工程监测技术教案.docx

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工程监测技术教案

武夷学院

教案

课程名称：

工程监测技术

课程类型：

理论课□理论、实践课□实践课

学时：

36

学分：

2

授课教师：

伍宜胜

授课班级：

09级土木工程1、2班

授课学期：

2011至2012学年第一学期

教材名称：

工程监测技术及其应用

参考资料：

1.《土木工程监测技术》，中国建筑工业出版社，夏才初、潘国荣，2001.7

2.《地下建筑测试理论与监测技术》夏才初，李永盛编著，1999.8。

3.《岩体测试技术》，李造鼎主编，冶金工业出版社。

4.《试验岩石力学（模拟研究）》，林韵梅著，煤炭工业出版社。

2011年8月20日

《工程监测技术》课程教案

授课题目：

第一章工程监测技术基础知识

教学时数：

4

授课类型：

理论课□实践课

教学目的、要求：

1了解监测与建筑物、岩土工程的关系；

2了解监测系统的组成、系统选择的原则、常用的监测仪器设备；

3掌握变形监测的周期与精度规定

教学重点：

建筑物水平位移、倾斜、裂缝的监测

教学难点：

变形监测控制网的建立。

教学方法和手段：

课堂讲授。

多媒体课件演示。

《工程监测技术》课程教案

教学内容与教学设计

第一章工程监测技术基础知识

1.某岩土监测产品分类：

变形观测

测斜

应力/压力观测

应变观测

水位、渗流量观测

温度测量

大地测量仪器

振动监测

数据采集

海上取芯系统

岩芯扫描系统

2.监测的对象？

建筑物、基坑、隧道、水利工程、边坡、公路…

3.案例：

车站基坑施工监测施工组织设计

（1）工程概况

本车站位于佛山市南海区南桂东路北侧，桂澜路西侧，车站西侧为南海区电力工业局办公楼，东面为城市广场商业中心，南面为桂南名都用地，现场地形平坦，地面标高为7.26m。

车站里程范围：

YDK8+896.493～YDK9+046.593，车站长150.1m,南连桂城站，北连虫雷岗公园站。

地下车站采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙，与内衬墙构成重合墙结构。

基坑标准段深度约16.2m，连续墙最深处24.15m，连续墙厚为800mm，设2道钢筋砼加1道钢管支撑，基坑安全等级为一级，结构重要性系数1.1。

（2）周围环境调查

本车站位于南桂东路与桂澜路交叉口西北角绿化广场上，场地区域较为空阔，本车站位于佛山市南海区南桂东路北侧，桂澜路西侧，车站西侧为南海区电力工业局办公楼。

场地内朗程汽车维修中心已拆除。

根据房屋基础调查资料，南海区电力工业局办公楼距地铁左线中心线约30m，地下室一层，基础采用桩径0.5m预制应力管桩，桩长14.5～24m。

南桂东路、桂澜路车流较多，交通繁忙。

（3）监测目的、依据及内容

监测目的

①为施工开展提供及时的反馈信息。

通过监测随时掌握土层和支护结构的内力变化情况，以及临近建筑物的变化情况，将监测数据及设计预估值进行分析对比，以判断前一步施工工艺和施工参数是否要修改，以确定下一步施工参数，以此达到信息化施工的目的，使得监测数据和成果成为现场施工工程技术人员判断工程是否判断安全的依据，成为工程决策机构的眼睛。

