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1、第二章 变形观测方案设计,重要工程建筑物，从施工到竣工，以及竣工后整个运营期间都可能要不断地或周期性地监测建筑物的变形情况。一般来说，由于各种因素的影响，工程建筑物及其设备在其运营过程中都会产生变形，在一定的限度之内，变形可以认为是正常的现象，但如果这种变形超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，造成生命财产的巨大损失。不同的工程建筑物需不同的观测方案。变形观测方案设计主要包括：监测项目和目的；监测网的设计；监测点布置；变形监测方法；使用工具(检验)；观测精度；观测周期；重大项目：监测网的优化设计。,2-1 变形监测网的布设,基准点分为稳定的基准点和工作基点。埋
2、设在变形影响范围以外或基岩上的稳定不动的测量控制点为基准点；基准点如果离被观测目标较远，工作不方便，观测误差大，埋近了，又不稳定，所以一般采用两级控制。使用时需对基准点进行稳定性检验。将设在离观测点较近的基准点称为工作基点。,这样，由稳定的基准点和工作基点组成了首级变形监测网。由于工作基点离观测点较近，可能在变形区内(不稳定)，其位移量是通过对整个监测网的重复观测来确定。由工作基点对观测点观测，测得观测点相对于工作基点的位移量，再根据工作基点相对于基准点的位移量来修正观测点的位移值。当监测网中的两种控制点不需要区分时，统称为基准点。工作基点独立称呼时，说明该点可能不稳定。,一、监测点的布设观测
3、点设在被观测的目标上，为对观测点实施观测还需建立基准点。,水平位移监测网主要技术要求,用视准线法校测工作基点、观测增设的工作基点或混凝土建筑物上的位移标点时，容许误差应不大于2mm(取二倍中误差)。用视准线法观测土工建筑物上的位移标点时，各测回的允许误差应不大于4mm(取二倍中误差)。在已定的上述允许误差的情况下，各测点所需的测回数与距离有关，适当规定或试验确定测回数。注意的问题：1、检验经纬仪垂直轴倾斜误差。当垂直角超出3度时，应进行垂直轴倾斜修正2、观测点偏离基准线的距离不应大于2cm ；点间距土坝小于50米，砼每段应有一个横断面点。,视准线法：观测精度要求,变形测量的等级划分及精度要求P
4、3(工程测量规范),变形测量的等级划分及精度要求,对于同类工程建筑物，根据其结构、形状不同，要求的精度也有差异。即使同一建筑物，不同部位的精度要求也不同。普通的工业与民用建筑，变形观测的主要内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜。一般来讲，对于有连续生产线的大型车间(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2mm的沉陷量，因此，对于观测点高程的精度，应在lmm以内。特种工程设备(例如高能加速器，大型天线)，要求变形观测的精度高达0.1mm。拦河大坝是一类典型的工程建筑物，变形观测的精度要求概括在表2-2(大坝变形观测典型精度)中。滑坡变形测定精度一般在1050mm之间。,大坝变形观
5、测典型精度,高层建筑的划分标准1、高层建筑：8-19层，高度小于60米2、超高层建筑：大于或等于20层，高度大于60米,表2-3建筑物的地基允许变形值,(一)按允许变形值求观测中误差,变形测量工程采用表2-1中哪个等级，须通过建筑物的允许变形值(表2-3 )推算求得。建筑物的允许变形值，一般由建筑工程规范中规定或由设计单位提出。,例1.1某大楼高90m，箱形基础长L135m，宽L225m，求沉陷观测点高程中误差。查表2-3多层和高层建筑基础的倾斜允许变形值：由下式计算得出：式中，H1、H2分别为1、2点的沉陷值；L为1、2两点平距。则沉降值之差：50mm是1、2两观测点沉降允许差值，取允许值的
