变形观测的概念.doc

变形观测的概念1正文对建筑物及其地基由于荷重和地质条件变化等外界因素引起的各种变形（空间位移）的测定工作。其目的在于了解建筑物的稳定性，监视它的安全情况，研究变形规律，检验设计理论及其所采用的计算方法和经验数据，是工程测量学的重要内容之一。观测的主要内容变形观测主要包括沉降观测、位移观测、挠度观测、转动角观测和振动观测等。此法的观测基准面由经纬仪的视准线和仪器竖轴建立。根据测定观测点偏离值的方法不同，视准线法又分为测小角法和活动觇牌法。20世纪60年代初，又采用了以激光束代替经纬仪视准线的激光经纬仪准直法和利用光干涉原理的波带板激光准直法。这些方法虽然大大提高了照准精度，但仍不能克服大气折射的影响。在某些特定条件（如水坝的廊道内）下，可采用引张线法，即用拉紧的钢丝作为基准线。近年来在激光准直法和引张线法中已采用光电传感技术，实现了观测的自动化。 挠度观测 测定建筑物受力后挠曲程度的工作。观测方法是测定建筑物在铅垂面内各不同高程点相对于底部的水平位移值。高层建筑物通常采用前方交会法测定。对内部有竖直通道的建筑物，挠度观测多采用垂线观测，即从建筑物顶部附近悬挂一根不锈钢丝，下挂重锤，直到建筑物底部。在建筑物不同高程上设置观测点，以坐标仪定期测出各点相对于垂线最低点的位移。比较不同周期的观测成果，即可求得建筑物的挠度值。如果采用电子传感设备，可将观测点相对于垂线的微小位移变换成电感输出，经放大后由电桥测定并显示各点的挠度值。 转动角观测 观测建筑物或机械设备倾斜度的变化，计算其转动角的工作。对某些建筑物，例如水坝，转动角的大小反映了它不均匀沉降的情况。同沉降观测一样，可用精密水准测量或液体静力水准测量方法测定。对一些精密机械设备，则需采用专门的转动角观测仪。这类仪器主要由一个高灵敏度的气泡水准和一套精密的测微仪器组成。当气泡居中时利用测微仪器进行读数，即得该处的倾斜度。比较不同周期的倾斜度，可以求得观测周期间机械设备的转动角。振动观测对于高层建筑物和机械设备往返摆动情况的观测工作。高层建筑物在风力、日照和温度的影响下，某些机械设备在动荷重的状态下,都会发生摆动。传统的变形观测方法无法满足这方面观测的要求。利用光电系统可以将观测点坐标自动记录在纸带上，从而求得建筑物的振动频率和振幅大小。自动倾斜仪（例如电子水准器）能将精密水准气泡的微小倾斜转换成电信号输出，可用于观测转动角的往返变动。利用电子水准器同时测定不同高度的转动角，通过换算可以求得建筑物顶点的振动。沉降观测测定建筑物或其基础的高程随时间变化的工作。建筑物在施工和运营期间，对埋设在基础和建筑物上的观测点，定期用精密水准测量的方法测定它们的高程，比较观测点不同周期的高程即可求得其沉降值。有时也可用地面立体摄影测量的方法及液体静力水准测量的方法测定沉降值。在液体静力水准测量中，可采用探针探测液面高程，也可采用将液面高程的变化用传感器输出等方法实现自动化观测。位移观测 测定建筑物上某些点的平面位置随时间变化的工作。建筑物位移可能是任意方向的，也可能发生在某一特定方向。任意方向位移的测定常用前方交会法，或地面立体摄影测量的方法测定(见地面摄影测量)；对某些不宜用交会法观测的建筑物，也可采用导线测量方法。位移值均由比较不同观测周期所得的观测点坐标求得。特定方向位移的测定常用基准线法，即以垂直于位移方向的固定不变的铅垂面为观测基准面，定期测定建筑物相对于它的偏离值，以计算位移值。此外，还可采用视准线法。基准点设置为了在变形观测中测定绝对位移，选择不变动的基准点是很重要的。基准点一般分工作基准点和基准点两级。工作基准点设置在建筑物附近的稳固位置，直接用于测定观测点的位置变化；基准点一般选在变形范围外远离建筑物的地区。沉降观测的基准点通常成组（每组3个）设置,用以检核工作基准点的稳定性。其检核方法一般采用精密水准测量的方法。位移观测的工作基准点的稳定性检核通常采用三角测量法进行。由于电磁波测距仪精度的提高，变形观测中也可采用三维三边测量来检核工作基准点的稳定性。在基准线观测中，常用倒锤装置来建立基准点。这种装置是把不锈钢丝的一端固定在一个锚块上，将此锚块用钻孔的方法浇固在基岩中。不锈钢丝的另一端同一浮体相连接，钢丝被拉紧而处于竖直位置，以它作基准，用坐标仪可以测定工作基准点的位移。变形观测中设置的基准点应进行定期观测，将观测结果进行统计分析，以判断基准点本身的稳定情况。变形是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域或空间域的变化。变形监测又称为变形测量或变形观测，变形测量则是对设置在变形体上的观测点进行周期性地重复观测，求得观测点各周期相对于首期的点位或高程的变化量。变形体用一定数量的有代表性的位于变形体上的离散点（称监测点或目标点）来代表，监测点的变形可以描述变形体的变形。变形分类：1）变形体自身的形变。变形体自身的形变包括：伸缩、错动、弯曲和扭转四种变形，2）变形体的刚体位移。刚体位移则含整体平移、整体升降、整体转动和整体倾斜。