現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)【專業(yè)知識(shí)】

1、現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù),任課教師：高 飛,合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,土木工程專業(yè),第一章 變形監(jiān)測概述 第二章 垂直位移與水平位移觀測 第三章 變形監(jiān)測新技術(shù)與工程實(shí)例 第四章 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ),本課程主要內(nèi)容,現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù),第2章 垂直位移與水平位移觀測,現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù),2. 1 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)及觀測標(biāo)志 2. 2 垂直位移觀測 2. 3 地面傾斜測量 2.4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志 2. 5 水平位移測量技術(shù)概述 2. 6 視準(zhǔn)線法測量水平位移 2. 7 激光準(zhǔn)直測量 2. 8 引張線法測量水平位移 2. 9 建筑物主體傾斜和撓度測量 2. 10 裂縫測量, 工程（構(gòu)）建筑

2、物的變形觀測方法很久以來一直將其分為兩大類，即垂直位移觀測和水平位移觀測。但隨著對(duì)變形觀測理論和方法的研究不斷深入，越來越發(fā)現(xiàn)這種分類方法很難涵蓋所有的變形測量工作。, 現(xiàn)行建筑變形測量規(guī)程根據(jù)工程建筑物的主要變形性質(zhì)、并顧及工程設(shè)計(jì)和施工的習(xí)慣用語，將變形觀測方法分成沉降觀測和位移觀測 兩大類。,2.4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志, 沉降觀測在前面已作了介紹，主要包括建筑物（基礎(chǔ)）沉降觀測、基坑回彈測量、地基土分層沉降和建筑場地的沉降觀測 等。, 位移觀測包括水平位移觀測、建筑物主體傾斜觀測、撓度和裂縫觀測、日照變形、風(fēng)振變形以及場地滑坡觀測 等。, 本節(jié)重點(diǎn)介紹水平位移觀測的相關(guān)內(nèi)容。,2.

3、4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志, 與其它測量工作一樣，變形測量工作亦應(yīng)遵循“從整體到局部，先控制后碎部”的測量原則，水平位移觀測也不例外。 根據(jù)工作現(xiàn)場的實(shí)際情況和觀測條件，選定控制測量方法，設(shè)計(jì)控制網(wǎng)布網(wǎng)方案，并按規(guī)范規(guī)定的精度等級(jí)精確測定變形觀測的基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的坐標(biāo)。 再根據(jù)待測建（構(gòu)）筑物的特征和測量儀器設(shè)備條件，確定具體水平位移觀測方法和觀測程序，定期觀測（或自動(dòng)監(jiān)測）待測物體在規(guī)定平面上隨時(shí)間變化的位移量和位移速度等。,2.4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志,1.按工作性質(zhì)分類 變形監(jiān)測工作中的測量標(biāo)志按其工作性質(zhì)分類，可分為平面標(biāo)志和高程標(biāo)志。,2.按用途分類 按不同的用途變形觀測使用

4、的測量標(biāo)志可分為三類，即：變形點(diǎn)、工作基點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)。 （1）變形點(diǎn)又稱變形觀測點(diǎn) （2）工作基點(diǎn)即測量控制點(diǎn)（包括聯(lián)測或定向點(diǎn)） （3）基準(zhǔn)點(diǎn)變形監(jiān)測控制網(wǎng)的基礎(chǔ),建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測網(wǎng)的點(diǎn)位及其使用的測量標(biāo)志，如何確定、應(yīng)具備什么樣的構(gòu)造特點(diǎn)、如何布設(shè)等，是變形監(jiān)測工作中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。,2.4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志,一、水平位移測量控制網(wǎng) 1基準(zhǔn)網(wǎng) 由基準(zhǔn)點(diǎn)形成的測量控制網(wǎng)稱為基準(zhǔn)網(wǎng)。需定期復(fù)測，目的是檢核基準(zhǔn)點(diǎn)本身的穩(wěn)定性。,2變形網(wǎng) 由所有變形點(diǎn)組成的測量網(wǎng)稱為變形網(wǎng)。 變形網(wǎng)可分為：相對(duì)網(wǎng)和絕對(duì)網(wǎng)兩種。,3擴(kuò)展網(wǎng) 由所有基準(zhǔn)點(diǎn)、變形點(diǎn)、工作基點(diǎn)和聯(lián)測點(diǎn)共同組成的測量網(wǎng)稱為擴(kuò)展網(wǎng)

5、。,水平位移觀測網(wǎng)可采用測角網(wǎng)、測邊網(wǎng)、邊角網(wǎng)和GPS網(wǎng)等多種布網(wǎng)形式,2.4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志,一、水平位移測量控制網(wǎng) 二、強(qiáng)制對(duì)中裝置,由于水平位移監(jiān)測網(wǎng)精度高，長期重復(fù)觀測，所以要求在測站點(diǎn)位上建立觀測墩，實(shí)行強(qiáng)制對(duì)中保證每次儀器或照準(zhǔn)標(biāo)志的對(duì)中誤差小于0.1mm。,常用對(duì)中裝置有： 1點(diǎn)線面對(duì)中裝置 2三叉式對(duì)中裝置 3球孔式對(duì)中裝置 4柱椎式對(duì)中裝置 5螺旋式對(duì)中裝置,2.4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志,一、水平位移測量控制網(wǎng) 二、強(qiáng)制對(duì)中裝置 三、平面標(biāo)志體,平面基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)必須長期穩(wěn)定：遠(yuǎn)離或深埋。,常用方法主要有： （一）建立觀測墩 1巖層點(diǎn)觀測墩 2土層點(diǎn)觀測墩 （

