高层建筑变形监测方案设计及监测方法研究论文Word文档格式.docx
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3.2.2水准点稳定性监测10
3.2.3变形监测的方法10
3.2.4变形监测的精度12
第四章沉降观测14
4.1沉降观测的原因14
4.2楼体变形的原因14
第五章变形监测的方案设计15
5.1变形监测方案的制定准则15
5.2沉降观测实例15
5.3执行技术标准15
5.4变形测量精度的要求16
5.5监测成果及分析17
5.5.1主要监测成果.17
第六章展望及总结19
致谢20
参考文献21
第一章变形监测概述
1.1变形监测的内容及任务
变形监测是对被检测的对象或物体也就是变形体进行测量，用这种方法来确定它的内部形态及空间位置随时间的变化特征的监测形式。
变形监测又称为变形测量或变形观测。
我们常遇到的变形体一般是工程建筑物，自然或者是人工对象以及其他的技术设备，其中工程建筑物和技术设备变形以及局部地表形变的监测，变形监测是工程测量学的重要内容。
随着社会经济的高速发展变形测量逐渐受到人们和社会的关注，成为工程测量界的重点研究方向之一。
变形监测的内容：
变形体的性质和地基情况可以很明确的反映出监测当中的具体情况。
对于水利工程建筑物和住房建筑物来说主要是外部观测，它的观测内容主要是垂直位移、水平位移、渗透以及裂缝等；
为了认识建筑物（如水电站）内部结构的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容称为内部观测。
只有我们将内、外观测资料结合起来进行分析才能使进行变形监测数据处理时，尤其是对变形原因做物力的解释时提供理论依据，这样监测所得的结果才能够更好的为我们后期施工工作所利用。
变形监测要实时的掌握变形建筑物的实际性状，科学、准确、及时的进行分析和预报所监测建筑物的变形状况，这样对所监测建筑物的施工和运营管理极为重要。
变形监测是一项跨学科的研究在应用当中涉及到了工程测量、水文、结构力学、工程地质、地球物理、计算机科学等诸多学科的知识，并慢慢的向边缘学科方向发展。
监测的过程是一个十分严谨的过程，通过使用高精密的监测仪器还有非常严谨的监测方法，通过两者的紧密结合，才能获得高精度的数据。
1.2变形监测的目的及意义
假如人们对变形产生的各种原因与变形规律了如指掌，则变形测量失去了存在的意义。
问题在于，实际上人们对物体变形规律掌握的远远不够，这带来两个方面的问题，一是现实设计的建筑物不是百分之百安全，二是对变形问题需要继续进行深入研究。
变形监测的存在就是为这两个问题服务的。
变形监测主要是检查各种工程建筑物、地质构造、工业构件等的稳定性，以便及时发现问题和采取应对措施。
我们之所以说变形监测是工程质量的一面镜子是因为建筑工程的变形监测成果资料对地质勘察所提供资料的准确程度，以及建筑物主体是否倾斜和建筑物基础的处理质量反映异常敏感，建筑工程的变形监测能及时发现存在的质量隐患，可见变形监测在我们的实际生活中起着一个安全桥梁的作用。
我们也能从监测的过程中不断的总结经验提高工作质量和水平。
变形监测的资料可以显示出工程的质量是否合格因此在现行建筑施工规范中已明确表示在建筑物的验收过程中，其变形监测资料将是一项重要内容及依据。
下面我举出几个例子具体说明一下变形监测的必须性。
拦河大坝是一类重要的工程建筑物，大坝失事将在极短时间内造成巨大的损失。
例如，1959年法国66m高的Malpasset拦坝，蓄水30000000m³
，在坝崩溃时形成巨大洪水以36km/h的速度向下游倾斜，造成400多人的死亡，直接造成经济损失达到6800万美元。
1963年意大利266m高的Vajaut拱坝，南岸发生大滑坡，滑坡体以25-30m/s的速度滑向水库，在短短30-60s内共滑下300,000,000m³
的土石方，使水库中50，000，000m³
