建筑物变形监测的精度设计

1、第二章 变形观测方案设计l 重要工程建筑物，从施工到竣工，以及竣工后整个运营期间都可能要重要工程建筑物，从施工到竣工，以及竣工后整个运营期间都可能要不断地或周期性地监测建筑物的变形情况。一般来说，由于各种因素不断地或周期性地监测建筑物的变形情况。一般来说，由于各种因素的影响，工程建筑物及其设备在其运营过程中都会产生变形，在一定的影响，工程建筑物及其设备在其运营过程中都会产生变形，在一定的限度之内，变形可以认为是正常的现象，但如果这种变形超过了规的限度之内，变形可以认为是正常的现象，但如果这种变形超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还严重时还会危

2、及建筑物的安会危及建筑物的安全，造成生命财产的巨大损失。不同的工程建筑物需不同的观测方案。全，造成生命财产的巨大损失。不同的工程建筑物需不同的观测方案。l 变形观测方案设计主要包括：监测项目和目的；监测网的设计；监测点布置；变形监测方法；使用工具(检验)；观测精度；观测周期；l 重大项目：监测网的优化设计。2-1 变形监测网的布设变形监测网的布设基准点分为稳定的基准点和工作基点基准点分为稳定的基准点和工作基点。埋设在变形影响范围以外或基岩上的稳定不动的测量控制点为埋设在变形影响范围以外或基岩上的稳定不动的测量控制点为基准点基准点；基；基准点如果离被观测目标较远，工作不方便，观测误差大，埋近了，

3、又不稳准点如果离被观测目标较远，工作不方便，观测误差大，埋近了，又不稳定，所以一般采用两级控制。定，所以一般采用两级控制。使用时需对基准点进行稳定性检验使用时需对基准点进行稳定性检验。将设在离观测点较近的基准点称为将设在离观测点较近的基准点称为工作基点工作基点。这样，由稳定的基准点和工作基点组成了这样，由稳定的基准点和工作基点组成了首级变形监测网首级变形监测网。由于。由于工作基点工作基点离观测点离观测点较近，可能在变形区内较近，可能在变形区内( (不稳定不稳定) )，其位移量是通过对整个监测网的重复观测来确定。，其位移量是通过对整个监测网的重复观测来确定。由工作基点对观测点观测，测得观测点相对

4、于工作基点的位移量，再根据工作基点由工作基点对观测点观测，测得观测点相对于工作基点的位移量，再根据工作基点相对于基准点的位移量来修正观测点的位移值。相对于基准点的位移量来修正观测点的位移值。当监测网中的两种控制点不需要区分时，统称为基准点。当监测网中的两种控制点不需要区分时，统称为基准点。工作基点独立称呼时，说明该点可能不稳定。工作基点独立称呼时，说明该点可能不稳定。一、监测点的布设一、监测点的布设观测点设在被观测的目标上，为对观测点实施观测还需建立观测点设在被观测的目标上，为对观测点实施观测还需建立基准点基准点。l 水平位移监测网主要技术要求用视准线法校测工作基点、观测增设的工作基点或混凝土

5、建筑物上的位移标点时，容许误差应不大于2mm(取二倍中误差)。用视准线法观测土工建筑物上的位移标点时，各测回的允许误差应不大于4mm(取二倍中误差)。在已定的上述允许误差的情况下，各测点所需的测回数与距离有关，适当规定或试验确定测回数。注意的问题：1、检验经纬仪垂直轴倾斜误差。当垂直角超出3度时，应进行垂直轴倾斜修正2、观测点偏离基准线的距离不应大于2cm ；点间距土坝小于50米，砼每段应有一个横断面点。3 55 1 01251 021土 坝 的 运 营 期 间土 坝 的 施 工 期 间压 缩 土 上 的 混 凝 土 坝岩 基 上 的 混 凝 土 坝水 平 位 移 （）沉 陷 量 （）观 测

