变形监测技术与应用复习

第一章

1-1 概述

一、变形观测概念

1、变形

指变形体（根据变形监测区域大小，可将变形监测对象分为三大类：全球性的、区域性的、工程与局部性的，本文统称其为变形体）在各种致变因素的作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。

本质：是变形体渐变性位移变形到突然发生宏观移动的非线性过程。

2、变形观测

指为了解变形量大小，通过定期测量观测点相对于基准点的变化量，从历次观测结果比较了解变形随时间与空间的发展情况。这个过程即是变形观测。

二、产生变形原因

1、自然的原因

地震、板块运动、日照、风震

2、人为的原因

（1）地下水的过量抽采

（2）地下矿物的开采

（3）建筑物的荷载

（4）其它因素

四、变形观测的对象、目的和内容

1、变形观测的研究对象

全球性变形研究：板块运动、地极运动

区域性变形研究：城市地面沉降

工程和局部变形研究：建筑物变形、滑坡、开采沉陷

精密工测中的变形研究：桥梁、坝体、地铁、护堤

2、变形观测的目的

确保工程安全运营分析评价安全状态

验证设计参数，为改正设计和科学研究提供资料

反馈设计施工质量

进行变形分析，研究变形规律，建立预报变形的理论和方法

八、变形的分类

一般情况，变形可分为静态变形和动态变形两大类。

静态变形主要指变形体随时间的变化而发生的变形，这种变形一般速度较慢，需要较长的时间才能被发觉。

动态变形主要指变形体在外界荷载的作用下发生的变形，这种变形的大小和速度与荷载密切相关，在通常情况下，荷载的作用将使变形即刻发生。

根据变形体的变形特征，变形可分为变形体自身的形变和变形体的刚体位移。

变形体自身形变包括：伸缩、错动、弯曲和扭转四种变形；

刚体位移包含整体平移、整体转动、整体升降和整体倾斜四种变形。

1-2 变形观测的精度与观测周期

一、变形观测的精度要求

制定变形监测精度取决于监测目的、允许变形的大小、仪器和方法所能达到的精度。

一般而言，实用目的观测中误差应小于允许变形值的1/10～1/20，科研目的观测中误差应小于允许变形值的1/20～1/100 (1971年国际测量工作者联合会第十三界会议提出)

二、变形观测精度的确定

1、按允许变形值求观测中误差

（1）确定建筑物允许变形值

（2）推算要求的观测精度要求

（3）确定适宜的观测等级

2、变形观测网的精度设计

一般地：变形观测网的精度由允许变形值和观测路线求定

三、变形观测的周期

1、观测周期的概念

相邻两次变形观测的时间间隔。

2、观测周期的确定

基本原则：根据建（构）筑物的特征、变形速率、观测精度要求和工程地质条件及施工过程等因素综合考虑。

变形观测周期的确定应以能系统反映所测建筑变形的变化过程、且不遗漏其变化时刻为原则，并综合考虑单位时间内变形量的大小、变形特征、观测精度要求及外界因素影响情况。

3、监测测精度及监测周期的合理确定

监测精度与监测周期和位移速度之间存在一定的相互制约的关系：

①当位移速度一定时, 监测周期越短对监测精度的要求越高；

②当复测周期一定时, 位移速度越快对监测精度的要求越低；

③当位移速度很小时, 要求有很高的监测精度和较长的复测周期；

④随着位移速度的增大, 可以相应地缩短复测周期和降低监测精度。

5、变形观测基本原则：

建筑变形测量的首次（即零周期）观测应连续进行两次独立观测，并取观测结果的中数作为变形测量初始值。

一个周期的观测应在较短的时间内完成。不同周期观测时，宜采用相同的观测网形、观测路线和观测方法，并使用同一测量仪器和设备。对于特级和一级变形观测，还宜固定观测人员、选择最佳观测时段、在基本相同的环境和条件下观测。当观测量受温度、气压、湿度等环境影响时，应对观测数据进行改正。

