7 第七章 工程的变形监测和数据处理

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第七章工程的变形监测和数据处理主要内容什么是变形监测？为什么要进行变形监测?变形监测有哪些内容和特点?重点变形监测网和变形监测方案设计变形观测数据处理成果表达和解释 §7.1工程变形监测的基础知识一、变形监测的定义、作用和内容变形监测：对监视对象或物体进行测量以确定其空间位置随时间的变化特征全球性、区域性、工程的变形监测全球性的变形监测是对地球自身的动态变化如自转速率变化、极移、潮汐、全球板块运动和地壳形变的监测。区域性的变形监测是对区域性地壳形变和地面沉降的监测。对于工程的变形监测来说，变形体一船包括工程建筑物、机器设备以及其他与工程建设有关的自然或人工对象。 一、变形监测的定义、作用和内容变形监测的作用1） 监视新建建筑物和工程设施的施工质量及使用与运营期间的安全；2）监测建筑场地和已建建筑物的稳定性；3）检查、分析和处理有关工程质量事故；4）验证有关建筑地基、结构设计的理论和设计参数的准确性与可靠性；5）研究变形规律，预报变形趋势。 变形监测的分类：变形体自身的变形沉降、位移、扰度、裂缝伸缩、错动、弯曲、扭转变形体的刚体位移整体平移、转动、升降和倾斜建筑物的变形监测 变形监测的特点周期性观测；动态观测；精度不同。 二、变形模型变形影响因子即引起变形的原因，如地壳运动、基础形变、地下开采、地下水位变化、工程建筑物的各种荷载作用、机械设备安装偏离设计值等；其时间特征又表现为近似线性变化、周期变化、急剧变化以及随机变化等多种情况 二、变形模型典型动态变形模型对于变形影响因子呈跳跃变化(突变)、线性变化（渐变)和周期变化(周变)所引起的变形体的典型变形可用下图的(a)、(b)、(c)来分别表示。（a）突变模型对应的动态变形模型为 图中为始末时刻变形因子的值，为始末时刻的变形量，为传递常数和时间常数，为变化周期，为时间延迟。 二、变形模型典型动态变形模型（b）渐变模型对应的动态变形模型为 二、变形模型典型动态变形模型（c）周期变形变形影响因子随时间的变化x(t)以及相应的响应(变形)y(x)可表示为：式中，为变形影响因子的振幅和初相；为变形的振幅和初相，为周期。 二、变形模型运动模型在许多情况下，变形影响因子的大小是随机性变化且不可量测的，或者虽可量测却难以建立影响因子与变形间的函数模型。这时可采用运动变形模型。 §7.2变形监测方案设计一、变形监测方案制定准则描述或确定变形状态所需要的测量精度所要施测的次数两周期之间的时间间隔一周期所允许的观测时间变形监测方案设计的本质是用测量技术获取变形体的变形及其时间变化特性。设计的内容：测量方法的选择、监测网布设、测量精度和观测周期的确定等。 二、测量方法选择所应考虑的问题1.测量精度建筑物变形观测的精度，视变形观测的目的及变形值的大小而异，很难有一个明确的规定，国内外对此有各种不同的看法。原则上，如果观测的目的是为了监视建筑物的安全，精度要求稍低，只要满足预警需要即可，在1971年的国际测量工作者联合会(FIG)上，建议观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20；如果目的是为了研究变形的规律，则精度应尽可能高些，因为精度的高低会影响观测成果的可靠性。当然，在确定精度时，还要考虑设备条件的可能，在设备条件具备，且增加工作量不大的情况下，以尽可能高些为宜。 2.观测周期数和一周期内观测时间对于长周期可以考虑用大地测量技术；对于短周期可以考虑用摄影测量或自动化测量。深基坑开挖时1~2天出现暴雨，管涌应加密浇筑地下室底扳后3~4天建筑物主体施工1~2层结构封顶后3个月竣工投入使用3个月直至沿体稳定观测周期 3.