6、内 容视准线法：观测精度要求视准线法：观测精度要求12.06.03.01.51.00.50.10.32.01.00.50.3四等三等二等一等变形点的点位移中误差（）相邻变形点的 高差中误差（）变形点的高程中误差（）变形测量等级水平位移测量垂直位移测量变形测量的等级划分及精度要求变形测量的等级划分及精度要求P3(工程测量规范工程测量规范)变形测量的等级划分及精度要求变形测量的等级划分及精度要求l 对于同类工程建筑物，根据其结构、形状不同，要求的精度也有差异。对于同类工程建筑物，根据其结构、形状不同，要求的精度也有差异。即使同一建筑物，不同部位的精度要求也不同。普通的工业与民用建即使同一建筑物，不

7、同部位的精度要求也不同。普通的工业与民用建筑，变形观测的主要内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜。一般来讲，筑，变形观测的主要内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜。一般来讲，对于有连续生产线的大型车间对于有连续生产线的大型车间( (钢结构、钢筋混凝土结构的建筑物钢结构、钢筋混凝土结构的建筑物) )，通常要求观测工作能反映出通常要求观测工作能反映出2mm2mm的沉陷量的沉陷量，因此，对于观测点高程的，因此，对于观测点高程的精度，应在精度，应在lmmlmm以内以内。特种工程设备。特种工程设备( (例如高能加速器，大型天线例如高能加速器，大型天线) )，要求变形观测的精度高达要求变形观测的精度高达0.1mm

8、0.1mm。l 拦河大坝是一类典型的工程建筑物，变形观测的精度要求概括在表拦河大坝是一类典型的工程建筑物，变形观测的精度要求概括在表2-2-2(2(大坝变形观测典型精度大坝变形观测典型精度) )中。滑坡变形测定精度一般在中。滑坡变形测定精度一般在101050mm50mm之之间。间。 3 55 101251021土 坝 的 运 营 期 间土 坝 的 施 工 期 间压 缩 土 上 的 混 凝 土 坝岩 基 上 的 混 凝 土 坝水 平 位 移 （）沉 陷 量 （）观 测 内 容大坝变形观测典型精度高层建筑的划分标准高层建筑的划分标准1 1、高层建筑：、高层建筑：8-198-19层，高度小于层，高度

9、小于6060米米2 2、超高层建筑：大于或等于、超高层建筑：大于或等于2020层，高度大于层，高度大于6060米米表2-3建筑物的地基允许变形值 0.0020.0030.0040.0050.0060.008200 250150 200100 15050 10020 50 0高 耸 结 构 基 础 的 倾 斜0.00150.0020.0030.004 10060 10024 60 24多 层 和 高 层 建 筑 基 础 的 倾 斜0.0030.002砌 体 承 重 结 构 基 础 的 局 部 倾 斜0.0050.0010.0030.0050.00070.002 当 基 础 不 均 匀 沉 降 时

10、 产 生 附 加 应 力 的 结 构 砖 石 墙 填 充 的 边 排 柱 框 架 结 构工 业 与 民 用 建 筑 相 邻 柱 基 的 沉 降 差变 形 特 征中 低 压 缩 性 土允 许 变 形 值高 压 缩 性 土(一)按允许变形值求观测中误差l 变形测量工程采用表变形测量工程采用表2-12-1中哪个等级，须通过建筑物的允许变形值中哪个等级，须通过建筑物的允许变形值( (表表2-2-3 )3 )推算求得。建筑物的允许变形值，一般由建筑工程规范中规定或由推算求得。建筑物的允许变形值，一般由建筑工程规范中规定或由设计单位提出设计单位提出。例例1.1某大楼高某大楼高90m，箱形基础长，箱形基础长

11、L135m，宽，宽L225m，求沉陷观测点高程，求沉陷观测点高程中误差。查表中误差。查表2-3多层和高层建筑基础的倾斜允许变形值：多层和高层建筑基础的倾斜允许变形值：由下式计算得出：由下式计算得出：式中，式中，H1、H2分别为分别为1、2点的沉陷值；点的沉陷值；L为为1、2两点平距。两点平距。则沉降值之差：则沉降值之差：50mm是是1、2两观测点沉降允许差值，取允许值的两观测点沉降允许差值，取允许值的1/20，则沉降差值的中误差，则沉降差值的中误差：120.002H2112HHHL21120.002 2550HHHHHLmm 差差：1502.52020mHmm 差异差H1和和H2分别是两点两次

