房屋变形测量同济大学测绘学院程效军cxj@tongji.edu.cn§11-7建筑工程变形观测房屋变形测量房屋变形测量变形测量也称变形观测或变形监测,是测定房屋及其地基在荷重或外力作用下随时间而产生空间位置变化的测量工作。建筑物的变形包括三个方面:沉降、水平位移和倾斜。由于建筑物的重量,使地基受荷载而扰动,引起建筑物沉降;由于横向力作用于建筑物地基,使建筑物产生水平位移;建筑物在平面上不均匀沉降,使建筑物产生倾斜。此外,由于沉降与水平位移的共同作用达到一定程度,使建筑物产生裂缝,直至倒塌。变形测量的目的和特点变形测量是利用测量仪器或专用仪器对变形体的变化状况进行监视、监测,其目的是获得变形体的空间位置随时间变化的特征,同时解释的原因。变形监测的对象:工程建筑物及其场地的沉降、水平位移、挠度和倾斜等;城市、工矿区、线路等区域性地面沉降。变形测量的特点是重复性测量、高精度测量及综合多种测量方法和测量手段。变形测量方案设计根据变形体的特点、变形类型、测量目的、任务要求及测区条件进行变形测量方案设计,确定测量内容、精度、基准点与变形点的布设、观测周期、观测方法和仪器设备、数据处理分析方法、提交成果和编写技术设计书。对高精度变形监测网应顾及精度、可靠性、灵敏度及费用准则进行优化设计。监测的精度,其变形观测点的中误差应小于允许变形值的1/10~1/20。变形监测实施技术方案编制依据•《建筑变形测量规范》•《工程测量规范》•《城市测量规范》•《建筑地基基础设计规范》•《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》•《国家一、二等水准测量规范》•《建筑工程设计手册》等•以及该工程相关图纸。沉降图建筑变形测量的等级及其精度要求沉降观测位移观测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特高精度的特种精密工程和重要科研项目变形观测一级≤0.15≤1.0高精度大型建筑物和科研项目的变形观测二级≤0.50≤3.0中等精度要求的建筑物和科研项目变形观测,重要建筑主体倾斜观测三级≤1.50≤10.0低精度要求的建筑物变形观测和一般建筑物主体倾斜观测适用范围变形测量等级建设部《建筑变形测量规程》沉降图变形测量的点位分为“控制点”和“变形点”,控制点又分为“基准点”和“工作基点”。基准点为设立于建筑物变形影响区之外、其位置相当稳定的点。变形点为设立于被监测的建筑物上、其位置变化对于该建筑物有代表性的点。工作基点为可与基准点联测并又靠近建筑物变形点、因而便于进行变形观测工作的点。变形测量主要是测定变形点相对于基准点的位置变化—水平位移和垂直位移。前者称为“位移观测”,后者成为“沉降观测”。沉降图对高耸建筑物的同一铅垂线上不同高度的两点或若干点测定其相对位移,称为“倾斜观测”。建筑物的倾斜主要由沉降或位移所引起。挠度观测为对建筑物的水平或直立构件(如建筑物的梁和柱)受力后产生弯曲变形的监测。裂缝观测为对建筑物上由于变形而产生破坏性裂缝的监测。。变形测量方法变形测量方法有:常规大地测量方法(边角网、交会法、极坐标法、几何水准、三角高程测量等)、GPS方法、数字近景摄影测量方法、三维激光扫描方法、合成孔径雷达干涉测量方法(InSAR方法)、专用测量技术手段(垂线和引张线测量、液体静力水准测量、激光准直测量等)。一.沉降观测沉降观测点建筑物在建造过程中和竣工后,由于地基负载的增加,建筑物产生沉陷,使建筑物的高程减小,称为建筑物沉降。如果建筑物在平面的整体结构上各部分的沉降量大致相同,称为“均匀沉降”;否则,称为“不均匀沉降”。建筑物在一定时期内和一定数值范围内的均匀沉降,属于正常现象;超过一定时期和数值范围,或沉降不均匀,则属于“异常沉降”,对建筑物有危害性,应引起注意或采取相应的措施。一、沉降观测一.沉降观测沉降观测点建筑物的沉降观测是根据高程基准点进行的。特级沉降观测的高程基准点数不应少于4个;其它级别沉降观测的高程基准点数不应少于3个;高程工作基点可根据需要设置。