變形監(jiān)測技術與方法課件

*第二章變形監(jiān)測技術與方法主要內容：2.1垂直位移監(jiān)測技術2.2水平位移監(jiān)測技術2.3傾斜監(jiān)測技術2.4撓度度監(jiān)測技術2.5裂縫監(jiān)測技術2.6內部位移監(jiān)測技術*2.1 垂直位移監(jiān)測技術主要方法：精密水準測量三角高程測量液體靜力水準測量定義：對監(jiān)測點高程變化量的測量工作；一般用“+”

表示下沉，用“-”時表示上升。

**2.1.1精密水準測量精密水準測量精度高，方法簡便，是垂直位移監(jiān)測最常用的方法。測量點的布設觀測儀器施測方法與技術要求測量點的布設-測量點分類**水準基點:垂直位移監(jiān)測的基準點工作基點:用于直接測定監(jiān)測點的起點或終點監(jiān)測點：垂直位移監(jiān)測點的簡稱，布設在被監(jiān)測建（構）筑物上。**（1）水準基點的埋設與標志普通混凝土標地面巖石標淺埋鋼管標井式混凝土標深埋鋼管標深埋雙金屬標一般3-4個點構成一組，形成近似正三角形或正方形，為保證其堅固與穩(wěn)定，應選埋在變形區(qū)以外的巖石上或深埋于原狀土上，也可以選埋在穩(wěn)固的建構筑物上。**普通混凝土標石**地面巖石標**淺埋鋼管標**井式混凝土標**深埋鋼管標**深埋雙金屬標**（2）工作基點工作基點布置：應在變形區(qū)附近相對穩(wěn)定的地方，其高程盡可能接近監(jiān)測點的高程。工作基點埋設：一般采用地表巖石標，當建筑物附近的覆蓋層較深時，可采用淺埋標志，當新建建筑物附近有基礎穩(wěn)定的建筑物時，也可設置在該建筑物上。工作基點觀測：應經常與水準基點進行聯(lián)測，通過聯(lián)測結果判斷其穩(wěn)定狀況，保證監(jiān)測成果的正確可靠。**（3）監(jiān)測點位于建（構）筑物的特征點上，能充分反映建（構）筑物的沉降變形情況，點位應當避開障礙物，便于觀測和長期保護，標志應穩(wěn)固，不影響建構筑物的美觀和使用還要考慮建筑物基礎地質、建筑結構、應力分布等，對重要和薄弱部位應該適當增加監(jiān)測點的數目。

盒式標志窨井式標志螺栓式標志監(jiān)測點埋設標志《建筑變形測量規(guī)范》2007**監(jiān)測點標志-盒式標志**監(jiān)測點標志-窨井式標志**監(jiān)測點標志-螺栓式標志**精密水準監(jiān)測儀器****儀器的檢驗水準儀：i角誤差水準標尺：標尺的每米真長偏差**精密水準監(jiān)測方法與技術要求（1）閉合或附合路線，其中以閉合路線為佳，特別困難的監(jiān)測點可以采用支水準路線往返測量。最好能固定：儀器、人員、監(jiān)測路線、測站、周期、相應時段。**監(jiān)測方法與技術要求（2）嚴格控制前后視距差和前后視距累積差（角誤差、磁場和大氣垂直折光）往測時，奇數站的觀測順序為“后前前后”；偶數站的觀測順序為“前后后前”。返測時，奇、偶數站的觀測順序與往測偶、奇數站相同。？**視線長度、前后視距差和視線高度（m）等級儀器類型視線長度前后視距差視距累積差視線高度特級DS05≤15≤0.3≤1.5≥0.5一級DS05≤30≤0.5≤1.5≥0.5二級DS05、DS1≤50≤1.0≤3.0≥0.3三級DS1、DS3≤75≤5.0≤8.0≥0.2**水準測量主要限差（mm）等級基輔分劃讀數差基輔分劃高差之差相鄰基準點高差中誤差測站高差中誤差往返較差、附合或環(huán)線閉合差檢測已測高差較差特級0.30.40.30.070.15√n0.2√n一級0.30.40.50.130.3√n0.5√n二級0.40.61.00.300.6√n0.8√n三級2.03.02.00.701.4√n2.0√n注：n為測段的測站數**監(jiān)測點的精度要求（mm）等級往返較差、附合或環(huán)線閉合差高程中誤差相鄰點高差中誤差特級0.15√n0.30.2√n一級0.3√n0.50.5√n二級0.6√n1.00.8√n三級1.4√n2.02.0√n注：n為測段的測站數**2.1.2精密三角高程測量三角高程測量優(yōu)點：