12、观测高程，分别是两点两次观测高程，求得两个观测点高程中误差求得两个观测点高程中误差 :观测点的高程中误差为：观测点的高程中误差为：m1=m2=2.5/1.414=1.8mm由表由表2-1可查得变形点的观测，取垂直位移观测为三等精度是适宜的。可查得变形点的观测，取垂直位移观测为三等精度是适宜的。21HHH差22212mmm差异222120.5mmm差异l例1.2某框架结构，地基为高压缩性土，相邻两沉降观测点距离8米，求观测点的高程测量中误差。l由表2-3查得相邻观测点的差异沉降量的允许值：0.0030.003 824Hlmm 允差异沉降观测值中误差取0.1倍允许值，则：22HHH因：12.41.

13、222Hmmmm 差异大楼沉降观测取三等精度较适宜。 2.4mmm l 变形监测网的精度设计变形监测网的精度设计(技术设计一部分技术设计一部分)变形观测除在观测目标上变形观测除在观测目标上设立变形观测点，还需设设立变形观测点，还需设立基准点和工作基点，由立基准点和工作基点，由基准点和工作基点组成监基准点和工作基点组成监测控制网。若观测项目较测控制网。若观测项目较少，基准点和工作基点兼少，基准点和工作基点兼用。用。 22+mmm12弱误差说明：误差说明：m弱等于弱等于1mm(按设计按设计),M1为工作基点误差，由一级网引起的；为工作基点误差，由一级网引起的；m2变形点测量误差，由二级网变形点测量

14、误差，由二级网测量误差测量误差 变形测量的等级划分及精度要求变形测量的等级划分及精度要求l 例1.3变形监测网的精度设计l 一.2级变形监测网的精度分析l 设Q点是变形监测的最弱点。计算由工作基点C至Q的误差。采用闭合水准线路测量。l 设一个测站为单位权观测，m0=0.5mml Q点的权：l Q点的测量误差为m2：112333qp 020.50.612/3qqmmpl 二.1级变形监测网的精度分析l 设A为基准点，C为工作基点。采用闭合水准线路测量。l 设一个测站为单位权观测，m0=0.15mml C点的权：l C点的测量误差为m1：110.2916668Cp 010.150.28CCmmpp

15、22120.67mmm弱图图1-2 闭合水准线路图闭合水准线路图l 例1.4变形监测网的精度设计l 一.2级变形监测网的精度分析l 平面观测网设计与精度设计 l 平面观测网设计。第一条导线布设如下，以A2为测站点，以A3为后视点，在基坑的东边缘设立工作基点K1，在工作基点K1按置全站仪对基坑周围的变形点进行观测，测站采用三联脚架观测法观测，后视点和变形点照准底部，变形点采用特制棱镜测量，线路布设如图1-3所示，两条导线测量结果取平均值为最终结果。根据建筑变形测量规程第4.3.1条，DJ2全站仪测角精度可选用2.8。各条观测边长均小于50米，测距中误差为2.15mm,每测站的点位中误差可根据下式

16、估算： mmmdmmmmadyx2 . 2)(2222 2222221202.22.213.26mmmmmm 03.262.322mmmm平均位移测量技术要求l 水平位移监测网主要技术要求l 二、变形观测频率二、变形观测频率l 1.1.定义：相邻两次变形观测的间隔时间为变形观测周期，简称观测周期。定义：相邻两次变形观测的间隔时间为变形观测周期，简称观测周期。l 2.2.确定的基本原则确定的基本原则l 根据建根据建( (构构) )筑物的特征、变形速率、观测精度要求和工程地质条件及施工过筑物的特征、变形速率、观测精度要求和工程地质条件及施工过程等因素综合考虑。观测过程中，根据变形量的变化情况，应适

