第七章 工程的变形监测1

第七章工程的变形监测和数据处理7.1工程变形监测的基础知识•7.1.1变形监测的定义、作用和内容•什么是变形监测？•什么是工程变形监测？•为什么要进行变形监测？•变形监测的内容和特点•变形模型的分类：•非周期变形模型•周期变形模型•运动模型、动态模型7.1.1.1变形监测的定义•变形监测：•对监视对象或物体(简称变形体)进行测量，以确定其空间位置随时间的变化特征。•分类：包括全球性、区域性、和工程的变形监测。•变形：•变形体自身的形变•变形体的刚体位移。•变形体自身的形变：•伸缩、错动、弯曲和扭转。•变形体的刚体位移:•整体平移、转动、升降和倾斜。7.1.1.2变形监测的意义•1、实用意义：•保障工程安全。•2、科学意义：•解释变形的机理，•验证变形的假说，•检验设计是否合理，•为修改设计、制定规范提供依据。7.1.1.3变形监测的内容•1、获取变形几何量：•水平位移、垂直位移以及偏距、倾斜、扰度、•弯曲、扭转、震动、裂缝等。•2、获取与变形有关的影响因子（物理量）：•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。7.1.1.3变形监测的内容•一、工业与民用建筑物：•1、建筑基础：均匀沉陷和不均匀沉陷（便于计算绝对沉降值、平均沉降值、相对弯曲、倾斜）。•2、建筑主体：倾斜和裂缝。•3、军事设施：水平位移和垂直位移。•4、高层建筑：瞬时变形、可逆变形和扭转。•二、土工建筑物：•水平位移、垂直位移、渗透（浸润线）、裂缝观测。7.1.1.3变形监测的内容•三、钢筋混凝土建筑物：•1、外部观测：水平位移、垂直位移、伸缩缝。•2、内部观测：混凝土应力、钢筋应力、温度。•四、地表沉降：•水平位移、垂直位移。•五、大型水工建筑物：•垂直位移、垂直于大坝纵向轴线的水平位移（视准线法）、同一铅垂线上不同高程面上的水平位移（正垂线法）、任意点水平位移等。7.1.1.4变形监测的特点•要进行周期观测，每一周期的观测方案如监测网的图形、使用仪器、作业方法乃至观测人员都要尽可能一致。•动态、持续监测。•要求精度高，对于重要工程，一般要求“以当时能达到的最高精度为标准进行变形观测设计”。变形监测的精度举例7.1.2变形模型•7.1.2.1变形影响因子和动态变形模型•变形影响因子:•地壳运动、基础形变、地下开采、地下水位变化、工程建筑物的各种荷载、设备安装偏离设计值,以及温度、气候变化等。•动态变形模型的一般数学表达式：图7-1典型变形影响因子下的变形模型7.1.2.2典型动态变形模型•一、非周期变形•1、突变模型（图7-1(a)）2、渐变模型（图7-1(b)）：二、周期变形（图7-1(c)）7.1.2.3运动模型•在许多情况下（如滑坡），变形影响因子的大小是随机性变化且不可量测的，或者虽可量测而难于建立影响因子与变形间的函数模型。•运动模型把变形视为时间的函数：(见图7-2)图7-2运动模型7.1.3变形体的几何模型和监测点布设•7.1.3.1变形体的几何模型•定义：（参见图7-3）•参考点、目标点及其它们之间的连接称为变形体的几何模型。•概念：•变形体空间上的离散化：监测点（目标点）•时间上的离散化：周期性监测、持续性监测•相对定位、绝对定位•参考点、目标点•不变量、可变量图7-3变形体的几何模型•参考点、目标点布设的要点：•位置、•数量（密度）、•埋石、•布标。工业与民用建筑物的变形观测布置(补充)•一、民用建筑物：•1、在其四个角点、中点、转角布置观测点；•2、沿建筑物每隔10~20米布置一个观测点；•3、在沉降建筑物（原有与新建筑物连接处）两侧或伸缩缝的任一侧布置观测点；•4、对于宽度大于15m的建筑物，在其内部的承重墙或支柱上布置观测点；•5、要查明基础的纵横向弯曲或曲折时，在其纵横轴线上布置观测点；工业与民用建筑物的变形观测布置•一、民用建筑物：•6、在主要设备的四周，动载荷四周和地质不良处布置观测点；•7、在观测基坑回弹时，一般在纵横轴线上布置观测点；•8、为研究土层压实情况时，最好布置在基础中心线上；•9、为研究高层或高大建筑物的倾斜与风震时，应在其不同高度处布置观测点。