6、二）倒錘 1有水倒錘 2無水倒錘 （三）光線傳遞式標(biāo)志,2.4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志,建立觀測墩 1巖層點(diǎn)觀測墩 2土層點(diǎn)觀測墩,（1）有水倒錘,（2）無水倒錘,無水倒錘,光線傳遞式標(biāo)志,一、水平位移測量控制網(wǎng) 二、強(qiáng)制對(duì)中裝置 三、平面標(biāo)志體 四、平面點(diǎn)照準(zhǔn)標(biāo)志,平面點(diǎn)照準(zhǔn)標(biāo)志基本要求： 1便于對(duì)中、安置和瞄準(zhǔn)； 2固定式或移動(dòng)式覘標(biāo)一 般要求強(qiáng)制對(duì)中； 3顏色對(duì)比度強(qiáng)、醒目； 4線條粗細(xì)適當(dāng)、邊緣清晰。,2.4 水平位移觀測網(wǎng)及觀測標(biāo)志,各類照準(zhǔn)標(biāo)牌標(biāo)志,各類照準(zhǔn)標(biāo)牌標(biāo)志,標(biāo)牌標(biāo)志,角形標(biāo)志或 懸臂標(biāo)志, 事實(shí)上，針對(duì)工業(yè)與民用建筑的單純水平位移觀測，開展的并不多見。但對(duì)于大型橋梁和水

7、電大壩，因其建筑主體（橋墩、壩體）及其基礎(chǔ)長期受到水流的沖擊和上下游水位落差的影響，定期地（或自動(dòng)化連續(xù)觀測）對(duì)其進(jìn)行水平位移觀測顯得尤其重要。, 工程建（構(gòu)）筑物水平位移觀測的內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)物主體水平位移觀測、位于特殊性土地區(qū)的建筑物地基基礎(chǔ)水平位移觀測、受高層建筑基礎(chǔ)施工影響的建筑物及工程設(shè)施水平位移觀測以及擋土墻、大面積堆載等工程中所需的地基土深層側(cè)向位移觀測等。,2.5 水平位移測量技術(shù)概述, 水平位移測量技術(shù)主要有： 1地面監(jiān)測技術(shù)； 2攝影測量方法； 3空間測量技術(shù)； 4專用測量方法。, 本節(jié)主要概述: 地面監(jiān)測技術(shù)和專用測量方法,2.5 水平位移測量技術(shù)概述,一、地面監(jiān)測方法

8、利用常規(guī)精密測量儀器（如精密經(jīng)緯儀、全站儀等）測量變形點(diǎn)的角度或邊長的變化，求算水平位移。優(yōu)點(diǎn)是：簡便、靈活、精度高、便于檢核等。 主要方法有： 1交會(huì)法（角度交會(huì)、距離交會(huì)等）； 2極坐標(biāo)法； 3自由設(shè)站法(后方交會(huì)法）； 4邊角網(wǎng)法； 5基準(zhǔn)線法(包括測小角法、準(zhǔn)直法、引張線法等),2.5 水平位移測量技術(shù)概述,一、地面監(jiān)測方法 （一）固定式全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測 利用全自動(dòng)全站儀（測量機(jī)器人）強(qiáng)制對(duì)中安置在觀測墩上，由計(jì)算機(jī)控制按擬定的觀測順序遙測各變形點(diǎn)，自動(dòng)觀測、記錄、計(jì)算。 全自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)包括： 1基準(zhǔn)站； 2基準(zhǔn)點(diǎn)（或工作基點(diǎn)）； 3變形點(diǎn)（一般在待測物體上固定安置反光鏡） 4控制

9、中心（包括計(jì)算機(jī)軟硬件、通訊設(shè)備等）,2.5 水平位移測量技術(shù)概述,一、地面監(jiān)測方法 （一）固定式全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測,2.5 水平位移測量技術(shù)概述,港口灣大壩全自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng),一、地面監(jiān)測方法 （一）固定式全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測 （二）移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測 每次觀測時(shí)，將全自動(dòng)全站儀（測量機(jī)器人）強(qiáng)制對(duì)中安置在觀測墩上，由全自動(dòng)全站儀按擬定的觀測順序自動(dòng)照準(zhǔn)各變形點(diǎn)，自動(dòng)觀測、記錄、計(jì)算。,2.5 水平位移測量技術(shù)概述,一、地面監(jiān)測方法 二、專用測量方法 主要包括應(yīng)變測量、傾斜儀測量和深部測斜儀測量等。,基準(zhǔn)線法一般歸入地面監(jiān)測方法。,自動(dòng)遙測應(yīng)變測量儀,2.5 水平位移測量技術(shù)概述,自動(dòng)遙測應(yīng)變測量系

