建筑物沉降观测ppt课件.ppt

建筑物沉降观测 1 楼倒倒 2009年6月27日 上海的一栋竣工未交付使用的高楼整体倒覆 官方以两次堆土施工为缘由 遭网友抨击 故得此称号 2 网友的调侃 民众的担忧 眼睛一闭一睁 楼倒了 你知道世界上最最痛苦的事情是什么吗 你买的不是倒的那栋楼 而是旁边那栋 你说质量不好吧 倒了又没有散架 你说质量好吧 没竣工就倒掉了 开发商说 站起来是房子 躺下去还是房子 那才是真的好房子 居民们说 住进去是死 不住进去也是死 那才是真的死 现场散发强烈的哥斯拉气味 经查明 该楼盘为聘用楼盘 现在变成只有天窗的联体别墅了 周围楼房情绪稳定 纷纷表示此楼倒下对他们影响不大 3 各种各样的楼XX与监测的关系 楼脆脆 楼垮垮 浙江桐乡 楼薄薄 业主丈量大约9厘米厚的楼板 如果出了问题 那么在施工单位之外承担责任的不应该是监管单位吗 监测单位应该具备什么样的职业道德 应该具备什么样的业务能力和素质来监控建筑物的建设质量 4 哈尔滨阳明滩大桥引桥发生坍塌 2011年11月6日 哈尔滨阳明滩大桥举行了通车剪彩仪式 黑龙江电视台播出 阳明滩大桥龙江建桥史上的奇迹 哈尔滨组织交通和桥梁方面专家分析阳明滩大桥引桥垮塌原因 专家表示虽然该段引桥整体倾覆 但桥面并未出现裂纹 说明整个桥梁质量是合格的 3辆大挂车近500吨重量侧压对桥体造成偏载 超出桥梁承载能力 我是一座合格的桥 我可能会塌 大车请绕行 8月24日5点30分哈尔滨阳明滩大桥发生断裂事故 桥上4辆大货车坠落桥底 据悉死伤人数为3死5伤 5 主要内容 第一讲 建筑物沉降概述第二讲 水准测量基本理论和方法第三讲 测量误差理论基础第四讲 建筑物沉降观测方法及实例 6 第一讲 建筑物沉降概述 内容 理解建筑物沉降 沉降差 挠度 相邻地基沉降和场地地面沉降的基本概念 了解建筑物沉降观测意义 了解建筑物沉降的常用观测方法 了解国家关于建筑物沉降观测的相关规范 了解我省当前建筑物沉降观测的状况 重点 建筑物沉降的相关基本概念以及沉降观测在城市和经济建设中的重要意义 常用沉降观测方法的种类 难点 建筑物沉降差的概念及其对建筑物安全的重要意义 7 建筑物沉降观测意义 对于大型工厂柱基 重型设备基础 振动较大的连续性生产车间 高层建筑物以及不良地基上的建筑物等 在建造和使用期间 由于荷载的增加和连续性的生产 会引起建筑物的沉降 如果是不均匀沉降 建筑物还会发生倾斜甚至产生裂缝 建筑物的这些变形在一定范围内时 可视为正常现象 但如果超过某一限度就会影响建筑物的正常使用 严重的还会危及建筑物的安全 8 建筑物沉降观测意义 因此在施工过程中和运营使用期间 应对建筑物进行变形观测 通过对变形观测数据的分析 掌握建筑物的变形情况 以便及时发现问题并采取有效措施 保证工程质量和生产安全 同时 变形观测也可以验证设计是否合理 为今后建筑物结构和地基基础的设计积累资料 严格地说 建筑物的变形是垂直方向和水平方向同时并存的 尤其是 不均匀的垂直位移往往伴随着主体的倾斜或水平位移 为了便于归纳 建筑变形测量规范 中对 垂直位移 和 水平位移 分别以 沉降 和 位移 进行归类 9 1 1建筑物沉降的基本概念 两个建筑物沉降案例 意大利比萨斜塔 由于地面沉降造成的昆明妙湛寺金刚塔整体下沉 10 身边的建筑物整体沉降实例 昆明妙湛寺位于官渡古镇 金刚塔由墩台 主塔和四小塔组成 整体用规则砂石砌筑 墩台呈正方形 每边宽9 8m 高4 7m 中央建喇嘛式主塔一座 总高17 13m 墩台现地面低于周围地面1 6米 在地下水位线260mm以下 造成塔基长期浸泡在水中 昆明市地面沉降 一书采用的素材 11 意大利比萨斜塔修建于1173年 1350年完工 为8层圆柱形建筑 开始时 塔高设计为100米左右 但动工五六年后 塔身从三层开始倾斜 因此 实际建成塔高54 5米 1990年 意大利政府将其关闭 开始进行整修 在其关闭之前 塔顶已南倾3 5米 意大利的伟大科学家伽俐略 曾在斜塔的顶层做过著名的自由落体运动的实验 让两个重量相差10倍的铁球 同时从塔顶落下 结果 两球同时着地 经典的基础沉降差异实例 3 5米 12 建筑物沉降的定义 建筑物沉降是地基 基础和上层结构共同作用的结果 属于建筑物变形范畴 其定义是建筑物地基 基础及地面在荷载作用下产生的竖向移动 根据其方向 可以分为上升和下沉 建筑物的竖向下沉或上升值称为沉降量 规范规定 当数值大于零时为下沉 反之为上升 但是这与人们的思维习惯和常见的数学坐标轴方向相反 因此 在日常作业中 我们往往采取 正升负降 的表示习惯 实际工作中 对资料的处理方面要与施工方 监理方等相关单位方充分沟通 便于资料的分析使用 避免造成对建筑物的变形状况的错误判断 13 习惯采用的时间 累计沉降曲线 14 均匀沉降和差异沉降的概念 当同一建筑物不同部位在同一时间段的沉降量相同时 表现为建筑物的均匀竖向下沉或上升 称为均匀沉降 相反 由于建筑物的地基条件差异 基础及结构的设计和施工瑕疵 各部位荷载差异或者外力干扰而造成的同一建筑不同部位在相同时间段内存在的沉降量差值 称为差异沉降 当一个建筑存在沉降差异时 往往表现为建筑物出现倾斜 甚至由于结构体纵向受剪切而出现裂缝 将严重建筑物的安全 沉降观测中 引入了挠度的概念 用于表达建筑的基础 上部结构或构件等在弯矩作用下因挠曲引起的垂直于轴线的线位移 