四、变形监测方法的选择

静态监测与动态监测的关系

1）由于观测条件的影响，静态监测一般应避开阳光太强或暴风雨的恶劣天气，而这时候才是桥梁变形和振动幅度最明显的时候；动态监测是全天候的，可以监测任何时候的变形。

2）静态监测可以不同精度监测建筑物的不同部位，而动态监测特别是GPS只能监测变形较大的位移等。

3）静态监测体现的是相对于建筑物竣工状态的变化情况；而动态监测则是在建筑物正

常运营的状态下进行的实时监控，体现了在各种荷载（特别是动荷载）情况下的瞬时状态。

4）由于两者以上不同的特点，故静态监测与动态监测可以相辅相成，全面监测建筑物的运营状态，以达到共同监测建筑物安全的目的。

1-3 变形监测系统设计

二、变形监测系统设计的主要内容

（1）技术设计书。测量所遵照的规范及其相应规定；合同主要条款及双方职责等。

（2）有关建筑物自然条件和工艺生产过程的概述。主要是说明各部分观测的重要性及可能出现的现象的解释。

（3）观测的原则方案。包括监测工作的重要性、目的、要求等的总体说明。

（4）控制点及监测点的布置方案。包括监测系统布置图、测量精度要求及说明。

（5）测量的必要精度论证。对主要监测方法的精度论证，并说明观测中的注意事项。

（6）测量的方法及仪器。包括仪器的种类、数量、精度等，对于特殊仪器应给出加工图、施工图，以及观测规程。

（7）成果的整理方法及其它要求或建议。成果的整理一般按照规范的要求执行，对于规范中没有明确规定的内容，应进行详细说明。

（8）观测进度计划表。主要说明观测所需要的时间及其安排。

（9）观测人员的编制及预算。

三、变形监测点的分类

变形网常有三种点、两种等级的网组成：

1）基准点：通常埋设在比较稳固的基岩上或在变形影响范围之外，尽可能长期保存，稳定不动。一般一个工程至少三个基准点。

2）工作基点：是基准点和变形监测点之间的联系点。工作点与基准点构成变形监测的首级网，用来测量工作点相对于基准点的变形量，由于这种变形量较小，所以要求监测精度高，复测间隔时间长。

3）变形监测点：即观测点或监测点，它们埋在变形体（如建筑物、边坡等）上和变形体构成一个整体，一起移动。变形监测点与工作点组成次级网，次级网用来测量监测点相对于工作点的变形量。

六、变形观测网的特点

1、布网的目的

工程控制网，保证网点之间的相对精度是至关重要的。衡量控制网等级的一个重要指标就是网的最弱边。但变形网则不同，变形网布网的目的是为了测定网点的变形，而网点之间的相对精度则不是主要的。

２、布网的原则

变形网则完全根据变形测量的需要来布设网点。

３、布网的多余观测条件多，图形复杂

４、变形网边短，精度高

５、变形网可以没有已知数据

第二章 垂直位移监测技术

对监测点高程变化量的测量工作；有时用“+” 表示下沉，用“-”时表示上升。

2-2 精密水准测量

精密水准测量精度高，方法简便，是垂直位移监测最常用的方法。

垂直位移监测的测量点分为水准基点、工作基点和监测点三种。

水准基点是垂直位移监测的基准点，一般3~4个点构成一组，形成近似正三角形或正方形，为保证其坚固与稳定，应选埋在变形区以外的岩石上或深埋于原状土上，也可以选埋在稳固的建构筑物上。

工作基点

工作基点是用于直接测定监测点的起点或终点。

工作基点应布置在变形区附近相对稳定的地方，其高程尽可能接近监测点的高程。

工作基点一般采用地表岩石标，当建筑物附近的覆盖层较深时，可采用浅埋标志，当新建建筑物附近有基础稳定的建筑物时，也可设置在该建筑物上。

因工作基点位于测区附近，应经常与水准基点进行联测，通过联测结果判断其稳定状况，保证监测成果的正确可靠。

监测点

监测点是垂直位移监测点的简称，布设在被监测建（构）筑物上。

布设时，要使其位于建（构）筑物的特征点上，能充分反映建（构）筑物的沉降变形情况，点位应当避开障碍物，便于观测和长期保护，标志应稳固，不影响建构筑物的美观和使用，还要考虑建筑物基础地质、建筑结构、应力分布等，对重要和薄弱部位应该适当增加监测点的数目。

监测方法与技术要求（1）

采用精密水准测量方法进行垂直位移监测时，从工作基点开始经过若干监测点，形成一个或多个闭合或附合路线，其中以闭合路线为佳，特别困难的监测点可以采用支水准路线往返测量。