的水被挤出，掀起250m的巨大水浪，洪水浸没坝顶100m高，在下游1.5km的峡口处，仍有60m高的巨浪，从滑坡开始到下游被摧毁，只经历了短短7分钟，一个城市再加上几个小城镇就被毁坏了，死亡人数达到3000人。
坚持长时期的、严密的变形监测可以避免或减少损失。
例如，瑞士的Zeuzier拱坝，高156m，在竣工后的20多年中，大坝仍运转正常，但1978年突然发现异常，拱座间距离缩短5cm，坝顶下沉10cm，坝冠顶向上游移动9cm，超出预计变形值一倍以上。
发现异常后，泄放了库中90%的水，发现坝体已产生严重的裂缝。
仔细检查和分析原因，才得知这是由于离大坝不远处（距大坝1400m，比坝低300m），正在开挖一条穿过阿尔比斯山的公路隧道早成的，当隧道工程停止后，坝体变形明显减小。
在我国，所有大型工程建筑物和危机人民安全的重点滑坡地带都定期进行变形监测，对避免灾害起了积极作用。
例如，1984年长江三峡发地区生了一次大的滑坡，由于该地区进行了广泛的变形测量，对可能发生的划破作了正确的预报，是滑坡体上一万多的居民在滑坡移动前一周搬离，避免了一场难以预测灾难的发生。
近几十年我国正处于高速发展的时期，在建筑工程规模和种类上均处于世界的领先地位，而我国地大物博且幅员辽阔，所处地质类型复杂，地质条件参差不齐，这就需要对各个工程做好长期的变形监测工作，这不仅对人民群众财产，国家财产的有效保护，还对当地经济发展提供了良好的发展环境和空间，所以应当充分重视变形监测工作的开展。
变形监测的成功与否，很大程度上取决于其数据分析的得出结果是否符合实际情况，即由分析所得数据推断变形量是否超过了限定值，从而判断建筑是否处于危险当中。
第二章监测数据预处理论述
由于全球卫星定位技术，测量机器人、多传感器集成系统等高新技术的不断应用，变形监测所集的资料多，数据量大，如何及时、有效地从大量变形监测信息中进行数据挖掘，进行分析、解释，具有重要的实用价值和理论意义。
由于观测条件的影响，变形监测资料可能存在很大的误差。
观测误差分为3类：
粗差、系统误差和偶然误差（又称随机误差）。
且偶然误差可以通过平差等手段基本剔除。
但由于粗差、系统误差本身不具统计规律行，如何准确减弱或消除粗差、系统误差的影响便显得尤为重要。
监测数据的预处理是指在对数据处理之前预先剔除数据中的残粗差等非偶然因素的影响，主要包括：
监测数据的粗差检查，以及系统误差的检验等。
本章主要介绍统计学理论在变形监测中的应用。
2.1统计学方法在数据预处理中的应用
变形数据的分析常常会因系统误差或粗差而增加很多测量人员很大的内业处理时间。
同时，变形量可能会较小，“淹没”在测量误差中。
为了区分变形信息和误差，从中提取变形特征信息，需消除或减弱误差，减少观测误差对变形分析的影响。
2.1.1误差的概念
偶然误差：
对一个量进行多次观测，误差的大小和符号没有规律性。
系统误差：
，对一个量进行多次观测，在大小、符号上表现出一致的倾向，或者按一定的规律变化，或保持常数的误差。
（上述两种误差来源都是在等精度观测的条件下）。
中误差（均方误差）m
：
数理统计学中叫标准差，在一组观测条件相同的观测值中，各观测值与真值之差叫做真误差，以
表示，观测次数为n，则表示该组观测值的中误差（均方误差）m的计算式为：
式中：
n是观测值的个数；
观测精度是与m值成反比的，观测精度越好则m值越小，反之表示观测精度差。
平差：
即是对高差进行改正使闭合差等于零的调整过程。
如果测得水准路线上的几个待求高程点的误差在允许范围内，则认为各测站产生的误差是相等的，对闭合差要按测站数成正比例反符号分配即可。
允许误差：
又叫极限误差或限差，是指在一定观测条件下偶然误差绝对值不应超过的限值。
偶然误差的大小是区分观测成果是否合格的界限。
在测量中允许误差常取2～3倍中误差作为它的限定值。
闭合差：
由一个已知高程点按照一个环形路线向施工现场引进测取各各待测高程点，待测量完毕后又闭合到这个已知高程点上，各段高差的总和即为闭合差。
一般闭合差越小则测得的高程数据越是准确。