监测费用①建立监测系统的一次性花费；②每一个观测周期花费；③维护和管理费。 ①在监测时，变形体不能触及，否则影响变形形态；②观测的变形体存在一定危险性，常用规测量方法；③当变形体到达一定值时会对变形体本身和环境造成巨大危害，需要持续观测，必要时报警；④做荷载变形实验时，要求处理速度快，宜采用自动或半自动化；⑤有的监测会使工程停工，需慎重考虑。⑥如果是比较变形体的变化状态，宜采用摄影测量方式。4其他考虑 §7.3变形监测方法和自动化随着现代科学技术的发展，变形监测的技术手段，逐渐形成多层次、多视角、多技术、自动化的立体监测体系。以RTS（自动全站仪、测量机器人）为代表现代测量技术，逐步取代以经纬仪、全站仪为代表的常规测量技术，成为主要的地面监测技术手段。以测斜仪、分层沉降仪、光纤传感器等为代表的地下观测监测技术，已实现数字化、自动化。 以GPS（全球定位系统）、差分干涉合成孔径雷达（D-InSAR）技术和机载激光雷达技术为代表空间对地观测技术，正逐步得到发展和应用。同时有线网络通讯、无线移动通讯、卫星通讯等多种通讯网络技术的发展，为工程变形监测信息的实时远程传输提供可靠的通讯保障。在监测分析方面，利用GIS的数据管理与分析功能而开发的专家系统对采集的大量信息进行有效快速分析与处理。 一、常规的大地测量方法常规的大地测量方法指用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称。常用仪器：光学经纬仪、水准仪、电磁波测距仪电子经纬仪、水准仪、电子全站仪GPS接收机。 二、地下观测监测技术地下观测监测技术主要指监测结构体及岩土内部变形的技术。常用的内部位移观测仪器有位移计、测缝计、测斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、引张线、多点变位计和应变计等。传统的位移计、变位计和应变计等点式监测手段。 三.对地观测监测技术对地观测监测技术，是利用卫星或飞机上的测量传感器实现对地面进行沉降或位移监测的技术。目前主要包括GPS全球定位系统、D-InSAR（差分干涉雷达测量和机载激光三维扫描等技术。 三.对地观测监测技术特点不需要接触被监测的变形体。外业工作量小，观测时间短，可获取快速变形过程，可同时确定变形体上任意点的变形。信息量大，利用率高，利用种类多，可以对变形前后的信息做各种后处理，通过底片可观测到变形体任一时刻的状态。仪器费用较高，数据处理对软硬件的要求也比较高。 四.特殊大地测量方法：①短距离测量方法：采用金属丝测长仪；采用铟瓦线。②微距测量准直法：光学法；光电法；机械法。③微距测量铅直法：光学法；光电法；机械法。④液体静力水准测量法：利用连通管的液体压力测量。⑤挠度曲线和倾斜测量。⑥裂缝观测：走向，大小，长度，宽度等。⑦震动观测：采用光电观测系统。⑧三维激光扫描测量：提供水平角，垂直角，距离三种观测值。 四、特殊的大地测量方法短距离和距离变化测量方法根据实际条件可采用机械法。用伸缩测微仪监测岩体移动 四、特殊的大地测量方法偏离水平基准线的微距离测量—准直法光学法光电法用一般的光学经纬仪或电子经纬仪的视准线构成基准线，故又称视准线法光电法是通过光电转换原理测量偏距，分激光经纬仪准直和波带板激光准直 基准线法小角法用测回法测出∠BAP。设第一次观测角值为β1，后一次为β2，根据两次角度的变化量Δβ＝β2-β1，即可求算出P点水平位移量，即全站仪坐标法ADBβP小角法测量水平位移光学法 波带板激光准直测量步骤如下：在一基准点A安置激光器在另一基准点B安置探测器在待测点i安置一特定“焦距”的波带板A(S)B(K)iii激光波带板准直测量光电法 偏离水平基准线的微距离测量—准直法机械法机械法是在已知基准点上吊挂钢丝或尼龙丝构成基准线，用测尺游标、投影仪或传感器测量中间的目标点相对于基准线的偏距。