第2章建筑工程监测技术

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1、郑州大学 宋建学 研究生课程讲义12第二章 建筑工程监测技术2.1 概述211 安全监测的意义工程结构物在施工过程和施工完成后，由于其改变了建筑地基的应力状态，地基的变形不可避免；另外，由于工程结构物从施工开始就承受各种外部作用（重力、风力、温度变化等等）相互交叉的复杂影响，其弹塑性变形也不可避免。工程安全监测的意义在于严密监测结构物的变形幅度和速度，并依据工程力学和结构工程的相关知识，对变形产生的影响做出正确评价，以确保结构物正常工作。历史上，由于没有对工程结构物及时进行安全监测，造成重大损失的例子不计其数。1963 年意大利的 Vajaut 拱坝（高 266m）发生大滑坡，在7min 之内

2、就毁灭了一座城市及周围的几个小镇，造成 3000 人死亡。相反，1984 年前后，我国对长江三峡滑坡体进行了长期的安全监测，并成功预报了滑坡的发生，使滑坡体上居民能够及时撤离，挽救了 11 000 人的生命。1994 年 1月 17 日，美国加州 Northridge 大地震中，一些建筑物虽经受主震而未倒塌，但结构已存在过度损伤变形而未发现，在后来的余震作用下倒塌造成人员伤亡。1999 年我国台湾省台中大地震也发生过类似的情况。在建筑工程中，结构的安全监测结果是进行安全评价，确定危险房屋的基本依据。除了上述实际意义外，安全监测还是验证现行变形计算理论，发展切合实际的结构分析与设计理论的根本途径

3、。工程安全监测就是利用观测结果，研究工程结构物的变形规律，以达到监测建筑物安全，验证工程设计理论和检验施工质量的目的。对安全监测取得的数据进行整理、加工和分析，做出变形预报，这是安全监测中数据处理的任务。数据处理工作包括：观测数据的检验和质量评定；变形的几何分析，即对结构物空间状态变化做出几何描述，包括变形值的大小和方向；变形的物理解释，即对变形原因做出合理判断，并对变形的发展做出预报，为施工决策提供技术支持。由此可见，安全监测的根本目的就是获是结构物变形的空间状态和时间特性，进而反演结构的质量、刚度分布，确定结构物的工作状态，为结构物的施工、运营提供健康状态评价。郑州大学 宋建学 研究生课程

4、讲义13安全监测的主要内容包括沉降观测，位移观测、挠度观测、裂缝观测和振动观测等。每一种建筑物的观测内容，应根据建筑物的具体情况和实际要求综合确定测量项目。安全监测方法与测量仪器的发展密切相关。目前，GPS 定位技术已经在区域性变形观测和大型工程变形监测中应用，并具有实时、连续、自动监测的优点，甚至与远程数据传输相结合，实现监测与决策智能化。2.1.2、安全监测的一般规定建 筑 安 全 监 测 的 等 级 划 分 及 其 精 度 要 求 应 符 合 表 2.1-1 的 规 定 。 表 中观 测 点 测 站 高 差 中 误 差 ， 系 指 几 何 水 准 测 量 测 站 高 差 中 误 差 或

5、静 力 水 准 测 量相 邻 观 测 点 相 对 高 差 中 误 差 ； 观 测 点 坐 标 中 误 差 ， 系 指 观 测 点 相 对 测 站 点(如 工 作 基 点 等 )的 坐 标 中 误 差 、 坐 标 差 中 误 差 以 及 等 价 的 观 测 点 相 对 基 准 线的 偏 差 值 中 误 差 、 建 筑 物 (或 构 件 )相 对 底 部 固 定 点 的 水 平 位 移 分 量 中 误 差 。表 2.1-1 建筑安全监测的等级及其精度要求沉 降 观测 位 移 观 测变 形 测量 等 级观 测 点测 站 高差 中 误差(mm)观 测 点 坐标 中 误 差(mm)适 用 范 围特 级