高程基准点应埋设于建筑沉降区以外,与城市水准点联测后获得城市统一高程系统的高程。基准点之间的高差,要经常进行检核,以验证其高程的稳定性。一.沉降观测沉降观测点1.高程基准点和沉降观测点的设置◆点位稳固,在沉降变形区以外;◆不宜过远,通常一至二站遍能引测到观测点;◆每个工程设置3个,以便检核;◆一般需要与国家(或城市)水准点联测,获得绝对高程;◆冻土地区应埋深至冻土线以下0.5米处。2.沉降观测点的布置◆沉降点埋设图:◆沉降点分布示意图:2.沉降观测点的布置•一定密度、均匀分布在待观测建筑物外围,能反映建筑物整体沉降情形的位置。φ20φ2010040050150墙脚上沉降点基础上沉降点3.观测时间、方法和精度要求对于三级变形测量中的沉降观测,可以采用S3级水准仪;对于二级以上变形测量中的沉降观测,均须采用S1级水准仪和精密水准尺;对于特级变形测量中的沉降观测,须采用S05级水准仪和因瓦尺。转点间的水准仪设站应保持前、后视距离基本相等,视距的要求为:特级10m,一级30m,二级50m,三级75m,并保持每次观测时测站位置和向沉降点观测的方案相同,以抵消可能存在的仪器系统误差。3.沉降观测的方法和精度要求3.观测时间、方法和精度要求基础施工的相邻地基沉降观测,在基坑降水时和基坑土开挖过程中应每天观测一次。混凝土底板浇完10d以后,可以每2-3d天观测一次,直至地下室顶板完工和水位恢复.此后可每周观测一次至回填土完工。一般建筑物在施工阶段的沉降观测要在基础完成后开始,大型和高层建筑在基础垫层或基础底部完成后即开始沉降观测。建筑物施工前期阶段的观测周期视荷载增加情况而定,民用建筑每加高1~5层观测一次;工业建筑在不同施工阶段观测,例如在完成基础施工、安装柱子、安装吊车梁和厂房屋架后进行。4.沉降观测的周期3.观测时间、方法和精度要求建筑物建成后的沉降观测周期,按地基土质类型和沉降速度而定。在一般情况下,第一年观测3~4次,第二年观测2~3次,第三年后每年一次,直至沉降量连续两个半年小于2mm为止。沉降图沉降观测的流程重点:要求检核高程基准点工作基点沉降点水准仪设站RRLLLLLWW112122345SSSSSSSSSSSSSS1234567891011121314混6砼12R34.沉降观测的成果整理沉降观测成果内容◆基准点与沉降点的点位分布图;◆沉降观测日报表(当次观测结果);◆沉降观测汇总表;◆沉降曲线图;◆沉降观测总结报告(一个阶段观测全部结束)。沉降观测成果整理◆每次观测成果精度应符合要求。◆每次观测成果须及时上报(上报“本次沉降”与“累计沉降”数据),当沉降变化异常时,工程施工及时采取措施。5.沉降观测的成果整理沉降观测记录表沉降图沉降监测成果归档(1)技术设计书,技术总结;(2)变形监测网点分布图;(3)变形观测、计算资料;(4)变形曲线图、成果表;(5)变形分析、预报资料;(6)仪器检定与检校资料;(7)检查报告,验收报告。变形监测资料分析的常用方法作图分析、统计分析、对比分析和建模分析等。作图分析是将观测资料绘制成各种曲线,常将观测资料按时间顺序绘制成过程线。统计分析是用数理统计方法(多元线性回归)分析计算各种观测物理量的变化规律和变化特征,分析其周期性、相关性和发展趋势。对比分析是观测值与设计值或模型试验值进行比较分析。建模分析是建立数学模型(统计模型、确定性模型、混合模型)研究观测物理量的变化规律。二.倾斜观测(一)基础倾斜观测LB1B2Δhi倾斜度i=——ΔhL二二..倾斜观测倾斜观测实际工程中,也经常采用:如通过测定同一窗台的高差,计算不均匀沉降及倾斜情况。(二).上部倾斜观测(二)上部倾斜观测●通常采用直接观测法:◆挂垂球法◆经纬仪(全站仪)垂直投影法。◆由于高度角较大,投影读数以盘左、盘右取平均;◆观测位置过近时,可加装直角目镜,以利观测高处。◆加测水平距离,可根据垂直角计算出观测高度H。ΔH倾斜度i=—ΔHDαHH=Dtanα沉降图CC1δδCC1xyAB经纬仪垂直投影法测定建筑物倾斜(二).