17《工程测量学》第9章-变形测量概述

,测绘科学与工程学院,第9章变形测量概述,工程测量学多媒体课件,上海宝钢二号高炉框架变形监测,分节目录,9.2变形监测的特点,9.3变形监测技术和方法,9.4变形观测数据分析,9.1变形测量的意义、目的和内容,9.1变形测量的意义、目的和内容,变形：变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。变形体：一般包括工程建筑物、技术设备以及其他自然或人工对象。,1）变形体自身的形变：伸缩、错动、弯曲、扭转,2）变形体的刚体位移：整体平移、整体转动、整体升降、整体倾斜,变形体的变形在一定的范围内被认为是允许的，如果超出允许值则可能引发灾害。,9.1变形测量的意义、目的和内容,变形灾害,岩体滑坡,建筑工地沉陷,9.1变形测量的意义、目的和内容,变形灾害,路基沉陷,基坑塌方,9.1变形测量的意义、目的和内容,变形灾害,溃坝,9.1变形测量的意义、目的和内容,变形灾害,苏州虎丘斜塔,比萨斜塔,9.1变形测量的意义、目的和内容,变形灾害,城市下面、工业设施和交通干线下面、水体（河流、湖泊、海洋）下面采矿（称为三下采矿），对变形监测都提出了更高的要求。,采煤沉陷区,9.1变形测量的意义、目的和内容,变形灾害,地壳中地应力的长期积累，造成地震，严重地危及人类的生存，监测地壳的变形是预报地震的重要手段。,9.1变形测量的意义、目的和内容,变形监测：用测绘仪器和专用的方法对变形体进行监视观测以确定其形状、大小及空间位置在时空域中的变化特征。,9.1变形测量的意义、目的和内容,一、变形测量的意义变形监测有实用上和科学上两方面的意义。实用上的意义主要是检查各种工程建筑物和地质构造的稳定性，及时发现问题，以便采取措施。科学上的意义包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论，以及建立正确的预报变形的理论和方法。,9.1变形测量的意义、目的和内容,二、变形测量的目的1、通过变形观测取得第一性的资料，可以监视工程建筑物的状态变化和工作情况，在发现不正常现象时，应及时分析原因，采得措施，防止事故发生，并改善运营方式，以保证安全。所以说，变形测量是工程管理工作的耳目。,9.1变形测量的意义、目的和内容,二、变形测量的目的2、通过在施工和运营期间对工程建筑物原体进行观测，分析研究，可以验证地基与基础的计算方法，工程结构的设计方法，对不同的地基与工程结构规定合理的允许沉陷与变形的数值，为工程建筑物的设计、施工、管理和科学研究工作提供资料。,9.1变形测量的意义、目的和内容,二、变形测量的目的总的说来，变形监测的目的是要获得变形体(大到整个地球，小到一个工程建筑物)变形的空间状态和时间特性，同时还要解释变形的原因。对于前一个目的，相应的变形监测数据处理任务称为变形的几何分析，对于后一个目的，相应的任务称为变形的物理解释。,9.1变形测量的意义、目的和内容,三、变形监测的分类，按其研究范围：全球性的变形监测主要是研究地极移动，地球旋转速度的变化以及地壳板块的运动。一般从定期复测国家控制网的资料获得。区域性的变形监测，用以研究地壳板块范围内变形状态和板块交界处地壳相对运动。一般要建立专用监测网。局部性的变形监测主要是研究工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度和倾斜，滑坡体的滑动以及采矿、采油和抽地下水等人为因素造成的局部地面变形。,9.1变形测量的意义、目的和内容,三、变形监测的分类，从其时间特性来分运动式变形包括地壳应变的积累、地质构造断层两边相对错动、建筑物或地表下沉等。这种形式的变形，总趋势是朝一个方向。动态式变形是指高层建筑物的摆动、桥梁在动荷载作用下的振动等等。这种形式的变形呈周期性，监测的结果获得变形的幅度和周期的信息。,9.1变形测量的意义、目的和内容,四、变形监测的内容变形观测的内容，应根据建筑物的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性，既要有重点，又要作全面考虑，以便能正确反映出建筑物的变化情况，达到监视建筑物的安全运营、了解其变形规律之目的。