6、1/20，则沉降差值的中误差：,H1和H2分别是两点两次观测高程，求得两个观测点高程中误差 :观测点的高程中误差为：m1=m2=2.5/1.414=1.8mm由表2-1可查得变形点的观测，取垂直位移观测为三等精度是适宜的。,例1.2某框架结构，地基为高压缩性土，相邻两沉降观测点距离8米，求观测点的高程测量中误差。由表2-3查得相邻观测点的差异沉降量的允许值：,差异沉降观测值中误差取0.1倍允许值，则：,因：,大楼沉降观测取三等精度较适宜。,变形监测网的精度设计(技术设计一部分),变形观测除在观测目标上设立变形观测点，还需设立基准点和工作基点，由基准点和工作基点组成监测控制网。若观测项目较少，基
7、准点和工作基点兼用。,误差说明：m弱等于1mm(按设计),M1为工作基点误差，由一级网引起的；m2变形点测量误差，由二级网测量误差,变形测量的等级划分及精度要求,例1.3变形监测网的精度设计,一.2级变形监测网的精度分析设Q点是变形监测的最弱点。计算由工作基点C至Q的误差。采用闭合水准线路测量。设一个测站为单位权观测，m0=0.5mmQ点的权：Q点的测量误差为m2：,二.1级变形监测网的精度分析设A为基准点，C为工作基点。采用闭合水准线路测量。设一个测站为单位权观测，m0=0.15mmC点的权：C点的测量误差为m1：,图1-2 闭合水准线路图,例1.4变形监测网的精度设计,一.2级变形监测网的
8、精度分析平面观测网设计与精度设计 平面观测网设计。第一条导线布设如下，以A2为测站点，以A3为后视点，在基坑的东边缘设立工作基点K1，在工作基点K1按置全站仪对基坑周围的变形点进行观测，测站采用三联脚架观测法观测，后视点和变形点照准底部，变形点采用特制棱镜测量，线路布设如图1-3所示，两条导线测量结果取平均值为最终结果。根据建筑变形测量规程第4.3.1条，DJ2全站仪测角精度可选用2.8。各条观测边长均小于50米，测距中误差为2.15mm,每测站的点位中误差可根据下式估算：,位移测量技术要求,水平位移监测网主要技术要求,二、变形观测频率1.定义：相邻两次变形观测的间隔时间为变形观测周期，简称观
9、测周期。2.确定的基本原则根据建(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。观测过程中，根据变形量的变化情况，应适当调整。通常应使观测的次数能反映出变化的过程。(一)沉降观测频率3.实际工作中，通常按荷载阶段和变形是否稳定确定观测周期；第一阶段，从基础施工开始，对地基的荷载逐渐增加，到满荷载为止，该阶段是沉降最快阶段，对于一般高楼建筑通常每升高12层观测1次，或根据施工进度715d观测一次；第二阶段，从满荷载到沉降趋向稳定阶段(日沉降量0.010.04mm/d认为稳定)，一般1个月、2个月、3个月、半年不等至沉降停止。有些建筑需终生观测直至报废，观测周期可1
10、年、2年不等。如在观测过程中变形速度异常、雨水浸泡、地震等，应增加观测次数，以监视建筑物动态变化，保证安全施工或使用。,变形观测周期与频率有些工程工期较短，但在施工期间的观测次数通常不少于4次，否则不能取得正确的变形特征值,一般建筑物观测次数不少于5次。通常，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。如瑞士的Zeuzier拱坝在正常运营20多年后才出现异常，如果没有坚持定期观测，就无法发现，就会发生灾害。,三、变形观测指导工程建设实例 1.上海人民广场地下车库，地下两层，平面尺寸为176m145m，是目前
11、我国建成的最大的地下停车场。基坑开挖深度10.65m，局部12m，采用地下连续墙作为围护结构和地下室永久性外墙。挖到-11m标高，相距地下连续墙外缘2m处的地表沉降增大到32mm，沉降速率为1.7mmd。基坑实际开挖深度达到12.65m，这时，地表沉降突然加快，至9月4日，沉降速率达到17mmd。出现成组与墙体轴线平行的裂缝。墙体因开挖深度过大而产生的失稳事故迫在眉睫。警报迅速发至工程有关各方，施工总包单位瞬即召集现场紧急会议，决定停止开挖，并当即采取以下四项应急措施：迅速撤除和搬迁堆放在车道相邻地面的50t钢筋，以减小地面超载；紧急调拨黄砂300t，对坑底已开挖的水池予以回填；加快混凝土垫层