引张线法是一种典型的机械法，它实质也是一种偏距测量。 偏离垂直基准线的微距离测量—铅直法以过基准点的铅垂线为垂直基准线，沿铅垂基准线的目标点相对于铅垂线的水平距离(亦称偏距)可通过垂线坐标仪、测尺或传感器得到。与准直法一样，铅垂线可以用光学法、光电法或机械法产生。最常用的机械法是正、倒垂线法。正锤装置倒锤装置垂线坐标仪 液体静力水准测量法该方法是基于贝努利方程，即对于连通管中处于静止状态的液体压力，满足P+ρgh=常数，按此原理制成的液体静力水准测量仪或系统可以测两点或多点之间的高差。若其中的一个观测头安置在基准点上，其他观测头安置在目标点上，进行多期观测，则可得各目标点的垂直位移。这种方法特别适合建筑物内部(如大坝)的沉降观测，尤其是用常规的光学水准法观测较困难且高差又不太大的情况。 液体静力水准测量h2h1ⅡⅠ21P01P02A连通器内液体的平衡abhAB液体静力水准测量原理气管水管C1C2 挠度曲线和倾斜测量挠度曲线为相对于水平线或铅垂线(称基准线)的弯曲线，曲线上某点到基准线的距离称为挠度。建筑物的挠度可由观测不同高度处的倾斜来换算求得。大坝的挠度可采用正垂线法测得。两点之间的倾斜也可用测量高差或水平位移，通过两点间距离进行计算间接获得。 构件的挠度观测左图是对梁进行挠度观测的例子。在梁的两端及中部设置三个变形观测点A、B及C，定期对这三个点进行沉降观测，即可依下式计算各期相对于首期的挠度值：——观测点间的距离；——观测点的沉降量。挠度观测 建筑物的倾斜度直接观测；挖孔或钻孔的倾斜观测，常采用埋设测斜管的办法对于圆形建筑物的倾斜观测，一般是测定其顶部中心与底部中心的偏心位移量，并将其作为倾斜量也可用坐标法来测定倾斜观测多层和高层建筑物基础倾斜容许值建筑物高度（m）≤2424~6060~100＞100倾斜容许值（mm4321.5 直接利用经纬仪投点法测量 (二)塔式建筑物的倾斜测量测定顶部中心相对于底部中心的偏心位移量 当基础挠度过大时，建筑物可能出现剪切破坏而产生裂缝。建筑物出现裂缝时，除了要增加沉降观测、位移观测外，还应立即进行裂缝观测，以掌握裂缝发展情况裂缝观测就是测定建筑物上裂缝发展情况的观测工作。在裂缝两侧埋设观测标志挠度和裂缝观测 三维激光扫描测量三维激光扫描仪如CyraxHDS4500,本质上也是一种距离测量仪器，可对被测对象在不同位置扫瞄，通过距离交会原理快速地获取物体在给定坐标系下的三维坐标三维激光扫瞄仪HDS4500 §7.4建筑物变形观测数据处理 沉降量在一定范围内是正常的，不会对建筑物安全构成威胁，超过一定范围即属于沉降异常表现形式为：①沉降不均匀；②沉降速率过快；③累计沉降量过大变形测量就是对建筑物（构筑物）及地基或一定范围内岩体和土体的变形（包括水平位移、沉降、倾斜、挠度、裂变等）进行的测量工作。变形测量的意义是，通过对变形体的动态监测，获得精确的观测数据，并对监测数据进行综合分析，及时对基坑或建筑物施工过程中的异常变形可能造成的危害作出预报，以便采取必要的技术措施，避免造成严重后果建（构）筑物变形的基本概念 变形测量的内容主要包括：支护结构顶部的水平位移监测；支护结构沉降监测；支护结构倾斜观测；邻近建筑物、道路、地下管网设施的沉降、倾斜、裂缝监测。在建筑物主体结构施工中，变形测量的主要内容是建筑物的沉降、倾斜、挠度和裂缝观测。技术要求 监测点布设原则一水准点和观测点的设置基准点：是沉降观测的基准，应埋设在建筑物变形影响围之外，距开挖边线50m之外，按二、三等水准点规格埋石，个数不少于3个。