变形测量-第五章变形观测与数据处理

第五章工程建（构）筑物的变形测量相关内容：1.变形量、变形监测的内容；2.精度与周期；3.测点设置；4.观测方法（沉降、倾斜、液体静力水准测量、水平位移观测、挠度和裂缝观测、日照和风振测量、变形测量）；5.成果整理。对大型建（构）筑物：高层建筑、坝体（尤其是水库、电站大坝、尾矿坝）、桥梁、码头、电视塔、管道、地下工程等需要监测。通常在设计阶段就开始考虑变形测量，并作出相应的设计。在施工期间或运行期间作出定期观测，有时也用后期补设标志进行变形观测。变形测量要求：（1）有明确针对性；（2）能正确反映建筑物变形情况，了解其变形规律。5.1变形量及变形监测内容一、表达变形量的指标：移动量、变形量。二、监测内容：建筑变形包含建筑物本身（基础与上部）、建筑地基及其场地的变形。(1)倾斜观测；(2)位移观测；(3)裂缝观测；(4)挠度观测；(5)摆动和转动观测。然后以荷载或时间为横坐标，以累积变形为纵坐标，绘制各种变形曲线，以便了解变形的幅度和趋势，预估可能稳定的时间及建筑物的安全状况。表达移动、变形量的指标（1）移动指标：下沉Wi，水平移动Ui（2）变形指标：倾斜i，曲率K，水平变形±ε为什么要区分移动与变形指标(1)一栋房屋，如果其整体刚度很大，如果仅有下沉，或者水平移动，是不会造成损害的。(2)相反，如果倾斜超过一定的值，或者曲率、水平变形超过一定的值，是会造成严重损害的。为了了解引起破坏的量的特征，必须区分移动与变形指标。移动与变形指标的定义•下沉：某点计算时刻的高程减初始时刻的高程；•水平移动：某点到控制点的距离的变化；•倾斜：相相邻两工作点的下沉差除以其距离；•曲率：两曲线段的倾斜差求得两曲线段中点的曲率，即平均倾斜的变化。•水平变形：相邻两点的水平移动量不等而引起变形。1.移动指标(1)下沉：(2)水平移动：iiiHHW0iiiLLU0变形指标•倾斜:•曲率:•水平变形:2323SWWi－)(2134232334234SSiiK2323SUU－曲率计算示意图正、负曲率对建筑物的影响二、监测内容建筑物变形包括：建筑物本身、建筑地基、场地变形。对建筑物上部变形而言：（1）倾斜观测；（2）位移观测；（3）裂缝观测；（4）挠度观测；（5）摆动和转动观测。5.2变形测量的精度与周期•观测精度：有的有标准的规范，有的即使没有规范，可参考同类型的其他监测。观测周期(以某一基础沉陷观测过程为例)5.3监测点的设置（1）(1)数量足够，点位适当；(2)便于现场观测；(3)便于保存，不受损坏。工业与民用建筑物•四个角点、中点、转角处设置。此外：•(1)沿周边每隔10-20m；•(2)有沉降缝的两侧；•(3)内部承重墙或支柱；•(4)建筑物纵、横轴线。例1：某展览馆沉降监测例2：汇源大厦高28层，为满足湘江大道功能需要，其托换工程监测作业按有关文献，以及托梁设计最大允许不挠度4mm为依据。监测精度按高精度要求的大型建筑物变形测量一级要求，即视线长度不大于30m，前后视距差不大于0.7m，前后视距累积差不大于1.0m，视线高度不小于0.3m，观测点高差中误差不大于±0.15mm，此要求同于特高精度要求的建筑物绝对沉降量的观测中误差±0.5mm的观测中误差不应超过变形允许值的1/6。监测点的平面位置的布置例3：监测点的设置例4：监测点的设置基坑监测(1)基坑回弹观测：由于大型基坑开挖后，卸除了地基土的自重，引起回弹；(2)地基土分层沉降观测：测定大型建筑物地基内部各分层土的沉降量、沉降速度、有效压缩层厚度；(3)建筑场地沉降观测：包括相邻地基沉降、场地地面沉降。生物工程中心挡墙监测实例。某工程中心挡墙采用土钉加肋柱梁支挡结构体系,土钉间距１.２m×１.２m,成孔直径127mm，孔深７～14m不等,挡土墙坡面采用厚100mm、Ｃ20强度等级的喷射混凝土。如图１所示,西向挡墙ＡＣ长５５m，高３～１１m,其中BC段长３５m，采用人工挖孔灌注桩１４根，自北向南编号１～14，桩径１．