毕业设计:建筑物的变形观测


    摘 要 建筑物的变形观测是工程测量中的重要组成部分。随着我国社会主义经济建设步伐的快速发展,高层建筑物、工业建筑物等工程设施的兴建,建筑物的建设和完工运营的过程中,都会产生一定量的变形。这种变形超过一定限度,就会影响建筑物的正常使用,严重时可能会危及建筑物和人身的安全。因此,在建筑物的施工和运营期间,必须对它们进行监测。本文首先介绍了变形监测的基本知识,论述了建筑物的监测内容包括沉降监测、建筑物主体的倾斜度监测;接着简要描述了产生变形的原因、高程系统的选择、变形监测工程的测量方法、布网方案,研究了该变形监测的数据处理方案;最终得出了沉降分析并绘制出了载荷—时间—沉降曲线图。通过该高层建筑的变形监测的研究,目的是为了保障建筑物的施工与竣工后的使用安全,体现出高层建筑在建设和使用过程中变形监测的重要性,为建筑物的安全提供了必要的评估数据。 关键词:变形监测;沉降监测;倾斜监测 ;平差计算 Abstract Building deformation monitoring is an important part of engineering survey. With the fast pave development of China's socialist economic construction and construction of High-rise buildings , industrial buildings and other projects and facilities, buildings under construction and buildings completed in the period of use, will produce distortions. Once these distortions exceed a certain limit, it will affect the normal use of the building and may endanger the safety of buildings and people in severe cases. For this, buildings under construction and in the period of use should be monitored. This paper firstly introduced the basic knowledge of deformation monitoring, discussed the building monitoring which included the monitoring of subsidence and the inclination monitoring of the main building. Then it briefly described of the deformation cause, elevation system selection, survey methods of deformation monitoring engineering and distribution of network programs, the data processing program of deformation monitoring also has been researched. Finally this paper obtained the subsidence analysis and figured the curve figure named load-time-subsidence. Through the research of this high-rise building deformation monitoring, this paper aims at safeguarding and reflecting the deformation monitoring importance of buildings under construction and in the period of use, which provides necessary evaluation data for the security of buildings. Keywords: Deformation monitoring; Subsidence monitoring; Inclination monitoring; Adjustment calculation 目 录 1 综述 1 1.1 选题背景 1 1.2 选题目的 1 1.3 