15 相邻地基沉降 相邻地基沉降是由于毗邻的建筑间的荷载差异引起的相邻地基土应力重新分布而产生的附加沉降 随着经济的发展 城市建设速度加快 城市单位土地面积上的建筑荷载力在不断增加 建筑物的密集日益加剧 新建建筑物的荷载差异造成的对周围环境 尤其是对相邻建筑物的影响也日益突出 为了检测和评估新建建筑物对相邻建筑物的影响程度 以保证这些建筑和用户的安全 相邻地基沉降的观测也越来越重要 目前 从开展的建筑物沉降工作量来看 施工场地周围建筑物的沉降观测占着很大比重 且往往与周边居民的利益息息相关 受到高度重视 这类沉降观测除了经济效益外 同时具有很高的社会效益 从业者除应具备很强的业务能力之外 也要有很强的社会责任感 16 场地地面沉降 由于长期降雨 管道漏水 地下水位大幅度变化 大面积堆载 地裂缝 大面积侵蚀 砂土液化以及地下采空等原因引起的一定范围内的地面沉降称为场地地面沉降 90年代开展的 昆明市地面沉降研究 是我省到目前为止开展的最大规模的城市地面沉降观测研究项目 研究区包括昆明4个城区及呈贡县城在内的面积约2500KM2的范围 本项目承担单位是云南省地震局 采用传统的大地测量方法进行监测 以期查明昆明市地面沉降的分布范围 总体状况及沉降的量级和速率 1 水平形变监测是为了探讨监测区内活动断裂是否对昆明地面沉降有直接或间接的制约作用 测量作业采用美国K E公司生产的RM 型精密激光测距仪 2 通过 等精密水准测量重复观测各水准点的高程变化 精确地了解地面的垂直运动 17 常用沉降观测方法 水准测量 即几何水准 方法 静力水准测量 基本原理是连通管原理 电磁波测距三角高程测量方法 传感器 高精度GPS测量等 18 静力水准测量 静力水准仪是一种高精密液位测量系统 该系统适用于测量多点的相对沉降 在使用中 多个静力水准仪的容器用通液管联接 每一容器的液位由磁致伸缩式传感器测出 传感器的浮子位置随液位的变化而同步变化 由此可测出各测点的液位变化量 在静力水准仪的系统中 所有各测点的垂直位移均是相对于其中的一点 又叫基准点 变化 该点的垂直位移是相对恒定的或者是可用其它方式准确确定 以便能精确计算出静力水准仪系统各测点的沉降变化量 静力水准仪有多种类型 包括 振弦式 电阻式 液位式等等 19 沉降观测方法的选取 具体工作中采用什么方法进行沉降观测 应以该方法能够反映预估的建筑物的沉降量为基本要求 一般 我们要求观测方法的分辨率能够达到沉降量的十分之一为指标进行选择 并且考虑实际工作的方便性和适宜性因素 通常 建筑物沉降观测是用水准测量方法 根据水准点定期测定建筑物上所埋设的沉降观测点高程的工作 它比较全面地反映了建筑物随着工程进展 荷载增加 观测点高程变化的实际情况 及时获取威胁建筑物安全的下沉 或上升 数据 并为以后合理设计提供资料 20 沉降观测的相关规范 现行的国家建筑物变形测量行业标准为国家建设部2007年9月4日发布 2008年3月1日开始实施的 建筑变形测量规范 JGJ8 2007 该规范适用于工业与民用建筑的地基 基础 上部结构及场地的沉降观测 位移测量和特殊变形测量 对建筑物变形观测所应采用的观测方法 仪器设备 测量精度以及各种应提交的观测数据 成果 图件和分析方法进行了规定 是建筑物变形测量工作必须严格执行的行业技术标准 此外 对于该 建筑变形测量规范 不能覆盖的沉降观测过程中遇到的一些技术要求 应符合 国家一 二等水准测量规范 GB12897和 国家三 四等水准测量规范 GB12898的相应规定 21 我省建筑物沉降观测现状 云南省的建筑物沉降观测开始于上世纪80年代 在我省经济快速发展的近二十多年里 大量的工业建筑 高层和超高层民用建筑的建设 推动了建筑物变形 特别是沉降观测和研究的发展 如昆明新机场等大型建设项目 对建筑物的沉降观测要求极高 将极大地推动我省的建筑物变形测量技术的进步 云南地处多地震地区 小震不断 破坏性地震时有发生 为保证建筑物的安全 对建设和使用过程中的建筑物变形 特别是建筑沉降的观测尤为重要 特别是近几年在城市建成区进行的高层和超高层建筑物的建设中 如世纪广场 佳华广场等 除进行新建大厦的沉降观测以外 增加了相邻地基沉降的观测 沉降观测的内容得到了大幅度的充实 基本覆盖了 建筑变形测量规范 的内容 22 我省建筑物沉降观测现状 另外 作为省会城市的昆明 随着城市的不断增容 城市面积不断扩大 围海造田形成的滇池湖滨地区也逐步成为当前城市建设的重要组成部分 该区域地质条件较差 目前不具备建造高楼大厦的地质条件 即便建造较低层建筑 软弱的回填地基存在承载力弱且承载力分布不均衡的特点 因此 类似区域的建筑物迫切需要进行包括建筑物主体 相邻地基和场地地面沉降的观测 回顾云南省二十多年的建筑物沉降观测历程 开展的大量民用建筑 部分工业建筑物和超高层标志性建筑的沉降观测 取得了海量的建筑物变形第一手观测资料 通过对这些数据的分析 得到了建筑物的设计 施工 地基地质条件等各方面的宝贵参数信息 为今后的设计和施工积累了大量的资料 同时 参与沉降观测的监测和检测单位 严格执行国家规范 取得的可靠的观测资料真实地反映了建筑物施工过程中出现的各种变形异常 取得的建筑物变形趋势预测结果 为建筑物的后续施工方案的修改 甚至是设计方案的更改 保证建筑物安全起到了重要作用 为我省的城市和经济建设做出了巨大贡献 23 第二讲 