②为基坑周围环境进行及时、有效的保护提供依据。

通过对临近建筑的监测，验证基坑开挖方案和环境保护方案的正确性，及时分析出现的问题，及时采取措施对周围环境进行下一步的加强保护。

（4）监测目的

③将监测结果用于反馈优化设计，为改进设计提供依据。

基坑工程设计方案的定量化预测计算是否真正反映了工程实际状况，只有在方案实施的过程中才能获得最终的答案，其中现场监测是确定上述数据的重要手段。

由于各个施工场地地质条件不同、施工工艺不同和周遍环境不同，设计计算中未计入的各种复杂因素，都可以通过对现场的监测结果进行分析、研究，加以局部的修改、补充和完善。

④通过对监测数据与理论值的比较、分析，可以检验设计理论的正确性。

⑤在施工全过程中，通过对既有地面和地下建筑物、构筑物各项指标的监测，将结构变形严格控制在标准限值内，保证既有建筑物和构筑物的安全。

⑥积累量测数据，为今后类似工程设计和施工提供工程参考数据。

（5）监测依据

1、珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段工程南桂路站主体围护结构施工图

2、《广州地区建筑基坑支护技术规定》（GJB02－98）

3、《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）

4、《建筑变形测量规范》（JGJ/T8－2007）

5、行业标准《城市测量规范》（GB50026-93）

6、《工程测量规范》GB50026-93

7、《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002

（6）基坑监测要求

监测项目

根据本车站基坑工程情况，按照施工图纸要求，监测的内容有：

①墙顶水平位移监测，②支护结构变形监测，③钢支撑轴力，④基坑周边建筑物变形监测，⑤土体侧向位移监测，⑥地下水位监测，⑦钢筋应力监测，⑧钢筋混凝土支撑变形监测。

监测项目设置

墙顶水平位移及沉降监测

桩体变形监测

钢支撑轴力监测

建筑物沉降、倾斜监测

土体侧向位移监测

地下水位监测

4.安全监测

近三年建设部备案的重大施工事故中,基坑坍塌约占事故总数的50%。

塌方事故造成了惨重的人员伤亡和经济损失。

（1）基坑边坡土体承载力不足;基坑底土因卸载而隆起,造成基坑或边坡土体滑动;地表及地下水渗流作用,造成的涌砂、涌泥、涌水等而导致边坡失稳,基坑坍塌。

（2）支护结构的强度、刚度或者稳定性不足,引起支护结构破坏,导致边坡失稳,基坑坍塌。

安全监测是避免事故的重要手段

承认工程上对岩性特征认识的局限性，采用安全监测的策略，基于现场的内力、变形等反馈，渐近式优化设计与施工组织。

原始设计→第一步施工→安全监测反馈→修订至第二版设计→第二步施工→安全监测反馈→修订至第三版设计→……竣工。

地方性标准

这种以现场监测数据为反馈的动态设计与施工的观念，已在经济发达地区以地方性技术标准的形式逐步推广

上海市标准《基坑工程设计规程（DBJ08-61-97）》

浙江省标准《建筑基坑工程技术规程（DB33/T1008-2000）》

深圳市标准《深圳地区建筑深基坑支护技术规程（SJG05-96）》

广东省标准《建筑基坑支护工程技术规程（DBJ/T15-20-97）》

福建省标准《建筑地基基础技术规范（DBJ13-07-XXXX）》

国家标准

基坑安全监测指标

（1）煤气管道的沉降和水平位移：

累计不得超过l0mm，发展速率不得超过2mm/d；

（2）自来水管道沉降和水平位移：

累计不得超过20mm，发展速率不得超过3mm/d；

（3）基坑内降水或基坑开挖引起的基坑外水位下降：

累计不得超过2000mm，发展速率不得超过500mm/d；

（4）支护结构水平位移：

累计水平位移不得超过开挖深度的5‰，连续3日水平位移速率不得超过2mm/d；

（5）邻域内建筑物沉降：

累计沉降不得超过建筑物宽度的1‰，连续3日沉降速率不得超过1mm/d；

（6）邻域内地面（路面）沉降：

累计沉降不得超过开挖深度H的5‰，连续3日沉降速率不得超过2mm/d。

安全监测参数及技术

内力

1钢筋应力

2孔隙水压力

3锚索拉力

4土压力

（1）钢筋应力计

钢筋应力计埋设

钢筋应力监测实践

（2）孔隙水压力计

