变形监测与数据处理综述

变形监测与数据处理2020/1/17变形监测2变形监测的实质测量工作的实质是点的测量2020/1/17变形监测3工程测量与变形监测的关系以点的稳定性区分：l如果认为点（物体）的位置是稳定不动的，这样测得点的空间位置以X、Y、Z三维坐标表示——这就是普通工程测量（测定、放样）；l如果点（物体）的位置是随时间不断移动的，这样测得点的空间位置以X、Y、Z、T表示——这就是变形监测。其显著特点就是需要重复观测。2020/1/17变形监测4世间万物皆变形。静止是相对的，运动是绝对的；不变是相对的，变化是绝对的。绝对的“运动”和“变化”必然会导致物体产生变形。所有的变形都须有“度”（限度）。只要变形的速度与程度不超过一定的“限度”，则这种变形是正常的、安全的，否则就是不正常的、危险的。观察确定物体变形的速度与程度是否“超限”的工作就是“变形监测”。2020/1/17变形监测5测量的基本工作高程测量距离测量角度测量点的位置其本质是通过测量点之间的距离实现定位的。2020/1/17变形监测6测量设备钢卷尺2020/1/17变形监测7收敛计2020/1/17变形监测8光电测距仪、全站仪2020/1/17变形监测9精密水准仪2020/1/17变形监测10精密水准仪2020/1/17变形监测112020/1/17变形监测12多点位移计2020/1/17变形监测13变形监测技术发展趋势l多种观测手段的融合（常规地面测量技术、传感器、数字近景摄影测量、测量机器人、GPS等）l实时、连续，高采样率，动态监测l高精度、高分辨率l自动化作业，向自动化、智能化、系统化方向发展l远程在线实时监控（网络监控）2020/1/17变形监测14随着经济的发展，安全与稳定成为全社会普遍关注的焦点问题，工程领域也不例外。对于土木工程而言，变形监测已成为继勘察、设计、施工、监理之后的又一个“产业”。第三方实时监测（是指除施工单位和监理单位的具有一定资质的第三方监测单位，对施工过程中全天候的监测）已逐步纳入各大型重点工程，成为其关键工序。2020/1/17变形监测151变形的定义l变形:在自重和各种外力的共同作用下，有形物体随着时间的推移而发生的形体或位置的改变称为变形。变形是自然界普遍存在的现象，各种荷载作用于变形体，使其形状、大小及位置在时间域或空间域发生变化均为变形。变形监测则是对设置在变形体上的观测点进行周期性的重复观测，求得观测点各周期相对于首期的点位或高程的变化量。2020/1/17变形监测16l变形的种类变形按其产生方向分：工程建筑物在平面位置、高程位置、垂直度和弯曲度方面发生的变形，分别称为工程建筑物的位移、沉降、倾斜和挠度;工程建筑物形体上产生的缝隙，称为裂缝。变形按其类型分：工程建筑物的变形亦可分为静态变形和动态变形。前者仅是时间的函数，其观测结果只表示某一期间内的变形值;后者是指在外力影响下并以外力为函数表示的动态系统对于时间的变化，其观测结果是工程建筑物在某个时刻的瞬时变形。2020/1/17变形监测17变形按其时间长短分为:1.长周期变形:由于建筑物自重引起的沉降和倾斜等。2.短周期变形:由于温度的变化(如日照)所引起的建筑物变形等。3.瞬时变形:由于风振动引起高大建筑物的变形等。“变形”是个总体概念，既包括地基沉降、回弹，也包括建筑物的裂缝、倾斜、位移及扭曲等。2020/1/17变形监测18l变形观（监）测定义1:测定工程建筑物变形的工作，称为变形观测。变形观测的目的在于既要获得变形体的空间状态和时间特性，又要分析发生变形的原因和机理。前者及相应的数据处理称为变形的几何分析;后者及相应的稳定性分析称为变形的物理解释。定义2:变形观测就是用测量的手段，观测建筑物沉降、水平位移和倾斜的变化量，并通过一定时间段的变化量，确定建筑物的变形趋势，以利采取相应措施。2020/1/17变形监测19l变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象很普遍，如地震、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。