13 建筑物的变形观测

建筑物的变形观测•概述•变形观测的精度和频率•基准点与变形点的构造与布设•垂直位移观测•水平位移观测•倾斜观测•挠度观测•变形观测的成果处理概述•建筑物的变形观测，目前在我国已受到高度重视。随着社会主义建设的蓬勃发展，各种大型建筑物，如水坝、高层建筑、大型桥梁、隧道及各种大型设备的出现，因变形而造成损失的也越来越多。这种变形总是由量变到质变而造成事故的。固而及时地对建筑物进行变形观测，随时监视变形的发展变化，在未造成损失以前，及时采取补救措施，这就是变形观测的主要目的。它的另一个目的是检验设计的合理性，为提高设计质量提供科学的依据。•建筑物产生变形的原因很多，如地质条件、地震、荷载及外力作用的变化等是其主要原因。在建筑物的设计及施工中，都应全面地考虑这些因素。如果设计不合理，材料选择不当，施工方法不当或施工质量低劣，就会使变形超出允许值而造成损失。•建筑物产生变形时，必然会引起内部应力的变化，当应力变化到极限值时，建筑物即遭到破坏。所以对有些建筑物，在测定形变的同时，应辅以应力测定。本章只涉及形变观测。•根据变形的性质，可分为静态变形和动态变形两类。静态变形是时间的函数，观测结果只表示在某一期间内的变形；动态变形是指在外力作用下产生的变形，它是以外力为函数表示的，对于时间的变化，其观测结果表示在某一时刻的瞬时变形。概述•由于变形是随时间发展变化的，所以·对静态变形要周期性地进行重复观测，以求取两相邻周期间的变化量；而对动态观测，则需用自动记录仪器记录其瞬时位置。本章主要说明静态变形的观测方法。•建筑物变形的表现形式，主要为水平位移、垂直位移和倾斜，有的建筑物也可能产生挠曲及扭转。当建筑物的整体性受到破坏时，则可产生裂缝。•所谓变形，是指相对于稳定点的空间位置的变化，所以在进行变形观测时，必须以稳定点为依据。这些稳定点称为基准点或控制点。因而变形观测也要遵循从控制到碎部的原则。•根据观测结果，应对变形进行分析，得出变形的规律及大小，以判定建筑物是逐步趋于稳定，还是变形继续扩大。如果变形继续扩大，且变形速率加快，则说明它有破坏的危险，应及时发出警报，以便采取措施。即使没有破坏，但变形超出允许值时，则会妨碍建筑物的正常使用。如果变形逐渐缩小，说明建筑物趋于稳定，到达一定程度，即可终止观测。变形观测的精度和频率•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孪形的规律，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。•观测频率的确定，随载荷的变化及变形速率而异。例如，高层建筑在施工过程中的变形观测，通常楼层加高1广2层即应观测一次；大坝的变形观测，则随着水位的高低，而确定观测周期。对于已经建成的建筑物，在建成初期，因为变形值大，观测的频率宜高。如果变形逐步趋于稳定，则周期逐渐加长，直至完全稳定后，即可停止观测。对于频临破坏的建筑物，或者是即将产生滑坡、崩塌的地面，其变形速率会逐渐加快，观测周期也要相应的逐渐缩短。观测的精度和频率两者是相关的，只有在一个周期内的变形值远大于观测误差，其所得结果才是可靠的。基准点与变形点的构造与布设•无论是水平位移的观测还是垂直位移的观测，都要以稳固的点作为基准点，以求得变形点相对于基准点的位置变化。对于用作水平位移观测的基准点，要构成三角网、导线网或方向线等平面控制网，对于用作垂直位移观测的基准点，则需构成水准网。由于对基准点的要求主要是稳固，所以都要选在变形区域以外，且地质条件稳定，附近没有震动源的地方。对于一些特大工程，如大型水坝等，基准点距变形点较远，无法根据这些点直接对变形点进行观测，所以还要在变形点附近相对稳定的地方，设立一些可以利用来直接对变形点进行观测的点作为过渡点，这些点称为工作基点。