第七章 工程建筑物变形监测

朱宝训测量与国土信息系第七章工程建筑物变形监测主要内容–第一节概述–第二节变形监测的周期及其精度要求–第三节常用变形监测仪器简介–第四节高程控制网的建立及沉降监测–第五节变形监测平面控制网的建立–第六节位移监测方法–第七节水平变形测量设备–第八节倾斜观测–第九节挠度观测与裂缝观测–第十节日照和风振变形监测–第十一节变形监测实例一、建筑物变形监测的概念变形按其时间长短分为：•变形按其类型可分为：1．静态变形：目的是确定物体的局部位移。其监测结果只表示建筑物在某一期间内的变形值，如定期沉降监测值等。2．动态变形：动态系统变形是受外力影响而产生的。其监测结果是表示建筑物在某瞬间的变形，如风振动引起的变形等。1.长周期变形。2.短周期变形。3.瞬时变形。§7.1概述3.变形的分类变形一般分类：（1）静态变形，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，静态变形通过周期测量得到。（2）动态变形，动态变形指在外力（如风、阳光）作用下产生的变形，它是以外力为函数表示的，动态变形需通过持续监测得到。按变形特征分类：1）变形体自身的形变。变形体自身的形变包括：伸缩、错动、弯曲和扭转四种变形，2）变形体的刚体位移。刚体位移则含整体平移、整体升降、整体转动和整体倾斜。变形监测的分类按变形特点分类•弹性变形当作用的荷载在构件的弹性范围内时，其发生的变形一般为弹性变形，其特点是当荷载撤销后，变形也将消失。•塑性变形当荷载作用在非弹性体或者荷载超过了构件的弹性限度，则会产生塑性变形，其特点是当荷载撤销后，变形没有或者没有全部消失。在实际工程中，弹性变形和塑性变形会同时存在。变形监测的分类按变形速度分类•长周期变形长周期变形一般指在比较长的时间段内发生的循环变形过程，如大坝在运营期由于受水压、温度等的影响而产生的年周期变形等。•短周期变形短周期变形是指在较短的一段时间内发生的循环变形过程，如高大型建筑物在日照的作用下而发生的周日变形等。•瞬时变形瞬时变形是指在短时间荷载作用下发生的瞬间变形，例如，烟囱、塔柱等高大建筑物在风力的作用下发生的变形等。变形监测的分类二、建筑物变形监测的项目1．建筑物沉降监测：此项监测资料的积累是研究解决地基沉降问题和改进地基设计的重要手段。2．建筑物水平位移监测。3．建筑物倾斜监测。4．建筑物裂缝监测：当建筑物基础局部产生不均匀沉降时，其墙体往往出现裂缝。5．建筑物挠度监测：这是测定建筑物构件受力后的弯曲程度。6.内部监测：对建筑物基础进行应力/应变监测、温度监测、地下水位监测。§7.1概述三、沉降的原因及种类(1)荷载影响。(2)地下水影响。(3)地震影响：(4)地下开采影响：(5)外界动力的影响：(6)打桩、降水、基坑开挖、盾构或顶管穿越等，建筑物周边或地下的施工活动。(7)其他影响：如地基土的冻融，建筑物附近附加荷重的影响，都有可能引起建筑物的沉降。1.沉降原因§7.1概述2.沉降分类根据建筑物沉降的性质，分为两类：1．均匀沉降当受压软土分布位置和厚度相同，基础作用条件近似，沉降量虽大，但建筑物不会出现倾斜、裂缝，此种沉降属于均匀沉降，对建筑物危害不大。2．不均匀沉降当基础下受压层土质不同，承压性能不同，或由于建筑设计不合理及施工不当等原因都会发生不均匀下沉，轻者建筑物产生倾斜或裂缝，严重的会造成建筑物的倒塌。§7.1概述四.沉降速度建筑物的沉降速度主要取决于地基土的孔隙中间外排出空气和水的速度。建筑在砂质粉土地基的建筑物的沉降速度快，在施工期间的沉降量约占最终沉降量的70％，如金山石化总厂工房，最终沉降量仅为2-3cm；建筑在软粘土地基的建筑物的施工期间的沉降量约占最终沉降量的25％。如上海某学院的物理大楼，其最终沉降量为22.7cm，而每次监测的阶段沉降量为l0mm左右.沉降速度一般分为加速沉降、等速沉降及减速沉降三种，后者是建筑物趋向稳定的标志。