０ｍ,主筋为２６根直径２５mm钢筋,孔深14.5～18.0m,桩长15.0～18.5m不等,地面标高-０.5m,桩顶标高±０.０m，持力层为强风化板岩。南侧挡墙CD长22m，采用与西向挡墙ＡＢ段相同的结构。•原有挡墙破坏机理及安全对策该工程前期,原有挡墙曾在BC段发生过两次破坏,并造成一定的不利影响。其中西向AB挡墙南侧3m处,从工程中心主体建筑人工挖孔桩基础揭露地层情况看,孔深24m处仍为人工填土,后经查实,此处为古采石场遗址,地基土成分较为复杂。因此在原挡墙设计与施工时,工程地质情况不明是产生失稳的主要原因,原有坡体疏水措施不到位,挡墙排水系统不畅,造成土体遇水强度降低,从而增加了挡墙失稳破坏的可能性。而古采石场人工填土深度及范围的复杂性又增加了工程设计的难度与不确定性。从原有挡墙受剪破坏以及挡墙背部土体的圆弧形破坏特征应证了以上工程分析的可行性。工程经整改后,采用现有方案设计与施工,但工程竣工后,共对其中18根土钉进行拉拔试验,发现其中有两根未达到设计要求,为确保工程中心主体的安全,需探讨挡墙破坏机理,并在此基础上,对挡墙进行行之有效的变形监测。变形监测的设计与观测工程特点分析,挡墙变形以垂直挡墙走向方向位移为敏感位移方向,其次是墙体的沉降,而墙体的沉降必然伴随有前者的存在,故选用测小角法进行变形监测。5.3.4水利水工建筑物(1)混凝土重力坝；(2)土石坝(3)拱坝。几十年的实践，一致认为对大坝等水工建筑物及其基础的监测可以达到三个目的：（1）监视建筑物在初期及随后长期运行的安全；（2）在施工中不断反馈，提高设计和施工水平；（3）通过实际工作性态的反分析，检验设计和施工，为提高和修正设计理论提供科学依据。总之，原型监测的主要目的是证实坝体安全的问题。为加强监测工作，世界各国在管理体制、规章制度、仪器设备、资料整理分析以及自动化监测等方面都有较快的发展。国际大坝会议曾记录了1100座大坝失事实例，并进行了统计分析，按成因和频率大致分为：（1）30％左右是由于遭遇特大洪水，设计洪水偏低和泄洪设备失灵，引起洪水漫坝而失事；（2）27％左右是由于地质条件复杂，基础失稳和意外的结构事故（如假设的荷载过分乐观）；（3）20％是地下渗漏引起扬压力过高，渗漏量增大，渗透坡降过大引起坝基渗透变形等；（4）11％是由于大坝老化，建筑材料变质（如开裂、侵蚀和风化）以及施工质量等原因，使材料强度降低，而引起的失事；（5）12％是其他不同的特有原因所致。4.3.4变形监测精度我国现行《土石坝安全监测技术规范》SL60－94规定，土石坝变形是安全监测中重要的必测项目，受到水利水电工程界的广泛重视。为了判断工程的安全性，至今均利用实际观测的变形值与预先确定的监控指标的变形值进行比较判断，因此，合理确定监控指标对预报和控制工程安全是非常重要的。《混凝土大坝安全监测技术规范》SDJ336－89对大坝变形监测方法没有规定，但对变形监测的精度却有明确的要求。同时对不同坝型、坝体与基础、部位、变形方向、变形量的正负号等均有具体规定，详见表4－1。而土石坝则以此作为参考。4.2.1土石坝的变形机理土石坝的变形分为竖直方向的变位（沉降），上、下游方向的变位和沿坝轴线方向的变位等三个分量。由于土石坝是由多种材料组成的散粒体，在荷载的作用下，特别是竖直位移要比混凝土坝要大得多，变位的大小和变位的时间性对坝体的安全富裕度以及防止裂缝的出现等都是重要的影响因素。影响土石坝变形的因素有坝型、剖面尺寸、筑坝材料、施工程序和质量。坝基的地形、地质及水库水位的变化情况等等。由于这些因素错综复杂，有些因素难以定量描述，因此，理论上通常用统计模型的方法分析。（1）沉降。沉降是指在荷载的作用下，沿竖直方向发生的位移。它主要分为三个阶段：初始沉降，固结沉降和次压缩沉降。初始沉降是坝体及其基础发生的压缩变形，这部分沉降在填筑过程中发生，土石坝在施工期发生的沉降主要部分就是初始沉降。固结沉降是由于土体固结，土颗粒间的孔隙水逐渐排出而引起的沉降，其中透水性强的土石坝固结完成较快。