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变形监测期末复习资料
第1章变形观测基本问题
变形观测概念:
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。
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。
变形观测的研究对象
全球性变形研究:
板块运动、地极远东
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
变形观测的目的
确保工程安全运营
进行变形分析,建立预报变形的理论和方法
变形观测的主要内容
沉降观测、水平位移观测、裂缝观测、倾斜观测、挠度监测、滑坡监测等
变形观测的意义
实用上:
检查各种工程建筑物及其基础的稳定性,及时掌握变形情况,为安全性诊断提供必要的信息,以便及时发现问题并采取措施
科研上:
更好地理解变形机理,验证有关工程设计的理论和地壳运动假说,进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型
变形观测的主要技术方法
第2章常规地面测量方法2、GPS的应用3、摄影测量方法4、特殊测量手段法5、综合各种技术方法
变形观测的特点
14、精度要求高2、重复观测3、数据处理要求高4、多学科的配合5、责任重大
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。
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。
变形按照其速度一般可分为:
长周期变形、短周期变形和瞬时变形。
变形按其特点可分为弹性变形和塑性变形两类。
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)
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。
15、一般可将其变形过程分为缓慢变形、变形发展、变形加剧和急剧变形4个阶段。
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。
二、变形观测网的布设1、平面控制网根据不同的变形监测对象,布置不同的控制网。
如:
对于大型变形建筑物、滑坡等,宜布设三角网、三边网、导线网、边角网等;对于分散、单独的小型建筑物,宜采用监测基线或单点。
变形网常由三种点、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。
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:
即变形点或监测点,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。
三、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
四、变形观测网的参考系1、变形网作为经典网平差 变形网图形复杂,多余观测多的特点,变形网的平差一般采用间接平差法。
2、变形网作为自由网的平差 自由网是指整个区域均没有稳固的起算点,也就没有必要的起算数据。
它是基于最小二乘最小范数原则下的平差,称自由网平差,自由网平差解法众多,各有其特点,但平差结果相同。
3、变形网作为秩亏网平差 秩亏自由网平差的主要特点是:
不预先假定固定点,所有网点等同看待,即所有网点坐标都视为待定量。
但由于缺少起算数据,按这种方法组成法方程后,求出的法方程系数矩阵是秩亏的。
第二章:
垂直位移监测技术
1、沉降监测的定义:
对监测点高程变化量的测量工作称之,沉降监测又称垂直位移监测。
一般用“+”表示下沉,用“-”时表示上升
2、常用方法:
精密水准测量、三角高程测量、液体静力水准测量
3、精密水准测量
(1)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。
(2)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。
(2)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。
4、精密水准测量的误差来源有哪些?
如何减弱i角误差对沉降观测结果的影响?
误差来源:
1)仪器误差:
水准仪i角误差;水准尺长与名义尺长不符2)外界环境引起的误差:
高压输电线和变电站等强磁场的影响;温度和大气折光影响3)人为引起的误差
方法:
减小i角误差的影响,必须严格控制前后视距差和前后视距累计差,又由于i角误差会受温度等影响,减弱其影响的有效方法是减少仪器受辐射热的影响;若i角误差与时间成比例地均匀变化,则可以采用改变观测程序(奇数站—后前前后;偶数站—前后后前)的方法减小i角误差影响。
5、精密三角高程测量方法主要有哪几种?
影响三角高程测量精度的因素有哪些,如何减弱?
方法:
1)单向观测:
测距误差
、垂直角观测误差
、仪器高量测误差
、目标高量测误差
、大气折光误差
;2)中间法;3)对向观测。
6、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。
7、液体静力水准测量的主要误差有哪些?