水准测量基本理论和方法 内容 理解水准测量的基本原理 掌握微倾式水准仪 自动安平水准仪的构造特点 水准尺和尺垫 掌握水准仪的使用及检校方法 掌握水准测量的外业实施 观测 记录和检核 及内业数据处理 高差闭合差的调整等 方法 了解水准测量的注意事项 精密水准仪操作方法 重点 水准测量原理 水准测量的外业实施及内业数据处理 难点 水准仪的检验与校正和内业数据处理 24 2 1高程测量的概念 测量地面上各点高程的测量工作 称为高程测量 高程测量根据所使用的仪器和施测方法的不同 分为 水准测量 三角高程测量 气压高程测量 流体静力水准测量和GPS高程测量 水准测量具有观测精度高 观测和计算处理方法简单的优点而得到广泛应用 25 气压高程测量 根据大气压力随高程变化的规律 用气压计测定两点的气压差推算高差的方法 大气压力常以水银柱高度表示 温度为0 时 在纬度45 处的平均海面上大气平均压力约为760毫米水银柱 每升高约11米 大气压力减少1毫米水银柱 一般气压计读数精度可达0 1毫米水银柱 约相当于1米的高差 由于大气压力受气象变化的影响较大 气压高程测量精度低于水准测量和三角高程测量 主要用于高差较大的丘陵地和山区的勘测工作 通常用空盒气压计和水银气压计 前者便于携带 多用于野外作业 后者常用于固定测站或检验前者 26 2 2水准测量原理 通常 水准测量有高差法和仪高法两种各种测量方法 其中 仪高法的观测精度较低 不适于做高精度的沉降观测 因此 下面主要介绍高差观测法 水准测量的原理是利用水准仪提供的 水平视线 测量两点间高差 从而由已知点高程推算出未知点高程 27 2 2水准测量原理 28 标尺读数与测点地势的关系 根据公式 当hAB为负值时 表示沿观测路线方向地势为下坡 相反为上坡 29 2 2水准测量原理 转点的概念 当地面上两点的距离较远 或两点的高差太大 放置一次仪器不能测定其高差时 就需增设若干个临时传递高程的立尺点 称为转点 由多个测站和多个转点的成组连接 形成一个测段 就是连续水准测量方法 30 连续水准测量 在实际水准测量中 A B两点间高差较大或相距较远 安置一次水准仪不能测定两点之间的高差 此时有必要沿A B的水准路线增设若干个必要的临时立尺点 即转点 用作传递高程 根据水准测量的原理依次连续地在两个立尺中间安置水准仪来测定相邻各点间高差 求和得到A B两点间的高差值 31 连续水准测量 前进方向 h1 a1 b1h2 a2 b2 则 hAB h1 h2 hn h a b结论 A B两点间的高差等于后视读数之和减去前视读数之和 32 2 3水准仪和水准尺 为水准测量提供水平视线并在水准尺上读数的仪器称为水准仪 水准仪的种类 型号很多 按其精度可以分为DS05 DS1 DS3等型号 其中 D 和 S 分别表示 大地测量 和 水准仪 其下标是该类仪器每公里水准测量高差中数偶然中误差 以毫米计 根据光学结构特点 水准仪又可以分为 微倾式 和 自动安平式 水准仪两种 对于 自动安平式 水准仪 其精度等级依次为DSZ05 DSZ1 DSZ3等 其中的字母表示自动安平 33 常见水准仪类型 微倾式水准仪 自动安平水准仪 电子水准仪 电子水准仪能够自动进行读数 取代人工读数 可以极大地提高观测效率 减少出错概率 34 水准仪的结构 水准仪由望远镜 水准器和基座三部分组成 望远镜的作用是准确瞄准目标并在水准尺上进行读数 水准仪的水准器有圆水准器和管水准器两种 其作用是标示仪器竖轴是否竖直 视准轴是否水平的部件 基座主要由轴座 脚螺旋 底板和三角压板组成 其作用是支撑仪器上部并用连接螺旋与三脚架连接 35 水准尺及种类 水准测量使用的标尺称为水准尺 是水准测量的高差度量工具 主要有 单面尺 双面尺和塔尺等几种类型 以及配合电子水准仪使用的条码标尺 通常用干燥 优质的木材制成 也有用玻璃钢 铝合金等材料制成 用于建筑物沉降等高精度的水准测量时 应该采用温度膨胀系数很小的因钢标尺 除条码尺外 一般最小刻划为0 5厘米 双面标尺和塔尺 单面双刻划标尺 条码式电子水准仪标尺 36 尺垫 尺垫是在连续水准测量过程中 放置在高程传递的转点上 以防止观测过程中水准尺下沉的装置 尺垫 37 水准仪的使用 在一个测站上 水准仪的基本操作程序包括以下步骤 安置仪器粗略整平对光和照准精确整平 仅微倾式水准仪需要 读数 38 安置仪器 安置仪器的过程是将水准仪器安置到脚架上的过程 仪器安置高度应适中 与观测员身高相适应 目估架头大致水平 并牢固地架设在地面上 39 粗略整平 粗略整平简称粗平 是转动三个脚螺旋使圆水准器气泡居中 达到仪器竖轴竖直 仪器旋转时 为视线在各方向精确水平创造条件 1 方法 对向转动脚螺旋1 2 使气泡移至1 2方向的中间 转动脚螺旋3 使气泡居中 2 规律 气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致 圆水准器调节方法 40 对光和照准 对光和照准是为了精确读取水准标尺的刻划和注记而调整望远镜的目镜 物镜的焦距和视线方向的过程 一般按以下五个过程 1 目镜对光2 概略照准3 物镜对光4 精确照准5 消除视差 41 目镜对光 调节目镜对光螺旋 使十字丝清晰 目镜对光螺旋 望远镜十字丝 42 概略照准 松开制动螺旋 转动望远镜 用望远镜上的准星和照门 缺口 瞄准水准尺 