高层测区概况 2 1.4 引起建筑物变形的原因 2 1.5 执行的标准和规范与坐标系统的选择 3 2 变形监测的内容与方法 4 2.1 变形监测的内容 4 2.2 变形监测的目的 5 2.3 变形监测技术及其发展 7 2.4 变形观测方法的选择 7 3 高层建筑物沉降监测 9 3.1 引起高层建筑物沉降的原因 9 3.2 水准基点位置的选择与埋设 9 3.2.1 水准基点选择与要求 9 3.2.2 水准基点的埋设 10 3.3 监测点位置的选择与埋设 10 3.3.1 监测点位置的选择 11 3.3.2 监测点位置的埋设 11 3.4 观测精度与仪器的选择 12 3.5 观测方法和周期 14 3.6 水准测量的精度 15 3.7 提高观测精度的方法 16 4 高层建筑物的倾斜监测 17 4.1 引起建筑物倾斜的原因 17 4.2 基准点位置选择与埋设 18 4.3 倾斜观测点位选择与埋设 18 4.4 主体倾斜观测观测的精度与仪器设备的选择 19 4.5 施测的方法与观测周期 21 4.6 提高精度的方法 23 5 数据处理 24 5.1 变形监测数据处理的三大平差方法 24 5.2 平差方法的选择 24 5.3 间接平差在数据处理的应用 24 5.4 间接平差法求平差值的计算步骤 24 5.5 沉降观测数据的预处理 25 5.6 沉降监测网的平差 25 5.7 倾斜观测平差计算 28 6 监测数据的整理与分析 29 6.1 监测数据的整理 29 6.2 监测数据的分析的方法 29 6.3 变形监测沉降结果分析 30 6.4 沉降图分析 31 7 上交资料 32 8 专题 33 GPS技术在高层建筑变形监测中的应用研究 33 8.1 GPS技术进行工程变形监测的思路 33 8.2 GPS变形监测模式 34 8.2.1 周期性监测模式 34 8.2.2 连续性监测模式 34 8.3 GPS在变形监测中的测量方法 34 8.4 准动态特征监测 35 8.5 实时动态特征监测 37 8.6 GPS测量数据处理 37 8.7 GPS变形监测待解决的问题 38 8.7.1 GPS变形监测技术的不足 38 8.7.2 整周模糊度的解算问题 38 8.7.3 多路径效应的影响 39 总结 40 致谢 41 附录 42 9 参考文献 43 1 综述 1.1 选题背景 由于建筑物在受到多种因素的影响下,会产生变形,变形如果超出了规定的限差,就会影响建筑物的正常使用,严重时还会危及建筑物的安全,给社会和人民生活带来巨大的损失。因此,在工程施工及竣工后一定时期都应进行变形监测。 在校期间我们学习了《变形测量的原理与方法》这门课程 ,对此我非常感兴趣,希望以后可以多从事此类工作。在毕业实习期间从事了建筑物变形监测的测量任务,再结合本人在学校学习的专业知识,通过实习对变形监测的设计、方法、理论以及施测的全过程、数据的平差计算与整理有一定经验积累,为了更好的把在课堂上学到的知识与实际相结合,为以后参加此类工作打好基础,我选择了这一毕业设计题目。 1.2 选题目的 人类社会的进步和国民经济的发展,加快了工程建设的进程,并且对现代建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。与此同时,变形监测工作的意义更加重要。众所周知,工程建筑物在施工和运营阶段,由于受到多种主观与客观因素的影响,会产生变形,变形如果超出了规定的限度,就会影响建筑物的正常使用,严重时还会危及建筑物的安全,给社会和人民生活带来巨大的损失。尽管工程建筑物在设计和施工运营期间采用了一定的安全系数,使其安全承受所考虑的多种外荷载影响,但是由于设计中不可能对工程的工作条件及承载能力做出完全的考虑施工质量也不可能完美无缺,工程在运行过程中还可能发生某些不利的变化因素,因此为了掌握建筑物、构筑物在修建中和竣工后的变形情况,正确指导施工,保证工程质量,检验工程设计的正确性和利于建筑物、构筑物的安全使用,对指定建筑物、构筑物进行变形观测是非常必要。 1.3 高层测区概况 大连市位于北半球的暖温带地区,具有海洋性特点的暖温带大陆性季风气候,冬无严寒,夏无酷暑,四季分明。年平均气温10.5℃,极端气温最高37.8℃,最低-19.13℃。年降水量550-950毫米,全年日照总时数为2500-2800小时。 大连市区的地质结构山地丘陵多,平原低地少,整个地形为北高南低,北宽南窄;地势由中央轴部向东南和西北两侧的黄、渤海倾斜,面向黄海一侧长而缓。长白山系千山山脉余脉纵贯本区,绝大部分为山地及久经剥蚀而成的低缓丘陵,平原低地仅零星分布在河流入海处及一些山间谷地;岩溶地形随处可见,喀斯特地貌和海蚀地貌比较发育。 玫瑰东方小区二期位于辽宁省大连市沙河口区,五一桥的东面,太原街的西面,沿河街的背面,五一路的南面。