整个监测期间，最好能固定监测仪器和监测人员，固定监测路线和测站，固定监测周期和相应时段。

标尺零点差的影响

作业中，应将个测段的测站数布设成偶数站

2-3 精密三角高程测量

精密水准测量因受观测环境影响小，观测精度高，仍然是沉降监测的主要方法；

如果水准路线线况差，水准测量实施将很困难。

高精度全站仪的发展，使得电磁波测距三角高程测量在工程测量中的应用更加广泛；

电磁波测距三角高程测量代替水准测量进行沉降监测，将极大地降低劳动强度，提高工作效率。

单向观测及其精度

1-Kh=D⋅tanα+⋅D2+i-v+(u1-um)⋅D 2R

平原地区边长较短时：

1-Kh=D⋅tanα+⋅D2+i-v2R

4D2222mh=tan2α⋅mD+D2sec4α2+mi2+mV+⋅mK2ρ4R

2-4 液体静力水准测量

液体静力水准测量也称为连通管测量，是利用相互连通的且静力平衡时的液面进行高程传递的测量方法。

基本原理 2mα

p01+ρ1gh1=p02+ρ2gh2

由于制造的容器不完全一致，探测液面高度的零点位置（起始读数位置）不可能完全相同，为求出两容器的零位差，可将两容器互换位置，求得A、B两点的新的高差h

第三 章 水平位移监测技术

测点布设（1）

建筑物水平位移监测的测点宜按两个层次布设，即由控制点组成首级网（控制网）、由观测点及所联测的控制点组成次级网（拓展网）；

对于单个建筑物上部或构件的位移监测，可将控制点连同观测点按单一层次布设。

测点布设（2）

控制网可采用测角网、测边网、边角网和导线网等形式，扩展网和单一层次布网有角度交会、边长交会、边角交会、基准线和附合导线等形式。各种布网均应考虑网形强度，长短边不宜悬殊过大。

为保证变形监测的准确可靠，每一测区的基准点不应少于2个，每一测区的工作基点亦不应少于2个。基准点、工作基点应根据实际情况构成一定的网形，并按规范规定的精度定期进行检测。

常用方法（1）

大地测量法

主要包括：三角网测量法、精密导线测量法、交会法等。该方法通常需人工观测，劳动强度高，速度慢，特别是交会法受图形强度、观测条件等影响明显，精度不高，但该方法较为灵活方便。

基准线法

该方法特别适用于直线形建筑物的水平位移监测，其类型主要包括：视准线法、引张线法、激光准直法和垂线法等。

专用测量法

即采用专门的仪器和方法测量两点之间的水平位移，如：多点位移计、光纤等。

GPS测量法

利用GPS自动化、全天候观测的特点，在工程的外部布设监测点，可实现高精度、全自动的水平位移监测，该技术已经在水利、大型桥梁、超高层建筑等工程中得到广泛应用。

2 交会法观测

交会法是利用2个或3个已知坐标的工作基点，测定位移标点的坐标变化，从而确定其变形情况的一种测量方法。

该方法具有观测方便简单、费用低、技术成熟等优点，免棱镜系统的应用使得该方法常用于测量人员难以到达的变形体的监测工作，如：滑坡体、悬崖、坝坡、塔顶、烟囱等。

该方法的主要缺点是测量的精度和可靠性一般，随着高精密全站仪的发展，精度得到较大的提高。

该方法主要包括测角交会、测边交会和后方交会三种方法。

注意事项

在进行交会法观测时，首先应设置工作基点。工作基点应尽量选在地质条件良好的基岩上，并尽可能离开承压区，且不受人为的碰撞或震动。

工作基点应定期与基准点联测，校核其是否发生变动。工作基点上应设强制对中装置，以减小仪器对中误差的影响。

工作基点到位移监测点的边长不能相差太大，应大致相等，且与监测点大致同高，以免视线倾角过大，影响测量的精度。

为减小大气折光的影响，交会边的视线应离地面或障碍物在1.2m以上，并应尽量避免视线贴近水面。

在利用边长交会法时，还应避免周围强磁场的干扰影响。

测角交会法

采用测角交会法时，交会角最好接近90°，若条件限制，也可设计在60°~120°之间。 工作基点到测点的距离，一般不宜大于300m，当采用三方向交会时，可适当放宽要求。