§7.1概述沉降监测工作一般在基础施工完毕后或基础垫层浇灌后开始，一直到沉降稳定为止，都要定期地进行监测，以便得出地基和基础最全面的质量指标，由所得资料可以选择加固地基和基础的方法。五.沉降观测§7.1概述§7.2变形监测的周期及其精度要求1.沉降监测周期应能反映出建筑物的沉降变形规律。沉降监测周期应是动态变化的。在施工过程中，频率应大些，一般有3d、7d、半月三种周期。到竣工投产后，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。一、变形监测的周期2.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，软土地基10年。3.在观测过程中，如有异常情况，均应及时增加观测次数。当建筑物突然发生大量沉降、不均匀沉降或严重裂缝时，应立即进行逐日或几天一次的连续观测。4.当建筑物又出现变形或产生可能出现第二次沉降的原因时，应对它重新进行监测。§7.2变形监测的周期及其精度要求5.沉降监测进入稳定阶段的判断沉降是否进入稳定阶段，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于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0.01-0.04mm／d，可认为已进入稳定阶段，具体取值宜根据各地区地基土的压缩性确定。22二、变形监测的精度要求1.变形监测的精度影响因素建筑物的允许变形值变形速度监测的目的2.变形监测的精度确定为确保建筑物的安全，则其监测的中误差应小于允许变形值的1／10-1／20；如果监测的目的是为了研究其变形的过程，则其精度要求更高。§7.2变形监测的周期及其精度要求《建筑变形测量规范》JGJ8—2007对变形限制的规定：1)基坑回弹、地基土分层沉降等局部地基沉降以及膨胀土地基沉降等的测定中误差，不应超过其变形允许值的1／20；2)平置构件挠度等变形的测定中误差，不应超过变形允许值的1／6；3)沉降差、基础倾斜、局部倾斜等相对沉降的测定中误差，不应超过其变形允许值的1／20；4)受基础施工影响的位移、挡土设施位移等局部地基位移的测定中误差，不应超过其变形允许值分量的1／20。5)建筑的顶部水平位移、工程设施的整体垂直挠曲、工程设施水平轴线偏差等建筑整体变形的测定中误差，不应超过其变形允许值分量的1／10；6)高层建筑层间相对位移、竖直构件的挠度、垂直偏差等结构段变形的测定中误差，不应超过其变形允许值分量的1／6；7)基础的位移差、转动挠曲等相对位移的测定中误差，不应超过其变形允许值分量的1／20；8)对于科研及特殊目的的变形量测定中误差，可根据需要将上述各项中误差乘以1／5—1／2系数后采用。项目序号变形特征或结构形式允许变形值1塔架挠度任意两点间的倾斜应小于两点间高差的1/1002框架结构高层建筑物：σ（层间位移）/H(层高）风荷载1/400；地震荷载1/2503砖石承重结构基础的局部倾斜砂土和中低压缩性粘土高压缩性粘土0.0020.0034工业与民用建筑相邻柱基的差异沉降（1）框架结构0.00210.0031（2)当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构0.00510.00515桥式吊车轨面倾斜纵向0.004横向0.0036高耸结构基础的倾斜h≦20m时20≦h≦50m时50≦h≦100m时0.0080.0060.005三、变形测量的等级划分级精度要求变形测量等级垂直位移测量水平位移测量适用范围变形点的高程中误差（mm)相邻变形点高差中误差（mm)变形点的点位中误差（mm）一等±0.3±0.1±1.5变形特别敏感的高层建筑、工业建筑、高耸建筑物、重要古建筑、精密工程设施等二等±0.5±0.3±3.0变形比较敏感的高层建筑、高耸建筑物、古建筑、重要工程设施和重要建筑场地的滑坡监测等三等±1.0±0.5±6.0一般性的高层建筑、工业建筑、高耸建筑物、滑坡监测等四等±2.0±1.0±12.0观测精度要求较低的建筑物，构筑物和滑坡监测等§7.2变形监测的周期及其精度要求一、精密水准仪§7.3常用变形监测仪器简介二、变形监测高精度经纬仪精密角度测量仪器－TC2003全站仪§7.3常用变形监测仪器简介TC2003全站仪在电子测角中，采用动态角度扫描系统，极大地提高了测角精度。