由8栋高层(1栋32层、1栋21层、2栋31层、4栋30层)和2栋11层小高层组成,占地面积43528平方米,建筑面积161053平方米。 1.4 引起建筑物变形的原因 建筑物变形的客观原因主要有:建筑物的自重、使用中的动荷载、振动或风力等因素引起的附加荷载,建筑物的结构形式,地下水位的升降和它对基础的侵蚀作用,地基土在荷载与地下水位变化影响下产生的各种工程地质现象,温度的变化,建筑物附近新工程对地基的扰动等。 建筑物变形的主观原因主要有:地质勘探不充分与结果不准确,设计错误,施工质量差,施工方法不当等。 1. 自然条件及其变化而引起建筑物变形。建筑物地基的工程地质条件、水文地质条件、土壤的物理性质、大气温度等因素引起建筑物变形。 2. 建筑物自身的荷载大小、结构类型、高度及其动荷载(如风力大小、振动强弱)等引起建筑物变形。 3. 由于建筑物施工或使用期间一些工作做得不合理,或由于周围环境影响而产生的变形。 以上引起变形的因素是相互联系、相互作用的,对建筑物往往是共同作用的,只是不同时间段,不同因素的作用强弱不同而已。 1.5 执行的标准和规范与坐标系统的选择 执行的标准和规范 《建筑变形测量规程》(JGJ/T 8-07)中华人民共和国建设部。 《地面沉降水准测量规范》(DZ/T 0154-95)中华人民共和国地质矿产部。 《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897-2006) 《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002 《工程测量规范》GB50026-2007 《建筑物沉降观测方法》DGJ32/J18-2006 建筑沉降观测的精度等级确定原则 本次设计根据测区概况,测区范围小以及各方面因素,本设计平面坐标系统与高程系统可以采用假定坐标系统和假定高程系统。这样不但节省了控制的时间与费用,还能很好的提高了控制的相对精度。所以不需要已知控制点和高程基准点资料。如有需要可以与测区附近的国家控制点联测。 2 变形监测的内容与方法 变形监测是自然界普遍存在的现象,它是指变形体在各种荷载作用下,其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。变形体在一定范围内是被应允的,但是超过了允许值,则可能会发生自然或人为灾害,带来巨大的人员与财产损失。自然界的变形危害现象很普遍,如地震、滑坡、崩塌、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等[1]。 所谓的变形监测,就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。其任务是确定在各种载荷的外力作用下,变形体的形状、大小及位置变化的空间状体和时间特征。变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段。 变形体的范畴可以大到整个地球,小到一个工程建筑构体,它包括自认和人工的构筑物。根据变形体的研究范围,可以将变形监测研究队形分为三类: 第一类:全球变形研究,如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率的变化、地潮等; 第二类:区域性变形研究,如地壳形变监测、城市地面沉降等; 第三类:工程和局部形变研究,如监测工程建筑物的三维变形、滑坡提的滑动、地下开采使引动的地表和下沉等。 在精密工程测量中,最具有代表性的变形体有大坝、桥梁、矿区、高层建筑物、防护堤边坡、隧道、地铁、地表沉降等[2]。 2.1 变形监测的内容 变形监测的内容,应根据变形体的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性,既要有重点,又要做全面考虑,以便能正确地反映出变形体的变化情况,达到监视变形体的安全、了解其变形规律的目的。例如: 1. 工业与民用建筑物:主要包括基础的沉降观测与建筑物本身的变形监测。就其基础面而言,主要观测内容是建筑物的均匀沉降与不均匀沉降。对建筑物本身来说,则主要是观测倾斜和裂缝。对于高层和高耸建筑物,还应对其动态变形(主要为振动的幅值、频率和扭转)进行观测。对于工业企业、科学实验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等,其主要观测内容是水平位移和垂直位移。 2. 水工建筑物:对于土坝,其观测项目主要是水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测;对于混凝土坝,以混凝土重力坝为例,由于水压力、外界温度变化、坝体自重等因素的作用,其主要观测项目主要为垂直位移(从而可以求得基础与坝体的转动)、水平位移(从而可以求得坝体的扭曲)以及伸缩缝的观测,这些内容通常称为外部变形观测。