第六章 工程变形监测、分析与预报

第六章工程变形监测、分析与预报第1节工程变形监测的基础知识第2节变形测监测的精度与观测周期第3节变形测监网第4节建筑物垂直位移观测第5节水平位移观测第6节高耸建筑物的倾斜观测第7节裂缝观测第8节基准网稳定性检验第9节变形监测的资料整理、成果表达和解释返回目录第1节工程变形监测的基础知识1变形物体的形状、大小变化统称为变形。变形自身变形相对变形静态变形动态变形扭转弯曲错动伸缩倾斜升降转动平移2引起工程变形的原因2.1客观原因

建筑物的自重、使用中的动荷载

振动或风力等因素引起的附加荷载

建筑物结构的型式

地下水位的升降及其对基础的侵蚀作用

地基土在荷载与地下水位变化影响下产生的各种工程地质现象

温度的变化

建筑物附近新工程施工对地基的扰动等2.2主观原因

地质勘探不充分

设计错误

施工质量差

施工方法不当3变形监测的定义变形监测，又称变形测量或变形观测，是对变形体（也即被监测的对象或物体）进行测量以确定其空间位置随时间的变化特征。变形体用一定数量的有代表性的位于变形体上的离散点（称监测点或目标点）来代表。监测点的变化可以描述变形体的变形。

大坝变形监测变形监测点（水平位移）4变形监测的作用

实际上的作用（保障工程安全）

科学上的作用（积累监测分析资料）5变形监测的内容变形监测主要包括水平位移监测，垂直位移监测，偏距、倾斜、挠度、弯曲、扭转、震动、裂缝等的测量。除上述监测内容外，还包括与变形有关的物理量的监测，如应力、应变、温度、气压、水位（库水位、地下水位）、渗流、渗压、扬压力等的监测。变形监测的最大特点就是对变形体监测点进行周期观测，以求得变形体在两个周期间的变形值和瞬时变形值。

第2节变形监测的精度与观测周期1变形监测精度的确定1.1根据变形监测目的来确定监测精度

第一类是安全监测（精度要求高）

第二类是积累资料（精度要求低）

第三类是为科学试验服务（精度要求高）变形监测的精度要求常常是由设计、施工、测量几方面人员针对具体工程具体商量的结果，是需要与可能之间妥协的结果。1.2根据工程允许变形值的大小来确定监测精度如果变形测量是为了确保建筑物的安全、使变形值不超过某一允许的数值，则其观测值的误差应小于变形允许值的1/10～1/20；如果是为了研究变形的过程，则其误差应比上面这个数值小得多（小于变形允许值的1/20～1/100），甚至应采用目前测量手段和仪器所能达到的最高精度。

《建筑物变形测量规程》（JGJ/T8—1997）规定：1.3变形监测等级及精度变形测量等级沉降观测位移观测适用范围观测点测站高差中误差（mm）观测点坐标中误差（mm）特级≤0.05≤0.3特高精度要求的特种精密工程各重要科研项目变形观测一级≤0.15≤1.0高精度要求的大型建筑物和科研项目变形观测二级≤0.50≤3.0中等精度要求的建筑物和科研项目变形观测，重要建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测三级≤1.5≤10.0低精度要求的建筑物变形观测，一般建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测对于沉降测量，则还需要利用上面确定的工程绝对沉降的观测中误差m，或工程相对沉降的观测中误差m△s，网中最弱点高程H或网中待求观测点间高差h的权倒数QH、Qh，求得单位权中误差μ（也即观测点测站高差中误差）

查看例题查看实例2变形监测的观测周期变形监测重复观测的时间间隔称为观测周期。

工程施工开始后，由于荷载不断增加，基础下的土层逐渐压缩沉降，工程建功立业筑物的变形会较快、较大，故施工过程中观测周期应短一些，频率应大一些。在工程建筑物建成初期，变形速度较快，观测周期应短一些，随着建筑物趋向稳定，可以减少观测次数，但仍应坚持长期观测，以便能发现异常变化。3变形监测精度、观测周期与变形速度间的关系第3节变形监测网通常埋设在变形影响范围之外，尽可能使它们长期稳定不动基准点和监测点之间的联系点1垂直位移监测网垂直位移建筑垂直位移地面垂直位移建造建筑物地壳运动地下水开采矿藏开采基坑开挖温度变化1.1垂直位移观测基准点的布置垂直位移观测基准点一般称为水准基点，是测定各变形监测点垂直位移（沉降）的起算点，水准基点一般应不少于3个，并形成一个边长约100m的等边三角形，如图6-4(a)所示，也可又根据具体情况做出选择，设置一个3点距离相等的固定测站，而且与3点的距离应在允许的视距范围以内，如图6-4（b）所示。