变形监测的目的就是监视变形体的安全，研究其变形过程，提供和积累可靠的资料。2020/1/17变形监测202变形监测的对象l广义而论，变形观测的研究对象既包括工程建筑物变形、板块运动、地壳变形、滑坡移动等自然现象，也包括人类活动(例如石油开采、矿山开挖、水库蓄水、地下水过量开采、地下核爆炸等)导致的地表运动。变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建(构)筑物的块体，它包括自然和人工的建(构)筑物。根据变形体的研究范围，可将变形监测的研究对象划分为三大类。2020/1/17变形监测21全球性变形研究:如监测全球板块运动、地极运动、地球自转速率变化、地潮等。区域性变形研究:如监测地壳形变、城市地面沉降等。工程和局部变形研究:如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采所引起的地表移动和下沉等。2020/1/17变形监测22l在工程测量中，接触最多、最具有代表性的变形体有：桥梁、隧道、地铁、路基、边坡、高层(耸)建筑物、大坝、防护堤、矿区等。它们产生变形的原因一般有以下几点:(1)自然条件及变化，包括建筑物地基的工程地质、水文地质、土壤的物理性质、大气温度变化影响。(2)与建筑物本身相联系的原因，即建筑物本身的荷重、建筑物结构型式及动荷载(如风力、震动)等。(3)勘测、设计、施工及运营管理工作做得不合理所造成的建筑结构变形，设计和施工中的缺陷和瑕疵，运营中的超载，使用中的保养、维护等。变形是一种综合反映，是外在的表现。2020/1/17变形监测23主要内容包括沉降监测、位移监测、倾斜监测、裂缝监测和挠度监测等。变形监测的内容应根据变形体的性质与地基情况来确定，要求有明确的针对性，既要有重点，又要全面考虑。具体实施内容则由建筑物性质与要求、周围条件及仪器等方面决定。教材中从三个大的工程方向进行了举例说明：3变形监测的内容2020/1/17变形监测24l(一)工业与民用建筑工业与民用建筑主要包括基础的沉降与建筑物本身的变形观测。基础的沉降均匀沉降、不均匀沉降本身的变形观测观测水平位移、倾斜、裂缝、动态变形。2020/1/17变形监测25l(二)水工建筑物外部变形观测（外观）观测水平位移、垂直位移、倾斜、裂缝主要为几何量的观测。内部变形观测（内观）土坝的分层沉降、水压力、渗透。混凝土重力坝的应力、温度、徐变。主要为物理量的观测。2020/1/17变形监测26l(三)地面沉降地下水开采地下采矿地壳活动（地震）为了对汶川地震引起的地形变化作出科学合理的分析评价，国家测绘局、中国地震局于2008年5月下旬至7月中旬，共同组织实施了汶川地震地形变化监测与分析工作，震中区域监测点的水平位移238厘米、沉降70厘米、隆起30厘米；龙门山断裂带西侧块体向东偏南运动，位移达20至70厘米；青藏高原珠峰地区的监测点水平和垂直方向位移量均为2至3厘米……。2020/1/17变形监测27山体滑坡2020/1/17变形监测28山西襄汾尾矿坝溃坝2020/1/17变形监测29上海地铁4号线引起地面沉降2020/1/17变形监测30铁路路基下沉2020/1/17变形监测31上海莲花河畔景苑小区整栋楼体倒塌2020/1/17变形监测32变形监测理论与方法包括四个方面的内容:变形方案的制订变形信息的获取变形信息的分析与解释变形预报。2020/1/17变形监测33由于变形监测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机科学等诸多学科的知识，因此它是一项跨学科的技术，需要测量工作者与其他学科专家的合作研究。20世纪80年代以来，变形观测这一边缘学科获得了引人瞩目的发展。测量工作者对变形观测进行的理论和实践研究、取得的诸多成果及其在社会生活中所发挥的重要作用，已得到科学技术界和整个社会的承认。