10、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,一、視準(zhǔn)線法測量原理,視準(zhǔn)線法又稱基準(zhǔn)線法，測量的原理是以通過建筑物軸線或平行于建筑軸線的固定不變的鉛直平面為基準(zhǔn)面，并以此為根據(jù)測定建筑物的水平位移。,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,一、視準(zhǔn)線法測量原理,1. 保證基準(zhǔn)面穩(wěn)定 (1) 端點(diǎn)強(qiáng)制對(duì)中,對(duì)中誤差0.1mm (2) 檢核端點(diǎn)變化,并施加改正,視準(zhǔn)線法進(jìn)行水平位移觀測的主要問題：,2. 提高觀測精度 (1) 精密設(shè)計(jì)測量標(biāo)志點(diǎn)的照準(zhǔn)覘牌 (2) 選擇良好的觀測時(shí)段,優(yōu)化觀測程序,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,活動(dòng)覘牌法又稱移動(dòng)覘牌法，是利用直接安置在觀測點(diǎn)上的移動(dòng)覘牌來測量偏離值。 移動(dòng)覘牌讀數(shù)尺上最小分劃為，利用游標(biāo)可以讀

11、到0.01。,二、觀測方法與要求,1. 活動(dòng)覘牌法,一、視準(zhǔn)線法測量原理,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,二、觀測方法與要求,1. 活動(dòng)覘牌法,一、視準(zhǔn)線法測量原理,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,具體測量時(shí)，將視準(zhǔn)儀或 精密經(jīng)緯儀安置在A點(diǎn)上；,瞄準(zhǔn)B點(diǎn)并指揮Pi點(diǎn)上的活動(dòng)覘牌標(biāo)志移動(dòng)至十字絲上，記錄游標(biāo)讀數(shù)，反方向移動(dòng)覘牌重新對(duì)準(zhǔn)十字絲并讀數(shù)；上述重復(fù)4次為一測回。共觀測24測回。,以上是往測，儀器移至B點(diǎn)同法返測Pi點(diǎn)，按距離長短加權(quán)平均作為最后結(jié)果。,二、觀測方法與要求,1. 活動(dòng)覘牌法,一、視準(zhǔn)線法測量原理,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,一、視準(zhǔn)線法測量原理,測量小角度法是利用精密經(jīng)緯儀

12、（如DJ2型以上的經(jīng)緯儀）精確地測出基準(zhǔn)線與置鏡點(diǎn)到觀測點(diǎn)視線之間所夾的微小角度，并按下式計(jì)算偏離值。,2.測小角法,二、觀測方法與要求,基本公式:,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,一、視準(zhǔn)線法測量原理,激光準(zhǔn)直法是由激光束建立基準(zhǔn)線的方法，根據(jù)其測定偏離值的原理不同，又可分為激光經(jīng)緯儀準(zhǔn)直與波帶板激光準(zhǔn)直。 (1)激光經(jīng)緯儀準(zhǔn)直 (與活動(dòng)覘牌法類似),2. 測小角法,二、觀測方法與要求,1. 活動(dòng)覘牌法,3. 激光準(zhǔn)直法,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,(2)波帶板激光準(zhǔn)直 (三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直),Pi Bi i i A Si B SAB,在基準(zhǔn)線兩端安置激光器點(diǎn)光源和探測器，在觀測點(diǎn)上安置波帶板。

13、當(dāng)激光束照滿波帶板時(shí)產(chǎn)生干涉，就會(huì)在光源和波帶板連線的延長線上的Bi位置形成一個(gè)亮點(diǎn)，被B點(diǎn)探測器測定。,一、視準(zhǔn)線法測量原理,二、觀測方法與要求,3. 激光準(zhǔn)直法,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,激光準(zhǔn)直儀,(2)波帶板激光準(zhǔn)直 (三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直),波帶板的種類,3. 激光準(zhǔn)直法,在兩端工作基點(diǎn)A、B上用重錘拉緊一直徑約0.6mm1.2mm的不銹鋼絲建立基準(zhǔn)線，測定中間各觀測點(diǎn)的偏離值。 三測回觀測平均值的精度可達(dá)0.03mm。,Pi i A B Si,4. 引張線法,一、視準(zhǔn)線法測量原理,2. 測小角法,二、觀測方法與要求,1. 活動(dòng)覘牌法,3. 激光準(zhǔn)直法,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,引

14、張線法的基本原理,引張線法的基本原理,1.對(duì)距離的測量精度要求,測小角法 基本公式：,中誤差：,三、測小角法的精度要求,因測距精度明顯高于測角精度，通常取,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,假設(shè)i=0.5，i40 ，則,假設(shè)i=0.5，i100 ，則,規(guī)定測小角法對(duì)距離的測量精度要求為：,1.對(duì)距離的測量精度要求,三、測小角法的精度要求,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,因?qū)嶋H工作中的測距誤差非常小，故略去中誤差公式右邊第二項(xiàng)后，即可得：,觀測小角度時(shí)主要誤差來源為照準(zhǔn)誤差，由誤差傳播定律可求得：,2.對(duì)角度的測量精度要求,1.對(duì)距離的測量精度要求,三、測小角法的精度要求,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移

15、,設(shè)測站至觀測點(diǎn)的水平距離S=200m，測定偏離值的精度為m=0.5mm?，F(xiàn)用望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)為40倍的DJ1級(jí)經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測，那么小角度應(yīng)觀測幾個(gè)測回？,測量小角度必須滿足的精度,3. 角度測回?cái)?shù)n的確定,三、測小角法的精度要求,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,小角度觀測一測回的中誤差,所以要使小角度達(dá)到規(guī)定的精度，則小角度觀測的測回?cái)?shù)n應(yīng)滿足,取,3. 角度測回?cái)?shù)n的確定,三、測小角法的精度要求,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,一、視準(zhǔn)線法測量原理,1.三角測量法,二、觀測方法與要求,2. 后方交會(huì)法,3. 檢核基準(zhǔn)線法,四、基準(zhǔn)線端點(diǎn)的檢核,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,三、測小角法的精度要求

