩上安置整平仪器

25、，输入测站点号，进行必要的测站设置，后视之后，测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数，全自动地寻找目标，精确照准目标，记录观测数据，计算各种限差，做超限重测或等待人工干预等。二、专用测量方法 水平位移测量的专用方法包括应变测量和基准线测量。和常规的地面监测方法相比，他们具有下列特点： （1）测量过程简单（2）容易实现自动化观测和连续观测（3）提供的是局部变形信息（一）应变测量（一）应变测量 应变测量根据其工作原理可以分成两类： 通过测量两点间距离的变化来计算应变； 直接用传感器测量应变。 设两点间的距离为l，第二周期测量时距离变化了 l，那么 为两点间的平均线应变。/ l l 通过精密

26、测量距离的变化来计算应变的方法有机械法机械法和激光干涉法激光干涉法两种。 机械法用因瓦丝、石英棒等作为长度的变化用机械电子传感器测量。 直接用传感器测量应变所采用的应变传感器实质上是一个导体，埋设在变形体中，由于变形体的应变使导体伸长或缩短，从而改变了导体的电阻。导体电阻的变化用电桥测量，通过测量电阻值的变化可以计算应变。（二）基准线测量（二）基准线测量 基准线测量用于测定某一方向上点位的相对变化，包括很多方法，如活动觇牌法，小角法，激光准直法，引张线法，导线法，激光铅直仪法，正、倒锤垂直准直法等。10-6.10-6.视准线法测量水平位移视准线法测量水平位移 基准线法的原理是原理是通过建筑物轴

27、线或平行于建筑物轴线的固定不动的铅直平面为基准面，根据它来测定建筑物的水平位移。 依建立基准面使用工具和方法的不同，常用的基准线法可分为：视准线法、激光准直法、引张线法、直伸三角网等。一、活动觇牌法 活动觇牌法活动觇牌法是通过一种精密的附有读数设备的活动觇牌直接测量观测点相对于基准面的偏离值偏离值。 它需要专用的仪器和照准设备：精密视准仪或精密经纬仪。 活动觇牌法的主要误差影响因素为瞄准误差。二、小角法 小角法小角法是利用精密经纬仪精确地测出基准线方向与测站点到观测点的视线方向之间所夹的小角，从而计算观测点相对于基准线的偏离值。 其偏离值 小叫法测量偏差的误差iiis iiimms （1）上式

28、既可用于误差分析，也可用于方案设计，即在给定 的前提条件下，求小角观测精度 。 （2）小角法用于生产时，理应在基准线的两端分别设站进行观测，然后做加权平均。 （3）若在图10-43中，则成为等边直伸无定向导线。 （4）可每点设站，但只当角的两边相等时才进行观测。 （5）在所有点设站，观测所有的水平方向，有望得到高精度的偏离值。imim10-7.10-7.激光准直测量激光准直测量 一、氦氖激光器 二、波带板激光准直测量 （一）光的相干性（一）光的相干性 因为光既有波动性，当两列光波频率相同、方向相同、相位相同或相位差恒定时，这两列光标将产生干涉现象。 （二）波带板准直测量的设备 准直测量设备包括

29、：氦氖激光器；波带板；激光探测器。 （三）测量原理 在基准点A安置激光器； 在基准点B安置探测器； 在待测点i安置一特定的波带板。 （四）精度 实验表明用这种装置准直，测定偏离值的精度可达测线长的10-6。10-8.10-8.引张线法测量水平位移引张线法测量水平位移 柔性弦线两端加以水平拉力引张后自由悬挂，则它在竖直面内呈悬链线形状，它在水平面上的投影应是一条直线，利用此直线作为基准线可以测定附近测点的横向偏离值，这种方法称为引张线法。 引张线的装置由端点、测点、测线与测线保护管等四部分组成。一、端点 端点由墩座、夹线装置、轮滑、重锤连接装置及重锤等不见组成。 墩座采用钢筋混凝土或金属结构、夹线装置是端点的关键部件，它起着固定不锈钢丝位置的作用。为了不损伤钢丝，夹线装置的V形槽底部嵌镶铜质类的较软金属。二、测点 测点由浮托装置、标尺、保护箱组成。 浮托装置由水箱和浮船组成。浮船置于水箱内，用以支承钢丝。浮船的大小可以依据引张线各