《工程测量学》第9章-变形测量概述

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1、,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.

2、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

3、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

4、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

5、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，

6、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

7、。 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

8、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-

9、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

10、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

11、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

12、，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

13、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

14、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

15、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

16、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