6、0.05 0.3 特 高 精 度 要 求 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 要 求 的 大 型 建 筑 物 和 科研 项 目 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 物 主体 倾 斜 观 测 、 场 地 滑 坡 观 测三 级 1.50 10.0低 精 度 要 求 的 建 筑 物 变 形 观 测 ；一 般 建 筑 物 主 体 倾 斜 观 测 、 场地 滑 坡 观 测对 一 个 实 际 工 程 ， 安 全 监 测 的 精 度 等 级 应

7、 根 据 各 类 建 (构 )筑 物 的 变 形允 许 值 的 规 定 （ 见 表 2.1-2） ， 按 以 下 原 则 确 定 ：（1）绝对沉降（如沉降量、平均沉降量等）的观测中误差，对于特高精度要求的工程可按地基条件，结合经验与分析具体确定；对于其他精度要求的工程，可按低、中、高压缩性地基土的类别，分别选郑州大学 宋建学 研究生课程讲义140.5mm、 1.0mm、 2.5mm。（2） 相对沉降（如沉降差、基础倾斜、局部倾斜等） 、局部地基沉降（如基坑回弹、地基土分层沉降等）以及膨胀土地基变形等的观测中误差，均不应超过其变形允许值的 1/20。（3）建筑物整体性变形(如工程设施的整体垂直挠

8、曲等)的观测中误差，不应超过允许垂直偏差的 1/10。（4）结构段变形（如平置构件挠度等）的观测中误差，不应超过变形允许值的1/6。（5）对于科研项目变形量的观测中误差，可视所需提高观测精度的程度，将上列各项观测中误差乘以 1/51/2 系数后采用。表 2.1-2 建筑物的地基变形允许值地基土类别变形特征中低压缩性土 高压缩性土砌体承重结构基础的局部倾斜 0.002 0.003工业与民用建筑相邻柱基的沉降差（1） 框架结构（2） 砌体墙填充的边排柱（3） 当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构0.002l0.00070.0050.003l0.0010.005单层排架结构（柱距为 6m）柱基的沉

9、降量（mm）（120） 200桥式吊车轨面的倾斜（按不调整轨道考虑）纵向横向0.0040.003多层与高层建筑的整体倾斜 Hg24241000.0040.0030.00250.002体形简单的高层建筑基础的平均沉降量（mm）200高耸结构基础的倾斜 Hg2020|2m|，则认为观测点是不稳定的，仍在沉降之中。233 沉降观测精度沉降观测的精度既决定着沉降观测结果的质量及由此而得出的建筑物安全状态结论的真实性，也涉及到观测方案的选择，以至观测技术的发展，无论对于测量人员还是建筑的设计和管理人员都是至关重要的。我国工程测量规范(GB5002693)规定：“各等级变形观测高程中误差与垂直位移监测网相

10、应等级精度相当。即一等为0.3mm,二等为0.5mm, 三等为 1.0mm,四等为2.00mm。 ”此规定比较笼统，不能完全适用于根据建筑物的具体情况来确定具体的观测精度和正确反应建筑物沉降过程，不方便为验证设计和优化设计积累研究资料的需要。而各种资料所提出的具体观测精度又各有出入。我们知道，基础的差异沉降直接作用于建筑物的上部结构，若沉降量差异过大，就会导致建筑物上部结构薄弱处产生应力过大；如果应力超过允许值，建筑物就会出现开裂或破坏。差异沉降量限值 容 一般设计部门都按规范给出。例如对在地基土为中、低压缩性土上的框架结构，其变形允许值为：郑州大学 宋建学 研究生课程讲义23 容 =2/10

11、00L，其中 L 为两相邻沉降点间距。差异沉降量的最大观测误差：m 限 =1/10 容差异沉降量的观测中误差：m 沉 =1/2m 限 =1/20 容因此，采用允许变形值的 1/20 作为沉降观测的精度指标 (当变形值为建筑物相关沉降点的差异沉降值时 )是能够满足反映建(构)筑物的沉降情况的。2.3.4 沉降观测频率关于沉降观测频率， 建筑变形测量规程JGJ/T97 已有规定。规程中规定“民用建筑可每加高 15 层观测一次” 。具体操作时到底多少层观测一次，才能真正做到既能反映建筑物的变形情况又有最省时省力，各种文献的说法又各有差异。规程特别强调了“观测次数与间隔时间应视地基与加荷情况而定” 。