效率高、對路線要求低

測量方法：單向中間對向？**（1）單向觀測及其精度

K-大氣垂直折光系數D-平距a-豎直角R-地球半徑i-儀器高v-棱鏡高球氣差**（2）中間法及其精度**對向觀測及其精度**2.1.3

液體靜力水準測量

液體靜力水準測量也稱為連通管測量，是利用相互連通的且靜力平衡時的液面進行高程傳遞的測量方法。**基本原理(1)**基本原理(2)**

由于制造的容器不完全一致，探測液面高度的零點位置（起始讀數位置）不可能完全相同，為求出兩容器的零位差，可將兩容器互換位置，求得A、B兩點的新的高差h為：基本原理(3)**儀器結構液體容器及其外殼液面高度量測設備溝通容器的連通管。**液面高度測定方法目視接觸法接觸法電子傳感器法光電機械法**目視法讀數靜力水準儀**接觸法讀數靜力水準儀**傳感器靜力水準測量系統(tǒng)**電感式液體靜力水準儀**誤差分析連通管中液體殘存氣泡，結果將有粗差；零點差；溫度差影響；氣壓差影響；液面到標志高度量測誤差；液體蒸發(fā)影響；液體弄臟影響；儀器擱置誤差；儀器傾斜誤差影響；儀器結構變化影響等。**液體靜力水準觀測技術要求（mm）等級儀器類型讀數方式二次觀測高差較差環(huán)線或附合路線閉合差特級封閉式接觸式±0.1±0.1√n一級封閉式、敞口式接觸式±0.3±0.3√n二級敞口式目視式±1.0±1.0√n三級敞口式目視式±3.0±3.0√n注：n為測段的測站數**作業(yè)要求（1）觀測前向連通管充水時，不得將空氣帶入，可采用自然壓力排氣充水法或人工排氣充水法進行充水。（2）連通管應平放在地面上，當通過障礙物時，應防止連通管在垂直方向出現(xiàn)Ω形而形成滯氣“死角”。連通管任何一段的高度都應低于蓄水罐底部，但最低不宜低于20cm。（3）觀測時間應選在氣溫最穩(wěn)定的時段，觀測讀數應在液體完全呈靜態(tài)下進行。（4）測站上安置儀器的接觸面應清潔、無灰塵雜物。儀器對中誤差不應大于2mm，傾斜度不應大于10?。使用固定式儀器時，應有校驗安裝面的裝置，校驗誤差不應大于±0.5mm。（5）宜采用兩臺儀器對向觀測，條件不具備時可采用一臺儀器往返觀測。每次觀測，可取2~3個讀數的中數作為一次觀測值。讀數較差限值視讀數設備精度而定，一般為0.02~0.04mm。靜力水準自動化監(jiān)測****2.2水平位移監(jiān)測技術設建筑物某個點在第k次觀測周期所得相應坐標為Xk、Yk，該點的原始坐標為X0、Y0，則該點的水平位移δ為：建筑物的水平位移是指建筑物的整體平面移動。產生水平位移的原因主要是建筑物及其基礎受到水平應力的影響而產生的地基的水平移動。水平位移監(jiān)測的主要方法**交會法觀測精密導線測量全站儀觀測GPS測量視準線測量引張線測量垂線測量激光準直測量常規(guī)大地測量方法**測點布設（1）按兩個層次布設：控制點組成控制網觀測點及所聯(lián)測的控制點組成擴展網對于單個建筑物上部或構件的位移監(jiān)測，可將控制點連同觀測點按單一層次布設。**測點布設（2）控制網：測角網、測邊網、邊角網和導線網擴展網和單一層次布網：角度交會、