12、的施筑，并抓紧底板扎筋和混凝土浇筑； 采用分段施工，减小变形量待垫层和底板混凝土基本结硬之后才开挖水池深坑内的回填黄砂。,坑底,地面下沉,地表观测点沉降和沉降速率随时间变化的现场观测曲线,变形观测指导工程建设实例 . 2.苏州虎丘塔地基加固苏州市虎丘塔，塔底直径13.66m，高47.5m，荷重63 000kN，全部塔重支撑在内外12个砖墩上。该塔因破损较大于19561957年进行了上部结构的修缮，但塔体荷重增加了约2 000kN，同时加速了塔体的不均匀沉降。塔顶位移由1957年的1.7m发展到1978年的2.3m 。下卧压缩层厚度不等以及砖砌体受到偏心受压是造成塔身倾斜恶化的主要原因。,整治方
13、案，首先采用挖孔桩方法沿塔身四周建造排桩式地下连续墙，然后在塔身内外地基内进行钻孔灌注水泥浆加固。为了避免施工过程中对建筑物地基的过大扰动，为此组织了施工期的变形监测，监测人员所承担的责任是及时发现不正常的变形并及时报警。 建筑物沉降观测的精度和水平位移观测精度分别取为0.1mm（一等变形网，高于一等水准测量）和0.3mm，这样，就为施工阶段的监测预警预报提供了科学的参照依据。施工至两个月时，发现连续3d内，南北两个沉降观测点的高差读数扩大了0.3mm，平均沉降速率达到0.1mmd，远远超出结构物正常的沉降速率。经与其他观测数据验证和周密分析之后，监测人员迅速发出沉降速率过大的警报 。,报警的
14、决定是在慎重和科学地分析了变形速率发展状况后作出的。在进行加固施工的前一年里，虎丘塔南北沉降观测点高差每个月才增加约0.1mm，一年的沉降增量为lmm左右。现在测得的每天沉降增量竟达0.1mm，沉降量绝对值不大，但变形速率增大了近30倍，而且连续3d持续增加，说明监测所得的0.3mm并非观测误差所致，而确系变形加速的反映。从中可以看到，变形速率和沉降量，是现场预警预报监测中至关重要的两个方面。3.长江三峡新滩大滑坡的成功预报1985年6月12日，我们成功地预报了新滩大滑坡，从而确保灾害损失减少到了最低限度。它不仅使滑坡区内457户1 371人在滑坡前夕全部安全撤离，无一人伤亡，而且使正在险区长
15、江上、下游航行的11艘客货轮及时避险，免遭灾难。为国家减少直接经济损失8 700万元，被誉为我国滑坡预报研究史上的奇迹。 科学、准确、及时地分析和预报工程及工程建筑物的变形状况，对工程建筑物的施工和运营管理极为重要 。,2.5变形监测方案的制定,一、变形监测方案的制定变形监测方案的制定必须建立在对工程场地的地质条件、施工方案、施工周围环境详尽的调查了解基础之上，同时还需与工程建设单位、施工单位、监理单位、设计单位以及有关部门进行协调。由于变形监测方案的制定将影响到观测的成本、成果的精度和可靠性，因此，应当认真、全面地考虑。一般地，变形监测方案制定的主要内容有：监测内容的确定；监测方法、仪器和监
16、测精度的确定；施测部位和测点布置的确定；监测周期(频率)的确定。,2.1 变形观测内容、精度与周期,1.监测项目其确定主要根据监测工程的性质和要求，在收集和阅读工程地质勘察报告、施工组织计划的基础上，根据施工周围的环境确定变形监测的内容。例如：对建筑物的变形监测就可能包含建筑物的沉降监测、水平位移监测、倾斜监测、裂缝监测以及挠度监测等；对于危岩滑坡的成灾条件，变形监测主要包括：危岩、滑坡地表及地下变形的二维(X、Y两方向)或三维(X、Y、Z三方向)位移、倾斜变化的监测；有关物理参数应力应变、地声变化的监测；环境因素地震、降雨量、气温、地表(下)水等的监测。,2.1 变形观测内容、精度与周期,2
