变形监测及其应用

变形监测及其应用

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工程建筑物及与工程有关的变形的监测、分析及预报是工程测量学的重要研究内容。工程变形监测的内容主要包括对各工程变形体进行的水平位移，垂直位移的监测。根据变

形观测数据绘制变形过程曲线是一种最简单而有效的数据处理方法，数据处理还可以采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模方法进行处理。变形的物理解释在于确定变形与引起变形的原因之间的关系，通常采用统计分析法和确定函数法。对变形体进行偏移、倾斜、绕度、弯曲、扭转、裂缝等的测量，主要是指对所描述的变形体自身形变和位移的几何测量的监测。采用工程变形的几何分在对精密水准测量的基础上，阐述了该项技术在变形监测中应用前景和地位。

关键字：变形监测 数据处理 数据分析 精密测量

1、引言

由于科学的发展，随着工程建筑物的规模越来越大，建筑物的结构和内部设施也愈来愈复杂。为了保证大型精密设备的安全和正常运行，对测量的速度要求愈来愈快。对于如何高效快速安全进行工程建设，变形监测这一技术开始登上了工程建设的舞台。精密水准测量则是变形监测中重要的一部分，在变形监测的应用有着广阔的市场应用前景。

在精密水准测量技术的不断发展和完善为变形监测的应用和研究提供了有效的工具和手段。通过工程变形的几何分析和变形的物理解释,为工程建设提供了工科学更严谨的监测资料。科学，准确，及时的分析和预报工程及工程建构筑物的变形状况，对工程项目的施工和运营管理有着重要意义。

2、变形监测的目的和意义

工程变形监测的首要目的是要掌握工程变形体的实际性状，为判断其是否安全提供必要的信息。

变形监测工作的意义主要表现在两个方面：首先是掌握水利工程建筑物的稳定性，为安全运行诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施；其次是科学上的意义，包括根本的理解变形的机理，提高工程设计的理论，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。

3、变形监测点的布设原则

工作基点（以下简称基点）是沉降观测的基准点，应根据工程的沉降施测方案和布网原则的要求建立，而沉降施测方案应根据工程的布局特点、现场的环境条件制订。基点可利用已有的、稳定性好的埋石点和墙脚水准点，也可以在该区域内基础稳定、修建时间长的建筑物上设置墙脚水准点。

沉降观测依据以下原则布设：（1）参照设计图纸；（2）建筑物的四角极大转角处；（3）高低层建筑物、纵横墙的交接处两侧；（4）建筑物沉降缝两侧、基础埋深相差悬殊处。根据以上原则并结合本工程的特点，共在恒达嘉园上布置14个沉降观测点，具体点位详见沉降观测点平面布置图。

4、监测内容和原则

4.1 监测内容

4.1.1 建筑物地基和基础变形观测 内容主要有：

基坑回弹测量 在基坑开挖前、中、后期，测出事先埋设在基底面上的观测点，由于基坑开挖引起的高程变化。开挖前和开挖后两次的高程差为基坑的总回弹量。

地基分层沉降测量 测出埋设在不同土层上的观测点因荷载增加而引起的高程变化，以求得各土层的沉降量和受压层的最大深度。

建筑物的沉降测量 测出建筑物或基础上的观测点，因时间推移或因地基发生变化所引起的高程差异，比较不同周期的观测值即得沉降量。

4.1.2 建筑物上部变形观测 内容主要有：

倾斜观测 测定建筑物顶部由于地基有差异沉降或受外力作用而产生的垂直偏差。通常在顶部和墙基设置观测点，定期观测其相对位移值，也可直接观测顶部中心点相对于底部中心点的位移值，然后推算建筑物的倾斜度。

位移观测 测定建筑物因受侧向荷载的影响而产生的水平位移量，观测点的建立视工程情况和位移的方向而定。

裂缝观测 测出建筑物因基础有局部不均匀沉降而使墙体出现的裂缝。一般在裂缝两侧设置观测标志，定期观测其位置变化，以取得裂缝的大小和走向等资料。

挠度观测 测定建筑物受力后产生的挠曲程度。一般测定设置在建筑物垂直面内不同高度观测点相对于底点的水平位移值。

摆动和转动观测 测定高层建筑物和高耸构筑物在风振、地震、日照等外力作用下的摆动量和扭曲程度。

4.2 监测原则

4.2.1 仪器设备、人员素质的要求

根据沉降观测精度要求高的特点，为能精确地反映出建构筑物在不断加荷作下的沉降情况，一般规定测量的误差应小于变形值的1／10—— 1／20，为此要求沉降观测应使用精密水准仪(S1或S05级)，水准尺也应使用受环境及温差变化影肉小的高精度铟 合金水准尺。在不具备铟合金水准尺的情况下，使用一般塔尺尽量使用第一段标尺。