,9.1变形测量的意义、目的和内容,四、变形监测的内容工业与民用建筑物：基础：均匀沉陷与不均匀沉陷，计算绝对沉陷值、平均沉陷值、相对弯曲、相对倾斜、平均沉陷速度以及绘制沉陷分布图。建筑物本身：倾斜与裂缝观测。工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等：水平位移和垂直位移。高大的塔式建筑物和高层房屋：瞬时变形，可逆变形和扭转(即动态变形)。,9.1变形测量的意义、目的和内容,四、变形监测的内容钢筋混凝土建筑物：以混凝土重力坝为例，其主要观测项目为垂直位移、水平位移以及伸缩缝的观测。以上内容通常称为外部变形观测，也就是用测量的方法求出建筑物外形在空间位置方面的变化。此外，还要了解其结构内部的情况。例如混凝土应力、钢筋应力、温度等，这些内容通常称为内部观测。它一般是将电学仪器(或其它仪器)埋没在坝体内部，以电缆(管道)连至廊道内，定期进行观测。,9.1变形测量的意义、目的和内容,四、变形监测的内容地表沉降：对于建立在江河下游冲积层上的城市，由于工业用水需要大量地吸取地下水，而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。对于地下采矿地区，由于在地下大量的采掘，也会使地表发生沉降现象。,9.1变形测量的意义、目的和内容,五、变形监测的等级划分工程测量规范（GB50026-2007）,9.1变形测量的意义、目的和内容,五、变形监测的等级划分工程测量规范（GB50026-2007）,9.1变形测量的意义、目的和内容,五、变形监测的等级划分建筑变形测量规范JGJ8-2007,9.1变形测量的意义、目的和内容,五、变形监测的等级划分建筑变形测量规范JGJ8-2007,9.1变形测量的意义、目的和内容,五、变形监测的等级划分建筑变形测量规范JGJ8-2007,9.2变形监测的特点,与工程建设中的测图和施工测量相比，变形监测有很多自身的特点：一、精度要求高二、重复观测三、综合应用各种观测方法四、数据处理要求严密五、需要多学科知识的配合,9.2变形监测的特点,一、精度要求高和其它测量工作相比，变形监测要求的精度高，典型精度要求是1mm或相对精度要求为10-6。,9.2变形监测的特点,一、精度要求高制定变形监测的精度取决于变形的大小、速率、仪器和方法所能达到的实际精度，以及监测的目的等。一般来说，如果变形监测是为了使变形值不超过某一允许的数值，以确保建筑物的安全，则其监测的误差应小于允许变形值的1/101/20；如果是为了研究变形的过程，则其误差应比上面这个数值小得多，甚至应采用目前测量手段和仪器所能达到的最高精度。,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：,9.2变形监测的特点,一、精度要求高在工业与民用建筑物的变形观测中，由于其主要观测内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜，其观测精度应根据建筑物基础的允许沉陷值、允许倾斜度、允许相对弯矩等来决定，同时也应考虑其沉陷速度。,9.2变形监测的特点,一、精度要求高例如，我国建筑设计部门在研究高层建筑物的倾斜时，以允许倾斜值的1/20作为观测的精度指标。某勘察院在观测一幢大楼的变形时，将设计人员提出的4%作为观测精度。允许倾斜度求得顶点的允许偏移值为120mm，以其1/20作为观测中误差，即m=6mm。,9.2变形监测的特点,一、精度要求高在生产实践中，求得必要的误差以后，如果根据本单位的仪器设备和技术力量，能够比较容易地达到精度要求，而且在不必花费很大的精力、不增加很多工作量的情况下，还能达到更高的精度时，也可以将观测的精度指标提高。例如前述情况，在求得m=6mm后，即按此思想将精度标提高，取2mm作为最后的观测中误差。,9.2变形监测的特点,一、精度要求高一般来讲，从实用的目的出发，对于连续生产的大型车间(钢结构，钢筋混凝土结构的建筑物)通常要求观测工作能反映出1mm的沉陷量；对于一般的厂房，没有很大的传动设备、连续性不大的车间，要求能反映出2mm的沉陷量。因此，对于观测点高程的测定误差，应在1mm以内。