然后旋紧制动螺旋 照门 准星 瞄准器 制动旋钮 43 物镜对光 转动物镜对光螺旋 使水准尺成像清晰 物镜对光螺旋 44 精确照准 转动望远镜的微动螺旋 使十字丝纵丝照准水准尺边缘或纵丝平分水准尺 以利于用中横丝的中央部分截取水准尺读数 45 消除视差 视差是指眼睛在目镜端上下移动时 十字丝与目标像 水准尺像 有相对运动 视差对照准和读数影响很大 故在读数前必须予以消除 视差产生的原因是目标像平面与十字丝平面不重合 消除方法是仔细重新进行物镜对光 如果仍然不能消除 须再重新进行目镜对光 直至成像清晰 读数不变为止 46 精平与读数 转动微倾螺旋使符合水准器的气泡吻合 表示视线精确水平 随即可以读数 对于自动安平水准仪 仪器内部有一个补偿透镜 能够对一定范围内的视准轴不平行进行补偿 因此 该类水准仪没有管水准器 不需要进行精平操作 调节脚螺旋使圆水准器居中 即可照准标尺进行对光 读数 电子水准仪也不需要精平操作 圆水准器居中 即可照准标尺进行对光 读数 47 读数方法示意 精密水准仪配套使用的水准尺 尺面注记的特点是 尺面注记的各分划数值均为实际长度的2倍 即5cm的格值注记为1分米 因此 在尺面上读数的1 2才是实际读数 所以用这种尺测量高差时 须将观测高差值除以2 才是实际高差 48 2 4水准测量的实施与成果整理 通过水准测量方法获得其高程的高程控制点 称为水准点 水准点可作为引测高程的依据 水准点有永久性和临时性两种 永久水准点是国家有关专业测量单位 按统一的精度要求在全国各地建立的国家级的水准点 沉降观测中埋设的沉降观测点属于临时水准点 一般在项目完成之后就不再使用 49 水准路线 由一系列水准点间进行水准测量所经过的路线 称为水准路线 水准路线依据工程的性质和测区情况 可布设成以下三种形式 闭合水准路线附和水准路线支水准路线以上三种水准路线 我们叫做单一水准路线 50 闭合水准路线 由已知点水准点BM1经过一系列的未知高程点的水准测量之后 又回到原已知点BM1的水准路线称为闭合水准路线 或简称水准环线 建筑物变形测量规范规定 建筑物的沉降观测应尽量采用闭合水准路线进行沉降点的高程联测 51 附和水准路线 两个不同的已知水准点之间的水准测量路线 称为附合水准路线 如从已知点BM1到已知点BM2的水准测量方法 52 支水准路线 由一个已知点BM1到某一待定水准点A的水准测量路线 称为水准支线 由于水准支线没有路线闭合 或附合差 校核 路线高差没有多余观测而无法进行路线高差的平差计算 因此 除非不具备闭合和附和路线条件 不宜在高精度的水准测量中采用 53 水准网 若干条单一水准路线相互连接构成的较复杂的网络图形 称为水准网 因此 单一水准路线不包括水准网 54 水准测量的实施 外业 1 单站水准测量的施测方法 一个水准测站的安置 应在两点之间前 后视距大致相等处安置仪器 进行粗平 前后视距差应符合规范要求 为及时发现观测中的错误 通常采用 两次仪器高法 或 双面尺法 关于这两种观测方法的限差应符合国家相关规范中规定 瞄准水准点 后视点 上的水准尺 精平后用中横丝读数 后视读数 松开制动螺旋 瞄准待定点 前视点 上所立的水准尺 精平以后用中横丝读数 前视读数 计算本站高差 或按此高差再推算待定点高程 即完成一个测站的施测工作 根据规范规定 对于各种不同等级的水准测量 不同观测方向 如往测或返测过程 的不同测站序号的读数顺序有具体规定 以消除尺垫下沉误差 如 后前前后 前后后前 后后前前等 55 水准测量的实施 外业 2 连续水准测量施测方法 在实际测量工作中 由于起点和终点间距离较远或高差较大 安置一个测站不能全部通视 需要把两点间距分成若干段 然后连续多次安置仪器 重复一个测站的简单水准测量过程 这样的水准测量称为连续水准测量 其特点就是工作的连续性 如图所示 由已知水准点BMA起始 向待定高程的BMB点进行水准测量 若为闭合水准路线 则最后回到起始点 施测过程相似 56 水准测量的实施 外业 3 水准测量记录表水准测量中 把安置仪器的位置称为测站 立尺的位置称为测点 各测站观测的后视读数 前视读数 高差的计算 高程的推算均应随测随记 并保证记录的原始性和真实性 1 起始点只有后视读数 结束点只有前视读数 中间点既有后视读数又有前视读数 2 只表明计算无误 不表明观测和记录无误 57 水准测量的检核和成果处理 一般情况下 水准测量都形成一定规模的水准路线 而水准路线由一系列的水准测站组成 因此 水准测量的检核和成果处理包括对测站数据和路线数据的检核与处理 测站检核 只能检核单个测站的观测精度 一般在野外测量过程中根据规范要求即时进行检核 超限时将即时进行重测 至于转点位置变动 外界环境的影响等 虽然在一个测站上反映不明显 但是这些误差积累的结果会影响整个路线成果的精度 因此必须进行路线成果的检核 检核的方法是将路线观测高差与理论高差值相比较 其差值称为高差闭合差 用来检查错误和评定水准路线成果的测量精度 58 计算闭合差 1 闭合水准路线 根据网型 闭合水准路线各段高差代数和的理论值应等于零 但实际上 由于各站观测高差存在误差 致使各段观测高差的代数和不等于零 称之为闭合差 即2 附合水准路线 对于附合水准路线 路线上各段高差代数和的理论值应等于两个水准点间的已知高差 同样由于有测量误差 致使各段观测高差的代数和不等于理论值而产生高差闭合差 