1.2垂直位移观测基准点的构造与埋设原理说明现场覆盖土层很浅现场覆盖土层较厚点击我查看“双金属水准基准点标石原理”1.3垂直位移观测工作基点的构造与埋设1.4垂直位移监测点的标志与埋设垂直位移监测点（常叫做沉降监测点）点位的分布既要均匀，又要保证重点部位（最可能发生最大变形及危险性变形的部位）有监测点，使监测点的布设方案能比较完全地显示出建筑物的变形特征。

1.4.1监测标志垂直监测点埋设原则：

应有足够的数量，以便测出整个基础的沉降、倾斜与弯曲，并且能够绘出等沉降值曲线

应考虑建筑物的规模、型式和结构特征，埋设在能够准确反映建筑物沉降的特征点位置

监测点应与建筑物紧密地结合在一起，确保监测点的沉降能准确反映建筑物沉降

应便于观测、能长久保存，应尽量保证在整个变形监测期间不受损坏

垂直监测点位选择：

建筑物的四角点、中点、转角处及沿外墙每隔10～20m处或每隔2～3根柱基上

高层建筑物、新旧建筑物、纵横墙等交接处的两侧

建筑物裂缝或沉降缝两侧，基础埋深相差悬殊处，人工地基与天然地基接壤处，不同结构的分界处及填挖方分界处

宽度大于等于15m、宽度小于15m但地质复杂或膨胀土地区的建筑物，在承重墙内隔墙中部设内墙点，在室内地面中心及四周设地面点

邻近堆置重物处，受振动有显著影响的部位及基础下的暗沟处

框架结构建筑物的每个或部分柱基上或沿纵横轴线设点

片筏基础、箱形基础底板或接近基础的结构部分的四角处及其中部位置

重型设备基础和动力设备基础的四角、基础性石或埋深改变处及地质条件变化处两侧

电视塔、烟囱、水塔、油罐、炼油塔、高炉等高耸建筑物，沿周边在与基础轴线相交的对称位置上布点查看实例2水平位移监测网2.1水平位移监测基准点的标志与埋设混凝土观测墩对中螺旋装置点、线、面式对中装置三叉式对中装置2.2照准标志各种照准标志第4节建筑物垂直位移观测所谓垂直位移观测，又叫沉降观测，即测定变形体的高程随时间而产生的位移大小、位移方向，并提供变形趋势及稳定预报而进行的测量工作。

1沉降观测的原理2沉降观测的方法基准点观测工作基点观测成组埋设比观测点观测等级要高观测点观测水准测量短边三角高程测量2.1水准测量方法用水准测量用于沉降观测时，一般应布设成附合或闭合水准路线，且尽量把各个沉降观测点包含在水准路线之内。特殊情况下，无法把沉降观测点包含在水准路线之内时，必须作往返观测或单程双转点观测，以确保观测质量（见图6-26）。

在不同的观测周期，最好采用同仪器、同标尺、同时间段、同观测者及同水准路线，以削弱系统误差对观测成果的影响。2.1.1仪器要求铟瓦合金标尺精密水准仪仪器i角：特级＜10″一、二级＜15″三级＜20″2.1.2测测线路要求各等级观测中，每周期的单项观测线路数r，可根据所选等级精度和使用的仪器类型，按下式估算并作调整后确定式中，m0为所选等级的测站高差中误差，mm，；md为不同类型水准低度器的单程观测每测站高差中误差估值，mm。r≤11＜r≤22＜r≤4单程观测往返观测、单程双转点观测两次往返观测、正反向单程双转点观测2.1.3技术要求等级视线长度前后视距差前后累积视距差视线高度观测仪器特级≤10≤0.3≤0.5≥0.5DSZ05或DS05一级≤30≤0.7≤1.0≥0.3二级≤50≤3.0≤3.0≥0.2DS1或DS05三级≤75≥5.0≤8.0三丝能读数DS3或DS1、DS05表6-2水准观测的视线长度、前后视距差和视线高度（单位：m）