其中检测的依据有：
（1）、《建筑变形测量规范》JGJ8－2007
（2）、《建筑地基基础设计规范》GB50007－2002
（3）、《工程测量规范》GB50026-2007
（4）、《建筑物沉降观测方法》DGJ32/J18-2006
2.1.2粗差检验方法
对于任何一个监测系统，粗差都会或多或少的存在于观测数据中，因此在变形分析之前我们首先要预处理观测数据，剔除粗差。
（1）关联分析法
在变形监测中，建筑物的水平位移和竖直位移一般在同一部位都布有多个测点，这些测点由于其所在的地质条件，荷载条件等都十分相近，其位移变化趋势，位移量都有十分密切的联系。
因此，可以利用这种相关性，来相互检核监测数据是否异常。
（2）3σ准则
3σ准则主要功能是挑出测量误差中的粗大误差，在实际工作当中我们通常用于测量误差的处理。
其基本思想是：
由于随即误差是服从于正态分布的，则误差的绝对值主要集中在均值附近。
用公式表示有：
因此，凡是所测数据大于3σ的则认为是粗大误差，予以剔除。
其剔除方法如下：
1）计算均方值：
2）求
（i=1,1,…,N）的最大值
，若
，则认为没有粗大，否则到3）。
3）剔除
，返回1）。
2.1.3系统误差检验
在监测到的数据当中，除了存在偶然误差和可能含有粗差外，还有存在系统误差的可能性。
在很多情况下由于观测值误差中的系统误差占有很大的比例，为了不对监测结果的质量和对建筑物的安全评判产生影响就要对这些系统误差加以恰当的处理。
系统误差产生的原因主要有监测仪器老化，基准点的蠕变等，它虽对结构的安全不会产生影响，但对资料分析结果会有一定的影响。
目前，系统误差的检验方法主要有：
U检验法，均方连差检验法和t检验法等
。
第三章变形监测的过程
3.1电子水准仪的应用
电子水准仪别名数字水准仪，它是在自动安平水准仪的基础发展起来的一种数字化水准仪。
由于各各厂家的条码标尺编码的条码图案不相同，不能互相使用，则每一个厂家都有独自的条码标尺。
人工完成照准和调焦之后，根据成像的原理标尺上的二维条码通过分光镜被成像在光电传感器（探测器）上；
另一方面被成像在望远镜分化板上，供目视观测。
如果使用传统水准标尺，电子水准仪又可以作为普通自动安平水准仪。
不过这时的测量精度低于电子的测量精度。
由于没有光学测微器，精密电子水准仪作为普通自动安平水准仪使用时，其精度则会更低。
当前电子水准仪采用了3种自动电子读数方法：
（1）相关法
（2）几何法;
（3）相位法。
3.1.1水准路线的作业模式
在我们常用到的电子水准仪中操作程序基本上都是大同小异，在内置里有几种固定化的操作程序供大家选择性使用，其中一种程序即为普通水准测量的一般模式，调用此程序即可进行闭合水准路线测量。
在测量之前先输入点号和起始点的高程然后进入作业模式按照电子水准仪的提示内容进行前视和后视读数并储存记录，直到监测任务的结束。
3.1.2电子水准仪使用过程存在的问题及误差分析
通过我们实际的应用，光学水准仪在精度上和电子水准仪相比而言有很大的差距，这样电子水准仪的使用不仅仅保证了观测精度，而且节省了人力，物力，而且外业和内业的作业时间也大幅度的缩短。
事物都是具有两面性的，既有优点也有缺点，下面我就介绍一下存在的几个问题：
第一、遇到树枝或者其他障碍物时，只要上、中、下三丝中有一丝被遮挡则无法显示距离和中丝的读数，因此，观测时应避开障碍物；
第二、前后视距累积差超限没有报警功能，在测站开始前后应注意观测前后视距累积差，接近限差时在以后测站及时进行调整
；
第三、当近距离观测时，只要上丝离尺子的上边缘刻度比较进的时候，则不显示读数，只有通过降低三脚架来解决；
第四、造成成果超限的原因是因为仪器对震动非常敏感，特别容易使测得的结果偏离正确的数据，要消除震动带来的误差，如果超限则需要立即重新测量，同时要整平仪器，使气泡严格居中。
尺垫越重越好，如此就会使放尺垫时更加不容易变动位置，而且一定要踩结实，有条件的地方应该打固定桩；
