变形监测技术与方法课件

*第二章变形监测技术与方法主要内容：2.1垂直位移监测技术2.2水平位移监测技术2.3倾斜监测技术2.4挠度度监测技术2.5裂缝监测技术2.6内部位移监测技术*2.1 垂直位移监测技术主要方法：精密水准测量三角高程测量液体静力水准测量定义：对监测点高程变化量的测量工作；一般用“+”

表示下沉，用“-”时表示上升。

**2.1.1精密水准测量精密水准测量精度高，方法简便，是垂直位移监测最常用的方法。测量点的布设观测仪器施测方法与技术要求测量点的布设-测量点分类**水准基点:垂直位移监测的基准点工作基点:用于直接测定监测点的起点或终点监测点：垂直位移监测点的简称，布设在被监测建（构）筑物上。**（1）水准基点的埋设与标志普通混凝土标地面岩石标浅埋钢管标井式混凝土标深埋钢管标深埋双金属标一般3-4个点构成一组，形成近似正三角形或正方形，为保证其坚固与稳定，应选埋在变形区以外的岩石上或深埋于原状土上，也可以选埋在稳固的建构筑物上。**普通混凝土标石**地面岩石标**浅埋钢管标**井式混凝土标**深埋钢管标**深埋双金属标**（2）工作基点工作基点布置：应在变形区附近相对稳定的地方，其高程尽可能接近监测点的高程。工作基点埋设：一般采用地表岩石标，当建筑物附近的覆盖层较深时，可采用浅埋标志，当新建建筑物附近有基础稳定的建筑物时，也可设置在该建筑物上。工作基点观测：应经常与水准基点进行联测，通过联测结果判断其稳定状况，保证监测成果的正确可靠。**（3）监测点位于建（构）筑物的特征点上，能充分反映建（构）筑物的沉降变形情况，点位应当避开障碍物，便于观测和长期保护，标志应稳固，不影响建构筑物的美观和使用还要考虑建筑物基础地质、建筑结构、应力分布等，对重要和薄弱部位应该适当增加监测点的数目。

盒式标志窨井式标志螺栓式标志监测点埋设标志《建筑变形测量规范》2007**监测点标志-盒式标志**监测点标志-窨井式标志**监测点标志-螺栓式标志**精密水准监测仪器****仪器的检验水准仪：i角误差水准标尺：标尺的每米真长偏差**精密水准监测方法与技术要求（1）闭合或附合路线，其中以闭合路线为佳，特别困难的监测点可以采用支水准路线往返测量。最好能固定：仪器、人员、监测路线、测站、周期、相应时段。**监测方法与技术要求（2）严格控制前后视距差和前后视距累积差（角误差、磁场和大气垂直折光）往测时，奇数站的观测顺序为“后前前后”；偶数站的观测顺序为“前后后前”。返测时，奇、偶数站的观测顺序与往测偶、奇数站相同。？**视线长度、前后视距差和视线高度（m）等级仪器类型视线长度前后视距差视距累积差视线高度特级DS05≤15≤0.3≤1.5≥0.5一级DS05≤30≤0.5≤1.5≥0.5二级DS05、DS1≤50≤1.0≤3.0≥0.3三级DS1、DS3≤75≤5.0≤8.0≥0.2**水准测量主要限差（mm）等级基辅分划读数差基辅分划高差之差相邻基准点高差中误差测站高差中误差往返较差、附合或环线闭合差检测已测高差较差特级0.30.40.30.070.15√n0.2√n一级0.30.40.50.130.3√n0.5√n二级0.40.61.00.300.6√n0.8√n三级2.03.02.00.701.4√n2.0√n注：n为测段的测站数**监测点的精度要求（mm）等级往返较差、附合或环线闭合差高程中误差相邻点高差中误差特级0.15√n0.30.2√n一级0.3√n0.50.5√n二级0.6√n1.00.8√n三级1.4√n2.02.0√n注：n为测段的测站数**2.1.2精密三角高程测量三角高程测量优点：