观测点：观测点设立在变形体上，能反应变形的特征点建筑物——在建筑物四角沿外墙间隔10~15米处布设，在柱上每隔2~3根柱设一个点。圆形构筑物——在基础轴线对称部位设点，不少于四个点。不同建筑物分界处：人工地基和天然地基接壤处，烈缝、伸缩缝处，不同高度建筑交接处，新旧建筑物交接处。 观测点埋设： 沉降观测基准点 变形观测数据处理一、观测数据分类：周期性观测数据；特定时间序列的监测数据。二、变形分析分类：静态，似静态点场分析；综合变形模型；动力学模型。 三、变形监测网数据处理1、平均间隙法加最大间隙法：由高斯－马尔可夫模型和两周期平差推出。（在给定经典线性回归模型的假定下，最小二乘估计量，在无偏线性估计一类中，有最小方差）2、卡尔曼滤波法：由第K－1个周期参考网的坐标未知数向量及其协方差阵，并参考第K周期参考网的观测值，求解第K周期的坐标未知数向量及其协方差。四、变形监测点数据处理1、回归分析法：将变形体当作一个系统，将目标点上变形看作因变量，将变形因子看作自变量，对其进行长期观测，找出其函数关系。 逐步回归算法步骤：①初选变形影响因子。②确定首选的一元线性回归方程。③确定最佳二元线性回归方程。④确定最佳三元线性回归方程。⑤若三个变形影响因子都是显著回归因子，则继续添加因子，直到最后得到最佳回归方程。 时间序列分析法:时间序列是按时间顺序的一组数字序列。时间序列分析就是利用这组数列，应用数理统计方法加以处理，以预测未来事物的发展。时间序列分析是定量预测方法之一，它的基本原理：一是承认事物发展的延续性。应用过去数据，就能推测事物的发展趋势。二是考虑到事物发展的随机性。任何事物发展都可能受偶然因素影响，为此要利用统计分析中加权平均法对历史数据进行处理。该方法方法简单易行，便于掌握，但准确性差，一般只适用于短期预测 频谱分析法:对于具有周期性变化的变形时间序列，可采用傅立叶变换将时域信息转到频域进行分析，通过计算各谐波频率的振幅，找出最大振幅所对应的主频，揭示变形的变化周期。模糊人工神经网络法：变形与影响因子之间是一种非线性、非确定性的复杂关系，模糊人工神经网络法将生物特征用到工程中，用计算机解决大数据量情况下的学习、识别、控制和预报等问题，是一种模仿和延伸人类功能的新型的信息处理方法。 一、资料整理1、资料整理—对原始资料进行汇集、审核、整理、编排，使之集中、系统化、规格化和图表化，并刊印成册。2、资料整理的目的：便于应用分析；提供资料和归档保存。§7.5变形监测资料整理、成果表达和解释3、资料整理的内容：①收集资料；②审核资料；③填表和绘图；④编写整理成果说明。4、观测资料分析分类：定性分析；定量分析；定期分析；不定期分析；综合分析。 5、资料分析的常用方法①作图分析：将观测资料按时间顺序绘制成过程线，或其它曲线，便于分析。②统计分析：用数理统计分析方法分析观测值变化规律找到其周期、相关性、发展趋势等。③对比分析：将实测值与设计值比较找出差值及其原因。④建摸分析：建立数学模型加以分析。（统计模型；确定性模型；混合模型） 6、提交成果①技术设计书和测量方案；②监测网和监测点的布置平面图；③标石、标志规格及埋设图；④仪器的检核资料；⑤原始观测记录；⑥平差计算、成果质量评定资料；⑦变形观测数据处理分析和预报成果资料；⑧变形过程和变形分布图表；⑨变形监测、分析和预报成果技术报告。 二、成果表达1、表达方式：①传统：文字、表格、图形；②多媒体、仿真技术、虚拟现实。2、观测实例。（能看懂各种工程实例图表）三、成果解释①是环境安全监测还是交通运行安全监测或运行安全监测？②需在不同荷载情况下，对变形体的变形模型作检验假设。③根据岩土力学性质建立物理力学模型。④工程整治的效果如何？⑤对地球物理或物理假设进行验证。⑥对工程建筑物进行监测和检验。⑦采取建筑措施后做建筑物安全证明。