次固结沉降是土体中颗粒骨架在持续荷载作用下发生的蠕变所引起的。大量观测资料表明：土石坝在施工过程中，随填筑土石料的重量增加而产生的压缩变形占相当大的部分，竣工后，其变形有逐渐收敛的趋势。综上所述，在坝型、坝高、筑坝材料和填筑方法以及边界条件等一定的情况下，土石坝的沉降量在施工期主要与筑坝高度和含水量有关，而在运行期主要受固结影响，其中在最初1～2年内沉降增加较快，而后逐渐稳定；同时还受水位和温度的影响。（2）水平位移。由沉降的成因及影响因素分析，土石坝在施工期主要产生沉降，同时附带产生水平位移。在运行期，由于水压力或渗透力的竖向分力引起坝的沉降，而水平分力的作用，则产生水平位移；同时在土体的固结和次固结过程中，由于侧向膨胀，在产生沉降的同时还引起水平位移。在初期，因土体湿化，上游坡的水平位移指向上游，当库水位升高并持续一定时间，水平位移指向下游，水位下降后位移又向上游回弹。因此水平位移的影响主要受时间、水位等因素的影响。因此，在土石坝变形中以垂直位移(沉降量)为最大，其安全监控应以沉降量为主。4.2.2混凝土坝的变形机理混凝土坝观测位移中存在两部分位移：其一是弹性位移；其二是随时间和荷载而变的非线性位移（俗称时效位移），它包括坝体混凝土和基岩的徐变以及坝基的裂隙、节理和其他软弱构造等在尾矿重力作用下发生的压缩和塑性变形，就宏观来讲，该项位移的变化特点是在排泥初期（或坝体灌浆加固等措施一、二年内）变化急剧。而后随着时间的推移而渐趋稳定。然而，时效位移的变化规律反映大坝的工作状态。当时效位移突然增大或急剧变化时，这是大坝或地基病态工作的征兆。5.4沉降观测常用水准测量方法。与一般水准测量的区别是视线短，一次安置仪器可有多个前视点。在不同观测周期，将仪器安置在同一位置观测。一般采用三等水准要求，重要设施，按二等水准要求。对水工建筑物：通常要求工作基点与控制点联测，按一等水准要求(线路固定，仪器点和立尺点固定)，工作点按二等水准要求，工作点组成附合水准路线。应布设成附合水准路线，埋设之后进行初次观测，随后进行重复观测。当A，B两点无法摆设仪器，解析求法。选定地面基线1-2,2-3d1,2,3点上用前方交会的方法，测定A，B点的坐标。然后计算。测量烟囱的倾斜，在相互垂直的两方向线上标出两个固定点作为测站。测定坝体倾斜的方法(1)水准测量的方法；(2)液体静力水准测量的方法；(3)气泡式倾斜仪。5.7水平变形测量设备(1)各种对中设备的误差分析主要强制对中法，常用于重要建筑物和大坝。包括：支承托架式强制对中器；三点式强制对中器；旋进式强制对中器。(2)觇标的选用：边长变化悬殊，采用不等宽的觇标。可以自制觇标。(3)观测墩：底板埋设在冻土层以下0.5m，有条件时最好直接浇筑在基岩上。观测墩的高度大于0.8m，以减小折光影响。仪器对中误差对测角的影响5.8水平位移观测(1)视准线法：在被测物体两端设置固定点，将仪器置于一端，另一端设置觇标，则瞄准后，经纬仪的视准线面形成一个基准面，利用此基准面来观测位移的方法称为视准线法。视准线法包括测小角法和活动觇牌法(利用一种附有精密读数装置的活动觇牌来直接测定偏距值)；(2)激光准直法：利用发射收敛性良好的激光，在观测点上安置具有特殊结构的觇牌；(3)长度变化测量仪：精确确定两点间距离的变化。基准线法只能测量建筑物与基准线垂直方向的变形活动觇牌A置仪器，B置觇标，形成竖直面P引张线法：利用一根拉紧的不锈钢丝建立的基准面来测定观测点的偏离值，主要用于坝体廓道内监测5.9建筑物的挠度和裂缝测量建筑物的挠度测量包括：主体、基础、独立构筑物的挠度测量。精度：可按整体变形的观测中误差不应超过允许垂直偏差值的1/10，结构段的观测中误差不应超过允许值的1/6。裂缝测量(1)裂缝产生的原因：地基处理不当、不均匀沉降、地表和建筑物相对滑动、局部过大拉应力、混凝土浇灌或养护问题、水温、气温或其他问题。(2)测量裂缝分布位置、走向