第七章 工程的变形监测和数据处理

第七章工程的变形监测和数据处理•变形监测定义：•对监视对象和物体进行测量以确定其空间位置随时间的变化特征。•变形监测分类：•全球性变形监测•区域性变形监测•工程变形监测静态变形动态变形•变形监测的作用：•1、保障工程安全。•2、积累分析资料、解释变形机理。•3、验证变形假说。•变形监测内容：•水平位移、垂直位移、偏距、倾斜、扰度、弯曲、扭转、震动、裂缝等。•变形监测特点：•周期观测；动态监测；精度要求不同。变形模型•一、变形影响因子和动态变形模型•1、变形影响因子－－引起变形的原因。它包括：地壳运动、基础变形、地下开采、地下水位变化、建筑荷载等。•2、动态变形数学模型：0)()()(dTTtxtgty•二、典型动态变形模型•分类：•周期模型•非周期模型：[跳跃变化（突变）、线性变化（渐变）]•突变模型：•渐变模型：)]exp(1[)(0TttHty•运动模型：)]}exp([)exp1{()()]}exp(1[){()(00000TttTtTttxHytyTttTtttxHyty或2)()())(()()(200000tttytttytyty•三、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。变形监测方案设计•一、监测方案制定准则：•1、确定变形状态所需要的测量精度δ。•2、确定观测次数。•3、确定两周期之间的时间间隔。•4、确定一周期所允许的观测时间。•二、典型的变形准则分析：•1、非周期变形：δt≤Δt/5。•2、周期变形：Δt=Tp/m。•3、运动模型：Δt≥δy/|y|。•三、测量方法选择所应考虑的问题：•1、测量精度的确定：•应尽可能采用所能获得的最好的仪器和技术，达到其最高精度。•2、一周期内观测时间的确定：•对于长周期可以考虑用大地测量技术；•对于短周期可以考虑用摄影测量或自动化测量。•3、监测费用的确定：•①、建立检测系统的一次性花费。•②、每一个观测周期花费。•③、维护和管理费。•4、补充考虑：•①、在监测时，变形体不能触及，否则影响变形形态。•②、要有一定的时间才能到达变形体，而且危险性大。•③、当变形体到达一定值时会对变形体本身和环境造成巨大危害，需要持续观测，必要时报警。•④、做荷载变形实验时，要求处理速度快，宜采用自动或半自动化。•⑤、有的监测会使工程停工，需慎重考虑。•⑥、有的任务只在于保存原始状态，宜采用摄影测量方式。变形监测方法和自动化•一、变形监测方法：•1、常规大地测量方法：•①一、二、三维坐标网平差；•②交会法；•③极坐标法；•④卫星定位；•⑤几何水准；•⑥三角高程；•⑦GPS等。•2、摄影测量方法特点：•①、不需接触被监测的变形体。•②、外业工作量小。•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、摄影仪器费用高昂，对软硬件要求高。•3、特殊大地测量方法：•①、短距离测量方法：采用金属丝测长仪；采用铟瓦线。•②、微距测量准直法：光学法；光电法；机械法。•③、微距测量铅直法：光学法；光电法；机械法。•④、液体静力水准测量法：利用连通管的液体压力测量。•⑤、扰度曲线和倾斜测量。（扰度：曲线某点到基准线的距离）•⑥、裂缝观测：走向，大小，长度，宽度等。•⑦、震动观测：采用光电观测系统。•⑧、三维激光扫描测量：提供水平角，垂直角，距离三种观测值。变形测量•建（构）筑物变形的基本概念•变形测量的特点与技术要求•沉降观测•位移观测•倾斜观测•挠度与裂缝观测建（构）筑物变形的基本概念•沉降量在一定范围内是正常的，不会对建筑物安全构成威胁，超过一定范围即属于沉降异常表现形式为：①沉降不均匀；②沉降速率过快；③累计沉降量过大•变形测量就是对建筑物（构筑物）及地基或一定范围内岩体和土体的变形（包括水平位移、沉降、倾斜、挠度、裂变等）进行的测量工作。变形测量的意义是，通过对变形体的动态监测，获得精确的观测数据，并对监测数据进行综合分析，及时对基坑或建筑物施工过程中的异常变形可能造成的危害作出预报，以便采取必要的技术措施，避免造成严重后果变形测量的特点与技术要求•变形测量的内容主要包括：支护结构顶部的水平位移监测；支护结构沉降监测；支护结构倾斜观测；邻近建筑物、道路、地下管网设施的沉降、倾斜、裂缝监测。在建筑物主体结构施工中，变形测量的主要内容是建筑物的沉降、倾斜、挠度和裂缝观测。•技术要求沉降观测•水准基准点的布设和监测网的建立观测点是设立在变形体上、能反映其变形特征的点。点的位置的数量应根据地质情况、支护结构形式、基坑周围环境和建筑物（或构筑物）荷载等情况而定•观测点的布设观测点应埋设稳固，不易遭破坏，能长期保存。