工程变形监测方法及内容

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：变形体平面位置随时间发生的移动称为水平位移，简称位移。水平位移监测就是测定变形体沿水平方向的位移变形值，并提供变形趋势与稳定预报而进行的测量工作。产生水平位移的原因主要是建筑物及其基础受到了水平应力的影响。适时监测建筑物的水平位移量，能有效地监控建筑物的安全状况，并可根据实际情况采取适当的加固措施。总的来说，变形监测的内容应根据变形体的性质与地基情况来确定。

1.4.1 变形监测技术的主要内容

1. 按照变形性质进行分类

变形体在平面位置、高程位置、垂直度、弯曲度等方面发生的变形，按照其变形性质一般可以归纳为以下种类:

(1)位移。变形体平面位置随时间发生的移动称为水平位移，简称位移。水平位移监测就是测定变形体沿水平方向的位移变形值，并提供变形趋势与稳定预报而进行的测量工作。产生水平位移的原因主要是建筑物及其基础受到了水平应力的影响。适时监测建筑物的水平位移量，能有效地监控建筑物的安全状况，并可根据实际情况采取适当的加固措施。

(2)沉降。变形体在高程方向上的变形，本应称为垂直位移，但由于历史的沿袭和特定情况下的需要，以及考虑与建筑学、岩石力学、土力学等相关学科之间融会贯通，常称为沉降或沉陷。建(构)筑物垂直位移监测是测定基础和建(构)筑物本身在垂直方向上的位移。当前，在建筑物施工或使用阶段进行沉降监测，其首要目的仍是为了保证建筑物的安全，通过沉降监测发现沉降异常，分析原因并采取必要的防范措施。

(3)倾斜。这是指变形体在垂直度方面的变形。倾斜一般是由于变形体不同侧变形量的大小不一样造成的，如基础的不均匀沉降等。

(4)挠度。这是指变形体不同位置偏离其理论位置的变形。

(5)裂缝。这是指变形体自身材料在拉、压应力的作用下产生的缝隙，是由于变形体各部分变形不均匀引起的，对变形体的安全危害重大。

(6)日照变形。这是指变形体由于向阳面与背阳面温差引起的偏移量及其变化规律。

(7)风振变形。这是指超高层建筑或其他构筑物上部结构在风的作用下产生的位移或偏移。

(8)动态变形。这是指变形体在可变荷载作用下的变形，其特点是具有一定的周期性。

2. 按照监测方式进行分类

国内有些从事变形监测的学者将变形监测的内容分为以下四类:

(1)位移监测。主要包括垂直位移(沉降)监测、水平位移监测、挠度监测、裂缝监测等，对于不同类型的建筑物或地区，观测项目有一定差异。

(2)环境量监测。一般包括气温、气压、降水量、风力、风向等。对于水工建筑物，还应监测库水位、库水温度、冰压力、坝前淤积和下游冲刷等; 对于桥梁工程，还应监测河水流速、流向、泥沙含量、河水温度、桥址区河床变化等。总之，对于不同的工程，除了一般性的环境量监测外，还要进行一些针对性的监测工作。

(3)渗流监测。主要包括地下水位监测、渗透压力监测、渗流量监测、扬压力监测等。

(4)应力、应变监测。主要项目包括混凝土应力应变监测、锚杆(锚索)应力监测、钢筋应力监测、钢板应力监测、温度监测等。为使应力、应变监测成果不受环境变化的影响，在测量应力、应变时，应同时测量监测点的温度。应力、应变的监测应与变形监测、渗流监测等项目结合布置，以便监测资料的相互验证和综合分析。

3. 按照几何量和物理量分类

还可以按几何量和物理量的方法进行如下分类:

(1)有关几何量的变形监测。主要内容包括水平位移监测，垂直位移监测，偏距、倾斜、挠度、弯曲、扭转、震动、裂缝等监测。水平位移是监测点在平面上的移动，它可分解到某一个特定方向; 垂直位移是监测点在铅垂线上的移动; 而偏距、倾斜、挠度等也可归结为沉降和水平位移监测。

(2)有关物理量的变形监测。主要内容包括应力、应变、温度、气压、水位、渗流、渗压、扬压力等监测。

总的来说，变形监测的内容应根据变形体的性质与地基情况来确定。对于不同类型的变形体，其监测的内容和方法有一定的差异。

1.4.2 变形监测的过程

变形监测工作通常有如下几个步骤和过程:

(1)变形监测网的优化设计与观测方案的实施。包括监测网质量标准的确定、监测网点的最佳布设以及观测方案的最佳选择与实施。

(2)观测数据处理。包括观测数据质量评定与平差、观测值之间相关性的估计以及粗差和系统误差检测与剔除。

(3)变形的几何分析。包括变形模型的初步鉴别、变形模型中未知参数的估计、变形模型的统计检验和最佳模型的选择以及变形量的有效估计。

(4)变形的物理解释与变形预报。包括探讨变形的成因，给出变形值与荷载(引起变形的有关因素)之间的函数关系，并作变形预报。

1.4.3 变形监测的方法

1. 常规大地测量方法

常规大地测量方法通常指的是利用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长、高差等技术来测定变形的方法，包括布设成边角网、各种交会法、极坐标法以及几何水准测量法、三角高程测量法等。常规的大地测量仪器有光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、电子经纬仪、电子全站仪以及测量机器人等。

常规大地测量方法主要用于变形监测网的布设以及每个周期的观测。

2． GPS方法

GPS技术在测量的连续性、实时性、自动化及受外界干扰小等方面表现出了越来越多的优越性。使用GPS差分技术进行变形测量时，需要将一台接收机安放在变形体以外的稳固地点作为基准站，另外一台或多台GPS接收机天线安放在变形点上作为流动站。

GPS方法可以用于测定场地滑坡的三维变形、大坝和桥梁水平位移、地面沉降以及各种工程的动态变形(如风振、日照及其他动荷载作用下的变形)等。

3. 数字近景摄影测量方法

数字近景摄影测量方法观测变形时，首先在变形体周围的稳固点上安置高精度数码相机，对变形体进行摄影，然后通过数字摄影测量处理获得变形信息。与其他方法相比较，数字近景摄影测量方法具有以下显著特点:

(1)信息量丰富，可以同时获得变形体上大批目标点的变形信息;

(2)摄影影像完整记录了变形体各时期的状态，便于后续处理;

(3)外业工作量小，效率高，劳动强度低;

(4)可用于监测不同形式的变形，如缓慢、快速或动态的变形;

(5)观测时不需要接触被监测物体。

4. 激光扫描方法

地面三维激光扫描应用于变形监测的特点:

(1)信息丰富。地面三维激光扫描系统以一定间隔的点对变形体表面进行扫描，形成大量点的三维坐标数据。与单纯依靠少量监测点对变形体进行变形监测研究相比，具有信息全面和丰富的特点。

(2)实现对变形体的非直接测量。地面三维激光扫描系统采集点云的过程中完全不需要接触变形体，仅需要站与站之间拼接时，在变形体周围布置少量的标靶。

(3)便于对变形体进行整体变形的研究，地面三维激光扫描系统通过多站的拼接，可以获取变形体多角度、全方位、高精度的点云数据，通过去噪、拟合和建模，可以方便地获取变形体的整体变形信息。

5． In SAR方法

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术使用微波雷达成像传感器对地面进行主动遥感成像，采用一系列数据处理方法，从雷达影像的相位信号中提取地面的形变信息。

用In SAR进行地面形变监测的主要优点在于:

(1)覆盖范围大，方便迅速;

(2)成本低，不需要建立监测网;

(3)空间分辨率高，可以获得某一地区连续的地表形变信息;

(4)全天候，不受云层及昼夜影响。

6. 专用测量技术手段

变形测量除了上述测量手段外，还包括一些专门手段，如应变测量、液体静力水准测量、准直测量、倾斜测量等。这些专门的测量手段的特点主要有: 测量过程简单，容易实现自动化监测和连续监测，提供的是局部的变形信息。

(1)应变测量。应变测量采用应变计工作原理，分为两类: 一类是通过测量两点距离的变化来计算应变; 另一类是直接用传感器，实质上是一个导体(金属条或很窄的箔条)埋设在变形体中，由于变形体中的应变使得导体伸长或缩短，从而改变导体的电阻。导体电阻的变化用电桥测量，通过测量电阻值的变化就可以计算应变。

(2)液体静力水准测量。这是利用静止液面原理传递高程的方法，即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。适用于建筑物基础、混凝土坝基础、廊道和土石坝表面的垂直位移观测。一般将其中一个观测头安置在基准点，其他各观测头放置在目标点上，通过它们之间的差值就可以得出监测点相对基准点的高差。该方法无需点与点之间的通视，容易克服障碍物之间的阻挡，另外，还可以将液面的高程变化转化成电感输出，有利于实现监测的自动化。

(3)准直测量。准直测量就是测量测点偏离基准线的垂直距离的过程，它以观测某一方向上点位相对于基准线的变化为目的，包括水平准直和铅直两种。水平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。铅直法为偏离垂直线的微距离测量，经过基准点的铅垂线作为垂直基准线。

(4)倾斜测量。基础不均匀的沉降将使建筑物倾斜，对于高大建筑物影响更大，严重的不均匀沉降会使建筑物产生裂缝、甚至倒塌。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。建筑物倾斜观测的基本原理大多是测出建筑物顶部中心相对于底部中心的水平偏差来推算倾斜角，常用倾斜度(上下标志中心点间的水平距离与上下标志点高差的比值)来表示。

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