邊長交會、邊角交會、基準線和附合導線。每一測區(qū)的基準點和工作基點都不應少于2個。**控制點的形式及埋設要求

對特級、一級及有需要的二級、三級位移觀測的控制點，應建造觀測墩或埋設專門觀測標石，并應根據使用儀器和照準標志的類型，顧及觀測精度要求，配備強制對中裝置?；鶞庶c：穩(wěn)定可靠，長期保存，便于觀測。位移監(jiān)測點（觀測點）應與變形體密切結合，且能代表該部位變形體的變形特征。**觀測墩澆筑**水平位移監(jiān)測基準點的埋設**固定式照準牌**2.2.2交會法觀測

要求：2個或3個已知坐標的工作基點優(yōu)點：觀測方便、測量費用低、不需要特殊儀器等缺點：精度和可靠性較低。適用范圍：適用于人難以到達的變形體的監(jiān)測工作，如：滑坡體、懸崖、壩坡、塔頂、煙囪等。交會方法：測角交會、測邊交會和后方交會三種方法。？****測角交會法

采用測角交會法時，交會角最好接近90°，若條件限制，也可設計在60°~120°之間。工作基點到測點的距離，一般不宜大于300m，當采用三方向交會時，可適當放寬要求。

**測角交會誤差橢圓**測邊交會法

在使用該法時應注意下列幾點：γ角通常應保持在60°至120°之間；測距要仔細，以減小測邊中誤差ma和mb；交會邊長度a和b應力求相等，且一般不宜大于600m**后方交會法

在實際測量過程中，還應注意工作基點和監(jiān)測點不能在同一個圓周上（危險圓），應至少離開危險圓周半徑的20%。**工作基點應盡量選在地質條件良好的基巖上，并盡可能離開承壓區(qū)，且不受人為的碰撞或震動。工作基點應設強制對中裝置，定期與基準點聯(lián)測。工作基點到位移監(jiān)測點的邊長不能相差太大，應大致相等，且與監(jiān)測點大致同高。為減小大氣折光的影響，交會邊的視線應離地面或障礙物在1.2m以上。在利用邊長交會法時，還應避免周圍強磁場的干擾影響。交會法注意事項**2.2.3精密導線測量

監(jiān)測曲線形建筑物（如拱壩等）水平位移的重要方法邊角導線法：測導線邊長和轉折角觀測值。弦矢導線法：導線邊長和矢距*邊角導線規(guī)范要求在洞室和廊道中觀測時，應封閉通風口以保持空氣平穩(wěn)，觀測的照明設備應采用冷光照明，以減少折光誤差。觀測時，需分別觀測導線點標志的左右角各測一個測回，并獨立進行兩次觀測，取兩次讀數中值為該方向觀測值。邊角導線的邊長一般不宜大于320m，邊數不宜多于20條，同時要求相鄰兩導線邊的長度不宜相差過大。

**弦矢導線**弦矢導線測量要求弦矢導線的全長不宜大于400m，邊數不宜大于25條；若矢距量測精度不能保證轉折角的中誤差小于1″時，導線長應適當縮短，邊數應適當減少；若矢距量測精度較高，邊長也可適當放長。此法的關鍵是提高三角形（矢高）的觀測精度，一般需采用銦鋼桿尺、讀數顯微鏡和調平裝置等設備。**2.2.4全站儀差分觀測法

**坐標測量原理**全站儀差分方法基準點、監(jiān)測點、參考點**全站儀差分方法數據處理距離的差分改正球氣差的差分改正方位角的差分改正基本原理是：每一個測量周期均按極坐標的方法測量工作基點和變形測點的斜距、水平角和垂直角，將監(jiān)測站點至具有氣象條件代表性參照的工作基點測量值與其初始值相比，求得差值。**距離的差分改正