（3）锚杆应力计

（4）土压力盒

土压力盒的埋设

测斜仪

实测结果

地表水平位移

基坑边壁水平位移实测

分层沉降仪

分层沉降实测结果

道路断面沉降仪

5.安全监测新技术

（1）分布式光纤应变监测

（2）监测数据实时报送系统

旁批

《工程监测技术》课程教案

授课题目：

第二章变形监测

教学时数：

3

授课类型：

理论课□实践课

教学目的、要求：

了解变形与变形监测、掌握变形监测的分类与手段，理解变形监测的精度、频率和周期。

教学重点：

变形监测的分类与手段

教学方法和手段：

课堂讲授。

多媒体课件演示。

《工程监测技术》课程教案

教学内容与教学设计

变形与变形监测

变形是自然界的普遍现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。

变形观测与变形测量：

《建筑变形测量规范JGJ8-2007》条文说明对此的解释为：

¡°变形测量¡±一词，比¡°变形观测¡±一词更便于概括除获得变形信息的观测作业之外，变形分析、预报等数据处理内容。

即现代意义上的变形监测包括数据采集工作、数据计算工作和变形分析与预报工作。

变形监测的目的

预防事故和灾害就必须对变形进行监测，总结出变形发生的规律和原因，对于可控制的变形，力求控制变形发展的方向；对于不可控制的变形，则预测变形的大小，以采取措施减小可能发生的灾害造成的影响。

变形监测的意义

变形观测和变形分析具有实用上和科学上两方面的意义。

实用上，通过施工建设期间和运营管理期间的变形观测，可以获得变形体的空间状态和时间特性，并据此指导施工和运营，可及时发现问题并采取工程措施，以确保施工质量和运营安全。

科学上，通过对变形观测资料进行严密的数据处理，做出变形体变形的几何分析和物理解释，更好地理解变形机理，可验证有关的工程设计理论和变形体变形的模型假设，以改进现行的工程设计理论，建立、健全科学的变形预报理论和方法。

变形监测的发展

变形监测在我国的发展过程中，陈永奇教授、吴子安教授等人作出了重要的贡献。

陈永奇教授在80年代初他的博士论文中对变形监测做了系统性的论述，现在的变形监测体系都是以他的《变形观测数据处理》（1988年）为蓝本的。

吴子安教授1989出版了《工程建筑物变形观测数据处理》。

我国1993年版工程测量规范加入了变形测量一章内容，另外建设部1997年颁布1998年开始执行的《建筑变形测量规程JGJ/T8-97》。

变形监测的分类（点场状态）

变形体的变形状态和变形量，一般用变形体上离散的特征点的位移状态和位移量具体、细致的表示出来。

这些目标点的集合构成监测的¡°点场¡±，点场的变形状态可以分为¡°静态¡±、¡°运动态¡±和¡°动态¡±三种。

静态变形指的是变形体的变形无明显的趋势且变形很缓慢，变形量只是时间的函数。

运动态变形指的是目标点存在着明显的运动速度且有一定的加速度，只涉及运动状态，不涉及引起运动（变形）的作用力。

动态变形不仅要研究目标点的运动状态，而且要研究引起这种运动状态的作用力和作用机理。

变形监测的分类（研究范围）

第一种是研究地极移动、地球旋转速度的变化以及地壳板块运动的全球性变形，通过现代空间测量技术测定，从定期复测国家控制网的资料获得；

第二种是研究地壳板块范围内变形状态和板块交界处地壳相对运动的区域性变形，需要建立专门的监测网进行监测；

第三种是研究工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度和倾斜，滑坡体的滑动，以及采矿、采油和抽取地下水等人为因素造成的局部性变形。

一般工程上讨论的变形指的都是局部性变形。

变形监测的分类（测量手段）

变形监测按采用的手段相对于变形体的空间位置分为外部变形监测和内部变形监测。

外部变形监测主要是测量变形体在空间三维几何形态上的变化，普遍使用的是常规测量仪器和摄影测量设备，这种测量手段技术成熟，通用性好，精度高，能提供变形体整体的变形信息，但野外工作量大，不容易实现连续监测。

内部变形监测主要是采用各种专用仪器，对变形体结构内部的应变、应力、温度、渗压、土压力、孔隙压力以及伸缩缝开合等项目进行观测，这种测量手段容易实现连续、自动的监测，长距离遥控遥测，精度也高，但只能提供局部的变形信息。