测边交会法

在使用该法时应注意下列几点：

γ角通常应保持在60°至120°之间；

测距要仔细，以减小测边中误差ma和mb；

交会边长度a和b应力求相等，且一般不宜大于600m

后方交会法

在实际测量过程中，还应注意工作基点和监测点不能在同一个圆周上（危险圆），应至少离开危险圆周半径的20%。

4 全站仪空间交会

原理：全站仪架设在已知点上，只要输入测站点、后视点的坐标，瞄准后视点定向，按下反算方位角键，则仪器自动将测站与后视的方位角设置在该方向上。然后，瞄准待测目标，按下测量键，仪器将很快地测量水平角、垂直角、距离，并利用这些数据计算待测点的三维坐标。

5 视准线测量

视准线法是基准线法测量的方法之一，它是利用经纬仪或视准仪的视准轴构成基准线，通过该基准线的铅垂面作为基准面，并以此铅垂面为标准，测定其他观测点相对于该铅垂面的水平位移量的一种方法。

为保证基准线的稳定，必须在视准线的两端设置基准点或工作基点。

视准线法所用设备普通，操作简便，费用少，是一种应用较广的观测方法。

该方法同样受多种因素的影响，如：照准精度、大气折光等，操作不当时，误差不容易控制，精度会受到明显的影响。

活动觇牌法观测的步骤

视准线端点架设好经纬仪，在另一端点安置固定觇牌，经纬仪严格照准固定觇牌中心，并固定仪器。

观测点上架好活动觇牌，经纬仪盘左位置，由观测员指挥点上操作员，旋动觇牌中心线严格与视准线重合，读取测微器读数。操作员反方向导入活动觇牌，使其中心线严格与视准线重合，读取测微器读数。以上是半测回工作。转动经纬仪到盘右位置，重新严格照准B点觇牌，再重复盘左操作步骤，完成一测回的观测工作。

第二测回开始，仪器应重新整平。根据需要，每个观测点需测量2～4个测回。

一般说来，当用DJ1型经纬仪观测，测距在300m以内时，可测2～3测回，其测回差不得大于3mm，否则应重测。

6 引张线测量

所谓引张线，就是在两个工作基点间拉紧一根不锈钢丝而建立的一条基准线。以此基准线对设置在建筑上的变形监测点进行偏离量的监测，从而可求得各测点水平位移。

引张线法是精密基准线测量的主要方法之一，广泛应用于各种工程测量。

前苏联较早将其应用于大坝水平位移观测，20世纪60年代该方法引入国内，并在我国大坝安全监测领域得到了广泛的应用。

7 垂线测量

垂线有两种形式：正垂线和倒垂线。

正垂线一般用于建筑物各高程面处的水平位移监测、挠度观测和倾斜测量等。

倒垂线大多用于岩层错动监测、挠度监测，或用作水平位移的基准点。

倒垂线的观测

倒垂线观测前，应首先检查钢丝是否有足够的张力，浮体有无与浮桶壁相接触。若浮体与浮桶相接触，应把浮桶稍微移动直到两者脱离接触为止。待钢丝静止后，用坐标仪进行观测。 在大坝变形监测中，到垂线一般要求精确观测三测回，每测回中，应使仪器从正、反两个方向导入而照准钢丝，两次读数差不得大于0.3mm，各测回间的互差不得大于0.3mm，并取三测回平均值作为结果。

8 激光准直测量

激光准直测量按照其测量原理可分为直接测量和波带板激光准直测量两种，按照其测量环境可分为大气激光准直和真空激光准直。

在大气条件下，激光准直的精度一般为 10-5~10-6，影响其精度的主要原因是大气折光的影响。在真空条件下，激光准直的精度可达10-7~10-8 ，其精度较大气激光准直有明显的提高，但其工程的造价和系统的维护费用也相应的提高。

目前，在水利工程的变形监测中，常采用波带板激光准直。

在高层建筑物水平位移变形监测中，常采用激光经纬仪准直。

工作原理

采用波带板激光准直法观测水平位移，是将激光器和接收靶分别安置在两端固定工作基点上，波带板安置在位移标点上，并要求点光源、波带板中心和接收靶中心三点基本上同在一高度上，这在埋设工作基点和位移标点时应考虑满足此条件。