16、,1.三角測量法,建立一短邊的三角網(wǎng)，起算點(diǎn)M、N選擇在變形區(qū)域以外; 基準(zhǔn)線的端點(diǎn)A、B包括在此三角網(wǎng)中; 定期的對(duì)此三角網(wǎng)進(jìn)行觀測, 求出端點(diǎn)的位移值。,四、基準(zhǔn)線端點(diǎn)的檢核,M N A B,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,2.后方交會(huì)法,在基準(zhǔn)線端點(diǎn)A、B的兩端，分別埋置兩組穩(wěn)定的已知點(diǎn)1、2、3和4、5、6； 利用后方交會(huì)的原理求出端點(diǎn)A、B的位移值。,四、基準(zhǔn)線端點(diǎn)的檢核,1 4 2 5 A B 3 6,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,假定X軸方向，及A2邊方位角A2 ； 實(shí)測、角，解下列方程組，求得A點(diǎn)坐標(biāo)。,X 2 3 1 A,2.后方交會(huì)法,四、基準(zhǔn)線端點(diǎn)的檢核,2.6 視準(zhǔn)線法測

17、量水平位移,3.延長基準(zhǔn)線法,在基準(zhǔn)線AB的延長線上，選擇地基穩(wěn)定處設(shè)置觀測點(diǎn)C和D，以形成檢核基準(zhǔn)線。用此線來檢核端點(diǎn)在垂直于軸線方向上的位移，對(duì)觀測值進(jìn)行修正。,C D A B,四、基準(zhǔn)線端點(diǎn)的檢核,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,在水平位移觀測中同樣存在基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)本身的穩(wěn)定性問題。 如何檢驗(yàn)基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)本身的穩(wěn)定性？ 當(dāng)這些點(diǎn)確實(shí)存在位移時(shí)，它對(duì)觀測成果產(chǎn)生多大的影響？因工作基點(diǎn)的位移，對(duì)觀測點(diǎn)的位移觀測值必須施加改正數(shù)，其改正數(shù)如何計(jì)算？,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,對(duì)于基準(zhǔn)線觀測，如圖所示，當(dāng)端點(diǎn)、由于本身位移而變動(dòng)到了 、時(shí)，則對(duì)P點(diǎn)進(jìn)行

18、觀測所得到的偏離值不再是Li，而變成了Li 。,（一）基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移時(shí)，觀測點(diǎn)偏離值的計(jì)算,A Pi Li a B Li b A B,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,由圖不難看出，端點(diǎn)位移對(duì)偏離值的影響為:,（一）基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移時(shí)，觀測點(diǎn)偏離值的計(jì)算,A Pi Li a B Li b i A SiB B SAB,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,P點(diǎn)實(shí)際偏離AB基準(zhǔn)線的偏離值為:,A Pi Li a B Li b i A SiB B SAB,（一）基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移時(shí)，觀測點(diǎn)偏離值的計(jì)算,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,假設(shè)Pi點(diǎn)首次觀測時(shí)，偏離基準(zhǔn)線的偏離值為L

19、0i ，則所求該點(diǎn)的實(shí)際位移值為 :,（二）觀測點(diǎn)位移值的計(jì)算,A Pi Li a B Li b i A SiB B SAB,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,假設(shè)Pi點(diǎn)首次觀測時(shí)，偏離基準(zhǔn)線的偏離值為L0i ，則所求該點(diǎn)的實(shí)際位移值為 :,因觀測點(diǎn)至基準(zhǔn)線端點(diǎn)距離為一常數(shù)，令,故上式寫成：,（二）觀測點(diǎn)位移值的計(jì)算,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,得Pi 點(diǎn)位移值的精度計(jì)算公式 :,(三)觀測點(diǎn)位移值的精度,利用誤差傳播定律，對(duì)上式取全微分，寫成中誤差：,假設(shè) :,（二）觀測點(diǎn)位移值的計(jì)算,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,Pi點(diǎn)位移值的精度計(jì)算公式 :,(三)觀測點(diǎn)位移值的精度,對(duì)上述中

20、誤差計(jì)算公式進(jìn)行分析： （1）當(dāng)觀測點(diǎn)在基準(zhǔn)線中點(diǎn)時(shí)，取,（2）當(dāng)觀測點(diǎn)靠近任一端點(diǎn)時(shí)，取近似值 ：,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,(三)觀測點(diǎn)位移值的精度,對(duì)基準(zhǔn)線法的精度進(jìn)行分析： （1）當(dāng)觀測點(diǎn)在基準(zhǔn)線中點(diǎn)時(shí)：,（2）當(dāng)觀測點(diǎn)靠近任一端點(diǎn)時(shí)：,由此可見，觀測點(diǎn)越靠近基準(zhǔn)線端點(diǎn)，則端點(diǎn)位移對(duì)變形觀測的影響越大。 但此時(shí)，實(shí)際測定觀測點(diǎn)偏離值的精度較高，因此，在實(shí)際變形觀測工作中，仍認(rèn)為在整條基準(zhǔn)線上測定觀測點(diǎn)位移值的精度均勻一致，即整條測線上任意點(diǎn)位移值的精度比較接近。,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,需要說明的問題：,以上分析計(jì)算的基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形觀測值的影響，主要針對(duì)基準(zhǔn)線法