即 59 容易混淆的概念 水准测量中 当要求进行往返测 单程双测站或单程双路线观测时 对每一测段均至少有两个观测高差 其中 往返测的高差符号相反 其余两种观测的高差符号一致 对此两个高差的互差 往返不符值 或者双路线所测高差之差 规范有相应的限差规定 允许误差与测站数或路线长度有关 该误差容易与闭合路线的闭合差或者附合路线的附合差相混淆 记住一个最重要的区别 闭合差或者附合差 是与路线相关的 可能是一个环线 或者一个附合路线 往返不符值 或者双路线所测高差之差针对的是一个测段而言 即一个闭合路线或者一个附合路线 由多个测段组成 相应有多个往返不符值 或者双路线所测高差之差 60 分配闭合差 1 高差闭合差限差 容许误差 水准测量中产生的路线闭合差 根据水准测量等级的不同 规范规定了相应的限差 容许误差 该容许误差除与观测等级有关外 往往使用路线长度或者测站数进行规定 如mm的规定中 N为路线的测站数 关于该限差的具体数值 请参照相关规范的规定 高差闭合差的分配又叫平差计算 是为了分配观测误差 要强调的一点是 平差计算并不能提高观测精度 也不能提高成果质量 只能从数学上比较合理地分配野外观测中引入的偶然误差 并得到一个精度评定结果 61 分配闭合差 2 分配原则 根据误差传播律 水准测量的精度与路线长度 或者测站数 成反比 即观测的路线越长 测站数越多 观测的误差累积将越大 精度越低 因此 水准路线的闭合差的改正值与距离L或测站数n成正比 即使用路线长度或者测站数作为权重 将高差闭合差反号分配到各段高差上 62 计算待定点高程 待定点就是我们常常说的未知高程值的测点 可以是在进行控制测量中的水准点 也可能就是进行建筑物沉降观测时安置在建筑物上的沉降点 用经过闭合差改正 正高改正等各项改正后的高差和已知点的高程 来逐段推算各待定点的高程 已知点就是高程值为已知的水准点 一般是更高等级的水准测量得到的水准点 可能是国家等级水准点 也可能是进行建筑物沉降观测中的控制点 工作基点 检测点等 63 水准测量的成果实例 例 如图为按图根水准测量要求施测某附合水准路线观测成果略图 BM A和BM B为已知高程的水准点 图中箭头表示水准测量前进方向 路线上方的数字为测得的两点间的高差 以m为单位 路线下方数字为该段路线的长度 以km为单位 试计算待定点1 2 3点的高程 64 解算步骤 第一步计算高差闭合差 第二步计算限差 65 解算步骤 第三步计算每km改正数 第四步计算各段高差改正数 四舍五入后 使故有 V1 8mm V2 11mm V3 8mm V4 10mm 66 解算步骤 第五步计算各段改正后高差后 计算1 2 3各点的高程 改正后高差 改正前高差 改正数ViH1 HBM A h1 V1 45 286 2 323 47 609 m H2 H1 h2 V2 47 509 2 802 50 411 m H3 H2 h3 V3 50 311 2 252 48 159 m HBM B H3 h4 V4 48 059 1 420 49 579 m 67 第三讲 测量误差理论基础 内容 了解测量误差来源及产生的原因 掌握系统误差和偶然误差的特点及其处理方法 理解精度评定的指标 中误差 相对误差 容许误差 的概念 了解水准测量各项误差及减少误差应注意的事项 了解误差传播定律的应用 重点 系统误差和偶然误差的特点及其处理方法 水准测量各项误差及减少误差应注意的事项 难点 中误差 相对误差 容许误差的概念 误差传播定律的应用 68 3 1测量误差的概念 在同一量的各观测值之间 或在各观测值与其理论上的应有值之间存在差异的现象 在测量工作中是普遍存在的 这是由于观测值中包含有观测误差的缘故 观测误差的产生 原因很多 概括起来有以下三个方面 测量仪器观测者外界条件 69 测量仪器引起的误差 测量工作通常是利用测量仪器进行的 由于每一种仪器只具有一定限度的精密度 因而使观测值的精密度受到了一定的限制 同时 仪器本身也有一定的误差 例如水准仪的视准轴不平行于水准轴 水准尺的分划误差等等 因此 使用这样的水准仪和水准尺进行观测 就会使水准测量结果产生误差 70 观测者引起的误差 由于观测者的感觉器官的鉴别能力有一定的局限性 所以在仪器的安置 照准 读数等方面都会产生误差 同时 观测者的工作态度和技术水平 也是对观测成果质量有直接影响的重要因素 71 外界条件引起的误差 观测时所处的外界条件 如温度 湿度 风力 大气折光等因素都会对观测结果直接产生影响 同时 随着温度的高低 湿度的大小 风力的强弱以及大气折光的不同 它们对观测结果的影响也随之不同 因而在这样的客观环境下进行观测 就必然使观测的结果产生误差 72 测量误差的分类 误差按其对测量结果影响的性质 可分为系统误差和偶然误差 系统误差与偶然误差在观测过程中总是同时产生的 73 系统误差 1 定义 在相同观测条件下 对某量进行一系列观测 如误差出现符号和大小均相同或按一定的规律变化 这种误差称为系统误差 2 特点 具有积累性 对测量结果的影响大 但可通过一般的改正或用一定的观测方法加以消除 3 举例 如标尺长度误差 标尺零点差 水准仪i角误差等 可以分别采用双数站上点和保持前后尺视距相等的方法进行消除 74 偶然误差 1 定义 在相同观测条件下 对某量进行一系列观测 如误差出现符号和大小均不一定 这种误差称为偶然误差 