由于監(jiān)測站和工作基點建立在基巖上，可以認為它們之間的距離是穩(wěn)定不變的。兩者間的差異可以認為是因氣象條件變化引起的，按下式可求出氣象改正比例系數：經氣象差分改正后的真實斜距為：為了保證距離氣象改正比例系數的可靠性和準確性，實際測量工作中，應取2個以上基準點測定的距離氣象改正比例系數的中數，用于變形點距離測量的差分氣象改正。**球氣差的改正

某一時刻測得監(jiān)測站與工作基點間的三角高差為：

根據下式可求出球氣差改正系數c：

變形點與監(jiān)測站之間經球氣差改正的三角高差：

**方位角的差分改正

在變形點每周期的方位角測量值中，實時加入由同期基準點求得的改正值，可準確求得變形點的方位角

在長期的變形監(jiān)測過程中，難以保證儀器的絕對穩(wěn)定，因水平度盤零方向的變化，對水平方位角的影響不可忽略。所求的變形量均是相對第一周期而言的，故可把工作基點第一次測量的方位角作為基準方位角，其它周期對工作基點測量的方位角與基準方位角相比，有一差異：**2.2.5視準線測量

優(yōu)點：設備普通，操作簡便，費用少。影響因素：照準精度、大氣折光、誤差不容易控制。

**視準線觀測點的布設當視線超過300m時，應分段觀測**小角法測量（1）**這種布置形式對提高測定偏離值的精度更為有利。

若在待測點i上觀測，則：小角法測量（2）**活動覘牌法測量觀測步驟：架設經緯儀至基準點A瞄準基準點形成視準線監(jiān)測點架設覘牌覘牌標志中心嚴格與視準線重合讀數2~3次倒轉望遠鏡進行下半測回**2.2.6引張線測量

所謂引張線，與視準線法相似，不同的是在兩個工作基點間拉緊一根不銹鋼絲代替視準線。**引張線測量-基本原理與結構**引張線測量-引張線加力端結構**引張線測量-測點裝置**測線一般采用0.8～1.2mm的不銹鋼絲，要求表面光滑，粗細均勻，抗拉強度大。引張線測量-測線**引張線測量-觀測步驟檢查引張線和設備；掛錘固定端點；水箱加水使鋼絲離開不銹鋼標尺面0.3mm～0.5mm；4.讀數，從引張線的一端觀測到另一端為一測回，每次觀測應進行三測回，三測回的互差應小于0.2mm。測回間應輕微撥動中部測點處的浮船，并待其靜止后再觀測。5.卸錘，觀測結束后，先松夾線裝置再下錘。**設引張線第i個監(jiān)測點的首次的讀數為L0，本次觀測的讀數為L，觀測點的位移值為引張線測量-測點位移計算不考慮端點時：考慮端點時？**引張線測量-有浮托引張線

存在的問題（主要針對自動化）：自動觀測時不能確定測線是否處于正常工作狀態(tài)；不能有效地檢驗和消除浮托裝置所引起的測線復位誤差；浮液被污染或變質時增加了對浮船的阻力，增大了測線的復位誤差。**引張線測量-無浮托引張線優(yōu)點：不需到現(xiàn)場調節(jié)各測點的水位；測點的障礙物也較少；穩(wěn)定性和可靠性；可以實現(xiàn)引張線觀測的全自動化取消了各測點的水箱和浮船等裝置**按規(guī)定，所施拉力應小于引張線極限拉力的1/2一般鋼絲作引張線時最好不超過150米，現(xiàn)代特殊材料可達500米**引張線測量-誤差分析觀測誤差觀測儀器、作業(yè)方法、觀測人員

可達0.1mm精度外界條件誤差有浮托裝置的復位差

主要是風的影響措施：在觀測時，應關閉廊道及通風口門，觀測點保護箱應蓋嚴。**2.2.7激光準直測量**波帶板大氣激光準直系統(tǒng)組成波帶板大氣激光準直系統(tǒng)主要由激光器點光源、波帶板和接收靶三部分組成。**波帶板(a)圓形波帶板(b)方形波帶板波帶板的形式有圓形和方形兩種，其作用是把從激光器發(fā)出的一束單色相干光會聚成一個亮點（圓形波帶板）或十字亮線（方形波帶板），它相當于一個光學透鏡。