效率高、对路线要求低

测量方法：单向中间对向？**（1）单向观测及其精度

K-大气垂直折光系数D-平距a-竖直角R-地球半径i-仪器高v-棱镜高球气差**（2）中间法及其精度**对向观测及其精度**2.1.3

液体静力水准测量

液体静力水准测量也称为连通管测量，是利用相互连通的且静力平衡时的液面进行高程传递的测量方法。**基本原理(1)**基本原理(2)**

由于制造的容器不完全一致，探测液面高度的零点位置（起始读数位置）不可能完全相同，为求出两容器的零位差，可将两容器互换位置，求得A、B两点的新的高差h为：基本原理(3)**仪器结构液体容器及其外壳液面高度量测设备沟通容器的连通管。**液面高度测定方法目视接触法接触法电子传感器法光电机械法**目视法读数静力水准仪**接触法读数静力水准仪**传感器静力水准测量系统**电感式液体静力水准仪**误差分析连通管中液体残存气泡，结果将有粗差；零点差；温度差影响；气压差影响；液面到标志高度量测误差；液体蒸发影响；液体弄脏影响；仪器搁置误差；仪器倾斜误差影响；仪器结构变化影响等。**液体静力水准观测技术要求（mm）等级仪器类型读数方式二次观测高差较差环线或附合路线闭合差特级封闭式接触式±0.1±0.1√n一级封闭式、敞口式接触式±0.3±0.3√n二级敞口式目视式±1.0±1.0√n三级敞口式目视式±3.0±3.0√n注：n为测段的测站数**作业要求（1）观测前向连通管充水时，不得将空气带入，可采用自然压力排气充水法或人工排气充水法进行充水。（2）连通管应平放在地面上，当通过障碍物时，应防止连通管在垂直方向出现Ω形而形成滞气“死角”。连通管任何一段的高度都应低于蓄水罐底部，但最低不宜低于20cm。（3）观测时间应选在气温最稳定的时段，观测读数应在液体完全呈静态下进行。（4）测站上安置仪器的接触面应清洁、无灰尘杂物。仪器对中误差不应大于2mm，倾斜度不应大于10΄。使用固定式仪器时，应有校验安装面的装置，校验误差不应大于±0.5mm。（5）宜采用两台仪器对向观测，条件不具备时可采用一台仪器往返观测。每次观测，可取2~3个读数的中数作为一次观测值。读数较差限值视读数设备精度而定，一般为0.02~0.04mm。静力水准自动化监测****2.2水平位移监测技术设建筑物某个点在第k次观测周期所得相应坐标为Xk、Yk，该点的原始坐标为X0、Y0，则该点的水平位移δ为：建筑物的水平位移是指建筑物的整体平面移动。产生水平位移的原因主要是建筑物及其基础受到水平应力的影响而产生的地基的水平移动。水平位移监测的主要方法**交会法观测精密导线测量全站仪观测GPS测量视准线测量引张线测量垂线测量激光准直测量常规大地测量方法**测点布设（1）按两个层次布设：控制点组成控制网观测点及所联测的控制点组成扩展网对于单个建筑物上部或构件的位移监测，可将控制点连同观测点按单一层次布设。**测点布设（2）控制网：测角网、测边网、边角网和导线网扩展网和单一层次布网：角度交会、

边长交会、边角交会、基准线和附合导线。每一测区的基准点和工作基点都不应少于2个。**控制点的形式及埋设要求

对特级、一级及有需要的二级、三级位移观测的控制点，应建造观测墩或埋设专门观测标石，并应根据使用仪器和照准标志的类型，顾及观测精度要求，配备强制对中装置。基准点：稳定可靠，长期保存，便于观测。位移监测点（观测点）应与变形体密切结合，且能代表该部位变形体的变形特征。**观测墩浇筑**水平位移监测基准点的埋设**固定式照准牌**2.2.2交会法观测

要求：2个或3个已知坐标的工作基点优点：观测方便、测量费用低、不需要特殊仪器等缺点：精度和可靠性较低。适用范围：适用于人难以到达的变形体的监测工作，如：滑坡体、悬崖、坝坡、塔顶、烟囱等。交会方法：测角交会、测边交会和后方交会三种方法。？****测角交会法

采用测角交会法时，交会角最好接近90°，若条件限制，也可设计在60°~120°之间。工作基点到测点的距离，一般不宜大于300m，当采用三方向交会时，可适当放宽要求。

**测角交会误差椭圆**测边交会法

在使用该法时应注意下列几点：γ角通常应保持在60°至120°之间；测距要仔细，以减小测边中误差ma和mb；交会边长度a和b应力求相等，且一般不宜大于600m**后方交会法

在实际测量过程中，还应注意工作基点和监测点不能在同一个圆周上（危险圆），应至少离开危险圆周半径的20%。**工作基点应尽量选在地质条件良好的基岩上，并尽可能离开承压区，且不受人为的碰撞或震动。工作基点应设强制对中装置，定期与基准点联测。工作基点到位移监测点的边长不能相差太大，应大致相等，且与监测点大致同高。为减小大气折光的影响，交会边的视线应离地面或障碍物在1.2m以上。在利用边长交会法时，还应避免周围强磁场的干扰影响。交会法注意事项**2.2.3精密导线测量