17、当调整。通程等因素综合考虑。观测过程中，根据变形量的变化情况，应适当调整。通常应使观测的次数能反映出变化的过程。常应使观测的次数能反映出变化的过程。l ( (一一) )沉降观测频率沉降观测频率l 3.3.实际工作中，通常按荷载阶段和变形是否稳定确定观测周期；实际工作中，通常按荷载阶段和变形是否稳定确定观测周期；l 第一阶段，从基础施工开始，对地基的荷载逐渐增加，到满荷载为止，该阶第一阶段，从基础施工开始，对地基的荷载逐渐增加，到满荷载为止，该阶段是沉降最快阶段，对于一般高楼建筑通常每升高段是沉降最快阶段，对于一般高楼建筑通常每升高1 12 2层观测层观测1 1次，或根据施次，或根据施工进度工进

18、度7 715d15d观测一次；第二阶段，从满荷载到沉降趋向稳定阶段观测一次；第二阶段，从满荷载到沉降趋向稳定阶段( (日沉降量日沉降量0.010.010.04mm/d0.04mm/d认为稳定认为稳定) )，一般，一般1 1个月、个月、2 2个月、个月、3 3个月、半年不等至沉降停个月、半年不等至沉降停止。有些建筑需终生观测直至报废，观测周期可止。有些建筑需终生观测直至报废，观测周期可1 1年、年、2 2年不等。如在观测过年不等。如在观测过程中变形速度异常、雨水浸泡、地震等，应增加观测次数，以监视建筑物动程中变形速度异常、雨水浸泡、地震等，应增加观测次数，以监视建筑物动态变化，保证安全施工或使用

19、。态变化，保证安全施工或使用。 变形观测周期与频率变形观测周期与频率有些工程工期较短，但在施工期间的观测次数通常不少于有些工程工期较短，但在施工期间的观测次数通常不少于4 4次，次，否则不能取得正确的变形特征值否则不能取得正确的变形特征值, ,一般建筑物观测次数一般建筑物观测次数不少于不少于5 5次次。通常，在工程建筑物建成初期，变形的速度比较快，因此观通常，在工程建筑物建成初期，变形的速度比较快，因此观测频率也要大一些。经过一段时间后，建筑物趋于稳定，可测频率也要大一些。经过一段时间后，建筑物趋于稳定，可以减少观测次数，但要坚持定期观测。如瑞士的以减少观测次数，但要坚持定期观测。如瑞士的Ze

20、uzierZeuzier拱坝拱坝在正常运营在正常运营2020多年后才出现异常，如果没有坚持定期观测，多年后才出现异常，如果没有坚持定期观测，就无法发现，就会发生灾害。就无法发现，就会发生灾害。 l 三、变形观测指导工程建设实例变形观测指导工程建设实例 l 1.上海人民广场地下车库，地下两层，平面尺寸为176m145m，是目前我国建成的最大的地下停车场。基坑开挖深度10.65m，局部12m，采用地下连续墙作为围护结构和地下室永久性外墙。挖到-11m标高，相距地下连续墙外缘2m处的地表沉降增大到32mm，沉降速率为1.7mmd。基坑实际开挖深度达到12.65m，这时，地表沉降突然加快，至9月4日，

21、沉降速率达到17mmd。出现成组与墙体轴线平行的裂缝。墙体因开挖深度过大而产生的失稳事故迫在眉睫。警报迅速发至工程有关各方，施工总包单位瞬即召集现场紧急会议，决定停止开挖，并当即采取以下四项应急措施：l迅速撤除和搬迁堆放在车道相邻地面的50t钢筋，以减小地面超载；l紧急调拨黄砂300t，对坑底已开挖的水池予以回填；l加快混凝土垫层的施筑，并抓紧底板扎筋和混凝土浇筑；l 采用分段施工，减小变形量l待垫层和底板混凝土基本结硬之后才开挖水池深坑内的回填黄砂。坑底地面下沉地表观测点沉降和沉降速率随时间变化的现场观测曲线 l 变形观测指导工程建设实例变形观测指导工程建设实例 l . 2.苏州虎丘塔地基加