人员素质的要求，必须接受专业学习及技能培训，熟练掌握仪器的操作规程，熟悉测量理论能针对不同工程特点、具体情况采用不同的观测方法及观测程序，对实施过程中出现的问题能够会分析原因并正确的运用误差理论进行平差计算，做到按时、快速、精确地完成每次观测任务。

4.2.2 观测时间的要求

建构筑物的沉降观测对时间有严格的限制条件，特别是首次观测必须按时进行，否则沉降观测得不到原始数据，而是整个观测得不到完整的观测意义。其他各阶段的复测，根据工程进展情况必须定时进行，不得漏测或补测。只有这样，才能得到准确的沉降情况或规律。相邻的两次时间间隔称为一个观测周期，一般高层建筑物的沉降观测按一定的时间段为一观测周期(如：次/30天)或按建筑物的加荷情况每升高一层(或数层)为一观测周期，无论采取何种方式都必须按施测方案中规定的观测周期准时进行。

4.2.3 观测点的要求

为了能够反映出建构筑物的准确沉降情况，沉降观测点要埋设在最能反映沉降特征且便于观测的位置。一般要求建筑物上设置的沉降观测点纵横向要对称，且相邻点之间间距

以15——30米为宜，均匀地分布在建筑物的周围。通常情况下，建筑物设计图纸上有专门的沉降观测点布置图。

4.2.4沉降观测的自始至终要遵循“五定”原则

所谓“五定”，即通常所说的沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点，点位要稳定；所用仪器、设备要稳定；观测人员要稳定；观测时的环境条件基本一致；观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上措施在客观上尽量减少观测误差的不定性，使所测的结果具有统一的趋向性，保证各次复测结果与首次观测的结果可比性更一致，使所观测的沉降量更真实。

4.2.5 施测要求

仪器、设备的操作方法与观测程序要熟悉、正确。在首次观测前要对所用仪器的各项指标进行检测校正，必须经计量单位予以鉴定。连续使用3——6个月重新对所用仪器、设备进行检校。

4.2.6 沉降观测精度的要求

根据建筑物的特性和建设、设计单位的要求选择沉降观测精度的等级。在没有特别要求的情况下，左一般性的高层建构筑物施工过程中，采用二等水准测量的观测方法就能满足沉降观测的要求。各项观测指标要求如下：

第一，往返较差、附和或环线闭合差：△h＝∑a-∑b≤1.0，n表示测站数；

第二，前后视距≤30m；

第三，前后视距差≤1.0m；

第四，前后视距累积差≤3.0m；

第五，沉降观测点相对于后视点的高差容差：≤1.0mm

4.3监测频率的确定

4.2.1建筑物施工阶段的观测：

在建筑物一层浇注完后，埋设好沉降观测标，并进行初次观测。之后每上一层荷载观测一次直至主体封顶，填充墙完成后观测一次，楼层按16层计，共17次。

4.2.2建筑物使用阶段的观测：

建筑物竣工后半年每隔2～3个月观测一次，以后每隔4～6个月观测一次，直至建筑物沉降稳定，预计共观测3次。

当建筑物出现下沉、上浮，不均匀沉降比较严重，或裂缝发展迅速，应每日或数日连续观测。

4.2.3建筑物沉降稳定标准

地基变形沉降的稳定标准应由沉降量～时间关系曲线判定。《建筑变形测量规程》（JGJ/T8-97）中指出，一般工程若沉降速率小于0.01～0.04mm/d，可认为建筑物已经进入稳定阶段，具体取值宜根据各地区地基土的压缩性确定。本工程取值为0.04mm/d。

5、监测结果的分析方法

5.1 监测资料和报告

5.1.1 观测结果应于当日整理完毕，并及时将成果报交给甲方、监理和施工单位，若发现观测结果出现异常时，及时通知甲方、监理和施工单位。如出现建筑物差异沉降超过1/1000L（L为相邻两沉降点之间距），必须立即报警：