水准观测限差2.1.4数据处理沉降观测的往返测高差均应加入标尺长度改正，然后计算往返测高差较差，高差较差合格后，根据改正后的往返测高差即可计算高差中数，再由高差中数计算线路闭合差。由于用于沉降观测的水准测量一般视线较短，每千米测站数很多，故对闭合差一般采取按测段的测站数多少进行分配的方法。观测结束后每测站高差中误差可以用下式来计算

而其中，其中，n为附合路线的测段数；Ni为各测段的测站数；di为各测段往返测高差较差，mm，它们的权各为Pi/2。

2.1.5沉降观测的周期和观测时间民用建筑可每加高1～5层观测一次，工业建筑可按不同施工阶段（如回填基坑骗、安装柱子和屋架、砌筑墙体、设备安装等）分别进行观测。测期限一般不少于如下规定：沙土地基2的，膨胀土地基3年，黏土地基5年，软土地基10年。对重点观测和科研观测工程，若最后三个周期观测中每周期沉降量不大于2倍测量中误差可认为已进入稳定阶段。一般观测工程，若每天沉降速度小于0.01～0.04mm，可认为已进入稳定阶段。查看实例2.2短边三角高程测量3沉降观测成果整理3.1沉降观测成果表3.2基准点与观测点位布置图3.3荷重（P）—时间（T）—沉降量（s）曲线图

查看实例3.4沉降速度(V)一时间（T）一沉降量（S）曲线图3.5建筑物沉降等值线图3.6建筑物沉降曲线展开图

3.7统计分析数据的整理平均沉降量：倾斜量：相对弯曲量：3.7.4沉降量预测曲线第5节水平位移观测所谓水平位移观测，即测定变形体的平面位置随时间而产生的位移大小、位移方向，并提供变形趋势及稳定预报而进行的测量工作。水平位移观测方法视准线法激光垂直法机械法交会法导线法活动觇牌法测小角法激光经纬仪激光准直仪后方交会法前方交会法GPS法引张线法1水平位移观测原理同期性地测定水平位移监测点相对于某一基准线的偏离值或平面坐标；不同周期同一监测点的偏离值或平面坐标相比较，即可得监测点的水平位移值。

利用不同周期偏离值计算水平位移：本次水平位移值：累计水平位移值：利用不同周期坐标值计算水平位移：累计水平位移值：合位移及位移方向：2水平位移的测定方法2.1视准线法以两固定点间经纬仪的视线作为基准线，测量变形监测点到基准线间的距离，确定偏离值方法，叫视准线法，如图6-38所示。2.1.1活动觇牌法（1）将精密经纬仪安置在基准线的端点上，将固定觇牌安置在另一端点上。（2）将活动觇牌仔细地安置在监测点上，经纬仪瞄准固定觇牌后，将方向固定下来，然后由观测指挥监测点上的工作人员移动活动觇牌，待觇牌的照准标志刚好位于视线方向上时，读取活动觇牌上的读数。然后移动活动觇牌从相反方向对准视准线进行第二次读数，每定向一次要观测四次，即完成一个测回的观测。（3）在第二测回开始时，仪器必须重新定向，其步骤相同，一般对每个监测点需进行往测、返测各2～6个测回。2.1.2测小角法在测站上测量至位移点的距离及基准线方向与位移点方向间的夹角，以确定位移量大小、位移方向的方法，叫测小角法。偏离值为：角度观测方法可采用测回法无论是活动觇牌法还是测小角法，当测定建筑物很长时，均可以采用分段基准线法来测定偏离值。即先测定基准线中各分段工作基点的偏离值，再将它们作为起始点，然后在各分段中测定监测点相对于分段工作基点的偏离值，最后归算到两端点所连基准线上。如图6-41所示为某桥按1/3分段法设计的测小角法主桥观测方案，按该方案，共需观测网中24个小角。

2.2激光准直法以激光发射系统地出的激光束作为基准格，在需要准点的点上放置激光束的接收装置，确定偏离值的方法，叫激光准直法。

激光经纬仪激光准直仪2.2.1激光经纬仪准直

将激光经纬仪安置在端点A上，在另一端点B上安置光电控测器。将光电控测器的读数安置到零上，调整经纬仪水平微动螺旋，移动激光束的方向，使B端光电控测器的检流表指针为零。这时基准面即已确定，经纬仪水平度盘就不能再动。

依次将望远镜的激光束投射到安置于每个监测点上的光电控测器上，移动光电控测流表指针指零，即可读取每个监测点相对于基准面的偏离值。将各次得到的偏离值进行比较，便可得到建筑物水平位移情况。