22、固l 苏州市虎丘塔，塔底直径13.66m，高47.5m，荷重63 000kN，全部塔重支撑在内外12个砖墩上。该塔因破损较大于19561957年进行了上部结构的修缮，但塔体荷重增加了约2 000kN，同时加速了塔体的不均匀沉降。塔顶位移由1957年的1.7m发展到1978年的2.3m 。下卧压缩层厚度不等以及砖砌体受到偏心受压是造成塔身倾斜恶化的主要原因。地表可压缩土层，粘土，粉砂等不可压缩层，如岩石，密实砂土等l 整治方案，首先采用挖孔桩方法沿塔身四周建造排桩式地下连续墙，然后在塔身内外地基内进行钻孔灌注水泥浆加固。为了避免施工过程中对建筑物地基的过大扰动，为此组织了施工期的变形监测，监测人

23、员所承担的责任是及时发现不正常的变形并及时报警。 l 建筑物沉降观测的精度和水平位移观测精度分别取为0.1mm（一等变形网，高于一等水准测量）和0.3mm，这样，就为施工阶段的监测预警预报提供了科学的参照依据。施工至两个月时，发现连续3d内，南北两个沉降观测点的高差读数扩大了0.3mm，平均沉降速率达到0.1mmd，远远超出结构物正常的沉降速率。经与其他观测数据验证和周密分析之后，监测人员迅速发出沉降速率过大的警报 。l 报警的决定是在慎重和科学地分析了变形速率发展状况后作出的。在进行加固施工的前一年里，虎丘塔南北沉降观测点高差每个月才增加约0.1mm，一年的沉降增量为lmm左右。现在测得的每

24、天沉降增量竟达0.1mm，沉降量绝对值不大，但变形速率增大了近30倍，而且连续3d持续增加，说明监测所得的0.3mm并非观测误差所致，而确系变形加速的反映。从中可以看到，变形速率和沉降量，是现场预警预报监测中至关重要的两个方面。l 3.长江三峡新滩大滑坡的成功预报l 1985年6月12日，我们成功地预报了新滩大滑坡，从而确保灾害损失减少到了最低限度。它不仅使滑坡区内457户1 371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。为国家减少直接经济损失8 700万元，被誉为我国滑坡预报研究史上的奇迹。 l 科学、准确、及时地分析和预报工程及

25、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 。2.5变形监测方案的制定变形监测方案的制定l 一、变形监测方案的制定一、变形监测方案的制定l 变形监测方案的制定必须建立在对工程场地的地质条件、施工方案、变形监测方案的制定必须建立在对工程场地的地质条件、施工方案、施工周围环境详尽的调查了解基础之上，同时还需与工程建设单位、施工周围环境详尽的调查了解基础之上，同时还需与工程建设单位、施工单位、监理单位、设计单位以及有关部门进行协调。由于变形监施工单位、监理单位、设计单位以及有关部门进行协调。由于变形监测方案的制定将影响到观测的成本、测方案的制定将影响到观测的成本、成果的精度和可靠性成

26、果的精度和可靠性，因此，应，因此，应当认真、全面地考虑。当认真、全面地考虑。l 一般地，变形监测方案制定的主要内容有：一般地，变形监测方案制定的主要内容有：l 监测内容的确定；监测内容的确定；l 监测方法、仪器和监测精度的确定；监测方法、仪器和监测精度的确定；l 施测部位和测点布置的确定；施测部位和测点布置的确定；l 监测周期监测周期( (频率频率) )的确定。的确定。2.1 变形观测内容、精度与周期l 1.1.监测项目监测项目l 其确定主要根据监测工程的性质和要求，在收集和阅读工程地质勘察其确定主要根据监测工程的性质和要求，在收集和阅读工程地质勘察报告、施工组织计划的基础上，根据施工周围的环