**工作原理**觀測方法抽真空。打開激光發(fā)射器。一般應令激光管預熱半小時以上才開始觀測。啟動波帶板遙控裝置進行觀測，逐點1#~n#，n#-1#完成一測回。觀測完畢關閉激光發(fā)射器。**2.3傾斜監(jiān)測傾斜觀測定義:測定建筑物傾斜度隨時間變化的工作。如電視塔、水塔、煙囪、高層建筑物等，由于基礎不均勻沉降或受風力等影響，其垂直軸線會發(fā)生傾斜。BB′Aeh2.3傾斜監(jiān)測-測量方法**直接測定法相對沉降法（非剛體變形時失效）縱橫距投影法水平角度法前方交會法激光垂準法**縱橫距投影法傾斜觀測測站距離圓形建筑物的距離應大于其高度的1.5倍**水平角法傾斜測量設2站(相互垂直，距離1.5倍h)測水平角(1)~(4)計算e1測水平角(5)~(8)計算e2計算e計算傾斜**前方交會法傾斜觀測計算精度高**激光垂準傾斜觀測測定建筑物底部和頂部距離垂準激光束的距離差，從而計算建筑物某軸線（某一面）的傾斜度。受施工干擾較大，在施工現(xiàn)場較難使用。**2.4撓度監(jiān)測撓度:建筑物在應力的作用下產生彎曲和扭曲，彎曲變形時橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移稱為撓度。測定建筑物受力后撓曲程度的工作稱為撓度觀測。**撓度觀測方法建筑物基礎擾度觀測-沉降觀測建筑物主體擾度觀測-分層水平位移前方交會法垂線（正垂與倒垂）擾度計位移傳感器垂線測量

–正垂線**垂線測量

–倒垂線**垂線觀測（垂線坐標儀）垂線瞄準儀（人工觀測）電容式垂線坐標儀光電式(CCD)垂線坐標儀**垂線瞄準儀（人工觀測）**電容式垂線坐標儀**光電式(CCD)垂線坐標儀**光電式(CCD)垂線坐標儀是采用CCD器件實現(xiàn)的一種非接觸式自動化位移測量設備，能夠測量垂線在平面內X、Y兩方向的位移，在兩方向上的測量原理相同，測量電路相互獨立、互不干擾。**2.5裂縫監(jiān)測裂縫觀測內容：位置、長度、寬度、深度和錯距等2.5裂縫監(jiān)測-觀測方法測微器

包括單項測縫標點和三向測縫標點，主要測量表面裂縫的寬度與錯距。測縫計

電阻式、電感式、鋼弦式超聲波檢測無接觸式觀測****單位：（mm）1——標點；2——鉆孔線；3——裂縫單向測縫標點安裝與觀測**1——觀測x方向的標點；2——觀測y方向的標點；3——觀測z方向的標點；4——伸縮縫板式三向測縫標點結構與觀測用外徑游標卡尺測量每對三棱柱條之間的距離變化，即可得三維相對位移。

**1——接座套管；2——接線座；3——波紋管；4——塑料套；5——鋼管；6——中性油；7——方鐵桿；8——電阻鋼絲；9——上接座；10——彈簧單向差阻式測縫計結構**整體三向測縫計單支組合三向測縫計差阻式雙向測縫計**E——發(fā)射探頭；R——接收探頭；B——裂縫；A——裂縫終點；H——裂縫深度超聲波觀測裂縫深度**2.6內部位移監(jiān)測內部位移觀測包括：分層沉降觀測：沉降儀分層水平位移觀測：測斜儀

引張線式位移計、垂線界面位移觀測：位移計**內部位移觀測點布設以觀測斷面的形式進行布置在最大橫斷面及其他特征斷面上，如地質及地形復雜段、結構及施工薄弱段等。每個觀測斷面上可布設1～3條觀測垂線，其中一條宜布設在軸線或中心線附