•例子见（图7-28）大坝变形观测点的布置方案•二、混凝土重力大坝变形监测布置：•1、垂直位移点观测点的布置•基础沉陷观测点布置在基础廊道的中心线与每个坝段中心的交点处；在重点地段加设横向廊道或宽缝观测点；•为测定上下游两端的高差变化在距中心线两端各1m处加设观测点；•另外需在升船机、水轮机部分加设观测点。大坝变形观测点的布置方案•2、水平位移观测点布置：•在河床坝段下游和坝段顶部布置观测点；•在构造单薄坝段，加设观测点于坝段下游不同高程面处；•为观测扰度可将观测点布置在廊道内。•三、土石坝：•将观测点布置在大坝高处、合拢段、泄水底处、坝基地质不良地段、纵横中心轴线上。•例子见（图7-34，7-35，7-36，7-39）•监测点布设原则：•1、参考点：应布设在变形体之外，安全且容易到达的地方；要钻孔至基岩且在参考点附近加设保护点。•2、目标点：应布设在变形体之上，要有代表性和适当的密度，能反映变形体形变。7.2变形监测方案设计•内容：•测量方法的选择、•监测网布设、•测量精度的确定•观测周期的确定…。7.2.1变形监测方案制定准则•（1）所需的测量精度，对于监测网，是确定目标点坐标ξ、η、的允许精度或坐标差的允许精度•（2）观测周期数（施测的次数）•（3）两周期之间的时间间隔Δt•（4）一周期所允许的观测时间y和和和重要概念：•测量精度•预计最大变形量Δy•变形监测分辨率δy•变形速率•周期时间•一周期所允许的观测时间yypTT7.2.2典型变形的准则•7.2.2.1非周期变形•测量精度与预计的最大变形量Δy（准确性差）有关：•或•δy：变形监测分辨率，相邻两周期间能以一定概率(如P=95%)区分的最小变形量。Δy=10δy（参见图7-4)。y图7-4非周期变形的获取•突变模型（图7-1中（a））：末期观测必须在变形趋于平缓的时刻进行：•T为与变形体有关的时间常数，根据试验和经验确定。•在和之间要进行多期观测。•设第与期间时间间隔为Δt，Δt与δy和变形速率有关：0tEtit1ity•初期，由于较大且不精确，故Δt较小且误差较大；后期，值愈来愈小且愈来愈精确，Δt会愈来愈大且愈来愈准确。一周期所允许的观测时间应满足：•显然有：•的大小对测量方法的选择是很有意义yytt7.2.2.2周期变形•Δt与周期时间有关，有•m=2，表示只对两个极值有兴趣且准确地知道所发生的时间，如在大坝的最高水位和最低水位时观测。•m＝20，pT7.2.2.3运动模型•测量精度根据要求监测的最小变形量来确定，即要求满足：•Δt应满足：•每一次的观测时间由下式估算。yy51t7.2.3.1测量精度的确定•对于监测网，要将坐标精度转化为观侧值的精度。•网的模拟优化设计：确定观测方案，确定观测元素(如方向、距离、高差、GPS基线边长等)及其精度。•测量精度选取：仪器的标称精度、外界影响，应有一定富余。•按设计的测量方案和精度计算出各目标点坐标的精度，应完全满足要求。•1971年国际测量师联合会(FIG)第十三届会议上工程测量组提出：“如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20；如果观测的目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应比这个数小得多。”•不同类型的工程建筑物，其精度要求差别较•大；•同一建筑物，不同部位、不同时间对观测精度的要求也不相同。表7-2建筑物变形测量等级及精度7.2.3.2观测周期数和一周期观测时间的确定•一、观测周期数的确定•原则：•观测周期数取决于变形的大小、速度及观测的目的，且与工程规模、监测点数量、位置以及观测一次所需时间有关。在工程建筑物建成初期，变形速度较快，观测周期应多一些，随着建筑物趋向稳定，可减少观测次数；但仍应坚持观测，以便发现异常变化。