27、境确定变形监测的报告、施工组织计划的基础上，根据施工周围的环境确定变形监测的内容。内容。l 例如：例如：l 对建筑物的变形监测就可能包含建筑物的沉降监测、水平位移监测、对建筑物的变形监测就可能包含建筑物的沉降监测、水平位移监测、倾斜监测、裂缝监测以及挠度监测等；倾斜监测、裂缝监测以及挠度监测等；l 对于危岩滑坡的成灾条件，变形监测主要包括：危岩、滑坡地表及地对于危岩滑坡的成灾条件，变形监测主要包括：危岩、滑坡地表及地下变形的二维下变形的二维(X(X、Y Y两方向两方向) )或三维或三维(X(X、Y Y、Z Z三方向三方向) )位移、倾斜变化位移、倾斜变化的监测；的监测；l 有关物理参数有关物理

28、参数应力应变、地声变化的监测；应力应变、地声变化的监测；l 环境因素环境因素地震、降雨量、气温、地表地震、降雨量、气温、地表( (下下) )水等的监测。水等的监测。2.1 变形观测内容、精度与周期l 2.2.监测方法与仪器监测方法与仪器l 其选择主要取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件，根据监测其选择主要取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件，根据监测内容的不同可以选择不同的方法和仪器。内容的不同可以选择不同的方法和仪器。l 例如：例如：l 对于局部性的外观变形监测，高精度水准测量，高精度三角、三边、对于局部性的外观变形监测，高精度水准测量，高精度三角、三边、边角以及测量机器人监测系统是

29、工程建筑物外部变形监测的良好手段边角以及测量机器人监测系统是工程建筑物外部变形监测的良好手段和方法。而钻孔倾斜仪、多点位移仪则非常适合于工程建筑物的内部和方法。而钻孔倾斜仪、多点位移仪则非常适合于工程建筑物的内部的变形观测。的变形观测。l 在矿山地表移动观测方面，常用水准仪测高差，全站仪测坐标，现已在矿山地表移动观测方面，常用水准仪测高差，全站仪测坐标，现已采用采用GPSGPS监测技术，并满足了大变形研究的精度要求。监测技术，并满足了大变形研究的精度要求。l GPSGPS应用于地球板块运动监测及局部地壳运动监测研究表明：监测精应用于地球板块运动监测及局部地壳运动监测研究表明：监测精度在水平速度

30、上可达度在水平速度上可达2mm2mm年，水平方向上形变量可达年，水平方向上形变量可达1 12mm2mm，垂直，垂直方向形变量可达方向形变量可达2 24mm4mm，基线相对精度可达，基线相对精度可达10-910-9；将；将GPSGPS技术应用到技术应用到建筑物、大型基础设施、局部区域、大型精密设备等工程变形监测，建筑物、大型基础设施、局部区域、大型精密设备等工程变形监测，精度亦达到了毫米级。因此，精度亦达到了毫米级。因此，GPSGPS技术满足了矿山地表移动监测的精技术满足了矿山地表移动监测的精度要求。度要求。2.3 基坑回弹观测l 工业与民用建筑物的沉陷观测是最常遇到的变形观测工作，从建筑物基础

31、施工开始到工程交付使用甚至更长一段时间都需进行变形观测。而其中的基坑回弹观测是一项重要的内容。l 1.定义l 深埋大型基础在基坑开挖后，由于基坑上面的荷重卸除，基坑底面(地基)隆起，称为基坑回弹。l 2.回弹量l 回弹量因土层不同而异，一般土层、软土层回弹量稍大，砾砂岩层回弹量稍小，弱风化岩层一般情况下回弹量较小，而基岩层基本不回弹。l 3.基坑回弹观测的任务l 是测定基坑开挖后的回弹量。l 4. 目的l 是为改进基础设计，确定室内地坪的适宜标高提供重要资料。2.3 基坑回弹观测l 5.回弹观测要点（即观测步骤及方法）l （1）首先基坑开挖之前测出设计的坑底土层的准确高程，如图(a)中的Q点的高程为HQ；l （2）当基坑土被取出后再复测坑底土层中Q点上升Q（图b），Q高程为HQ，它与初始高程之差为HQ就是基坑回弹量；l 说明：图(a)中，H坪为室内地坪设计标高，CD为设计的基坑底面，其标高为HQ，当土块ABCD被取走后，CD面上升到CD（图b)。（3）为保持设