但具有一定的统计规律 2 特点 1 具有一定的范围 2 绝对值小的误差出现概率大 3 绝对值相等的正 负误差出现的概率相同 4 数学期限望等于零 即 75 偶然误差的统计规律 偶然误差分布频率直方图 76 3 2衡量精度的指标 在一定的观测条件下进行的一组观测 它对应着一种确定的误差分布 如果分布较为密集 即离散度较小时 则表示该组观测质量较好 也就是说 这一组观测精度较高 反之 如果分布较为离散 即离散度较大时 则表示该组观测质量较差 也就是说 这一组观测精度较低 因此 所谓精度 就是指误差分布的密集或离散的程度 也就是指离散度的大小 假如两组观测成果的误差分布相同 便是两组观测成果的精度相同 反之 若误差分布不同 则精度也就不同 77 3 2衡量精度的指标 在实际工作中 人们需要对精度有一个数字概念 这个具体的数字应该能够反映误差分布的密集或离散的程度 即应该能够反映其离散度的大小 因此称它为衡量精度的指标 测量上常见的精度指标有 方差和中误差 相对误差 极限误差 78 方差和中误差 方差 某量的真误差 求和符号 规律 标准差 估值 中误差m 绝对值愈小 观测精度愈高 在测量中 n为有限值 计算中误差m的方法 有以下两种 79 用真误差来确定中误差 适用于观测量真值已知时 真误差 观测值与其真值之差 有 标准差中误差 标准差估值 n为观测值个数 应用实例 测角三角网中 单个三角形的三个内角观测值之和与理论值180 之差 即真误差 闭合水准路线的各测段高差之和应为0 如不为0 该闭合差为真误差 80 用改正数来确定中误差 白塞尔公式 适用于观测量真值未知时 V 最或是值与观测值之差 一般为算术平均值与观测值之差 即有 81 相对中误差 对于某些观测结果 有时单靠中误差还不能完全表达观测结果的好坏 例如 分别丈量了1000m及80m的两段距离 观测值的中误差均为 2cm 虽然两者的中误差相同 但就单位长度而言 两者的精度并不相同 显然前者的相对精度比后者要高 此时 须采用另一种办法来衡量精度 通常采用相对中误差 它是中误差与观测值之比 相对中误差是个无名数 在测量中一般将分子化为1 即用表示 1 相对中误差 2 往返测较差率K 82 极限误差 容许误差 偶然误差服从正态分布 即一组正常的观测值中 误差数值大的出现概率小 而数值小的出现概率大 根据概率论 绝对值大于三倍中误差的偶然误差出现的概率接近于零 是小概率事件 或者说这是实际上的不可能事件 因此 通常以三倍中误差作为偶然误差的极限值 并称为极限误差 实践中 也有采用2 作为极限误差的 实用上 则以中误差的估值m代替 即以3m或2m作为极限误差 在测量工作中 如果某误差超过了极限误差 那就可以认为它是错误 相应的观测值应舍去不用 83 3 3误差传播定律及其应用 一 误差传播定律在实际测量工作中 某些量是我们无法直接观测得到的 而是由观测值通过一定的函数关系间接计算出来的 即常常遇到目标量是观测值的函数 如 一个水准测站的高差由公式求得 其中高差h是我们需要的最终观测结果 标尺读数a和b是我们能够直接观测的数值 当我们知道了标尺读数的误差时 如何计算得到高差观测值的误差呢 这两个误差之间存在什么样的关系呢 我们将这种关系成为误差传播定律 84 3 3误差传播定律及其应用 一般地 我们往往观测得到的是设 为相互独立的直接观测量 且存在函数关系则有 上式即为观测值函数的误差计算公式 即误差传播律 85 误差传播律应用 在水准测量中 读数a与b的误差分别为ma 3mm与mb 4mm 则高差h的中误差mh等于多少 解 高差计算公式为 h a b由函数形式可知其属于和差函数 则根据误差传播定律可知 mh 86 3 4水准测量误差及注意事项 我们知道 测量误差的产生有仪器设备 测量仪器 观测方法 观测者 和观测条件 外界条件 等几个因素 同样 水准测量的误差来源也与上述几个因素有关 87 仪器设备误差及注意事项 视准轴与水准管轴不平行的误差仪器经过校正 还会有两轴不平行的残余误差 称为i角 这项误差的大小是与仪器至标尺的距离成正比的 所以在观测时采用前 后视距相等的方法可减弱或消除此项误差影响 88 设仪器i角值为i 后尺视距为La 后尺读数 视准轴高度 为a 前尺视距为Lb 前尺读数 视准轴高度 为b 从上图 根据三角函数 由于水准管轴和视准轴不平行引起的后尺和前尺的标尺读数误差分别为 对于同一台仪器 在仪器状态稳定的时候 i角时不变的 因此 对于前后尺的读数 如果视距La和Lb相等的时候 i角引起的误差是数值相等 符号一致的 根据高差的计算公式 因此 当前后尺视距相等时 较小的i角误差可以得到消除 但如果i角数值超过规范规定 必须对仪器进行i角校正 i角误差及其消除方法 视准轴 水准管轴 89 水准尺的误差及消除方法 这项误差包括尺长误差 分划误差和零点误差 对于尺长误差和分划误差不符合规定要求的水准尺 均不能使用 分划误差是一个随机误差 没有办法消除 因此 超过限差 标尺不能使用 尺长误差为一个系统误差 可以采用数学方法进行改正 前提是尺长误差应符合规范要求 90 一对标尺零点不等差及消除方法 水准尺低端磨损或底部粘上泥土 致使尺底的零点位置发生改变 称为水准尺零点误差 测量时由于用的一副 二根 尺 尺底磨损情况不同 因此引起一副尺零点差 测量过程中 用两根尺交替作为后视尺和前视尺 