21、而言；,前方交會(huì)的測站點(diǎn)（即: 工作基點(diǎn)）產(chǎn)生位移時(shí)，可以將測站點(diǎn)的位移值看作是儀器的偏心誤差，而對(duì)各交會(huì)方向施加儀器的歸心該正，然后利用改正后的方向值來計(jì)算觀測點(diǎn)的實(shí)際位移量。,五、基準(zhǔn)線端點(diǎn)位移對(duì)變形值的影響,2.6 視準(zhǔn)線法測量水平位移,在基準(zhǔn)線端點(diǎn)A安置激光器，瞄準(zhǔn)B點(diǎn)發(fā)射激光束，得到一條紅色可見光基準(zhǔn)線； 在變形觀測點(diǎn)上安置活動(dòng)覘牌，將覘牌移至激光基準(zhǔn)線，直接讀取游標(biāo)讀數(shù)，得到Pi點(diǎn)偏離值。,一、激光準(zhǔn)直測量的基本原理,2.7 激光準(zhǔn)直測量,1激光經(jīng)緯儀準(zhǔn)直測量 (與活動(dòng)覘牌法類似),一、激光準(zhǔn)直測量的基本原理,2.7 激光準(zhǔn)直測量,1激光經(jīng)緯儀準(zhǔn)直測量(與活動(dòng)覘牌法類似),在基準(zhǔn)線

22、兩端安置激光器點(diǎn)光源和探測器，在觀測點(diǎn)上安置波帶板。當(dāng)激光束照滿波帶板時(shí)產(chǎn)生干涉，就會(huì)在光源和波帶板連線的延長線上Bi 點(diǎn)位置，形成一個(gè)亮點(diǎn)，并被B點(diǎn)探測器測定。,2波帶板激光準(zhǔn)直測量(三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直),實(shí)際工作中每個(gè)觀測點(diǎn)的波帶板都必須計(jì)算其通光半徑，專門定制。在基準(zhǔn)線上每次只能放置一個(gè)波帶板觀測一個(gè)點(diǎn)。可采用自動(dòng)起落裝置，由計(jì)算機(jī)控制。,一、激光準(zhǔn)直測量的基本原理,2.7 激光準(zhǔn)直測量,1激光經(jīng)緯儀準(zhǔn)直測量(與活動(dòng)覘牌法類似),2波帶板激光準(zhǔn)直測量(三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直),二、激光基準(zhǔn)線的不同布設(shè)方法,2.7 激光準(zhǔn)直測量,實(shí)際工作中，由于場地條件的限制，可采用不同的基準(zhǔn)線布設(shè)方法。例如：基線端

23、點(diǎn)A和B往往不能安置儀器，或點(diǎn)位本身也可能產(chǎn)生移動(dòng)，此時(shí)為測定i點(diǎn)偏離直線AB的偏離值i，可在AB的延長線上安置激光器和自動(dòng)跟蹤探測器。 在M點(diǎn)安置激光器（M偏離AB線m），N點(diǎn)為自動(dòng)探測器的零點(diǎn)(N偏離AB線n)。分別在A、B和 i上逐次安置相應(yīng)焦距的波帶板，探測器將會(huì)在AB的垂直方向上自動(dòng)尋找光束通過波帶板后形成的亮點(diǎn)，而顯示出亮點(diǎn)中心到N點(diǎn)的距離A、B和i。,1偏離值的計(jì)算,二、激光基準(zhǔn)線的不同布設(shè)方法,2.7 激光準(zhǔn)直測量,1偏離值的計(jì)算,二、激光基準(zhǔn)線的不同布設(shè)方法,若令m=0，n=B，就得到第二種布設(shè)形式，即把激光器放在基點(diǎn)A上，,2不同布設(shè)方法偏離值計(jì)算的轉(zhuǎn)換關(guān)系,若激光器在基點(diǎn)

24、A上，B點(diǎn)放置探測器，即得到：,二、激光基準(zhǔn)線的不同布設(shè)方法,自從二十世紀(jì)六十年代末，波帶板激光準(zhǔn)直成功地應(yīng)用于美國斯坦福加速器之后，作為“精密定線”的一種行之有效的方法已受到了普遍的重視。 據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，波帶板激光準(zhǔn)直的精度能夠滿足現(xiàn)代精密工程測量的要求，可達(dá)10-6的直線度。 但在露天條件下實(shí)施，例如在水電大壩的壩頂、大型橋梁的橋面或橋墩上進(jìn)行水平位移觀測，由于受到外界多方面因素的影響，容易導(dǎo)致激光束產(chǎn)生偏折、漂移、抖動(dòng)等長短周期的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，從而降低觀測的精度。,2.7 激光準(zhǔn)直測量,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,波帶板激光準(zhǔn)直系統(tǒng)不但在制造和安裝時(shí)，不可避免地產(chǎn)生種種誤差，而且

25、在實(shí)地施測時(shí)，還要受到外界條件的影響。,2.7 激光準(zhǔn)直測量,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,1誤差來源和精度分析,（1）波帶板調(diào)零和置中誤差,波帶板幾何中心位于插桿的中心線上的檢驗(yàn)校正。使用DS1級(jí)以上的經(jīng)緯儀（或全站儀）的豎絲嚴(yán)格與波帶板中心重合的方法進(jìn)行檢校。 若設(shè)經(jīng)緯儀照準(zhǔn)誤差為60”/40，校正距離s=6米，則校正后的精度為：,（1）波帶板調(diào)零和置中誤差,波帶板是利用強(qiáng)制對(duì)中桿安置在測點(diǎn)上的。插桿和插座的連接部分，可以是圓柱形或圓錐形。盡管采用膨脹系數(shù)相同的金屬精密制成，但仍存在加工誤差，造成波帶板中心與測點(diǎn)中心不一致，給測量成果帶來誤差。 根據(jù)機(jī)械加工精度分析，這種誤差一般可限制在0.