上部倾斜观测(三)电子全站仪法OZXYSABCEF设A,B为同一墙面上的点,B,C为同一墙角的上下两点。测定A、B、C三点的三维坐标,将A、B、C的平面坐标进行平移和旋转,即将坐标换算到以A为坐标原点、AB墙面为X轴方向的坐标系()中。按B,C两点的三维坐标,分别计算在方向和方向的建筑物墙角的倾斜量和倾斜度。电子全站仪安置在S点(大致在墙边线FE的延长线上),以EF方向大致定向(粗略瞄准墙角E,将方位角设置为0度),输入测站S的假定坐标,例如为(100.000,100.000,4.000),建立独立坐标系。沉降图沉降图沉降图当建筑物内部有垂直通道(如垂准孔、电梯井、烟囱等)或在外墙可以安置垂直瞄准标志(如利用建筑物各层的窗口、阳台等)时,则可以利用垂准仪进行倾斜观测。垂准仪安置整平后的视准轴提供一条铅垂线,作为测定建筑物倾斜的基准线。利用垂准仪测定建筑物的倾斜,其测量精度是最高的,但其关键在于有合适的垂直通道和有专门设计的瞄准标志和量测工具。(四)垂准仪法沉降图OOOO12345123678910111213143上图所示为PD3型垂准仪。它有两个上下装置的望远镜,便于向上和向下作垂直投影;在望远镜光路中安装直角棱镜,使上、下目镜及十字丝分划板位于水平位置,便于观测;在基座上有两个垂直安装的水准管,用于置平仪器,使视准轴位于铅垂线方向。PD3垂准仪垂直投影的相对精度为1/40000。最高精度的垂准仪(如WILD-ZL、WILD-NL型)的垂直投影精度可达1/200000,用于大型精密工程的施工和变形观测。沉降图12343ABCDABC(a)(b)(二).上部倾斜观测(五)圆柱形建筑倾斜观测计算用同样的方法测定P3点的坐标;同理测定圆柱上部同一高程上Q1、Q2、Q3点的坐标。由于上、下两组点各自在同一水平面上,根据平面上三点坐标求外接圆圆心的方法确定上部圆心Q的位置和下部圆心P的位置。然后根据P、Q的三维坐标计算其倾斜量和倾斜度。电子全站仪安置在S点,输入测站的假定坐标,建立独立坐标系O-XYZ。测定圆柱下部P1点的三维坐标,水平转动全站仪至P2点,测出其三维坐标;采用逐步趋近法使P2点的高程与P1点相同。XZYOSQ1Q2Q3P1P3P2QP(二).上部倾斜观测(六)构筑物的水平度和挠度观测然后,将坐标轴进行平移和旋转,将坐标原点移至P1点,旋转X轴使与P1—P5方向一致,称为建筑坐标系。这样,建筑坐标系中P2,P3,P4点的Y坐标值即反映钢梁的水平度,其Z坐标值即反映钢梁的挠度。在公式中,大地坐标系和建筑坐标系均为左手坐标系。在便于观测梁上各点处安置电子全站仪,首先建立独立的大地坐标系(测站仪器的纵轴—铅垂线方向为Z轴方向),并使X轴方向大致与边P1—P5连线方向相一致,依次测定P1,P2,P3,P4,P5点的三维大地坐标。SZXOP1P2P3P4P5Y沉降图沉降图(二).上部倾斜观测(七)墙面平整度检测然后以此为基础,按最小二乘法的间接平差原理,列出各点观测值的误差方程式,组成法方程式,解算出初始平面方程式系数的改正值,得到拟合的平面方程式。最后,计算各点到该平面的距离,根据距离值计算拟合平面的单位权中误差,作为平整度,以评定墙面(或其他工程结构平面)的施工精度。电子全站仪安置在S点,输入测站S的假定坐标,并以某固定点进行定向,建立独立坐标系。测定墙面上P1、P2、P3,…,Pm点的三维坐标,先按P1、P2、P3三点求出初始平面。OZXYSP2P1P3Pm三.位移观测(一)基准点上观测法测定观测点的角度变化Δβ,计算位移量Δ:Δ=D—Δβρ″◆瞄准测点的视线方向必须与测点的位移方向基本垂直。◆精度要求较高时,可在A点建立观测墩,以消除对中误差。三三..位移观测位移观测ABMMMMABΔDβ123iii基准线水平位移方向i基准线建构筑物(二).位移点上观测法(二)位移点上观测法以位移点M为测站,观测对基准点A、B的水平角变化Δβ=β′-β,从而计算位移量Δ:Δβ