变形监测的精度

1971年，国际测量工作者联合会（FIG）第十三届会议上，工程测量组提出：

¡°如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20；如果观测的目的是为了研究变形的过程，则其观测的中误差应比这个数值小得多¡±。

确定工程建筑物变形观测的必要精度，应以不掩盖变形并能有效地发现变形为原则。

变形监测的频率

变形观测的频率取决于变形体变形的大小、变形的速度和进行变形观测的目的。

一般而论，要求既能反映变化的过程，又不遗漏变化的时刻。

只有当求解的变形体的变形值大于或等于其中误差的若干倍时，变形观测才是有意义的，变形观测的成果才是可靠而且可信的。

变形监测的频率

设第i、j相邻两次观测所求算的观测点点位分别为xi和xj，并设其中误差为mx、变形值Δx的中误差为mΔx，则有

另设变形速率和变形观测的周期分别为V和T，则有

令变形值Δx与其中误差mΔx之比为K，则有Δx≥KmΔx，从而可以求得

其中，mx应取监测网中最弱点的点位中误差，K＝10，即变形值Δx与其中误差mΔx相差一个数量级；正常情况下，变形速率V可取平均变形值与间隔日之比，若变形值相差较大，则宜选用最大者。

变形监测的周期

1．对于单一层次布网，观测点与控制点应按变形观测周期进行观测，对于两个层次布网，观测点及联测的控制点应按变形观测周期进行观测，控制网部分可按复测周期进行观测。

2．变形观测周期应以能系统反映所测变形的变化过程且不遗漏其变化时刻为原则，根据单位时间内变形量的大小及外界因素影响确定。

当观测中发现变形异常时，应及时增加观测次数。

变形监测的周期

3．控制网复测周期应根据测量目的和点位的稳定情况确定，一般宜每半年复测一次，在建筑施工过程中应适当缩短观测时间间隔，点位稳定后可适当延长观测时间间隔，当复测成果或检测成果出现异常，或测区受到如地震、洪水、爆破等外界因素影响时，应及时进行复测。