工作基点由于离变形体较近，可能也有变形，因而也要周期性地进行观测。基准点与变形点的构造与布设•作为变形观测用的平面控制网，与地形测量或施工测量的控制网相比较，精度要求高，一般边长也较短。为了减少仪器对中误差对观测结果的影响，通常都埋设高1.3m左右的观测墩，在墩顶安设强制对中器，以保证每次对中于同一位置上。强制对中器的构造如图15—1所示，中间有一螺孔，可用连接螺栓来固定仪器，也可将仪器的三个脚螺栓放置在互成120°的槽内，以使仪器中心与三条槽的交会点对准。观测墩的基础，宜建在基岩或其他稳固的地层上。基准点与变形点的构造与布设•在变形观测时，不可能对建筑物的每一点都进行观测，而是只观测一些有代表性的点，这些点称为变形点或观测点。变形点要与建筑物固连在一起，以保证它与建筑物一起变化。为使点位明显、肯定，以保证每次所观测的点位相同，也要设置观测标志。变形点的数量和位置，要能够全面反映建筑物变形的情况，并要顾及到观测的方便。例如对工业与民用建筑进行垂直位移观测时，其位置宜布设在建筑物的四角及荷载变化、楼层数变化以及地质条件变化处。对于大的建筑物，要求沿周边每隔10～20m处布设一点，如图15—2所示。如果垂直位移是用水准测量的方法观测，在施工时，就在墙体底部离地面0.8m左右处，按上述要求埋设凸出墙面的金属观测标志，以便于观测，如图15—3所示。这些标志要与墙体内的钢筋焊在一起，以保证它们的整体性。对于桥墩的垂直位移观测，则变形点宜布设在墩顶的四角，或垂直平分线的两端，以便于根据不均匀的垂直位移，推求桥墩的倾斜程度。基准点与变形点的构造与布设基准点与变形点的构造与布设•水平位移变形点的布设，则视建筑物的结构、观测方法及变形方向而异。产生水平位移的原因很多，主要有地震；岩体滑动、侧向的土压力和水压力、水流的冲击等。其中有些对位移方向的影响是已知的，例如，水坝受侧向水压而产生的位移，桥墩受水流冲击而产生的位移等，即属这种情况。但有些对方向的影响是不知道的，如受地震影响而使建筑物产生的位移即是。对于不同的情况，宜采用不同的观测方法，相应的对变形点的布设要求也不一样。但不管以什么方式布设，变形点的位置必须具有变形的代表性，必须与建筑物固连，而且要与基准点或工作基点通视。在变形点上，如果可以安置觇标或仪器，则应设置强制对中器、以强制对中，减小对中误差，如果不能安置觇标，则应设置清晰而易于照准的目标，其颜色和图案的选择，应有利于提高照准的精度。垂直位移观测•建筑物受地下水位升降、荷载的作用及地震等的影响，会使其产生位移。一般说来，在没有其它外力作用时，多数呈下沉现象，对它的观测称沉降观测。在建筑物施工开挖基槽以后，深部地层由于荷载减轻而升高，这种现象称为回弹，对它的观测称为回弹观测。•垂直位移观测的高程依据是水准基点，即在水准基点高程不变的前提下，定期地测出变形点相对于水准基点的高差，并求出其高程，将不同周期的高程加以比较，即可得出变形点高程变化的大小及规律。垂直位移观测•由水准基点组成的水准网称为垂直位移监测网，它可布设成闭合环、结点或附合水准路线等形式。其精度等级及主要技术要求见表15－1。等级相邻基准点高差中误差(mm)每站高差中误差(mm)往返较差、附合或环线闭合差(mm)检测已测高差较差(mm)使用仪器、观测方法及要求一等±0.3±0.070.150.2DS0.5型仪器，视线长度≤15m，前后视距差≤0.3m，视距累计差≤1.5m，宜按国家一等水准测量的技术要求施测二等±0.5±0.130.300.5DS0.5型仪器，宜按国家一等水准测量的技术要求施测三等±1.0±0.300.600.8DS0.5或DS1型仪器，宜按国家二等水准测量的技术要求施测四等±2.0±0.701.402.0DS0.5或DS1型仪器，宜按国家三等水准测量的技术要求施测nnnnnnnn注：n为测段的测站数垂直位移观测•如果设置有工作基点，则每年应进行一至两次与水准基点的联测，以检查工作基点是否发生变动。