为此,为了了解混凝土坝结构内部的情况,还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测,这些内容通常称为内部观测。虽然内部观测一般不由测量人员进行,但在进行变相监测数据处理时,特别对变形原因作物理解时,则必须将内、外部资料结合起来进行分析。 3. 地面沉降:对于建立在江河下游冲击层上的城市,由于工业水需要大量开采地下水,而影响地下土层的结构,使地面发生沉降现象。对于地下采矿地区,由于大量的采掘,也会使地表发生沉降现象。在这种沉降现象严重的城市地区,暴雨以后发生大面积积水,影响仓库的使用与居民的生活。有时甚至造成地下管线的破坏,危机建筑物的安全。因此,必须定期进行变形监测,掌握沉降与回升规律,以便采取防护措施。对于这些地区主要应进行地表沉降观测。 2.2 变形监测的目的 人类社会的进步和国民经济的发展,加快了工程建设的进程,并且对现代建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。与此同时,变形监测工作的意义更加重要。众所周知,工程建筑物在施工和运营阶段,由于受到多种主观与客观因素的影响,会产生变形,变形如果超出了规定的限度,就会影响建筑物的正常使用,严重时还会危及建筑物的安全,给社会和人民生活带来巨大的损失。尽管工程建筑物在设计和施工运营期间采用了一定的安全系数,使其安全承受所考虑的多种外荷载影响,但是由于设计中不可能对工程的工作条件及承载能力做出完全所考虑的施工质量也不可能完美无缺,工程在运行过程中还可能发生某些不利的变化因素,因此,国内外仍有一些工程出现事故。以大坝为例,法国67m高的玛尔巴塞拱坝1959年垮塌;意大利262m高的瓦伊昂拱坝1963因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效;我国板桥和石漫滩两座水库的土坝因1975年洪水漫坝事故等等。可见,保证工程建筑物安全是一个十分重要而且很现实的问题。为此,变形监测的首要目的是要掌握变形体的实际性状,为判断其安全提供必要信息。 目前,灾害监测与防治已越来越受到全社会的普遍关注,各级政府及主管部门对此问题十分重视,诸多国际学术组织,如国际大地测量协会、国际测量师联合会、国际岩石力学会、国际大坝委员会、国际矿山测量协会等,经常定期地召开专业会议进行学术交流和研究对策。经过广大测量科技工作者和工程技术人员近30年的共同努力,在变形监测领域取得了丰硕的理论研究成果,并发挥了实用效益。以我国为例: 1. 利用地球物理大地测量反演论,于1993年准确地预测了1996年发生在丽江大地震。 2. 1985年6月12日长江三峡新滩大滑坡的成功预报,确保灾害损失减少到了最低限度。它不仅使滑坡区内457户1371人在活泼前夕全部安全撤离,无一伤亡,而且使正在险区长江上下游航行的11艘客货轮船及时避险,免遭灾害。为国家减少直接经济损失8700万元,被誉为我国滑坡预报研究史上的奇迹。 3. 隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统在1998年长江流域抗洪峰中所发挥的巨大作用,确保了安全度汛,避免了荆江大堤灾难性分洪。 科学、准确、及时地分析和预报工程及工程建筑物的变形情况,对工程建筑物施工和运营管理极为重要,这一工作术语变形监测的范畴。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,它是一项跨学科的研究,并正向着边缘科学发展。也已经成为测量工作者和其他学科专家合作的研究领域。 变形监测所研究的理论和方法主要涉及到这样3个方面的内容:变形信息的获取、变形信息的分析与解释以及变形预报。其研究领域成果对预报自然灾害及了解变形机理是极为重要的。对于工程建筑物,变形监测除了作为判断其安全的耳目之外,还是检验设计施工的重要手段。 总而言之,变形监测的工作的意义重点表现在两个方面,首先是使用上的意义,主要是掌握各种建筑物和地质构造的稳定性,为安全性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,包空更好的理解机理,验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说,进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。 2.3 变形监测技术及其发展 纵观国内外数10年变形监测技术的发展历程,传统的地表变形监测方法主要采用是大地测量法和近景摄影测量法。 