4．变形测量的首次（即零周期）观测应适当增加观测量，以提高初始值的可靠性。

5．不同周期观测时，宜采用相同的观测网形和观测方法，并使用相同类型的测量仪器。

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。

变形监测的特点

1、多余观测

变形观测的精度要求甚高，可以采取下列措施提高变形观测的精度：

（1）进行变形监测网的网形优化设计，以提高变形监测网本身的整体精度水平和发现变形体变形的灵敏度。

（2）采用合理的观测方案，尽量选用高等级的仪器设备，增加必要的观测次数，以提高直接观测量的精度。

（3）在设计变形监测网网形和观测方案时，极大地增加直接观测量的个数，即增加变形监测网中多余观测的个数，以提高变形监测网的整体精度水平。

变形监测的特点

2、重复观测

对于勘测、施工定位控制网，按照设计要求，一次完整地实施观测方案和相应的数据处理，即可求得各未知点在给定参照系中的绝对位置。

而对于变形监测网，按照设计要求，一次完整地实施外业观测方案和相应的内业数据处理，只能求得该时刻变形体上各观测点的空间状态。

只有按照设计的观测周期定期进行测算并比较多期重复观测的结果，方能求得变形体的变形、变形的过程和时间特性。

变形监测的特点

3、设计及其实施过程的特殊性

（1）变形监测网允许有图形亏秩，即可以缺乏几何联系。

而定位控制网则绝对不允许存在图形亏秩，必须构成一定的几何图形。

（2）变形体的变形是由两期观测结果的差值计算的，故可以抵消两期观测结果中所包含的相同的系统误差。

因此，在实施变形观测的过程中，应尽量保持同一观测量在不同周期观测时具有最大的相关性。

相反，在定位控制网的观测过程中，应采取相应措施尽量使误差的影响随机化。

变形监测的特点

4、数据处理的严密性

（1）变形体的变形一般较小，有的甚至和测量误差具有相同的数量级。

所以，要从包含观测误差的变形观测结果中分离出变形信息，在内业计算分析中必须进行严密的数据处理，以免将测量误差误作变形信息，或者将局部变形误作整体现象。

（2）变形监测网的数据处理问题要比定位控制网的平差计算问题复杂得多，内容也要广泛得多。

预先未知的变形体变形模型要仔细地进行鉴别和检验；观测值中可能包含的粗差要进行定位并予以剔除；要分析发生变形的原因并建立变形与其成因之间的关系等。

变形监测的特点

（3）变形体的变形信息本身就可能包含着重要的、具有科学意义的发现。

因此，综合地、严密地处理和分析变形观测资料，不仅对验证和改进现行设计理论、对研究和设计新的变形监测系统会大有裨益，而且有助于建立统一的变形观测资料的分析方法。

变形监测的特点

5、多学科综合分析

变形观测工作者必须熟悉并了解所要研究的变形体，包括变形体的形状特征、结构类型、构造特点、所用材料、受力状况，以及所处的外部环境条件等，这就要求变形观测工作者应具备地质学、工程力学、岩土力学、材料科学和土木工程等方面的相关知识，以便制定合理的变形观测的精度指标和技术指标，合理而科学地处理变形观测资料和分析变形观测成果，特别是对变形体的变形做出科学合理的物理解释。