联测工作应尽可能选择固定的月份，即保证外界条件基本相同，以减少外界条件变化对成果的影响。•变形点垂直位移观测的方法有多种，但暴常用的是水准测量。观测的精度等级和主要技术要求见表15—2。垂直位移观测nnnn≤0.15≤0.30≤0.60≤1.40等级高程中误差(mm)相邻点高差中误差(mm)观测方法往返较差、附合或环线闭合差(mm)一等±0.3±0.15除按国家一等水准测量的技术要求施测外，尚需设双转点，视线≤15m，前后视距差≤0.3m，视距累计差≤1.5m二等±0.5±030按国家一等水准测量的技术要求施测三等±1.0±0.50按国家二等水准测量的技术要求施测四等±2.0±1.00按国家三等水准测量的技术要求施测注：n为测段的测站数垂直位移观测•由于变形观测是多周期的重复观测，且精度要求较高，为了避免误差的影响，尚需注意以下各点：•1．设置固定的测站与转点，使每次观测在固定的位置上进行。•2．人员固定，以减少人差的影响。•3．使用固定的仪器和水准尺，以减少仪器误差的影响。水平位移观测•水平位移观测的平面位置是依据水平位移监测网，或称平面控制网。根据建筑物的结构形式、已有设备和具体条件，可采用三角网、导线网、边角网、三边网和视准线等形式。在采用视准线时，为能发现端点是否产生位移，还应在两端分别建立检核点。•为了方便，水平位移监测网通常都采用独立坐标系统。例如大坝、桥梁等往往以它的轴线方向作为x轴，而y坐标的变化，即是它的侧向位移。为使各控制点的精度一致，都采用一次布网。•监测网的精度，应能满足变形点观测精度的要求。在设计监测网时，要根据变形点的观测精度，预估对监测网的精度要求，并选择适宜的观测等级和方法。水平位移监测网的等级和主要技术要求见表15—3。水平位移观测表15—3水平位移监测网的主要技术要求等级相邻基准点的点位中误差(mm)平均边长(m)测角中误差(″)最弱边相对中误差作业要求一等1.5＜3000.7≤1/250000按国家一等三角要求施测＜1501.0≤1/120000按国家二等三角要求施测二等3.0＜3001.0≤1/120000按国家二等三角要求施测＜1501.8≤1/70000按国家三等三角要求施测三等6.0＜3501.8≤1/70000按国家三等三角要求施测＜2002.5≤1/40000按国家四等三角要求施测四等12.0＜4002.5≤1/40000按国家四等三角要求施测水平位移观测•测角前方交会•后方交会•极坐标法•导线法•视准线法•引张线法测角前方交会•在变形点上不便于架设仪器时，多采用这种方法。如图15—4所示，A、B为平面基准点，p为变形点，由于A、B的坐标为已知，在观测了水平角α、β后，即可依下式求算p点的坐标。•——测角中误差；•D——两已知点间的距离；•——206265″。•采用这种方法时，交会角宜在60°至120°之间，以保证交会精度。cotcotcotcotcotcotcotcotBABApBABApxxyyyyyxxx)(sinsinsin222Dmmpm后方交会•如果变形点上可以架设仪器，且与三个平面基准点通视时，可采用这种方法。如图15－5所示，A、B、C为平面基准点，p为变形点，当观测了水平角α、β后，即可依公式15—3计算p点坐标。BpBBpBpBBpBpxKyyyyKKbaxxxx21cot)()(BABAyyxxacot)()(BABAxxyybcot)()(BCBCyyxxccot)()(BCBCxxyyddbcak22222)]sin(sinsin[bacaBCcABpDDDDDDDmm采用这种方法