监测曲线形建筑物（如拱坝等）水平位移的重要方法边角导线法：测导线边长和转折角观测值。弦矢导线法：导线边长和矢距*边角导线规范要求在洞室和廊道中观测时，应封闭通风口以保持空气平稳，观测的照明设备应采用冷光照明，以减少折光误差。观测时，需分别观测导线点标志的左右角各测一个测回，并独立进行两次观测，取两次读数中值为该方向观测值。边角导线的边长一般不宜大于320m，边数不宜多于20条，同时要求相邻两导线边的长度不宜相差过大。

**弦矢导线**弦矢导线测量要求弦矢导线的全长不宜大于400m，边数不宜大于25条；若矢距量测精度不能保证转折角的中误差小于1″时，导线长应适当缩短，边数应适当减少；若矢距量测精度较高，边长也可适当放长。此法的关键是提高三角形（矢高）的观测精度，一般需采用铟钢杆尺、读数显微镜和调平装置等设备。**2.2.4全站仪差分观测法

**坐标测量原理**全站仪差分方法基准点、监测点、参考点**全站仪差分方法数据处理距离的差分改正球气差的差分改正方位角的差分改正基本原理是：每一个测量周期均按极坐标的方法测量工作基点和变形测点的斜距、水平角和垂直角，将监测站点至具有气象条件代表性参照的工作基点测量值与其初始值相比，求得差值。**距离的差分改正

由于监测站和工作基点建立在基岩上，可以认为它们之间的距离是稳定不变的。两者间的差异可以认为是因气象条件变化引起的，按下式可求出气象改正比例系数：经气象差分改正后的真实斜距为：为了保证距离气象改正比例系数的可靠性和准确性，实际测量工作中，应取2个以上基准点测定的距离气象改正比例系数的中数，用于变形点距离测量的差分气象改正。**球气差的改正

某一时刻测得监测站与工作基点间的三角高差为：

根据下式可求出球气差改正系数c：

变形点与监测站之间经球气差改正的三角高差：

**方位角的差分改正

在变形点每周期的方位角测量值中，实时加入由同期基准点求得的改正值，可准确求得变形点的方位角

在长期的变形监测过程中，难以保证仪器的绝对稳定，因水平度盘零方向的变化，对水平方位角的影响不可忽略。所求的变形量均是相对第一周期而言的，故可把工作基点第一次测量的方位角作为基准方位角，其它周期对工作基点测量的方位角与基准方位角相比，有一差异：**2.2.5视准线测量

优点：设备普通，操作简便，费用少。影响因素：照准精度、大气折光、误差不容易控制。

**视准线观测点的布设当视线超过300m时，应分段观测**小角法测量（1）**这种布置形式对提高测定偏离值的精度更为有利。

若在待测点i上观测，则：小角法测量（2）**活动觇牌法测量观测步骤：架设经纬仪至基准点A瞄准基准点形成视准线监测点架设觇牌觇牌标志中心严格与视准线重合读数2~3次倒转望远镜进行下半测回**2.2.6引张线测量

所谓引张线，与视准线法相似，不同的是在两个工作基点间拉紧一根不锈钢丝代替视准线。**引张线测量-基本原理与结构**引张线测量-引张线加力端结构**引张线测量-测点装置**测线一般采用0.8～1.2mm的不锈钢丝，要求表面光滑，粗细均匀，抗拉强度大。引张线测量-测线**引张线测量-观测步骤检查引张线和设备；挂锤固定端点；水箱加水使钢丝离开不锈钢标尺面0.3mm～0.5mm；4.读数，从引张线的一端观测到另一端为一测回，每次观测应进行三测回，三测回的互差应小于0.2mm。测回间应轻微拨动中部测点处的浮船，并待其静止后再观测。5.卸锤，观测结束后，先松夹线装置再下锤。**设引张线第i个监测点的首次的读数为L0，本次观测的读数为L，观测点的位移值为引张线测量-测点位移计算不考虑端点时：考虑端点时？**引张线测量-有浮托引张线