连通管中液体不能残存气泡,否则测量结果将有粗差;液体静力水准仪零点差;温度差影响;气压差影响;液面到标志高度量测误差;液体蒸发影响;液体弄脏影响;仪器搁置误差;仪器倾斜误差影响;仪器结构变化影响等。
8、报告的编写(当工程竣工后,应及时对施工期间沉降观测成果进行阶段总结。
)
1)、总结报告应包括:
技术措施、观测期限、观测依据等,并对总的观测结果进行分析。
2)、沉降观测阶段(总结)报告应包含的分析数据有:
建筑物最大沉降点名及其最大沉降量;建筑物最小沉降点名及其最小沉降量;建筑物所有观测点的平均沉降量;近期该建筑物最大沉降速率、最小沉降速率以及平均沉降速率。
3)、沉降观测阶段(总结)报告中还应包含沉降观测点位布置图、点位沉降过程线等,必要时还应绘制等沉降曲线图。
第3章水平位移监测技术
1、概述:
(1)交会法观测
(2)精密导线测量(3)视准线测量(活动觇牌法和小角度观测法)(4)引张线测量(5)垂线测量(6)激光准直测量
2、常用方法
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,该技术已经在我国的水利、桥梁等工程中得到应用。
3、交会法观测:
测角交会法
(1)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。
(2)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
(1)γ角通常应保持在60°至120°之间;
(2)测距要仔细,以减小测边中误差ma和mb;
(3)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、精密导线测量
1)精密边角导线法:
根据导线边长变化和导线的转折角观测值来计算监测点的变形量。
2)精密弦矢导线法:
根据导线边长变化和矢据变化的观测值来求得监测点的实际变形量。
5、基准线测量主要有
1)视准线测量;2)引张线测量3)垂线测量
6、视准线测量有哪些方法:
小角法测量;活动觇牌法测量。
第四章 建筑物的变形监测
主要内容
倾斜观测、挠度观测、裂缝观测、日照变形监测、风振变形监测
挠度:
是指建(构)筑物或其构件在水平方向或竖直方向上的弯曲值。
建筑物的挠度观测包括建筑物基础、建筑物主体及独立构筑物(如独立土墙、柱)的挠度观测。
观测方法总结:
对于直立高大型建筑物,其挠度的观测方法是测定建筑物在铅垂面内各不同高程点相对于底部的水平位移值。
高层建筑物通常采用前方交会法测定。
对内部有竖直通道的建筑物,挠度观测多采用垂线观测,即从建筑物顶部附近悬挂一根不锈钢丝,下挂重锤,直到建筑物底部。
在建筑物不同高程上设置观测点,以坐标仪定期测出各点相对于垂线最低点的位移。
比较不同周期的观测成果,即可求得建筑物的挠度值。
如果采用电子传感设备,可将观测点相对于垂线的微小位移变换成电感输出,经放大后由电桥测定并显示各点的挠度值。
第五章地表变形对建筑物的影响
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
负曲率正曲率
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
正水平变形负水平变形
负水平变形
第六章 GPS在变形监测中的应用
GPS一机多天线监测技术
该系统包括控制中心、数据通信、多天线控制器和野外供电系统等4部分组成。
该系统优缺点:
优点:
成本低
缺点:
1、确保多天线控制器微波开关中各通道的高隔离度和最大限度地减少GPS信号衰减。
2、由于监测的范围比较广,各监测点之间的距离可能很远,天线信号传输至控制器时将不可避免地产生GPS信号衰减过大的问题。
根据我们的测定,当电缆传输距离超过30米时,信号的损失已经相当大。
基坑工程施工监测
监测内容
基坑工程施工监测的对象主要为围护结构和周围环境两大部分;围护结构包括围护桩墙、水平支撑、围檩和圈梁、立柱、坑底土层和坑内地下水等;周围环境包括周围土层、地下管线、周围建筑和坑外地下水等;各个监测对象包含不同的监测内容,需要使用相应的监测仪器和仪表。
例题:
桩顶水平位移监测采用SET210全站仪极坐标法进行观测。
周围建筑物沉降监测采用二等水准进行观测,尽可能构成闭合水准路线,所用仪器为NI007自动安平水准仪和配套的铟钢水准标尺。
深层水平位移监测采用BC-1型应变式测斜仪。
轴力变化监测采用XP98型振弦式应力计。
第九章边坡工程监测
监测方法
主要监测方法有:
简易监测法、设站监测法、仪表监测法、远程监测法等。
常用的监测方法有:
大地测量方法(极坐标法、交会法、视准线法、几何水准、三角高程测量等)、近景摄影测量法、GPS测量法测线的布置:
测线可以采用十字形或放射形等。