•及时进行第一周期观测具有重要意义，推延初始测量可能失去已经发生的变形，应特别重视第一周期观测的质量，以后各周期的成果要与第一期比较。表7-3大坝变形观测周期选择表•对于周期性变形，在一个变形周期内至少应观测两次。如果观测周期的时刻选择不当，将导致错误的结论。•图7-7：四种不同的一维变形过程，如果都用三个离散的时刻来获取，则会出现完全不同的结果：•正确，较正确，完全错。图7-6大坝水平位移与观测时刻选择图7-7对不同变形模型的观测时刻选择二、一周期内观测时间的确定•一周期内所有测量工作需在允许的时间间隔δt内完成。否则，周期内的变形将歪曲目标点的坐标值。•长周期变形，δt可达几天甚至数周，可选用各种大地测量仪器和技术。•日周期变形，δt为数十分钟，可选用快速测量仪器和技术，如GPS、Georobot。•短周期变形，δt仅为数分甚至数秒，需要考虑采用摄影测量方法或自动化测量方法。7.2.3.3监测费用的确定•(1)建立监测系统的一次性花费。•(2)每一个观测周期的花费。•(3)维护和管理费。•当变形监测项目所要求的观测周期较少时，采•用常规大地测量方法较好；•若观测周期多且周期中测量持续时间较短，应•采用特殊的测量方法，研制专用仪器，建立•全自动化监测系统。7.2.2.4其他考虑•(1)在监测时，变形体不能被触及，更不准许人在上面行走，否则将影响其变形形态。这时，许多测量方法都不能采用。•(2)只有在一定的时候才能到达变形体，在变形体上工作有特别的危险性，这种情况，许多测量方法也不能采用。•(3)当变形达到一定量时，对变形体本身或环境将造成巨大危害，但这种危害可通过事先报警而避免或减小时，宜采用自动化的持续监测系统。•(4)进行荷载作用变形试验时，荷载与变形的关系以及临界值确定都需要快速实时处理，采用全自动化或半自动化数据采集与处理的监测系统比较合适。•(5)变形监测项目实施时有极高的技术要求，可能造成其他工作停顿、停产，将造成经济损失，在选择测量方法时这一点可能起决定性的作用。•(6)变形监测任务仅在于将变形体的原始状态保存下来，一旦监测对象发生变化，需通过测量来比较和证明其变化，这时宜采用摄影测量方法。•(优点：初始测量的费用少，在需要时可对丰富的摄影信息进行详细处理和分析。)7.3变形监测方法和自动化•7.3.1常规的大地测量方法•指用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称。•常规的大地测量仪器：•光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、•电子经纬仪、电子水准仪、电子全站仪、•GPS接收机等•常规大地测量方法：•变形监测网（GPS网、边角网），几何水准、电磁波测距三角高程测量等。7.3.2摄影测量方法特点：•(1)不接触监测；•(2)外业工作量小，观测时间短，快速获取，点位丰富；•(3)信息量大，利用率高，利用种类多；可对变形前后做后续处理。•(4)仪器费用较高，数据处理对软硬件的要求比较高。7.3.3特殊的大地测量方法•精确地获取被测对象的变化•对被测对象本身的精度，要求不是很高7.3.3.1短距离和距离变化测量方法•距离小于50m，可采用机械法。•如GERICK研制的金属丝测长仪，将很细的金属丝（受温度影响小）在固定拉力下绕在铟瓦测鼓上，精度优于1mm。•两点间在i和i+1周期之间的距离变化ΔL：•伸缩测微铟瓦线尺：由伸缩测量和拉力测量两部分组成，其测微分辨率为0.01mm，如果传递元素(铟瓦线、石英棒等)的长度a、b保持不变，则只需测微小量和。ΔL的精度可达0.02mm。1ilil图7-8伸缩测微仪原理图7-9用伸缩测微仪监测岩体移动7.3.3.2偏离水平基准线的微距离测量——准直法•水平基准线通常平行于被监测物体（如大坝、机器设备）的轴线。•偏离基准线的垂直距离或到基准线所构成的垂直基准面的偏离值称偏距(或垂距)。•测量偏距的方法称准直（测量）法。•基准线（或基准面）可用光学法、光电法和机械法产生。一、光学法•用光