2.2.2波带板激光准直波带板激光准直系统如图6-43所示，在基准线两端点A、B分别安置激光器点光源和光电控测器，在需要测量偏离值的测点C上安置波带板。根据监测点的具体位置，对每一个需要测量偏离值的监测点均设计专用的波带板，使干涉成像恰好落在安置有光电控测器的B点上。利用光电探测器，可以测出AC连线在B点处相对于基准面的偏离值BC，则可得到测点C相对于基准面的偏离值LC（见图6-44）

2.3机械法机械法是在已知基准点上吊挂钢丝或尼龙丝构成基准线，用测尺游标、投影仪或传感器测量中间的目标点相对于基准线的偏离值。引张线是在两固定端点之间以重锤和滑轮拉紧的金属丝作为基准线，测量变形监测点到基准线的距离，确定偏离值的方法。原理如图6-45所示。2.4交会法在测定非直线工程建筑物的水平位移时，可利用变形影响范围以外的控制点用交会法进行。常见的交会法主要有前方交会法和后方交会法两种。交会法测定水平位移时，所选基线应与监测点组成最佳网形，交会角宜为60°～120°，最好接近90°。观测中的各项限差与三角测量中全圆方向观测法限差相同。前方交会后方交会2.4.1前方交会法2.4.1.1坐标差计算法2.4.1.2方向差计算法对(6-5-7)求导得：2.4.2后方交会法如图6-51所示，在被测建筑物上埋设若干个变形监测点，而在建筑物变形范围之外设立4～5个基准点。把变形监测点作为测站点作为测站点，来观测测站点相对于各基准点的夹角，然后根据观测角度和各基准点的坐标，即可计算出变形监测点的坐标值。利用同一监测点不同周期坐标差，即可确定其水平位移大小及位移方向。2.5导线法导线法也常用于曲线形工程建筑物（例如塔形建筑物、水工建筑物、拱坝、曲线桥梁等）的水平位移测定。应用于变形监测中的导线，是两端不测定向角的无定向导线。假设假设一段时间后导线端点A、B移动到了A、B，则利用导线端点A、B的初始坐标值和A、B相对于初始位置的移量△xA、△yA、△xB、△yB，即可确定出相应周期导线端点A、B的新坐标值；再根据该周期实测的角度和边长观测值，即可确定出各监测点在新周期中的坐标值，如图5-64所示。2.6变形监测机器人测量机器人（或称测地机器人）是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标及影像等信息的智能型电子全站仪。索佳SRX全站仪拓普康WINCE测量机器人徕卡TCA2003全站仪自动化变形监测固定式全自动持续监测移动式半自动变形监测基准站目标点基准站目标点基于测量机器人的工程应用：莲花水电站大坝及溢洪道外部变形观测

观测房内的徕卡TCA2003全站仪2.7地面摄影测量方法用地面摄影方法测定工程建筑物、构筑物、滑坡体等变形体的变形，就是在变形体周围选择稳定的点，在这些点上安置摄影机，并对变形体进行摄影，然后通过内业量测和数据处理得到变形体上目标点的二维或三维坐标，比较不同时刻目标点的坐标得到它们的位移。