常规地面测量方法的完善与发展,其显著进步是全站型仪器的广泛使用,尤其是全自动跟踪全站仪,有时也称为测量机器人,为局部工程变形的自动监测或室内监测提供了一种良好的技术手段,它可进行一定范围内无人值守、全天候、全方位的自动监测。实际工程试验表明,测量机器人监测精度可以达到亚mm级。目前,在美国加州南部的一个新水库已安装了由8个永久性RTS和218个棱镜组成的地面自动监测系统。但是,TPS最大的缺陷就是受测程限制,测站点一般都处在变形区域的范围内。 地面摄影测量技术在变形监测中的应用起步较早,但是由于摄影距离不能过远,加上绝对精度较低,使得其应用受到局限,过去仅大量应用于高塔、烟囱、边坡体等变形监测。近几年发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广泛的前景。 光、机、电技术的发展,研制出了一些特殊和专用于变形的自动监测,它包空应变测量、准直测量和倾斜测量。 GPS作为一种全新的现代空间定位技术,已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子测量仪器。自从20世纪80年代以来,尤其是进入90年代后,GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术的相结合,在空间定位技术方面引起了革命性的变化[2]。 2.4 变形观测方法的选择 变形测量方法的选择则取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形体的大小和变形速度等因素。在全球性变形监测方面,空间大地测量是最基本、最适用的技术;在区域性变形监测方面,GPS已成为主要的技术手段,另外近几年发展起来的空间对地观测遥感新技术——合成孔径雷达干涉测量(InSAR ,Interferometric Synthetic Aperture Radar),在监测地震变形、火山地表移动、冰川漂移、地表沉降、山体滑坡等方面,其试验成果的精度已可达厘米或毫米级,表现出了很强的技术优势,但精密水准测量依然是高精度高程信息获取的主要方法;在工程和局部性变形监测方面,地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段、以及以GPS(Global Positioning System)为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。 表2.4变形观测方法 类别 监测方法 水平位移监测 三角形网、极坐标法、交会法、GPS测量、正倒垂线法、视准线法、引张线法、激光准直法、精密测距、伸缩仪法、多点位移计、倾斜仪等 垂直位移监测 水准测量、液体静力水准测量、电磁波测距三角高程测量等 三维位移监测 全站仪自动跟踪测量法、卫星实时定位测量法、摄影测量法等 主体倾斜 经纬仪投点法、差异沉降法、激光准直法、垂线法、倾斜仪、电垂直梁等 挠度观测 垂线法、差异沉降法、位移计、挠度计等 监测体裂缝 精密测距、伸缩仪、位移计、测缝计、摄影测量等 应力、应变监测 应力计、应变计 3 高层建筑物沉降监测 3.1 引起高层建筑物沉降的原因 沉降监测是建筑物变形监测中一项重要的监测内容,引起建筑物沉降监测的原因有多种多样。 1. 建筑物基础设计时,没有掌握地基土性,缺乏方案的比选、专家论证,采用的基础形式不当而发生事故   2. 在深厚淤泥软土地基上,错误选用沉管灌注桩、沉管夯扩桩等基础形式,经常发生缩颈、离析、断桩和桩长达不到持力层等事故。   3. 在填土、软土或湿陷性黄土等厚薄不均地基上,采用条形或筏板等基础方案,导致建筑物倾斜。   4. 采用强夯处理地基时。由于夯击能量不足,影响深度达不到加固深度的要求,没有消除填土或黄土的湿陷性,如果建筑物在使用过程中地基浸水,必然造成建筑物下沉、倾斜或裂损。   5. 对于欠固结的填土、淤泥等软土地基,地面大量回填堆载,采用桩基方案时,如忽视负摩擦力的作用与计算,常发生布桩数量不足,导致桩基过量沉降、断桩等严重事故,使建筑物开裂或倾斜。   6. 同一栋建筑物上选用两种以上基础形式或将基础置于刚度不同的地基土层上,易发生严重事故。 3.2 水准基点位置的选择与埋设 3.2.1 水准基点选择与要求 变形观测网是由水准基点和观测点组成。水准基点是沉降观测的基准点,是测定设置在变形区的观测点垂直位移的依据。它的构造与布设必须保证稳定不变和长期保存。根据测区范围,以及精度要求,布设基准点。 由于沉降地区的影响或其他原因,水准基点的高程也可能是变化的。为检查水准基点本身的高程是否变动,可以将其成组埋设,最好选择其中任意三点构成等边三角形或四边形的四个顶点为水准基点。