点的高度、朝向等要便于立尺和观测•沉降观测沉降观测应先根据建筑物的特征、变形速率、观测精度和工程地质条件等因素综合考虑，确定沉降观测的周期，根据沉降量的变化情况适当调整位移观测•基准线法•小角法用测回法测出∠BAP。设第一次观测角值为β1，后一次为β2，根据两次角度的变化量Δβ＝β2-β1，即可求算出P点水平位移量，即•全站仪坐标法ADBβP小角法测量水平位移D22yx倾斜观测•建筑物的倾斜度为：•挖孔或钻孔的倾斜观测，常采用埋设测斜管的办法•对于圆形建筑物的倾斜观测，一般是测定其顶部中心与底部中心的偏心位移量，并将其作为倾斜量也可用坐标法来测定HDtgi挠度与裂缝观测•在建筑物的垂直面内各不同高程点相对于底点的水平位移称为挠度。•对建筑物进行动态连续测量时，需要专用的光电观测系统，如电子测斜仪。这种方法从原理上来与激光准直仪相类似，只不过在方向上旋转了90°•当基础挠度过大时，建筑物可能出现剪切破坏而产生裂缝。建筑物出现裂缝时，除了要增加沉降观测、位移观测外，还应立即进行裂缝观测，以掌握裂缝发展情况•裂缝观测就是测定建筑物上裂缝发展情况的观测工作。在裂缝两侧埋设观测标志变形观测数据处理•一、观测数据分类：•周期性观测数据；•特定时间序列的监测数据。•二、变形分析分类：•1、静态，似静态点场分析；•2、综合变形模型；•3、动力学模型。•三、变形监测网数据处理：•1、平均间隙法加最大间隙法：•由高斯－马尔可夫模型和两周期平差推出。•2、卡尔曼滤波法：•由第K－1个周期参考网的坐标未知数向量及其协方差阵，并参考第K周期参考网的观测值，求解第K周期的坐标未知数向量及其协方差。•四、变形监测点数据处理：•1、回归分析法：将变形体当作一个系统，将目标点上变形看作因变量，将变形因子看作自变量，对其进行长期观测，找出其函数关系。•逐步回归算法步骤：•①初选变形影响因子。•②确定首选的一元线性回归方程。•③确定最佳二元线性回归方程。•④确定最佳三元线性回归方程。•⑤若三个变形影响因子都是显著回归因子，则继续添加因子，直到最后得到最佳回归方程。•2、其它方法：•①、时间序列法：动态数据+P阶回归滑动模型。•②、频谱分析法：先进行傅立叶变换再进行频谱分析。•③、模糊人工神经网络：现主要运用BP神经网络。•④、小波分析法：从时频域局部信号中提取有用信息。•五、变形体的变形模型分析：•1、目标点的位移向量场：•通过稳定基准，我们可以获得两周期之间的位移值，从而可以制作位移向量图。•2、变形体的综合变形模型：•①刚体运动模型—包括平移和旋转。•②相对变形模型—包括伸缩、错动、弯曲、扭转。•③综合变形模型—将上两种变形叠加。•3、运动模型：•①回归模型（缺点：回归多项式过于简单；每个点都模拟相同的速度和加速度；相邻点间相差很大，产生不连续。）•②卡尔曼滤波模型（优点：有严密的递推算法；不需要保留使用过的观测值序列；可把模型参数预计与预报结合起来。）•4、动态模型：•不仅研究点的运动，同时还研究引起运动的作用力。变形监测资料整理、成果表达和解释•一、资料整理：•1、资料整理——对原始资料进行汇集、审核、整理、编排，使之集中、系统化、规格化和图表化，并刊印成册。•2、资料整理的目的：•便于应用分析；•提供资料和归档保存。•3、资料整理的内容：•①收集资料；•②审核资料；•③填表和绘图；•④编写整理成果说明。•4、观测资料分析分类：•定性分析；定量分析；定期分析；不定期分析；综合分析。•5、资料分析的常用方法：•①、作图分析：将观测资料按时间顺序绘制成过程线，或其它曲线，便于分析。•②、统计分析：用数理统计分析方法分析观测值变化规律找到其周期、相关性、发展趋势等。•③、对比分析：将实测值与设计值比较找出差值及其原因。•④、建摸分析：建立数学模型加以分析。（统计模型；确定性模型；混合模型）•6、提交成果：•①技术设计书和测量方案；•②监测网和监测点的布置平面图；•③标石、标志规格及埋设图；•④仪器的检核资料；•⑤原始观测记录；•⑥平差计算、成果质量评定资料；•⑦变形观测数据处理分析和预报成果资料；⑧变形过程和变形分布图表；•⑨变形监测、分析和预报成果技术报告。•二、成果表达：•1、表达方式：•①传统：文字、表格、图形；•②多媒体、仿真技术、虚拟现实。•2、观测实例。（能看懂各种工程实例图表）•三、成果解释：•1、变形成果需要回答的问题：•①、是环境安全监测还是交通运行安全监测或运行安全监测？•②、需在不同荷载情况下，对变形体的变形模型作检验假设。•③、根据岩土力学性质建立物理力学模型。•④、工程整治的效果如何？•⑤、对地球物理或物理假设进行验证。•⑥、对工程建筑物进行监测和检验。•⑦、采取建筑措施后做建筑物安全证明。小结•本章主要论述了变形监测网的建立、使用、测量、计算等。•重点：变形监测的基本概念。•难点：回归分析、卡尔曼滤波法。