十字形主要适用于变形范围和主滑方向比较明确的边坡;放射形主要适用于变形范围和主滑方向不十分明确的边坡。
第十章
1.桥梁变形观测目的与意义:
(1)桥梁变形观测是桥梁运营期养护的重要内容,对桥梁的健康诊断和安全运营有着重要的意义。
(2)成桥后的结构状态识别和确认,桥梁运营过程中的损伤检测、预警及适时维修制度的建立,有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。
(3)运营中的桥梁结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充,而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。
(4)桥梁安全监测带来的将不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思,它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。
2.桥梁的变形
桥梁变形按其类型可分为静态变形和动态变形;
静态变形是指变形观测的结果只表示在某一期间内的变形值,它是时间的函数。
动态变形是指在外力影响下而产生的变形,它是表示桥梁在某个时刻的瞬时变形,是以外力为函数来表示的对于时间的变化。
桥梁墩台的变形一般来说是静态变形,而桥梁结构的挠度变形则是动态变形。
桥梁变形按具体内容可分为:
桥梁墩台变形观测、塔柱变形观测、桥面挠度观测、桥面水平位移观测等。
2、桥梁墩台变形观测
桥梁墩台的变形观测主要包括两方面:
墩台的垂直位移观测。
主要包括墩台特征位置的垂直位移和沿桥轴线方向(或垂直于桥轴线方向)的倾斜观测。
墩台的水平位移观测。
其中各墩台在上、下游的水平位移观测称为横向位移观测;各墩台沿桥轴线方向的水平位移观测称为纵向位移观测。
两者中,以横向位移观测更为重要。
3、塔柱变形观测
(1)塔柱顶部水平位移监测;
(2)塔柱整体倾斜观测;
(3)塔柱周日变形观测;
(4)塔柱体挠度观测;
(5)塔柱体伸缩量观测。
5.桥面挠度观测
桥面挠度是指桥面沿轴线的垂直位移情况。
桥面在外界荷载的作用下将发生变形,使桥梁的实际线形与设计线形产生差异,从而影响桥梁的内部应力状态。
过大的桥面线形变化不但影响行车的安全,而且对桥梁的使用寿命有直接的影响。
6.桥面水平位移观测
桥面水平位移主要是指垂直于桥轴线方向的水平位移。
桥梁水平位移主要由基础的位移、倾斜以及外界荷载(风、日照、车辆等)等引起,对于大跨径的斜拉桥和悬索桥,风荷载可使桥面产生大幅度的摆动,这对桥梁的安全运营十分不利。
7.垂直位移监测方法
精密水准测量、三角高程测量、液体静力水准测量、压力测量法、GPS测量
8.水平位移监测方法
三角测量法、交会法、导线测量法、基准线法、测小角法、GPS观测、专用方法
9.挠度观测方法
悬锤法、精密水准法、全站仪观测法、GPS观测法、静力水准观测法、测斜仪观测法、摄影测量法、专用挠度仪观测法法
10.基点网的布设
为了观测墩台的垂直位移,需建立变形监测基点网,基点网由基准点和工作基点组成。
基准点应尽量选在桥梁承压区之外,但又不宜离桥梁墩台太远。
基准点需成组埋设,以便相互检核。
工作基点一般选在桥台或其附近,以便于观测布设在桥梁墩台上的观测点,测定各桥墩相对于桥台的变形。
而工作基点的垂直变形可由基准点测定,以求得观测点相对于稳定点的绝对变形。
11.观测点的布设
在布设监测点时,应遵循既要均匀又要有重点的原则。
均匀布设是指在每个墩台上都要布设观测点,以便全面判断桥梁的稳定性;重点布设是指对那些受力不均匀、地基基础不良或结构的重要部分,应加密观测点,主桥桥墩尤应如此。
主桥墩台上的观测点,应在墩台顶面的上下游两端的适宜位置处各埋设一点,以便研究墩台的沉降和不均匀沉陷(即倾斜变形)。
12.索塔挠度观测常用方法
交会法(测角、测边、边角交会);全站仪极坐标法;天顶距测量法;倾斜仪法;垂线法。
十一章
1.土坝变形因素
(1)渗透变形,当渗透水流在土壤中运动时,土壤可能产生破坏性的渗透变形,导致水工建筑物的失事,这种变形包括:
管涌、流土、接触冲刷,接触流土等。
后果造成建筑物不均匀沉降。
第2章土坝沉陷:
土坝水平位移(包括滑动、倾覆)不是主要的,而是沉陷,施工期间坝基和坝身一直是沉陷,直到施工结束,坝基沉陷量约为总沉陷量的50%~70%左右。
4、监测断面布置(土石坝)
(1)观测横断面。
布置在最大坝高、原河床处、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处、坝内埋管或运行可能发生异常反应处。
一般不少于2~3个。
(2)观测纵断面。
在坝顶的上游或下游侧布设1~2个,在上游坝坡正常蓄水位以上1个,正常蓄水位以下可视需要设临时断面,下游坝坡2~5个。
(3)内部断面。