12、通过对建筑物下沉过程的分析，可以根据建筑物沉降的规律来确定建筑物沉降观测的频率。首先在施工阶段，当要求观测点稳固后即进行第一次观测，第二次在增加一层或较大荷载( 浇灌基础、回填土等)时进行观测。第三次的观测时间要根据第二次的沉降量来定 (因沉降量除了与荷载有关外，还与工程性质、地基地质情况有关 )。若第二次所测得的沉降量不是很小，则以后就每增加一层观测一次；若第二次测得的沉降量很小，则第三次就以每增加二层观测一次，如果每增加二层观测一次的沉降量仍很小，以后可以每增加三层观测一次，甚至四层或五层观测一次，具体视沉降量大小而定。如中途停工时间较长，应在停工的前后进行观测；停工期间隔 23 个月观测

13、一次。如在施工过程中遇到基础附近地面荷载突然增加很大、建筑物周围大量积水或暴雨、建筑物周围大量挖方等情况都要进行观测。另外，当建筑物发生大量沉降或严重裂缝时，应加大观测密度。竣工后，按沉降速度参照表 2-1 所列观测周期观测，直到每日沉降量0.01mm为止。这样做，既省时省力，又能恰到好处地反映建筑物的沉降过程。总之，建筑物沉降观测的精度与频率的确定，要根据观测的目的和要求以及建筑物具体的情况来确定，在满足必要精度的前提下，尽量做到高效、省时、省力。郑州大学 宋建学 研究生课程讲义24郑州大学 宋建学 研究生课程讲义2524 土压力及钢筋轴力监测案例2.4.1 工程背景及监测目的郑州某高层综合

14、办公楼主楼双塔 18 层，裙楼 6 层，地下室 1 层，框架-剪力墙结构。工程位于郑州市西部，建筑场地地形较平坦、开阔，地貌单元属黄河冲积平原与山前冲洪积平原交接地带。在勘探深度范围内，场地地层自上而下的情况见表 1。表 1 场地土层参数Table 1 Parameters of soil地层编号土类 土层厚度(m)层底埋深(m)压缩模量ES1-2(MPa)极限侧阻力标准值(kPa)极限端阻力标准值(kPa)1 杂填土 1.02.0 1.02.02 粉质粘土 1.52.9 2.94.3 6.43 603 粉土 3.85.6 7.89.2 12.32 504 粉土 4.96.5 13.415.2

15、 9.23 555 粉土 4.48.5 19.423.0 7.31 606 粉土 1.02.9 23.025.3 9.80 707 粉土 1.45.0 25.028.0 7.98 70 9008 粉土 3.15.5 31.832.4 5.70 65 10009 粉土 3.03.7 35.435.6 7.59 6510 粉质粘土 4.04.9 39.540.2 10.28 80 150011 粉土 4.97.0 47.0 6.37 55 85012 粉质粘土 1.02.0 6.65 85 1000基础形式为挤扩支盘砼灌注桩-承台，工程桩总数 456 根。桩有效长度24.5m，桩径 0.5m，桩身下部 11.4m 范围内设 3 个支盘，支盘直径为 0.94m，桩身尺寸见图 1。桩距 2m，采用正方形和梅花形布桩，根据荷载情况，柱下布桩 28 根。桩身砼 C30 级，配筋为 814HRB335 钢筋，螺旋箍筋采用8100200HPB235 钢筋。桩端持力层为第（ 8）层粉土。郑州大学 宋建学 研究生课程讲义26图 1 桩身构造Fig 1 Detail of pile原设计桩承台厚度 1.21.5m，地下室底板为 550mm 厚钢筋砼筏板，桩承台、底板砼