定期对四个水准基点进行复测,这样便可以判断水准基点的高程是否有变动,一般在离建筑物30m 以外150m 以内地势稳定的地方选择和埋设水准点。 3.2.2 水准基点的埋设 水准基点的埋设位置应选择在岩层较浅或土质较硬的地段,应避开即将进行施工的建筑和准备拆修的建筑物,最重要的是要保证水准基点在测区沉降范围之外。点位应便于寻找、长期保存。 水准基点标石的埋设应稳固耐久,一定保持垂直方向的稳定,岩层较浅时,基点标石应埋设在基岩上;当基岩较深时应埋设至原土层,且标石的底部应埋设在原土层以下,并浇灌混凝土基础。具体埋设可参考图3.1。 图3.1 水准基点的埋设断面图 3.3 监测点位置的选择与埋设 变形观测结果的准确性以及其数据能否正确反映出建筑物的实际变形,与其变形观测点布设是否合理、全面有直接关系。沉降观测点位置的确定将决定得到的变形量能否准确而全面的反映建筑物的变形随时间变化的趋势和发展,即决定了能否正确预测建筑物的变形情况进而采用正确的措施。因此,确定沉降观测点的位置是非常重要的,必须数量足够、点位适当。沉降观测点的选择还应便于基础沉降的现场观测,易于保存,并不受损坏。 3.3.1 监测点位置的选择 沉降观测点的位置以能全面反映建筑物地基变形特征,并结合地质情况及建筑结构特点确定,沉降观测点的布设应遵循以下原则: 1. 建筑物的四角、核心筒四角、大转角处及沿外墙每10~15m处或每隔2~3根柱基上。 2. 高低层建筑物、新旧建筑物、纵横墙等交接处的两侧。 3. 建筑物裂缝、后浇带和沉降缝两侧、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。 4. 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。 5. 邻近堆置重物处、受振动有显著影响的部位及基础下的暗浜(沟)处。 6. 框架结构建筑物的每个或部分柱基上或沿纵横轴线设点。 7. 片筏基础、箱形基础底板或接近基础的结构部分之四角处及其中部位置。 8. 重型设备基础和动力设备基础的四角、基础型式或埋深改变处以及地质条件变化处两侧。 9. 电视塔、烟囱、水塔、油罐、炼油塔、高炉等高耸建筑物,沿周边在与基础轴线相交的对称位置上布点,点数不少于4个。 3.3.2 监测点位置的埋设 沉降观测标志的形式与埋设要求,沉降观测标志可根据不同的建筑结构类型和建筑材料,采用墙(柱)标志、基础标志和隐蔽式标志(高级建筑物)等型式。 标志的埋设位置应避开如雨水管、窗台线、暖气片、暖水管、电气开关等有碍设标与观测的障碍物,并应视立尺需要离开墙(柱)面和地面一定距离。隐蔽式沉降观测点标志的型式,可按图3.2、图3.3、图3.4的规格埋设[3]。 图3.2 窨井式标志 图3.3 盒式标志 (适用于建筑物内部埋设,单位:mm) (适用于设备基础上埋设,单位:mm) 图3.4 螺栓式标志 (适用于墙体上埋设,单位:mm) 3.4 观测精度与仪器的选择 国际测量工作者联合会(FIG)第十三届会议(1971年)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高层建筑的安全,则其观测的中误差应小于允许变形值的1/10~1/20; 或1~2mm;如果观测目的是为了研究其变形过程,则其中误差应比这个少得多”。 表3.4.1沉降量观测的中误差 (mm) 允许沉降量 沉降量观测的中误差 观测等级 选用值 4.2 ±0.21 ±0.2 一 12 ±0.60 ±0.5 二 18 ±0.90 ±1.0 三、四 30 ±1.50 ±2.0 五 表3.4.2沉降观测观测点测站高差中误差 变形测量等级 沉降观测观测点测站高差中误差/mm 适应范围 特级 ≤±0.05 特种精密工程、重要科研项目 一级 ≤±0.15. 大型建筑物、科研项目 二级 ≤±0.50 中等精度要求建筑物、重要建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测 三级 ≤±1.50 低精度建筑、一般建筑倾斜观测及场地滑坡观测 注:1:观测点测站高差中误差,系指几何水准测量测站高差中误差或静力水准测量相临观测点相对高差中误差; 2:沉降水准测量闭合差要求:一级小于0.3mm,二级小于1.0mm(其中n为测站数)。 测量仪器采用徕卡DNA03精密水准仪配合3.0米铟瓦水准标尺和2.0米铟瓦水准标尺。 本工程按二级沉降观测要求, 根据《建筑物变形测量规程》(JGJ 8-2007)规定,采用单程观测即可满足精度要求,作业时为提高观测质量采用单程双测站观测。 按二级建筑沉降观测的要求,控制网及沉降点的首次观测采用往返测量,并形成二等水准闭合环,各沉降观测点尽可能位于水准闭合环上。