并在每测段设置偶数站施测 则可消除此项误差的影响 91 一对标尺零点不等差及消除方法 在建筑物沉降观测中 由于测点设置比较密集 两个相邻测点往往仅有十几米到几十米 意味着随时可能都要上点 在实际操作中 保证两个相邻测点间均以偶数站施测 一定程度上影响工作效率 因此 在 建筑变形测量规范 中规定 可以单数站上点 但是必须加入零点不等差改正 在此需要特别注意 即使采用加入零点不等差改正来消除单数站上点时的零点不等误差 也必须正确跟踪标尺放置位置 因为一对标尺的零点不等差是与标尺的放置顺序密切相关的 如果标尺放置顺序跟踪错误 改正数的符号将相反 改正数值翻倍 造成错误的改正 92 一对标尺零点不等差及消除方法 设a号尺和b号尺组成一对野外测量使用的标尺 且两根标尺存在的零点不等差为 h零 我们假设该零点差是因为a号尺底部存在磨损 b号尺没有磨损 将该误差直接加到a尺上 即仪器在a号尺上的读数为a h零 当在奇数站观测时 a尺在后 b尺在前 测站高差为h单 a单 h零 b单 在双数站时 b尺在后 a尺在前 测站高差为h双 b双 a双 h零 假设该测段一共为两站 则测段高差为 h单 h双 a单 h零 b单 b双 a双 h零 a单 h零 b单 b双 a双 h零 a单 b单 b双 a双可见 零点差得到消除 93 观测误差及注意事项 观测过程中引入的误差一般包括 水准管气泡未严格居中估读水准尺的读数误差视差未消除水准尺倾斜的误差 94 观测误差及注意事项 水准管气泡未严格居中气泡未严格居中 是由于操作不认真和人眼鉴别能力有限等原因造成的 因此 对于微倾式水准仪 每次读数前都要仔细使水准管气泡精确居中 并且立即果断读数 对于自动安平水准仪和电子水准仪 无管水准 95 观测误差及注意事项 估读水准尺的读数误差此项误差除与人眼分辨能力有关外 还与望远镜放大率和照准目标的距离有关 因此 行业规范中 对不同等级的水准测量规定了最长视距限制 96 观测误差及注意事项 视差未消除由于存在视差 对读数会带来很大误差 需要将物镜和目镜再次仔细对光 直至消除视差为止 97 观测误差及注意事项 水准尺倾斜的误差水准尺左右倾斜 观测者在望远镜中很容易发现并能及时纠正 水准尺前后倾斜 在望远镜中不易发现 由此带来的读数误差较大 读数时将水准尺前后慢慢俯仰 望远镜内看到读数随之变化 当尺子扶直时 读数最小 所以应读最小的数 98 外界条件的影响及注意事项 地球曲率和大气折光的影响对于一个小区域 地球曲率和大气折光系数可以认为是一个定值 因此 对该类影响可以采用等距离观测法来削弱 但是对于大气折光的影响 视线越接近地表 由于地表温度差异较大 造成大气折光变化更加复杂 大气折光对读数精度的影响也越大 因此 在各等级的水准测量规范中 均做了最低视线的限制 中天 即正午前后一段时间 期间由于太阳光线照射强烈 地表温度较高 大气折光较强 因此 对于高等级水准测量 规定中天时段禁止观测 也是为了减少大气折光的影响 99 外界条件的影响及注意事项 阳光照射当水准管受到烈日的直接照射时 气泡会向温度高的方向移动 因此影响视线的精密水平 所以烈日下作业应撑伞遮阳避免气泡不稳 100 外界条件的影响及注意事项 风力影响当风力较大时 仪器受风的吹动 致使视线跳动引起读数误差 所以当风力超过四级时应停止施测 对于电子水准仪 大风力容易造成较大读数误差 甚至不能正常读数 101 沉降观测中测点的误差来源 沉降观测属于水准测量的范畴 具体来说属于水准复测方法 因此 除具有常规水准测量的存在的误差外 还有起算点变动带来的误差 102 水准测量的团队精神作用 为提高测量成果的精度 测量过程中对每一个数字 每一步操作 都要认真 不出差错 要认识到偶然的粗心大意就可能造成局部或全部的返工 测量工作是一项集体完成的任务 观测 记录 扶尺人员都要互相协作 紧密配合 要有团队精神 同时 对于建筑物沉降观测 相比等级路线水准测量 测量环境更加复杂 虽然路线较短 但是处在施工区域 各种危险因素 不稳定因素 视线遮挡等情况时常困扰着现场测量人员 测量作业组更加需要团结协作 应以优质的观测质量尽快完成现场作业 尽可能减少外业返工的情况 103 第四讲 建筑物沉降观测方法及实例 内容 建筑物沉降观测的等级划分 沉降观测方法及各种观测限差规定 建筑物沉降状态的判定指标以及不同阶段的观测方案 各种沉降观测参量的计算 建筑物沉降观测应提交的成果资料 图表类型 某建筑物沉降的项目实例 重点 沉降观测方法 建筑物沉降状态判定指标及观测方案 掌握各种参数的计算和图表的制作方法 难点 建筑物沉降状态判定指标的理解和不同阶段的观测方案 以及阶段或最终报告的编写 104 观测建筑类型规定 建筑物变形测量规范 规定 下列建筑在施工和使用期间应进行变形测量 地基基础设计等级为甲级的建筑 复合地基或软弱地基上的设计等级为乙级的建筑 加层 扩建建筑 受邻近深基坑开挖施工影响或受场地地下水等环境因素变化影响的建筑 需要积累经验或进行设计反分析的建筑 105 高程系统选择 沉降观测的高程系统宜采用国家高程系统或所在地方使用的高程系统 也可采用独立系统 我国目前采用的高程基准是 1985年国家高程基准 当采用独立系统时 必须在技术设计书和技术报告书中明确说明 106 观测等级确定 沉降观测工作开始之前 应根据建筑地基基础设计的等级和要求 测量目的 