而为了科学研究的目的，往往则要求达到0.1mm的精度。,9.2变形监测的特点,一、精度要求高对于水工建筑物，根据其结构、形状不同，观测内容和精度也有差异。即使对于同一建筑物(如拱坝)的不同部位，其观测精度也不相同，变形大的部位(如拱冠)的观测精度可稍低于变形小的部位(如拱座)。,9.2变形监测的特点,二、重复观测重复观测的频率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。在工程建筑物建成初期，变形的速度比较快，因此观测频率也要大一些。经过一段时间后，建筑物趋于稳定，可以减少观测次数，但要坚持定期观测。,9.2变形监测的特点,二、重复观测,第一阶段是在施工期间，随着基础上压力的增加，沉陷速度很大，年沉陷量达2070mm。,第二阶段，沉降量就显着地变慢，年沉陷量大约为20mm。,9.2变形监测的特点,二、重复观测,第三阶段为平稳下沉阶段，其速度大约为每年12mm。第四阶段沉陷曲线几乎是水平的，也就是说到了沉陷停止的阶段。,9.2变形监测的特点,二、重复观测在施工过程中，频率应大些，一般有三天、七天、半月三种周期；也可以按荷载增加的过程进行观测，即从埋设的观测点稳定后进行第一次观测，当荷载增加到25%时观测一次，以后每增加15%观测一次。竣工投产以后，频率可小一些，一般有一个月、两个月、三个月、半年及一年等不同的周期。竣工后，一般第一年观测四次，第二年两次，以后每年一次。,9.2变形监测的特点,二、重复观测近年来，由于工程的特殊要求，变形观测时效性要求越来越强。例如：大型复杂钢结构工程中悬臂合拢阶段的变形监测；大坝、大桥在暴风雨季节要求24小时连续观测；滑坡监测在特殊时期也要实时观测。,9.2变形监测的特点,三、综合应用各种观测方法变形监测方法一般分为四类：地面测量方法，包括几何水准测量、三角高程测量、方向和角度测量、距离测量等；空间测量技术，例如空间卫星定位GNSS/GPS，合成孔径雷达干涉（InSAR）；摄影测量和地面激光扫瞄；专门测量手段，这里主要是指各种准直测量，倾斜仪监测，应变计测量等。,9.2变形监测的特点,四、数据处理要求严密变形量一般很小，有时甚至与观测精度处在同一量级，要从含有误差的观测值中分离出变形信息，需要严密的数据处理方法。观测值中经常含有粗差和系统误差，在估计变形模型之前要进行筛选，以保证结果的正确性。变形模型一般是预先不知道的，需要仔细地鉴别和检验。,9.2变形监测的特点,四、数据处理要求严密对于发生变形的原因还要进行解释，建立变形和变形原因之间的关系。变形监测资料可能是由不同的方法在不同的时间采集的，需要综合地利用。变形观测是重复进行的，多年观测积累了大量的资料，必须有效地管理和利用这些资料。,9.2变形监测的特点,五、需要多学科知识的配合在确定变形监测精度，优化设计变形监测方案，合理地分析变形监测成果，特别是进行变形的物理解释时，变形测量工作者要熟悉所研究的变形体。研究地壳变形，需要有地球物理的知识；研究工程建筑物的变形，需要土力学和土木工程的知识；研究变形的机理，需要力学方面的知识。变形测量是处于测绘学和地球物理、土木工程等科学的边缘。一个成功的变形测量工作者需要具备其它学科的知识，才能与其它学科方面的专家有共同语言，紧密地协作。,9.3变形监测技术和方法,一、常规的大地测量方法精密高程测量、精密距离测量、角度测量、重力测量二、专门测量手段和技术液体静力水准测量、准直测量、应变测量、倾斜测量三、空间测量技术GPS测量、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术四、摄影测量和激光扫瞄技术摄影测量方法、激光扫瞄技术,9.3变形监测技术和方法,一、常规的大地测量方法(1)能够提供变形体整体的变形状态；(2)观测量通过组成网的形式可以进行测量结果的校核和精度的评定；(3)灵活性大，能够适应于不同的精度要求，不同形式的变形体和不同的外界条件。,9.3变形监测技术和方法,一、常规的大地测量方法目前重力测量的精度约10微伽，相当于高程变化30。精度虽然不够高，但是由于其成本较低，可以在较大范围的地面变形监测中作为水准测量的补充。