当激光器发出的激光束照准波带板后，在接收靶上形成一个亮点或“＋” 字亮线，按照三点准直法，在接收靶上测定亮点或十字亮线的中心位置，即可决定位移标点的位置，从而求

出其偏离值。

第四 章 建筑物的变形监测

第1节 倾斜观测

直接法：经纬仪投影法、测水平角、前方交会法、垂准线法

该方法多用于基础面积过小的超高建筑物，如电视塔、烟囱、高桥墩、高层楼房等。 间接法：测定基础的相对沉陷量（水准测量）、倾斜仪

该方法多用于基础面积较大的建筑物，并便于水准观测

三、前方交会法

当测定偏距e的精度要求较高时，可以采用角度前方交会法。

首先在圆形建筑物周围标定A、B、C三点，观测其转角和边长，则可求得其在自用坐标系中的坐标；

然后分别设站于A、B、C三点，观测圆形建筑物顶部两侧切线与基线的夹角，并取其平均值；

以同样的方法观测圆形建筑物底部；

按角度前方交会定点的原理，即可求得圆形建筑物顶部圆心O′和底部圆心O的坐标。

五、水准测量

用水准仪测出两个观测点之间的相对沉陷，由相对沉陷与两点之间距离之比，可换算成倾斜角。

六、流体静力水准测量

是测定观测点高程及基础倾斜的方法之一，仪器不受距离限制，并且距离愈长，测定倾斜度的精度愈高。

七、倾斜仪的应用

气泡式倾斜仪由一个高灵敏度的气泡水准管和一套精密的测微器组成。使用时将倾斜仪安置在需要的位置上以后，转动带有读数盘的测微轮，通过测微杆向上或向下移动，直至水准气泡居中为止。此时在读数盘上读出该处的倾斜度

我国制造的气泡式倾斜仪，灵敏度为2" ，总的观测范围为1°。气泡式倾斜仪适用于观测较大的倾斜角或量测局部位置的变形，例如测定设备基础和平台的倾斜。

倾斜仪和电子水准器虽有明显的优点，但当建筑物变形范围很大，工作测点很多时，这类仪器就不如水准仪灵活。因此，变形观测的常用方法仍是水准测量。

第3节 裂缝观测

对建筑物产生的裂缝应进行位置、 走向、长度、 宽度、深度和错距等的定期观测，对建筑物内部及表面可能产生裂缝的部位，应预埋仪器设备，进行定期观测或临时采用适宜方法进行探测。

裂缝观测一般应在其两端(最窄处与最宽处)设置观测标志。标志的力向应垂直于裂缝。一个建(构)筑物若有多处裂缝，则应绘制表示裂缝位置的建(构)筑物立面图 (裂缝位置图)。并对裂缝编号。

裂缝常用标志：石膏标志，薄铁片标志，金属标志点

日照变形监测方法

日照变形观测的方法

（1）当建筑物内部具有竖向通视条件时，应采用激光铅直仪观测法。在测站点上可安置激光铅直仪或激光经纬仪，在观测点的水平位移值和位移方向，亦可借助附于接收靶上的标示光点设施，直接获得各次观测的激光中心轨迹图，然后反转其方向即为实测日照变形曲线图。

（2）从建筑物外部观测时，可采用测角前方交会法或方向差交会法。对于单柱的观测，按不同量测条件，可选用经纬仪投点法、测顶部观测点与底部观测点之间的夹角法或极坐标法。按上述方法观测时，从两个测站对观测点的观测应同步进行。所测顶部的水平位移量与位移方向，应以首次测算的观测点坐标值或顶部观测点相对底部观测点的水平位移值作为初始值，与其它各次观测的结果相比较后计算求取。

第五章 地表变形对建筑物的影响

一、下沉对建筑物的影响

(1)引起建筑物的整体移动。

(2)一般均匀下沉对建筑物使用影响不大。

二、倾斜对建筑物的影响

对底面积小、高度大的建筑物影响较大。

三、曲率对建筑物的影响

有正负曲率之分

正曲率：

使建筑物墙体产生倒八字形的裂缝

负曲率：

使建筑物墙体产生正八字型裂缝

可见：建筑物愈长，面积愈大，影响愈大

四、水平变形对建筑物的影响

有正负水平变形之分

正水平变形：

使建筑物产生拉伸变形，特别是墙体薄弱处产生裂缝。

负水平变形：

使建筑物产生压缩变形，特别是墙体薄弱处产生破坏（门窗挤成菱形，墙体水平裂缝/纵墙产生褶曲或鼓起）。

可见：水平变形对建筑物影响较大，特别是正水平变形

第六章、GPS在变形监测中的运用