TC2003附设有一些液体补偿器，减小竖轴误差。TC2003全站仪的测距标称精度为±（1mm＋1ppm×D），测角精度为±0.5。它是目前世界上精度最高的全站仪之一，多用于精度要求很高的精密工程测量和变形测量。ME5000精密激光测距仪是瑞士Kern厂的近期产品。在20世纪60年代曾生产过ME3000—光波(氙灯)测距仪，近年来又研制成功ME5000精密激光测距仪，两者相较，后者在技术上有很大进步。ME5000的主要术指标如下：测程单棱镜约4km三棱镜约8km精度±（0.2mm+0.2×10-6）内分辨力为0.01mm重量11kg光源He-Ne激光器，波长0.6328μm调制频率约500MHz作业温度-10～+40t3.精密长度测量仪器－ME3000测距仪一.沉降监测的概念及等级划分沉降观测：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，多数逞下沉现象，对它的观测称沉降观测。回弹观测：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。垂直位移监测网：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。7.4高程控制网的建立及沉降监测7.4高程控制网的建立及沉降监测变形监测国家水准测量等级二.沉降变形主要工作7.4高程控制网的建立及沉降监测①沉降观测方案研究与技术设计；②沉降观测仪器检验；③沉降观测点位布设；④沉降观测数据采集；⑤沉降观测数据处理；⑥沉降量计算与分析；⑦沉降量报表；⑧沉降过程曲线绘制；⑨沉降观测报告编写。三、技术设计•根据工程项目的性质、结构特点、规模大小、质量精度要求等，研究沉降观测方案和规划观测作业、选择测量仪器设备、组成测量队伍。•按《建筑物沉降观测规范》规定，一般建筑物应反应1mm的沉降量，这就要求观测精度要高于±1mm，一般按二等水准测量技术规定执行。对于研究性的观测，应采用一等水准测量技术指标。•根据规范的要求，一般应采用S1级精密水准仪。对于非重要建筑或沉降量较大地区的沉降观测、高速公路等，也可以采用三等水准测量技术指标实施观测。建筑物基础沉降监测四、沉降监测基准点的布设7.4高程控制网的建立及沉降监测•基准点是变形观测的基础，基准点布设是否合适直接关系到变形观测能否成功。•根据工程项目的不同，一般要求基准点绝对稳定，有时也可以要求基准点相对稳定。•要达到基准点稳定的要求，有两种选择：一是远离建筑物，二是深埋。•基准点可分为两级，固定基准点和工作基准点。•固定基准点应布设在距离需要观测的建筑物一定的距离且稳定，不受其它外力影响、便于保存的位置。•基准点数应不少于3～4个，以便于基准点保护、恢复和稳定性分析。•基准点的标志采用混凝土桩，或钢管加筋桩。对于高层建筑物或大型建筑物，基准点应钻孔至基岩。基准点的布设第2节建筑物基础沉降监测固定基准点工作基准点建筑物沉降观测点位布置图建筑物基础沉降监测(a)钢管加筋基准点(b)基岩上基准点(c)路边基准点(d)路边基准点沉降观测基准点建筑物基础沉降监测(a)(b)(c)钢管加筋基准点沉降监测基准点的布设要求1．应布成网形最合理、测站数最少的监测环路。2．应有四个埋设深度足够的水准基点。3．水准点应设置在较明显、通视良好、安全的地方，且便于联测。4．水准点应布设在拟监测的建筑物之间，距离一般为20m到40m左右，一般工业与民用建筑物应不小于15m，较大型并略有振动的工业建筑物应不小于25m，高层建筑物应不小