17、.监测方法与仪器其选择主要取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件，根据监测内容的不同可以选择不同的方法和仪器。例如：对于局部性的外观变形监测，高精度水准测量，高精度三角、三边、边角以及测量机器人监测系统是工程建筑物外部变形监测的良好手段和方法。而钻孔倾斜仪、多点位移仪则非常适合于工程建筑物的内部的变形观测。在矿山地表移动观测方面，常用水准仪测高差，全站仪测坐标，现已采用GPS监测技术，并满足了大变形研究的精度要求。GPS应用于地球板块运动监测及局部地壳运动监测研究表明：监测精度在水平速度上可达2mm年，水平方向上形变量可达12mm，垂直方向形变量可达24mm，基线相对精度可达10-9；将GP
18、S技术应用到建筑物、大型基础设施、局部区域、大型精密设备等工程变形监测，精度亦达到了毫米级。因此，GPS技术满足了矿山地表移动监测的精度要求。,2.3 基坑回弹观测,工业与民用建筑物的沉陷观测是最常遇到的变形观测工作，从建筑物基础施工开始到工程交付使用甚至更长一段时间都需进行变形观测。而其中的基坑回弹观测是一项重要的内容。1.定义深埋大型基础在基坑开挖后，由于基坑上面的荷重卸除，基坑底面(地基)隆起，称为基坑回弹。2.回弹量回弹量因土层不同而异，一般土层、软土层回弹量稍大，砾砂岩层回弹量稍小，弱风化岩层一般情况下回弹量较小，而基岩层基本不回弹。3.基坑回弹观测的任务是测定基坑开挖后的回弹量。4
19、. 目的是为改进基础设计，确定室内地坪的适宜标高提供重要资料。,2.3 基坑回弹观测,5.回弹观测要点（即观测步骤及方法）（1）首先基坑开挖之前测出设计的坑底土层的准确高程，如图(a)中的Q点的高程为HQ；（2）当基坑土被取出后再复测坑底土层中Q点上升Q（图b），Q高程为HQ，它与初始高程之差为HQ就是基坑回弹量；说明：图(a)中，H坪为室内地坪设计标高，CD为设计的基坑底面，其标高为HQ，当土块ABCD被取走后，CD面上升到CD（图b)。,（3）为保持设计坑内标高仍是HQ，将CD挖去，使原EF升至EF即CD高度。当基础筑完之后，EF即CD高度。当基础筑完之后，EF又被压回到EF(图c)。若按
20、基础设计深度h施工室内地坪，则0降低了HQ。若按0设计标高施工室内地坪，则h增加了HQ尺寸。如果HQ是在基础施工后一段时间完成，可能导致整个建筑物降低了HQ尺寸。由于坑底C、D、Q三点回弹量与下沉量也不均，可导致防水失败，对工程危害极大。因此，回弹观测，特别是软土层深基础的回弹观测有重要意义。,2.3 基坑回弹观测,6.精度要求回弹观测应达到一定精度，一般取预计回弹量的1/10为回弹观测高程中误差。观测中，常将各项较差取至1mm。所用仪器能读出0.1mm的微小量。7.实例（1）准备 如图所示为回弹观测示意图。准备精密水准仪和铟瓦水准尺，准备经检定的30m或50m钢尺，以及与钢尺标准拉力相应的重
21、锤两个和投放钢尺的支架。其观测工作应在开挖前后各进行1次。开挖前观测时，将平底重锤放入孔底，让锤与回弹标志顶接触，另一端用检定拉力将钢尺引张。当孔底重锤碰到标志后，用水准仪测量基准点与回弹标志的高差(要注意钢尺的零点值)。观测时钢尺估读到0.1mm，水准尺读到0.1mm，以下凑整。,（2）测回观测顺序如下：后视水准尺，调平气泡，读基本分划a1。不动测微器，前视钢尺，调平气泡读钢尺读数b1。仍不动测微器，再重新调平气泡，再读钢尺读数三次，当较差小于1mm时，取三次平均值得b1。后视水准尺辅助分划，读法同得a1。重新引张钢尺，水准仪前视钢尺，读法同得b1。,2.3 基坑回弹观测,测量孔底与地面上的
22、温度，取其中数对钢尺施加温度改正。计算高差： 式中， 、 分别为上、下半测回高差。步观测为一测回，一测回两次高差之差为：当 不大于1mm时，取其平均值为第一测回的结果，即：该项观测须进行两测回，其较差不大于1mm，取两测回平均值作为最后的观测高差值，即:式中，h2为第二测回观测高差。观测完毕，先回填白灰0.5m，拨出套管，回填素土。注意事项：基坑挖至白灰时，应仔细挖坑，以免破坏坑内各观测点。同时在基坑壁一合适的高度做一个临时水准点(设计坑底往上不超过1.5m高)，按开挖前的观测方法，测量该临时水准点与地面基准点高差。 当回弹观测点被挖露出后，以临时水准点为后视，观测各回弹观测点的标高。从而算得各观测点的回弹量。,