摄影测量变形监测的优点：

像片信息量丰富，可以同时获得变形体上大批目标点的三维变形信息

摄影像片完整地记录了变形体在不同时间的状态，便于日后对成果的查核、比较和分析

外业工作量小、劳动强度低

理地选择摄影仪器、摄影方式、控制点的布设，地面摄影测量可满足不同对像变形监测的需要

可用于监测不同形式的变形（缓慢的、快速的或动态变形），可以观测人不易达到的地方，观测时不需接触被摄物体

2.8GPS法测定水平位移

测站间无须通视

可同时提供监测点的三维位移信息

全天候监测

监测精度高

操作简便，易于实现监测自动化GPS变形观测实例：3水平位移观测成果查看实例第6节高耸建筑物的倾斜观测比萨斜塔

钟楼始建于1173年，设计为垂直建造，但是在工程开始后不久（1178年），便由于地基不均匀和土层松软而倾斜，1372年完工，塔身倾斜向东南。比萨斜塔是比萨城的标志，1987年它和相邻的大教堂、洗礼堂、墓园一起因其对11世纪至14世纪意大利建筑艺术的巨大影响，而被联合国教育科学文化组织评选为世界遗产。历史小知识高耸建筑倾斜示意图：倾斜率i：1直接测定建筑物倾斜的方法1.1直接投影法此法一般是用经纬仪将建筑物的上、下墙角标志直接投影到同一个水平面上（见图6-63），从而求出建筑物上部相对于底部的水平位移值a。1.2测算法如图6-65所示，将经纬仪设置在离建筑物1.5H以上的P点，观测建筑物上、下两标志之间的水平夹角β1。P点至下标志点的水平距离S1可用钢尺量取或用全站仪测定，用同样的方法Q点观测上、下标志间的水平夹角β2及Q点至下标志点间的水平距离S2。1.3纵横轴线法如图6-66所示，为某塔倾斜监测点位置图，这些监测点都是两两对称分布的同高点，其位置均是观测视线与塔体同一横截面圆的切点。首先在拟测建筑物的纵轴线方向上距建筑物1.5H以外的地方设置一个测站点K，并选定远方通视良好的固定点M为后视点，A、B、C、D为监测点且均为仪器照准视线与底部或顶部投影圆的切点。1.4前方交会法当受实地作业环境的限制，纵横轴线法难以采用时，可考虑采用前方交会法（见图6-68）。需要注意的是所选基线应与监测点组成最佳构形，交会角最好限制在60°～120°。

1.5吊垂球法1.6激光铅垂仪观测法1.7正垂线法正垂线法主要设备包括悬线装置、固定与活动夹线置、观测墩、垂线、重锤、油箱等，如图6-71所示。观测时，由底部观测墩上安置的量测设备（如坐标仪、光学垂线仪、电感式垂仪），按一定周期测出各测点的水平位移量。1.7.1一点支撑多点观测法如图6-72所示，铅垂线自建筑物顶部处挂下，保持稳定，在各高程位置的监测点上安置观测仪器（如坐标仪、光学垂线仪、电感式垂线仪），即可测得各监测点与建筑物顶部的相对水平位移值Sj′和顶部相对于底部的水平位移值S0，根据相邻两点之间的水平位移差及高差，即可求出两点间的相对倾斜率i。1.7.2多点支撑一点观测法此法是在需测定水平位移的高程处，多点支承正垂线，于底部同一水平面处观测，直接得到各监测点的挠度值Sj。

1.8激光位移计自动测记法位移计宜安置在建筑物底层或地下室地板上，接收装置可设在顶层或需要观测的楼层，激光通道可利用楼梯间梯井，测试室宜选在靠近顶部的楼层内。当位移计发射激光时，从测试室的光线示波器上可直接获取位移图像及有关参数，并自动记录成果。激光位移计结构图激光位移计使用方法图2按相对沉降间接确定建筑物整体倾斜2.1测定基础沉降差法测定测定基础沉降差法即采用精密水准测量方法，以所测各周期的基础沉降差换算求得建筑物整体倾斜度及倾斜方向。如图6-74所示，设建筑物高度为H，如果测出了某建筑物一侧轴线方向上A、B两点之间的不均匀沉降（即沉降差）△s。2.2液体静力水准测量法液体静力水准测量的基本原理是利用相连通的两容器中水位读数的差值，求得两点间的相对高差，比较各次观测得到的高差之变化，即可求得其相对沉陷量，从而可计算出其倾斜角和水平位移量。第7节裂缝观测当建筑物各处发生裂缝时，应立即进行全面检查，对需要观测的裂缝应统一进行编号，裂缝观测应测定建筑物上的裂缝分布位置，裂缝的走向、长度、宽度、深度及其变化程度等项目。每条裂缝至少应布设两组观测标志，一组在裂缝最宽处，另一组在裂缝末端。每组观测标志由裂缝两侧各一个标志组成。1金属标点标志金属标点是一直径为20mm，长为60mm的金属棒，埋入混凝土内40mm，外露部分为标点，在其上面安装一保护盖，金属标点在裂缝两侧各埋设一个，两标点间的距离不得小于150mm，有游标卡尺定期测定两标点之间的距离变化值（即裂缝宽度计算值），如图6-76所示。2金属片标志如图6-77所示，用两片厚约0.5mm的白铁片，先将方形铁片固定在裂缝一侧，其边缘和裂缝方向一致，再将矩形铁片一端固定在裂缝的另一侧，另一端与方铁片重叠约75mm，使两铁片边缘平行；标志固定后，在两块铁片外露部分涂上红油漆，并注明设置日期和标志编号。

城墙裂缝观测点第8节基准网稳定性检验1固定起始点的选择方法在设置的基准点中，除了设置在基岩上的，在冲击层和膨胀土地区，即使基