26、10.2mm范圍內(nèi)。,（2）波帶板強(qiáng)制對(duì)中誤差,2.7 激光準(zhǔn)直測量,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,1誤差來源和精度分析,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,1誤差來源和精度分析,激光在大氣中傳輸，由于受到大氣湍流（溫度、濕度和氣壓的變化）的影響，將產(chǎn)生抖動(dòng)、漂移，給光斑的接收帶來困難，引起讀數(shù)誤差。 據(jù)中國科學(xué)院安徽光機(jī)所的實(shí)驗(yàn)表明：在一般大氣條件下，激光的漂移量統(tǒng)計(jì)分布服從正態(tài)隨機(jī)分布（短周期誤差）。 武漢大學(xué)（原武漢測繪科技大學(xué)）利用自行設(shè)計(jì)帶有自動(dòng)跟蹤裝置的波帶板激光準(zhǔn)直儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表明在500m測線上取十次讀數(shù)平均值，計(jì)算的探測器讀數(shù)引起的測點(diǎn)中誤差為0.1mm。,（3）大氣湍流影響和接收器讀

27、數(shù)誤差,2.7 激光準(zhǔn)直測量,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,1誤差來源和精度分析,（4）激光束漂移和光束照準(zhǔn)誤差,點(diǎn)光源通過發(fā)射器的處理，形成足夠發(fā)散的高斯光束。此光束在波帶板上形成光斑，其中心應(yīng)與波帶板中心重合。 但由于各測點(diǎn)設(shè)置時(shí)不可能嚴(yán)格在一條直線上，以及激光漂移、點(diǎn)位的移動(dòng)等原因，必然會(huì)造成光束的照準(zhǔn)誤差。 為了使這種誤差的影響最小，必須使光束足夠發(fā)散。但發(fā)散過大，能量損失就大，造成光強(qiáng)太弱也會(huì)影響接收器的探測靈敏度，增大讀數(shù)誤差。,2.7 激光準(zhǔn)直測量,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,1誤差來源和精度分析,（4）激光束漂移和光束照準(zhǔn)誤差,建議：選擇的光束發(fā)散度使得光束在最近一塊波帶板上光斑

28、的直徑為該板最大通光孔徑的3倍為宜。 實(shí)驗(yàn)證明：在離光源最近的觀測點(diǎn)安置配有類似于活動(dòng)覘牌裝置的波帶板，在較短的時(shí)間內(nèi)，測出當(dāng)波帶板偏移時(shí)的準(zhǔn)直數(shù)據(jù)，歸算到測點(diǎn)上進(jìn)行比較后，得到最大誤差是0.3mm。 若在該項(xiàng)誤差中，除去接收器讀數(shù)誤差和移動(dòng)覘牌的誤差，可認(rèn)為由光束照準(zhǔn)和漂移造成的測量誤差應(yīng)小于0.1mm，能滿足準(zhǔn)直精度的要求。,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,1誤差來源和精度分析,（5）場地布設(shè)形式不同時(shí)準(zhǔn)直精度分析,根據(jù)上面的分析可知，在不考慮溫度梯度的影響時(shí)，用波帶板激光準(zhǔn)直的方法，測定測點(diǎn)偏離值的中誤差約為：m=0.32mm。由公式：,得到激光準(zhǔn)直法測量點(diǎn)位偏離值的中誤差公式：,1誤差來源

29、和精度分析,（5）場地布設(shè)形式不同時(shí)準(zhǔn)直精度分析,因?yàn)椋簃=0.32mm，將下面三式代入上面公式：,得到：,激光準(zhǔn)直法測量點(diǎn)位偏離值的中誤差公式：,1誤差來源和精度分析,（5）場地布設(shè)形式不同時(shí)準(zhǔn)直精度分析,由此可見，這種布設(shè)方法，測線中間點(diǎn)精度最高；而靠近兩基點(diǎn)附近時(shí)精度最低。,對(duì)上式求極值，得當(dāng) 時(shí)有極小值。此時(shí)：,當(dāng)i點(diǎn)在A或B點(diǎn)上時(shí)：,1誤差來源和精度分析,（5）場地布設(shè)形式不同時(shí)準(zhǔn)直精度分析,前面所介紹的是波帶板激光準(zhǔn)直點(diǎn)位布設(shè)的一般方案，如下圖所示。,1誤差來源和精度分析,（5）場地布設(shè)形式不同時(shí)準(zhǔn)直精度分析,若把點(diǎn)光源移至基點(diǎn)A上，計(jì)算偏離值的公式為：,用上面同樣的分析方法可得出