任务要求以及测区条件进行施测方案设计 确定精度级别 一般情况下 可根据需要按变形观测点的高程中误差或相邻变形观测点的高差中误差 确定监测精度等级 一个测区的精度级别一旦确定 将决定测点布设 观测方法 使用的仪器设备等一系列要求 各等级建筑物沉降观测的精度指标和使用范围见下表 107 观测等级确定 建筑沉降观测的级别 精度指标及其使用范围 108 观测点的布置和埋设 建筑物沉降观测是建筑质量和安全的检测 测量和监视的过程 一个稳定的基准 是测量和评价被监测对象的质量和安全状态的重要前提 因此 沉降观测的观测点布置和埋设包括以下两个方面 高程基准点和工作基点的布置和埋设沉降点的布置和埋设 109 高程基准点和工作基点的布置和埋设 网型布设 沉降观测是通过水准复测方法获得设置在建筑物上的沉降观测点的高程变化的 水准测量是建立在高差测量基础上的 不能直接获得未知点的精密高程值 因此 沉降观测中必须设置高程基准点 即高程为已知的固定水准点 以便在后续的观测中从该点进行未知点的高程推算 当基准点离所测建筑距离较远致使水准测量作业不方便 甚至可能造成测量精度显著降低时 应设置工作基点 因此 监测基准网应由基准点和部分工作基点组成 110 高程基准点和工作基点的布置和埋设 网型布设 为了确定高程基准点是否稳定可靠 特级沉降观测的高程基准点数量不应少于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 基准点和工作基点应形成闭合环或形成由附合路线构成的结点网 111 高程基准点和工作基点的布置和埋设 网型布设 客观地说 沉降观测仅仅是为了监测建筑物在施工和使用过程中的稳定状况 保证建筑物的施工质量和安全 采用何种高程系是无关紧要的 只要能够保证基准点是稳定可靠的 可以为沉降点的变形测量提供基准即可 但是 出于数据连续性 施工可以使用 规范性和方便检查等几个因素的考虑 沉降观测中应尽量采用与地方坐标 或施工坐标 有联系的高程为起算值 112 高程基准点和工作基点的布置和埋设 点位选择和埋设 沉降观测的工作基点应设置在观测区域以外 位置稳定 易于长期保存的地方 在建筑区内 其点位与邻近建筑的距离应大于建筑基础最大宽度的2倍 其标石埋深应大于邻近建筑基础的深度 高程基准点也可选择在基础深且稳定的建筑上 具体点位选择应避开交通主干道 地下管线 仓库堆栈 水源地 河岸 松软填土 滑坡地段 机器振动区以及其他可能使标石 标志易遭腐蚀和破坏的地方 113 高程基准点和工作基点的布置和埋设 点位选择和埋设 高程基准点 工作基点之间宜便于进行水准测量 高程基准点的标石应埋设在基岩层或原状土层中 可根据点位所在处的不同地质条件 选埋基岩水准基点标石 深埋双金属管水准基点标石 深埋钢管水准基点标石 混凝土基本水准标石 在基岩壁或稳固的建筑上也可埋设墙上水准标志 高程工作基点的标石可按点位的不同要求 选用浅埋钢管水准基点标石 混凝土普通水准标石或墙上水准标志等 114 沉降点的布置和埋设 点位选择 沉降观测点的布设应能全面反映建筑及其地基变形特征 并估计地质情况及建筑结构特点 点位宜选设在下列位置 建筑的四角 核心筒四角 大转角处及沿外墙每10 20米处或每隔2 3根柱基上 高底层建筑 新旧建筑 纵横墙等交界处的两侧 建筑裂缝 后浇带和沉降缝两侧 基础埋深相差悬殊处 人工地基与天然地基接壤处 不同结构的分界处及填挖方分界处 对于宽度大于等于15米或小于15米而地质复杂以及膨胀土地区的建筑 应在承重内隔墙中布设内墙点 并在室内地面中心及四周设地面点 115 沉降点的布置和埋设 邻近堆置重物处 受振动有显著影响的部位及基础下的暗浜 沟 处 框架结构建筑的每个或部分柱基上或沿纵横轴线上 筏形基础 箱形基础底板或接近基础的结构部分之四角处及其中部位置 重型设备基础和动力设备基础的四角 基础形式或埋深改变处以及地质条件变化处两侧 对于电视塔 烟囱 水塔 油罐 炼油塔 高楼等高耸建筑 应设在沿周边与基础轴线相交的对称位置上 点数不少于4个 116 沉降点的布置和埋设 标志埋设 沉降观测的标志可根据不同建筑结构类型和建筑材料 采用墙 柱 标志 基础标志和隐蔽式标志等形式 并符合下列规定 各类标志的立尺部位应加工成半球形或有明显的突出点 并涂上防腐剂 标志的埋设位置应避开雨水管 窗台线 散热器 暖水管 电气开关等有障碍设标与观测的障碍物 并应视立尺需要离开墙 柱 面和地面一定距离 117 沉降观测方法及限差 仪器设备的选用基本观测方法规定技术要求及限差规定仪器检定及要求野外观测条件要求复测周期规定 118 仪器设备的选用 各等级水准测量使用的仪器型号和标尺类型应符合下表之规定 119 基本观测方法规定 高程控制测量宜使用水准测量方法 对于二 三级沉降观测的高程控制测量 当不便使用水准测量时 可使用电磁波测距三角高程测量方法 使用光学水准仪和数字水准仪进行水准测量作业的基本方法应符合现行国家标准 国家一 二等水准测量规范 GB12897和 国家三 四等水准测量规范 GB12898的相应规定 120 基本观测方法规定 一 二 三级沉降观测水准测量方式 121 技术要求及限差规定 水准测量设站要求 水准观测的视线长度 前后视距差和视线高度应符合下表之规定 注 表中的视线高度为下丝读数 当采用数字水准仪观测时 最短视距长度不宜小于3米 最低视线高度不