5.1.2 观测工作结束后，应提交下列成果：（1）建筑物竣工后一周内向业主提交竣工沉降监测报告，内容包括：沉降观测成果表；沉降观测点位分布图及各周期沉降展开图；v-t-s（沉降速率、时间、沉降量）曲线图；沉降观测分析报告。（2）沉降观测工作全部结束后一周内向业主提交恒达嘉园沉降监测报告，内容包括：沉降观测成果表；沉降观测点位分布图及各周期沉降展开图；v-t-s（沉降速率、时间、沉降量）曲线图；沉降观测分析报告。

5.2 变形观测数据处理

5.2.1变形观测数据处理的几种典型方法

根据变形观测数据绘制变形过程曲线是一种最简单而有效的数据处理方法，由过程曲线可作趋势分析。如果将变形观测数据与影响因子进行多元回归分析和逐步回归计算，可得到变形与显著性因子间的函数关系，除作物理解释外，也可用于变形预报。多元回归分析需要较长的一致性好的多组时间序列数据。

若仅对变形观测数据，可采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模，前者可针对小

数据量的时间序列，对原始数列采用累加生成法变为生成数列，因此有减弱随机性、增加规律性的作用。如果对一个变形观测量(如位移)的时间序列，通过建立一阶或二阶灰微分方程提取变形的趋势项，然后再采用时序分析中的自回归滑动平均模型ARMA，这种组合建模的方法，可分性好且具有以下显著优点：将非平稳相关时序转化为独立的平衡时序；具有同时进行平滑、滤波和推估的作用；模型参数聚集了系统输出的特征和状态；这种组合模型是基于输出的等价系统的理想动态模型。

对于具有周期性变化的变形观测时间序列，通过Fourier变换，可将时域内的信息转变到频域内分析，例如大坝的水平位移、桥梁的垂直位移都具有明显的周期性。在某一观测时刻的观测值数字信号可表示为许多个不同频率的谐波分量之和，通过计算各谐波频率的振幅，最大振幅以及所对应的主频率等，可揭示变形的周期变化规律。若将变形体视为动态系统，变形视为输出，各种影响因子视为输入，并假设系统是线性的，输入输出信号是平稳的，则通过频谱分析中的相干函数、频响函数和响应谱函数估计，可以分析输入输出信号之间的相干性，输入对系统的贡献(即影响变形的主要因素及其频谱特性)。

5.2.2变形的几何分析与物理解释

传统的方法将变形观测数据处理分为变形的几何分析和物理解释。几何分析在于描述变形的空间及时间特性，主要包括模型初步鉴别、模型参数估计和模拟统计检验及最佳模型选取3个步骤。变形监测网的参考网、相对网在周期观测下，参考点的稳定性检验和目标点和位移值计算是建立变形模型的基础。变形模型既可根据变形体的物理力学性质和地质信息选取，也可根据点场的位移矢量和变形过程曲线选取。此外，前述的时间序列分析，灰色理论建模、卡尔曼滤波以及时间序列频域法分析中的主频率和振幅计算等也可看作变形的几何分析。

变形的物理解释在于确定变形与引起变形的原因之间的关系，通常采用统计分析法和确定函数法。统计分析法以实测资料为基础，观测资料愈丰富、质量愈高，其结果愈可靠，且具有“后验”性质，它与变形的几何分析具有密切的关系，是测量工作者最熟悉和乐于采用的方法。确定函数法是根据变形体的物理力学参数，建立力(荷载)和变形之间的函数关系如位移场的微分方程，在边界条件已知时，采用有限元法解微分方程，可得到变形体有限元结点上的变形。

5.2.3变形分析与预报的系统论方法

用现代系统论为指导进行变形分析与预报是目前研究的一个方向。变形体是一个复杂的系统，它具有多层次高维的灰箱或黑箱式 结构 ，是非线性的，开放性(耗散)的，它还具有随机性，这种随机性除包括外界干扰的不确定性外，还表现在对初始状态的敏感性和系统长期行为的混沌性。此外，还具有自相似性、突变性、自组织性和动态性等特征。按系统论方法，对变形体系统一般采用输入—输出模型和动力学方程两种建模方法进行研究，前者系针对黑箱或灰箱系统建模，前述的时序分析、卡尔曼滤波、灰色系统建模、神经网络模型乃至多元回归分析法都可以视为输入—输出建模法。采用动力学方程建模与变形物理解释中的确定函数法相似，系根据系统运动的物理规律建立确定的微分方程来描述系统的运动演化。