变形监测分类：（1）静态变形监测，静态变形是时间的函数，观测结果只表示在某一期间内的变形，静态变形通过周期测量得到。（2）动态变形监测，动态变形指在外力（如风、阳光）作用下产生的变形，它是以外力为函数表示的，动态变形需通过持续监测得到。变形观测对象1）研究全球性变形，如监测全球板块运动、地极运动、地球自转速率变化、地潮等；2）区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降；3）工程和局部性变形研究，工程变形监测一般包括工程（构）建筑物及其设备以及其他与工程建设有关的自然或人工对象，这是本课程研究的主要内容。工程变形的原因一、自然条件及其变化；二、与建筑物本身相联系的原因；三、勘测设计、施工及运营管理工作做的不合理，也会引起建筑物额外的变形。变形监测的内容1）垂直位移（沉降）监测2）水平位移监测3）倾斜监测4）裂缝监测5）挠度监测6）日照和风振监测等 变形观测的意义（1）首先是实用上的意义，主要是掌握各种工程建筑物的地质构造的稳定性，为安全诊断提供必要的信息，以便发现问题并采取措施；（2）其次是科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验证有关设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的预报模型 对于工程的安全来说：监测是基础，分析是手段，预报是目的。工程变形监测技术在工程和局部变形监测方面，地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专业的测量手段、以及以GPS为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。(1)常规大地测量方法常规大地测量方法的完善与发展，其显著进步是全站型仪器的广泛使用，尤其是全自动跟踪全站仪（RTS,Robotic Total Stati*），有时也叫测量机器人（Georobot）,为局部工程变形的自动监测或室内监测提高了一种良好的技术手段，它可以进行一定范围内无人值守、全天候、全方位的自动监测。实际工程试验表明，测量机器人监测精度可达亚mm级。最大的缺陷是受测程限制，测站点一般都在变形区域的范围之内。（2）地面摄影测量地面摄影测量技术在变形监测中的应用虽然起步较早，但是由于摄影距离不能过远，加上绝对精度较低，使得其应用受到局限，过去仅大量应用于高塔、烟筒、古建筑、船闸、边坡体等的变形监测。近几年发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广泛的前景。（3）特殊的测量手段光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量和倾斜测量。例如，遥测垂线坐标仪，采用自动读数设备，其分辨率可达0.01mm；采用光纤传感器测量系统将信号测量于信号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁干扰和抗恶劣环境的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。 （4）GPS空间定位技术。GPS用于变形监测的作业方式可划分为周期性和连续性（Episodic and Continuous Mode）两种模式。（5）3D激光扫描技术三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量、高精度地获取空间点位及其变化信息。2、动态（连续）监测与静态监测连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据序列。在动态监测方面，过去一般采用加速度计、激光干涉仪等测量设备测定建筑结构的振动特性，GPS作为一种新方法，由于其硬件和软件的发展与完善，特别是高采样率（目前有的已高达20Hz）GPS接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独特的优越性。静态监测是周期性的对建筑物进行变形观测。3.监测技术的发展趋势（1）多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪和GPS的应用，将走向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展；（2）变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据信息；（3）高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；（4）实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络监控是推动重大工程安全监控管理的必由之路。变形分析的