30、：,當(dāng)i在A點(diǎn)時(shí)：,當(dāng)i在中間點(diǎn)時(shí)：,當(dāng)i在B點(diǎn)時(shí)：,2.7 激光準(zhǔn)直測量,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,1誤差來源和精度分析,2大氣折光的影響及溫度梯度改正,由費(fèi)馬最短光程原理得到，光束在大氣中傳輸，在水平方向上將形成一條曲線。該曲線上任一點(diǎn)的曲率為：,式中：P為氣壓，T為溫度，n0為標(biāo)準(zhǔn)折射率。 dt/dy為溫度梯度的水平分量/m。,三、波帶板激光準(zhǔn)直精度分析,1誤差來源和精度分析,2大氣折光的影響及溫度梯度改正,由此可得出激光束受水平方向大氣折光影響而產(chǎn)生得偏離折為：,2大氣折光的影響及溫度梯度改正,如下圖所示，A點(diǎn)發(fā)出的光束通過i點(diǎn)波帶板時(shí)，已有一個(gè)偏角2，其在接收器B點(diǎn)的影響為：,總的

31、折光影響為：,2大氣折光的影響及溫度梯度改正,歸算到觀測點(diǎn)i上，此時(shí)i點(diǎn)的實(shí)際偏移量為：,此時(shí)大氣折光改正數(shù)vi 為 ：,2大氣折光的影響及溫度梯度改正,HeNe激光器發(fā)出波長為6328的激光，n0=1.000292，若取P=760mmHg，T=3000K，dt/dy取整個(gè)測線上的平均溫度梯度t，則有：,如果L=500m，t = 0.02/m時(shí)，測線中間點(diǎn)（最弱點(diǎn)）的折光改正數(shù)為 vi = 0.56mm.，可見其影響是不能忽視的。,前方交會(huì)法的基本原理是利用兩個(gè)或兩個(gè)以上穩(wěn)定的已知點(diǎn)作為測站點(diǎn)和定向點(diǎn)，分別用高精度光學(xué)經(jīng)緯儀（或電子全站儀）測定觀測點(diǎn)方向與定向點(diǎn)方向之間的水平角，從而求出待定觀

32、測點(diǎn)的坐標(biāo)。不同周期觀測所得到的坐標(biāo)差，即為該點(diǎn)的位移量。,一、前方交會(huì)法原理,X (N) P P P AP A B o Y,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,對(duì)于變形觀測點(diǎn)位移值的計(jì)算，通常不采取計(jì)算各觀測點(diǎn)的坐標(biāo)然后比較不同觀測周期坐標(biāo)位移的辦法，而是根據(jù)觀測值的變化量直接計(jì)算位移值。,X (N) P P P AP A B o Y,二、位移值的計(jì)算,一、前方交會(huì)法原理,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,X (N) P P P AP A B o Y,二、位移值的計(jì)算,基本公式：,一、前方交會(huì)法原理,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,由于P點(diǎn)有位移P，則相應(yīng)的AP，變化了AP，微分得：,二、位移值的

33、計(jì)算,一、前方交會(huì)法原理,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,一、前方交會(huì)法原理,二、位移值的計(jì)算,同理，可得：,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,二、位移值的計(jì)算,令：,可得：,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,解此方程：,二、位移值的計(jì)算,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,令：,代入上式：,待測點(diǎn)P的總位移量：,其位移方向由xP 和yP 的符號(hào)確定。,二、位移值的計(jì)算,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,例如，A、B為已知測站點(diǎn)，P為待測觀測點(diǎn)；首次變形觀測結(jié)果為DAP=209.557m、DBP=373.800m、,則得：,a1=0.8477，b1=0.5003，a2=0.1872，b2=0.5191,

34、A1=0.9726，B1=0.9374，A2=0.3508，B2=1.5884,進(jìn)一步計(jì)算，得：,二、位移值的計(jì)算,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,例如，A、B為已知測站點(diǎn)，P為待測觀測點(diǎn)；首次變形觀測結(jié)果為DAP=209.557m、DBP=373.800m、,則得：,a1=0.8477，b1=0.5003，a2=0.1872，b2=0.5191,A1=0.9726，B1=0.9374，A2=0.3508，B2=1.5884,二、位移值的計(jì)算,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,例如，A、B為已知測站點(diǎn)，P為待測觀測點(diǎn)；首次變形觀測結(jié)果為DAP=209.557m、DBP=373.800m、,若某次

35、復(fù)測，得,將值代入上式、得,最后得到用前方交會(huì)法測定點(diǎn)總的位移量為：,二、位移值的計(jì)算,2.8 前方交會(huì)法測量水平位移,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,一、 一般建筑物的傾斜觀測 二、 塔式建筑物的傾斜觀測 三、 傾斜觀測的精度指標(biāo), 傾斜和裂縫的主要原因 傾斜的主要原因: 由于建筑物地基基礎(chǔ)的整體不均勻沉降(或其他工程質(zhì)量原因)。 裂縫的主要原因: 由于建筑物地基基礎(chǔ)的局部不均勻沉降(或其他工程質(zhì)量原因)。 為了分析因建筑物的傾斜而影響其穩(wěn)定性，則應(yīng)進(jìn)行傾斜觀測，獲得建筑物的基礎(chǔ)和上部在偏壓或外力作用下的傾斜值（包括大小、方向和速度等），以便及時(shí)采取措施。,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾

36、斜和撓度測量, 衡量建筑物傾斜程度的指標(biāo) 傾斜度:, 傾斜觀測的主要任務(wù): 測定傾斜位移值,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,1沉降量計(jì)算法,通過沉降觀測得到建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降差，計(jì)算出傾斜位移值 :,式中：傾斜位移值； 建筑物的基礎(chǔ)寬度； 的不均勻沉降差； 建筑的高度,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,例：用水準(zhǔn)測量的方法測得基礎(chǔ)兩端點(diǎn)間的不均勻沉降量差為2.4毫米，12.5米，30米，則可算得：,1沉降量計(jì)算法,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,用經(jīng)緯儀對(duì)建筑物的上下墻角進(jìn)行投影，再用圖解的方法得到該建筑物的傾斜

37、位移值。,點(diǎn)為建筑物的傾斜觀測部位，、為經(jīng)緯儀的測站位置（應(yīng)設(shè)在建筑物的墻面延長線上）,1沉降量計(jì)算法 2經(jīng)緯儀投影法,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,對(duì)于需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)工程，要長期進(jìn)行傾斜觀測，精度要求應(yīng)高于一般工程。 一般采用精密經(jīng)緯儀和鋼尺(或全站儀)，用測算法進(jìn)行傾斜觀測。,1沉降量計(jì)算法 2經(jīng)緯儀投影法 3經(jīng)緯儀測算法,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,經(jīng)緯儀測算法步驟： 1. 在建筑物延長線上, 距墻角1.52.0H(樓高)的地面P1點(diǎn)安置經(jīng)緯儀(或全站儀),并測量儀器至墻角的距離L1 2. 測定建

38、筑物頂部和下部兩觀測點(diǎn)標(biāo)志間的水平角1 3. 計(jì)算傾斜偏離值:,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,經(jīng)緯儀測算法步驟： 4. 首次觀測得到e10, 以后第i觀測周期結(jié)果為e1i 則建筑物的傾斜位移值為:,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,經(jīng)緯儀測算法步驟： 5. 在AP1的垂直位置上, 用上述同樣方法選定P2點(diǎn)安置經(jīng)緯儀, 測算得建筑物在該方向上的傾斜位移值:,A,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,經(jīng)緯儀測算法步驟： 6. 綜合P1和P2兩點(diǎn)所測算得到的建筑物在各自方向上的傾斜位移值1和2得到該

39、建筑物總的傾斜位移值:,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,4電子傾斜儀法 5近景攝影測量法 6三維激光掃描儀,1沉降量計(jì)算法 2經(jīng)緯儀投影法 3經(jīng)緯儀測算法,一、 一般建筑物的傾斜觀測,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,電子傾斜儀法(傾斜傳感器),清華大學(xué)二校門三維建模(利用近景攝影測量和三維激光掃描系統(tǒng)),近景攝影測量系統(tǒng),三維激光掃描系統(tǒng),清華大學(xué)二校門三維立體圖,清華大學(xué)二校門立體建模,清華大學(xué)二校門立體建模,清華大學(xué)二校門立體建模,塔式建筑物: 主要是指煙囪、水塔、古塔、 圓形（或不規(guī)則）高聳建筑物,傾斜觀測的主要方法有：,1縱橫軸線法,2前方交

40、會(huì)法,3激光準(zhǔn)直儀,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,1縱橫軸線法,（1）在塔式建筑物縱橫兩軸線的延長線上選定測站點(diǎn)C1，與建筑物之間的距離約為建筑物高度的1.52倍，選一起始方向點(diǎn)，用經(jīng)緯儀觀測1、2和3、4點(diǎn)。得到方向值： 1、 2、3和 4,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,（2）分別計(jì)算建筑物底部中心位置a1和頂部中心b1的方向值: a1和 b1,1縱橫軸線法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,（3）計(jì)算建筑物頂部中心a1相對(duì)于底部中心b1的傾斜角: 1,若傾斜角1=0, 則無傾斜,1

41、縱橫軸線法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,（4） 計(jì)算建筑物在C1a1垂直方向上的傾斜位移量: e1,1縱橫軸線法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,（5）用上述同樣的方法,在C1a1的垂直方向上選定另一測站點(diǎn)C2,依次觀測5、6、7、8點(diǎn)，得各點(diǎn)方向值： 5、 6、7和 8,1縱橫軸線法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,（6）計(jì)算建筑物在C2a2垂直方向上的傾斜位移量: e2,1縱橫軸線法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,（7）計(jì)算建筑物總傾斜位移值

42、及傾斜度 i,1縱橫軸線法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,已知地面A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)： （xA，yA）、（xB，yB） 待測建筑物頂部中心點(diǎn)為P點(diǎn)。 （1）在A、B兩點(diǎn)上分別安置經(jīng)緯儀，瞄準(zhǔn)P點(diǎn)或其邊緣，測算出和角。,1縱橫軸線法 2前方交會(huì)法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,（2）計(jì)算待定點(diǎn)P點(diǎn)坐標(biāo)（xP，yP）,基本公式:,1縱橫軸線法 2前方交會(huì)法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,由基本公式:,得到：,分子分母同除以,1縱橫軸線法 2前方交會(huì)法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,得到：,2前方交會(huì)法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,得到：,2前方交會(huì)法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜觀測,再根據(jù)第二個(gè)基本公式:,同理得到:,2前方交會(huì)法,2.9 建（構(gòu)）筑物主體傾斜和撓度測量,二、 塔式建筑物的傾斜