变形监测的一般过程

（1）变形监测网的优化设计与观测方案的实施，包括监测网质量标准的确定，监测网点的最佳布设以及观测方案的最佳选择与实施；

（2）观测数据处理，包括观测数据质量评定与平差、观测值之间相关性的估计以及粗差和系统误差检测与剔除；

（3）变形的几何分析，包括变形模型的初步鉴别、变形模型中未知参数的估计、变形模型的统计检验和最佳模型的选择以及变形量的有效估计；

（4）变形的物理解释与变形预报，包括探讨变形的成因，给出变形值与荷载（引起变形的有关因素）之间的函数关系，并作变形预报。

变形监测内容

变形体在平面位置、高程位置、垂直度、弯曲度等方面发生的变形，按照其变形性质归纳为以下内容：

1．位移：

变形体平面位置随时间发生的移动称为水平位移，简称位移。

2．沉降：

变形体在高程方向上的变形，本应称之为垂直位移，但由于历史的沿袭和特定情况下的需要，以及考虑与建筑学、岩石力学、土力学等相关学科之间融会贯通，常称之为沉降或沉陷。

变形监测内容

3．倾斜：

变形体在垂直度方面的变形。

倾斜一般是由于不同侧变形量的大小不一样造成的，如基础的不均匀沉降等。

当变形体发生倾斜时，顶点O′移至O″，偏距为e，则倾斜度i和倾斜角α存在下面关系式：

i=tanα=e/h

变形监测内容

4.挠度：

变形体不同位置偏离其理论位置的变形。

变形监测内容

5.裂缝：

变形体自身材料在拉、压应力的作用下产生的缝隙，是由于变形体各部分变形不均匀引起，对变形体的安全危害重大。

变形监测内容

6．日照变形：

变形体由于向阳面与背阳面温差引起的偏移量及其变化规律。

7．风振观测：

高层、超高层建筑或其他构筑物上部结构在风的作用下产生的位移或偏移。

8．动态变形：

变形体在可变荷载作用下的变形，起特点是具有一定的周期性。

变形监测内容

《建筑变形测量规范JGJ8-2007》将变形统一划分为沉降、位移和特殊三个大类：

沉降变形监测包括建筑场地沉降、基坑回弹、地基土分层沉降、建筑物沉降等；

位移类包括建筑物主体倾斜、建筑物水平位移、基坑壁侧向位移、挠度观测和场地滑坡等。

特殊变形监测：

日照变形、风振变形、裂缝观测及动态变形等。

变形监测点位构成

变形监测的点可分为控制点和观测点（变形点），控制点包括基准点、工作基点以及联系点、检核点、定向点等工作点。

其基本要求包括：

1．基准点应选设在变形影响范围以外便于长期保存的稳定位置，使用时，应作稳定性检查和检验，并以稳定或相对稳定的点作为测定变形的参考点；

2．工作基点应选设在靠近观测目标且便于联测观测点的稳定或相对稳定位置；

变形监测点位构成

3．当基准点与工作基点之间需要进行连接时应布设联系点，选设其点位时应顾及连接的图形，位置所在处应相对稳定；

4．对需要单独进行稳定性检查的工作基点或基准点应布设检核点，其点位应根据使用的检核方法成组地选设在稳定位置处；

5．对需要定向的工作基点或基准点应布设定向点，并应选择稳定且符合照准要求的点位作为定向点；

6．观测点应选设在变形体上能反映变形特征的位置，可从工作基点或相邻近的基准点和其他工作点对其进行观测。

变形测量的等级及其精度要求

旁批

《工程监测技术》课程教案

授课题目：

第三章变形监测技术及实施原则

教学时数：

3

授课类型：

理论课□实践课

教学目的、要求：

1静态变形监测的方法

2动态变形监测方法

3变形监测点方案的设计

4变形监测网设计

教学重点：

静态变形监测的方法、变形监测点方案的设计。

教学方法和手段：

课堂讲授。

多媒体课件演示。

《工程监测技术》课程教案

教学内容与教学设计

§1静态变形监测的方法

§2动态变形监测方法

§3变形监测点方案的设计

§4变形监测网设计

§1静态变形监测方法

—1.地面监测方法

—地面监测方法主要是指用常规测量仪器（经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪）测量角度、边长和高程的变化来测定变形量，它们是目前变形监测的主要手段。

常用前方交会、距离交会法监测变形体的二维（X、Y方向）水平位移；用视准线法、小角法、测距法观测变形体的的水平单向位移；用几何水准测量法、精密三角高程测量法观测变形体的垂直（Z方向）位移。

精密三角高程代替一等水准测量

—目前，在大坝等一些工程的水平和垂直位移监测中，都是采用二等甚至一等几何水准的方法获取点位高程。

这类安全监测网都需要周期性监测。

—由于受地形条件的影响和安全监测网本身的需要，一些网点埋设在较高的陡坡上，水准作业十分困难和危险，不仅花费的经费、时间较多，而且其观测条件也不满足一等水准测量的规范。

对于这种情况，采用精密三角高程来代替一等水准不仅是必要的，而且是完全可行的。

三角高程代替一等水准的条件

—最好采用高精度电子全站仪进行全自动观测，且应在大气比较稳定的条件下进行观测，阴天甚至夜间观测最好。

由于全自动观测的智能化程度高，所需的时间较短，观测的数据量更多，大气折光的影响更易于发现和剔除；要选择具有代表性的边，如跨河谷，这些边的大气垂直折光较大,其水准高差易于获得，可通过精密三角高程测量和已知水准高差计算k值及其变化，绘制k值曲线。

—据此对往返高差进行改正并取均值；在数据处理时,还需要采用一些已知其水准高程的点作为已知点进行约束，按三角高程网作严密平差。

常规地面监测方法具有以下优点

—1.能够提供变形体的变形状态，监控面积大，可以有效地确定变形范围和绝对位移量；

—2.观测量组成网的形式可以进行测量结果的处理和精度评定；

—3.灵活性大，能适用于不同结构形式的变形体、不同的外界条件和不同的精度要求。

—而缺点是外业工作量大，作业时间长，难于实现连续监测及测量过程的自动化。

测量机器人进行自动化变形监测

一般可采用两种方式

—

（1）.固定式全自动持续监测

—

（2）.移动式半自动变形监测

（1）.固定式全自动持续监测

—固定式全自动持续监测方式是基于一台测量机器人的有合作目标（照准棱镜）的变形监测系统，可实现全天候的无人值守监测，其实质为自动化坐标测量系统。

（2）.移动式半自动变形监测

—移动式半自动变形监测系统的作业与传统的观测方法一样，在各观测墩上安置仪器，输入测站点号，进行必要的测站设置，后视之后测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数，全自动地寻找目标。

测量机器人具有以下优点

1）同时全方位观测建筑物的三维位移，克服了以往平面位移监测和垂直位移监测分别进行的缺陷。

2）自动进行气象改正，克服气象代表性误差。

3）建立高