第五、在风比较大的时候，负责扶尺子的人在扶尺子时会前后左右的不停晃动，如此一来记录的数据就会偏离真实数据，所以在风大时最好不要进行读数记录
第六、当光线太强或者太弱无法进行观测时，就要用缩短观测距离和避开强光线或者若光线的时段等方法来解决这一问题。
3.2变形观测的方法
变形监测主要包括水平位移监测和沉降监测，本文主要讲解有关沉降观测方面的问题。
3.2.1基准点和观测点的布设
3.2.1.1基准点的布置
第一、建筑沉降观测应设置基准点，如果基准点距离需要观测的建筑比较远的时候还可以增加工作基点，便于观测，工作基点可根据需要设置。
一般情况下在进行沉降观测的时候其基准点的个数应在三个以上，但是对特级沉降观测的基准点数至少要有四个，基准点和工作基点应形成闭合环或形成由附合路线构成的结点网。
第二、基准点的标石应埋设在基岩层或原状土层中，在建筑区内，点位与邻近建筑的距离应大于建筑基础最大宽度的2倍，标石埋深应大于邻近建筑基础的深度。
在建筑物内部的点位，标石埋深应大于地基土压缩层的深度，这样就不会由于房子的地理位置的变化引起坐标点点位的变化。
第三、基准点应设置在位置稳定，且人员活动比较少易于长期保存的地方并需定期复测。
在建筑施工过程中基准点要在每两个月内复测一次，稳定后每三个月或每半年复测一次。
当观测点测量数据和以前观测数据相差很大，或测区受到地震、洪水、爆破等外界因素影响时，应及时复测，并分析其稳定性。
第四、基准点和工作基点应避开公路干线、地下水管、水源地、滑坡地段、仓库堆栈、河岸、松软填土、机器振动区以及其他可能使标石、标志易遭腐蚀和易破坏的地方。
本次观测的所需水准点是由就近处省级高速公路的两个已知点通过做rtk静态分析所得的点位。
3.2.1.2沉降观测点的布置
在我们进行沉降观测点布置的时候应该以能够全面反映建筑物变形特征为基准，并结合地质情况及建筑结构特点确定，点位宜选设在下列位置：
第一、大转角处及沿外墙每10～15ｍ处或每隔2～3根柱基上，建筑物的四角、核心筒四角。
第二、后浇带和沉降缝两侧、建筑物裂缝、基础埋深相差悬殊外、人工地基与天然地基接壤处、不同结构的分界处及填挖方分界处。
第三、宽度大于等于15ｍ或小于15ｍ而地质复杂以及膨胀土地区的建筑物，在承重内隔墙中部设内墙点，在室内地面中心及四周设地面点。
第四、框架结构建筑物的部分柱基上或沿纵横轴线设点。
本次沉降观测点主要分布在建筑物的外侧承重墙上，便于我们进行架站观测。
3.2.2水准点稳定性监测
当进行变形监测时周边没有水准点时可以自己埋设水准点，我们要遵从水准点的埋设要求进行合理的埋设。
一般应埋设3个以上的水准点，以便进行水准点高程准确性的检测，其中采用的一种方法是联测法相互检校。
它们应埋在受压、受震的范围以外的安全地点，离铁路、公路、地下管道尽量远些。
为了提高观测的精度水准点离开观测点不能过远，一百米左右最为合适。
3.2.3变形监测的方法
一般的沉降观测，采用S3光学水准仪即可。
对于本次监测的大型重要高层建筑物要求采用精密水准仪按二等精度观测。
观测视线长度不超过50m，作业过程中要丈量前后视的距离以保证前后视距差基本相等。
前、后视观测最好用同一根水准尺。
一般按照BFFBFBBF的顺序进行读数（电子水准仪提示），先后两次后视读数之差，不应超过±
1㎜，水准点及临时水准点环线闭合差为
㎜（n为测站数）。
对于一般的构筑物来说，水准点单一闭合差为
2㎜；
两次后视水准点读数之差不应超过±
2㎜。
根据工程的性质以及工程土质和荷载情况的增加来随时改变进行监测作业时观测的时间与次数。
在施工期间，待观测点埋设稳固后，即进行首次观测，一般情况下首次观测要对水准点的高程进行检测。
在建筑物增加荷重前后，或者中途停工时间较长等，均应随时进行沉降观测。
工程竣工投产后也要进行观测，根据沉降量的大小和沉降的速度来决定监测时间的间隔。
开始可每月观测一次，以后可三个月左右观测一次，直到沉降量稳定在每三个月不超过1㎜时，才能结束观测。
技术要求：