一般布置在最大断面及其它特征断面处,可视需要布设1~3个,每个断面可布设1~3条观测垂线,各观测垂线还应尽量形成纵向观测断面。
界面位移一般布设在坝体与岸坡连接处,不同坝料的组合坝型交界处及土坝与混凝土建筑物连接处
3.监测断面布置(混凝土坝)
(1)观测纵断面。
通常平行坝轴线在坝顶及坝基廊道设置观测纵断面,当坝体较高时,可在中间适当增加1~2个纵断面。
当缺少纵向廊道时,也可布设在平行坝轴线的下游坝面上。
(2)内部断面。
布置在最大坝高坝段或地质和结构复杂坝段,并视坝长情况布设1~3个断面。
应将坝体和地基作为一个整体进行布设。
拱坝的拱冠和拱端一般宜布设断面,必要时也可在l/4拱处布设。
4.监测断面布置(滑坡体)
(1)两坝肩附近的近坝区岩体。
垂直坝轴线方向各布设1~2个观测横断面。
(2)滑坡体顺滑移方向布设1~3个观测断面,包括主滑线断面及其两侧特征断面。
(3)必要时可大致按网格法布置。
5.(了解)
水平位移观测点布置(位移标点)
(1)土石坝。
在每个横断面和纵断面交点等处布设位移标点,一般每个横断面不少于3个。
位移标点的纵向间距,当坝长小于300m时取30~50m,坝长大于300m时,一般取50~100m。
(2)混凝土坝。
在观测纵断面上的每个坝段、每个垛墙或每个闸墩布设一个标点,对于重要工:
程也可在伸缩缝两侧各布设一个标点。
(3)近坝区岩体及滑坡体。
在近坝区岩体每个断面上至少布设3个标点,重点布设在靠坝肩下游面。
在滑坡体每个观测断面上的位移标点一般不少于3个,重点布设在滑坡体后缘起至正常蓄水位之间。
水平位移观测点布置(工作基点)
(1)土石坝。
在两岸每一纵排标点的延长线上各布设一个工作基点。
当坝轴线为折线或坝长超过500m时,可在坝身每一纵排标点中部增设工作基点兼作标点,工作基点的间距取决于采用的测量仪器。
(2)混凝土坝。
可将工作基点布设在两岸山体的岩洞内或位移测线延长线的稳定岩体上。
(3)近坝区岩体及滑坡体。
选择距观测标点较近的稳定岩体建立工作基点。
水平位移观测点布置(校核基点)
(1)土石坝。
一般仍采用延长方向线法,即在两岸同排工作基点连线的延长线.上各设1~2个校核基点,必要时可设置倒垂线或采用边角网定位。
(2)混凝土坝。
校核基点可布设在两岸灌浆廊道内,也可采用倒垂线作为校核基点,此时校核基点与倒垂线的观测墩宜合二为一。
(3)近坝区岩体及滑坡体。
可将工作基点和校核基点组成边角网或交会法进行观测。
十二章
1.地下工程检测内容
土体介质的监测。
包括:
地表的沉降监测、土体分层沉降和深层位移监测、土体回弹测量、土体应力和孔隙水压力测量。
周围环境的监测。
包括:
相邻房屋和重要结构物的变形监测、相邻地下管线的变形监测。
隧道变形的监测。
包括:
隧道沉降和水平位移监测、隧道断面收敛位移监测、隧道应变和预制管片凹凸接缝处法向应力测量。
7、隧道断面收敛位移监测
收敛位移监测:
隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛。
所谓周边收敛量测主要是隧道内壁面两点连线方向的距离的变形量的量测。
收敛值为两次量测的距离之差。
量测目的:
收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目。
周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映,通过周边位移量测可以达到以下目的。
⑴判断隧道空间的稳定性;
⑵根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机;
⑶指导现场的施工。
十三章
8、变形监测网:
变形网实质上仍然是一个如何确定网点位置的测量控制网,因此完全可以按经典控制网的平差方法来平差,确定网点位置。
2.绝对网和相对网:
绝对网是指有部分点子位于变形体外的监测网;
相对网是指网的全部点位于变形体上的监测网。
当变形体的范围(包括变形影响范围)较小时,一般将监测网布设成绝对网的形式。
所以绝对网多用于工程建筑物的变形监测。
当变形区域很大,或变形范围难以确定,监测网只有采用相对网的形式,地壳形变监测网一般属于这种情况。
3.相对网中,由于网的全部点都布设在变形体上,通过某种平差得到监测点的位移只是相对位移,这与平差所采用的参考系有着密切关系。
因此对于相对网来说就是要寻找一个相对的稳定点,并合理定义网的参考系。
①有不动点,应选固定基准,进行经典平差。
②一部分点相对于另一部分点稳定,但不固定,此时取相对稳定的这部分点的中心作为参考基准,宜选拟稳基准,采用拟稳平差。
③各点均为变形点且等概率形变,此时选取整个变形监测网的重心,选择重心基准,采用自由网平差。
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