6、变形监测实例举例

6.1 大型特种精密工程测量

大型特种精密工程建设和对测绘的要求是工程测量学发展的动力。这里仅简单介绍国内有关情况。

三峡水利枢纽工程变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测，其规模之大，监测项目之多，都堪称世界之最。不仅采用目前国内外最成熟最先进的仪器、技术，在实践中也在不断发展新的技术和方法，如对滑坡体变形与失稳研究的计算机智能仿真系统；拟进行研究的三峡库区滑坡泥石流预报的3S工程等，都涉及到精密工程测量。隔河岩大坝外部变形观测的GPS实时持续自动监测系统，监测点的位置精度达到了亚毫米。该工程用地面方法建立的变形监测网，其最弱点精度优于±1.5 mm。

上海杨浦大桥控制网的最弱点精度达±0.2 mm，桥墩点位标定精度达±0.1 mm；武汉长江二桥全桥的贯通精度(跨距和墩中心偏差)达毫米级。高454 m的东方明珠电视塔对于长114 m、重300 t的钢桅杆天线，安装的垂准误差仅±9 mm。

长18.4 km的秦岭隧道，洞外GPS网的平均点位精度优于±3 mm，一等精密水准线路长120多公里。目前辅助隧道已贯通，仅一个贯通面的情况下，横向贯通误差为12 mm，高程方向的贯通误差只有3 mm。

6.2 科技研究开发实践

将科研成果转化为生产力是科研的最终目的，作为一门应用性学科，这种转化尤为重要。它主要表现在软硬件的开发研制上。

基于掌上电脑的地面控制与 施工 测量工程内外业数据处理一体化自动化系统(简称科傻系统)是我们近年来所作的一项科技研究开发实践。科傻系统是对电子全站仪实现在线控制数据采集。掌上电脑上可固化两个 软件 包，一个用于地面控制测量数据采集、检查、预处理、概算以及网平差等(称科傻一)；一个用于工程放样、道路测量以及碎部点数据采集(称科傻三)。另外，在微机上研制了一个“现代测量控制网数据处理通用 软件 包”(称

科傻二)。上述3个软件包既可独立使用，又有密切的联系(特别是科傻一与科傻二之间)。科傻一可用于任意2、3维工程控制网，国家及城市等级网，一、二、三级导线网以及图根加密网的在线或离线数据采集到网平差，实现了内外业数据处理的一体化。同时也可作一、二、三、四等和等外水准测量从数据采集到网平差的数据处理。科傻二除具有任意网形、任意规模的地面平面、高程控制网的平差功能外，还包含近似坐标计算，稀疏矩阵压缩存贮，网点优化排序，闭合差自动计算，概算，粗差定值计算和改正，方差分量估计，贯通误差影响值估算，工程控制网模拟法优化设计，控制网数据管理，网图显绘，成果报表输出，以及与掌上电脑、全站仪的数据通讯等功能。

7、小结

变形观测就是利用仪器及专用特制设备采用一定的监测方法对变形现象进行监视观测的一种工作，它的任务是确定在各种荷载和外力作用下，各工程变形体的形状、大小及其位置变化的空间状态和时间特性。在精密工程测量中，最具代表性的变形体有大坝、桥梁、高层建筑物、边坡、隧道和地铁等。变形监测工作的意义主要表现在两个方面：首先是掌握水利工程建筑物的稳定性，为安全运行诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施；其次是科学上的意义，包括根本的理解变形的机理，提高工程设计的理论，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。

通过对精密水准测量在变形监测中的应用研究这一课题研究，使我更加深入的了解了精密水准测量的一系列原理及操作流程，同时认识到变形监测的重要性，从中也学习到一些分析处理数据地方法，也基本上达到了本次研究课题的目的。由于我才疏学浅，文中难免有不周全之处，恳请各位老师批评与建议。

参考文献

[1] 孔祥元 ，郭际明.控制测量学[M]，武汉大学出版社，2006年10月版；

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[3] 李朝奎，李爱国.工程测量学[M]，中南大学出版社，2009年11 月版；

[4] 牛志宏.测量平差[M]，中国电力出版社，2007年8月版；