,9.3变形监测技术和方法,一、常规的大地测量方法重力测量一般可以用于：在地震预报时，测定和解释地面的垂直运动，监测和解释地震后地壳的垂直运动。在火山地区结合水准测量和重力测量可以发现地下岩浆的运动。研究用于采油、抽地下水和利用地热蒸汽等造成的地表变形。研究地壳的板块运动和变形。,9.3变形监测技术和方法,二、专门测量手段和技术（一）液体静力水准测量利用静止液面原理来传递高程（二）准直测量测量测点偏离基准线的垂直距离（三）应变测量相对距离的变化（四）倾斜测量有相对于水平面和相对于垂直面两类。前者主要有监测地面倾斜和建筑物基础倾斜，而后者主要有监测高层建筑物倾斜。,9.3变形监测技术和方法,二、专门测量手段和技术（一）液体静力水准测量利用连通管原理测量各点处容器内液面高差的变化以测定垂直位移的观测方法，可以测出两点或多点间的高差。适用于混凝土坝基础廊道和土石坝表面垂直位移观测。该方法无需点点之间通视，容易克服障碍物之间的阻挡。还可以将液面高程变化转换成电感输出，有利于监测自动化。,9.3变形监测技术和方法,二、专门测量手段和技术（二）准直测量测量测点偏离基准线的垂直距离。包括准直法和铅直法：观测某一方向上点位相对于基准线的变化。准直法为偏离水平基线的微距离测量，该水平基准线一般平行于被监测的物体。铅直法为偏离垂直基准线的微距离测量，过基准点的铅垂线作为垂直基准线。基准线一般可用光学法、光电法和机械法产生,9.3变形监测技术和方法,二、专门测量手段和技术（三）应变测量应变是相对距离的变化，需建立材料的物理参数与应力之间的关系，观测量为材料的物理参数。应变计有机械式和电子式两种。前者是两点间安装一根金属杆或金属丝，测量两点间距离的变化。后者有多种形式，常用的电阻应变片。电阻应变片的基本原理是基于导体的“应变效应”,也就是利用导体的电阻随机械变形而变化的物理现象。这种测量方式成本比较高，对环境要求也比较高，而且误差比较大。,9.3变形监测技术和方法,二、专门测量手段和技术（三）应变测量工程型光纤应变测量仪：,9.3变形监测技术和方法,二、专门测量手段和技术（四）倾斜测量倾斜测量有相对于水平面和相对于垂直面两类。前者主要有监测地面倾斜和建筑物基础倾斜，而后者主要有监测高层建筑物倾斜。,西安万寿寺,.tw/htdocs/message_con.php?seqno=24&case=09809&type=5,9.3变形监测技术和方法,二、专门测量手段和技术（四）倾斜测量相对于水平面倾斜可以通过测定两点间相对沉陷方法来确定，也可以用倾斜仪测定。常用倾斜仪有水准管式倾斜仪，气泡式倾斜仪和电子倾斜仪。,9.3变形监测技术和方法,二、专门测量手段和技术（四）倾斜测量相对于垂直面倾斜测量的关键是测定建筑物顶部中心相对于底部中心或者各层上层中心相对于下层中心的水平位移矢量。,9.3变形监测技术和方法,三、空间测量技术（一）GPS测量1、GPS一机多天线技术2、伪卫星定位技术,9.3变形监测技术和方法,三、空间测量技术（一）GPS测量1、GPS一机多天线技术：将无线电通讯的微波开关技术与计算机实时控制技术有机的结合，仅用一部GPS接收机同时互不干扰的接收到多个GPS天线传输来的信号。,9.3变形监测技术和方法,三、空间测量技术（一）GPS测量2、伪卫星定位技术：伪卫星又称“地面卫星”，是从地面某特定地点发射类似于GPS的导航信号，采用的电文格式与GPS基本一致。地面建立的伪卫星站不仅可以增强区域性GPS卫星导航定位系统，而且可以提高卫星定位系统的可靠性和抗干扰能力。,9.3变形监测技术和方法,三、空间测量技术（二）合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术是近年来迅速发展起来的一种微波遥感技术,它是利用合成孔径雷达的相位信息提取地表的三维信息和高程变化信息的一项技术，目前已成为国际遥感界的一个研究热点。,9.3变形监测技术和方法,四、摄影测量和激光扫瞄技术（一）摄影测量方法(1)不需要接触被监测的变形体；(2)观测时间短，因而外业工作量小，可以大量减少野外测量工作量、可快速获取变形过程；(3)信息量大、利用率高。,9.3变形监测技术和方法,四、摄影测量和激光扫瞄技术（二）激光扫描技术（1）能全天候工作；（2）数据量大、精度较高；（3）获取数据速度