存在的问题（主要针对自动化）：自动观测时不能确定测线是否处于正常工作状态；不能有效地检验和消除浮托装置所引起的测线复位误差；浮液被污染或变质时增加了对浮船的阻力，增大了测线的复位误差。**引张线测量-无浮托引张线优点：不需到现场调节各测点的水位；测点的障碍物也较少；稳定性和可靠性；可以实现引张线观测的全自动化取消了各测点的水箱和浮船等装置**按规定，所施拉力应小于引张线极限拉力的1/2一般钢丝作引张线时最好不超过150米，现代特殊材料可达500米**引张线测量-误差分析观测误差观测仪器、作业方法、观测人员

可达0.1mm精度外界条件误差有浮托装置的复位差

主要是风的影响措施：在观测时，应关闭廊道及通风口门，观测点保护箱应盖严。**2.2.7激光准直测量**波带板大气激光准直系统组成波带板大气激光准直系统主要由激光器点光源、波带板和接收靶三部分组成。**波带板(a)圆形波带板(b)方形波带板波带板的形式有圆形和方形两种，其作用是把从激光器发出的一束单色相干光会聚成一个亮点（圆形波带板）或十字亮线（方形波带板），它相当于一个光学透镜。

**工作原理**观测方法抽真空。打开激光发射器。一般应令激光管预热半小时以上才开始观测。启动波带板遥控装置进行观测，逐点1#~n#，n#-1#完成一测回。观测完毕关闭激光发射器。**2.3倾斜监测倾斜观测定义:测定建筑物倾斜度随时间变化的工作。如电视塔、水塔、烟囱、高层建筑物等，由于基础不均匀沉降或受风力等影响，其垂直轴线会发生倾斜。BB′Aeh2.3倾斜监测-测量方法**直接测定法相对沉降法（非刚体变形时失效）纵横距投影法水平角度法前方交会法激光垂准法**纵横距投影法倾斜观测测站距离圆形建筑物的距离应大于其高度的1.5倍**水平角法倾斜测量设2站(相互垂直，距离1.5倍h)测水平角(1)~(4)计算e1测水平角(5)~(8)计算e2计算e计算倾斜**前方交会法倾斜观测计算精度高**激光垂准倾斜观测测定建筑物底部和顶部距离垂准激光束的距离差，从而计算建筑物某轴线（某一面）的倾斜度。受施工干扰较大，在施工现场较难使用。**2.4挠度监测挠度:建筑物在应力的作用下产生弯曲和扭曲，弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度。测定建筑物受力后挠曲程度的工作称为挠度观测。**挠度观测方法建筑物基础扰度观测-沉降观测建筑物主体扰度观测-分层水平位移前方交会法垂线（正垂与倒垂）扰度计位移传感器垂线测量

–正垂线**垂线测量

–倒垂线**垂线观测（垂线坐标仪）垂线瞄准仪（人工观测）电容式垂线坐标仪光电式(CCD)垂线坐标仪**垂线瞄准仪（人工观测）**电容式垂线坐标仪**光电式(CCD)垂线坐标仪**光电式(CCD)垂线坐标仪是采用CCD器件实现的一种非接触式自动化位移测量设备，能够测量垂线在平面内X、Y两方向的位移，在两方向上的测量原理相同，测量电路相互独立、互不干扰。**2.5裂缝监测裂缝观测内容：位置、长度、宽度、深度和错距等2.5裂缝监测-观测方法测微器

包括单项测缝标点和三向测缝标点，主要测量表面裂缝的宽度与错距。测缝计

电阻式、电感式、钢弦式超声波检测无接触式观测****单位：（mm）1——标点；2——钻孔线；3——裂缝单向测缝标点安装与观测**1——观测x方向的标点；2——观测y方向的标点；3——观测z方向的标点；4——伸缩缝板式三向测缝标点结构与观测用外径游标卡尺测量每对三棱柱条之间的距离变化，即可得三维相对位移。

**1——接座套管；2——接线座；3——波纹管；4——塑料套；5——钢管；6——中性油；7——方铁杆；8——电阻钢丝；9——上接座；10——弹簧单向差阻式测缝计结构**整体三向测缝计单支组合三向测缝计差阻式双向测缝计**E——发射探头；R——接收探头；B——裂缝；A——裂缝终点；H——裂缝深度超声波观测裂缝深度**2.6内部位移监测内部位移观测包括：分层沉降观测：沉降仪分层水平位移观测：测斜仪

引张线式位移计、垂线界面位移观测：位移计**内部位移观测点布设以观测断面的形式进行布置在最大横断面及其他特征断面上，如地质及地形复杂段、结构及施工薄弱段等。每个观测断面上可布设1～3条观测垂线，其中一条宜布设在轴线或中心线附