（1）应在标尺分划线呈像清晰和稳定的条件下进行观测。
例如不在日出后或者日落前约半小时、太阳中天前后、风力较大、气温变化不稳定以及标尺分划线呈像跳动而难以照准时进行观测。
（2）在监测工作进行期间，需要定期对水准尺及水准仪进行检验。
当发现因监测数据而引起的成果异常，应及时检查记录是否正确，如没有，应检验仪器，如果是仪器问题，应及时进行校正。
3.2.4变形监测的精度
表2-1建筑变形测量的等级、精度指标及其适用范围
变形测量等级
沉降观测
位移观测
主要适用范围
观测点测站高差中误差（mm）
观测点坐标中误差（mm）
特级
±
0.05
0.3
特高精度要求的特种精密工程的变形测量
一级
0.15
1.0
地基基础设计为甲级的建筑的变形测量；
重要的古建筑例和特大型市政桥梁等变形测量等
二级
0.5
3.0
地基基础设计为甲、乙级的建筑的变形测量；
场地滑坡测量；
重要管线、大型市政桥梁的变形测量；
地下工程施工及运营中的变形测量等
三级
1.5
10.0
地基基础设计为乙、丙级的建筑的变形测量；
地表、道路及一般管线的变形测量；
中小型市政桥梁的变形测量等
表2-2最终沉降量观测中误差的要求
序号
观测项目或观测目的
观测中误差的要求
1
绝对沉降（如沉降量、平均沉降量等）
①对于一般精度要求的工程，可按低、中、高压缩性地基土的类别，分别选±
0.5mm、±
1.0mm、±
2.5mm；
②对于特高精度要求的工程可按地基条件，结合经验与分析具体确定。
2
（1）相对沉降（沉降差、基础倾斜、局部倾斜等）
（2）局部地基沉降（如基坑回弹、地基土分层沉降）以及膨胀土地基变形
不应超过其变形允许值的1/20
3
建筑物整体性变形（如工程设施的整体垂直挠曲等）
不应超过允许垂直偏差的1/10
4
结构段变形（如平置构件挠度等）
不应超过变形允许值的1/6。
5
科研项目变形量的观测
可视所需提高观测精度的程度，将上列各项观测中误差乘以1/5～1/2系数后采用。
注:
1、本表数值为建筑物地基实际最终变形允许值；
2、倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值；
3、为相邻基的中心距离（mm）；
Hg为自室外地面起算的建筑物高度（M）；
4、局部倾斜指砌体承重结构沿纵向6～10内基础两点的沉降差与其距离的比值；
5、有括号者仅适用于中压缩性土。
第四章沉降观测
4.1沉降观测的原因
在修建高层建筑的时候必须要进行变形监测，这样可以为高层建筑的建设和使用提供安全的保障。
当工程竣工之后沉降观测报告也起到了关键性的作用若显示沉降超过一定的限度则会影响它的正常使用，此时投入使用则会有很多不定的安全隐患存在。
其中最为严重的是会产生不均匀沉降从而危及建筑物的安全，而且在施工中结构体相连接且荷载差距较大时往往会留有沉降后浇带，此时的沉降观测也是指导施工的依据；
随着在建筑中荷载的不断增加建筑物的沉降也会逐渐趋于停止。
这时建筑物的基础受力处在一种平衡状态下，如果由于外界原因破坏了这种平衡的话（如抽取地下水），建筑将继续均匀或者不均匀的沉降，建筑物的安全也因此受到威胁，因此对大型建筑实行多方面实时沉降观测和动态监测是对社会安全的负责也是对人民生命安全的重要保障。
4.2楼体变形的原因
楼体变形的原因主要有地基沉降不均匀；
施工未达到设计的要求，承载力不够；
受地震等外力作用；
建筑物体型复杂（有部分高重、部分低轻）形成不同的荷载。
这些都是容易引起楼体变形的不定因素，所以施工时可以因地制宜的去设计合理的施工方案。
第五章变形监测的方案设计
5.1变形监测方案的制定准则
变形监测方案制定准则包括：
（1）描述或确定变形状态所需要的测量精度
，对于监测网而言，则是确定目标点坐标
、
或坐标差
允许的精度
或
（2）所要观测的次数；
（3）一次观测所允许的观测时间
（4）两次观测
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