2020/1/17变形监测34工程建筑物的变形观测能否达到预定的目的，受诸多因素的共同影响。其中，最基本的几个因素是：观测方案的设计基准点和观测点的布设观测的精度观测的频率每次观测进行的时间观测所处的环境条件等4变形监测的精度2020/1/17变形监测35变形观测的精度，取决于该项具体工程建筑物预计允许变形值的大小、变形的速率和进行变形观测的目的。应该指出，对于如何依据允许变形值来确定变形观测精度这个基本问题，国内外尚存在各种不同的看法。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1/10一1/20;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。”2020/1/17变形监测36也有的学者认为精度越高越好，应尽可能提高观测的精度，以确保观测成果的可靠性。严格而论，上述结论只是一些概括性的原则和意见。实际作业中，不同类型的工程建筑物，变形观测的精度要求差别很大;同类工程建筑物，由于其结构形式和所处环境不同，变形观测的精度要求也有差异;即就是同一工程建筑物，不同部位变形观测的精度要求也不尽相同。因此，有关变形观测的精度问题，应进一步深人研究。2020/1/17变形监测37在工业与民用建筑物的变形监测实践中，由于其主要监测内容是基础沉降和建筑物本身的倾斜，其监测精度应根据建筑物的允许沉降值、允许倾斜度、允许相对弯矩等来决定，同时也应考虑其沉降速度。建筑物的允许变形值大多是由设计单位提供的，一般可直接套用。有关建筑物允许变形值的规定列入下表中：2020/1/17变形监测382020/1/17变形监测39一般而论，从实用的目的出发，典型的精度是±1mm或相对精度为10-6。而为了科学研究的目的或者变形体为特种工业设备(例如高能加速器、大型天线、导弹发射架、水库高坝、超高电视发射塔等)则要求达到±0.1mm或相对精度为10-7，甚至更高。总之，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。盲目地追求高精度和不负责任的粗制滥造，都是不可取的。2020/1/17变形监测40对变形监测网的每期观测，只能解算变形体的空间状态;比较多期重复观测结果，方能求得变形体的变形及其时间特性。变形观测的周期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。5变形监测的周期频率2020/1/17变形监测41沉降监测周期应能反映出建筑物的沉降变形规律。如;在砂类土层上的建筑物，沉降在施工期间已大部分完成，根据这种情况，沉降监测周期应是变化的：在施工过程中，频率应大些，一般有：3d,7d,半月三种周期。到峻工投产后，频率可小一些，一般有一个月、两个月、半年与一年等不同的周期、在施工期间也可以按荷载增加的过程进行安排监测，即从监测点埋设稳定后进行第一次监测.当荷载增加到25%时监测一次，以后每增加15%监测一次。建筑物使用阶段的观测次数，应视地基土类型和沉降速度大小而定。除有特殊要求者外，一般情况下，可在第一年监测4次，第二年2次，第三年后每年1次、直至稳定为止。观测期限一般不少于如下规定:砂土地基2年，膨胀土地基3年，粘土地基5年，软士地基10年。2020/1/17变形监测42图1-1不同类土层的沉降过程曲线图2020/1/17变形监测43除上述系统观测之外，在特殊情况出现前后(如基础附近地面荷载突然增减、基础四周大量积水、长时间连续降雨、地震、强烈碰撞或当建筑物突然发生大量沉降、不均匀沉降或严重裂缝时），应进行逐日或几天一次的连续应急观测，亦称为临时观测。沉降是否进人稳定阶段，应由沉降量与时间关系曲线判定。对重点观测和科研观测工程，若最后三个周期观测中每周期沉降量不大2倍测量中误差可认为已进入稳定阶段。一般观测工程若沉降速度小于0.01一0.044mm/d，可认为已进人稳定阶段。2020