控制点间应保证双站上点,沉降观测点单站上点时应加零点差改正,首次观测成果作为本次监测的基准资料保存。从第2次开始,沉降点的观测及控制网复测按单程双测站观测,并形成闭合线路。支水准线路采用单程双测站观测。其它操作上的要求参照《建筑物变形测量规程》(JGJ 8-2007)中二级水准观测的要求执行。 根据实际情况,观测时,各项限差指标尽量控制到1/2限差范围内,最大不超过2/3限差,以保证观测质量。 3.5 观测方法和周期 1. 沉降观测点的观测方法和技术要求 (1) 测量仪器和设备应固定,仪器有鉴定合格证书;作业过程中对仪器进行了2次检校,仪器i角均小于15″(详见仪器检校记录);观测前对水准尺零点差进行检测并保留记录; (2) 进行观测前,仪器应置于通风处适应30分钟以上;观测时,水准尺圆水准器气泡应居中,并采用辅助杆; (3) 阳光下观测应采取遮阳措施,迁站时仪器应加防护罩;单双站仪器架腿应调转180度; (4) 测站一般不允许仪器调焦,微动螺旋应统一采用旋进方向;视距采用皮尺丈量,测站点应在实地标定下来,以保证每次均在同一位置观测; (5) 控制点间每次均应保证双站上点闭合或附合; (6) 观测者及作业人员应固定,且每次采用相同的观测路线和观测方法; (7) 观测时,仪器应避免安置有空压机、搅拌机、卷扬机等震动影响范围内,塔式起重机等施工机械附近也不宜设站; (8) 每次观测应记载施工进度、增加荷载量等各种影响建筑物沉降变化和异常情况; (9) 每次观测后,应及时对观测资料进行整理,计算观测点的沉降量、沉降差以及本周期平均沉降量和沉降速度。 2. 沉降是否进入稳定阶段,有几种方法进行判断: (1) 根据沉降量与时间关系曲线来判定; (2) 对重点观测和科研观测工程,若最后三期观测中,每期沉降量均不大于倍测量中误差,则可认为已进入稳定阶段; (3) 对于一般观测工程,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。 3. 沉降观测的工作方式 “分级观测”方式。将沉降观测的布点分为三级:水准基点、工作基点和沉降观测点, 沉降观测分两级进行:(1)水准基点——工作基点;(2)工作基点——沉降观测点。 如果建筑物施工场地不大,则可不必分级观测,但水准点应至少布设3个,并选择其中最稳定的一个点作为水准基点。 4. 沉降观测的周期和观测时间 在我们选择仪器和观测方法后,就要确定观测的周期。沉降观测的间隔时间为观测周期。它的确定一般可根据下面两种方法确定: (1) 按荷载阶段确定周期从开始施工到满荷载为第一阶段,其观测周期约为10天—1月左右(视工程进度而定)。从满荷载起到沉降速度变化趋向稳定时为第二阶段。在此阶段的观测周期可适当放长,但不应超过三月。从沉降速度稳定后到基本停止沉降时为第三阶段,其观测周期开始时为半年或一年左右一次,往后可增长到2—3年观测一次。 (2) 按沉降速度确定就是根据下沉的速度来确定观测的周期。为了精确反映沉降量。 玫瑰东方小区进行了两期沉降观测。是根据建筑物上部结构施工,随着荷载的增加,每增加一层荷载观测一次,封顶时观测一次。上砌体,装修,竣工,使用各观测一次。使用阶段,使用后第一年观测四次,第二年每间隔半年观测一次,以后每年观测一次。 如在观测过程发现差异沉降量大于规定的要求时或阶段沉降量较大时,一方面要及时通知设计施工部门采取措施。另一方面要缩短观测周期,进行监测,以保证建筑物的安全[4]。 3.6 水准测量的精度 (1)往返高差不符值Δ计算每公里的偶然中误差: (3.6.1) (2)往返平均值的每公里偶然中误差: (3.6.2) (3)每公里高差权中误差: (3.6.3) 3.7 提高观测精度的方法 沉降点的观测尽量采用比较固定的方式进行测量。即在沉降测量过程中固定观测人员,固定观测仪器,固定施测路线、立尺位置及转点,尽量使各次观测的环境和条件保持一致。这样既可以提高观测速度,又能提高观测精度。施测过程中应采取一些必要的措施来提高测量精度,如水准仪i角是一个变化值,每次作业前,对i角进行检查,若发现i角大于15秒,应及时进行检验校正,外业观测中采用皮尺来量取前后视距,保持前后视距相等。这样既可提高作业速度,又可减小i 角误差的影响,提高测量精度;作业中为保证水准尺气泡稳定居中,应尽量采用尺撑等辅助设备以稳定水准尺,保证水准尺在测量过程中处于竖直状态,减小因风力或人为因素引起的水准尺倾斜误差的影响。 4 高层建筑物的倾斜监测 测定工业与民用建筑物倾斜度随时间变化的工作,称为倾斜监测。高层或高耸的建筑物,如电视台、水塔、高层建筑物等,由于基础不均匀沉降或受风力等影响,其垂直轴线会发生倾斜。当倾斜达到一定程度时会影响建筑物的安全,因此必须对其进行倾斜监测或不均匀才沉降监测。 建筑物主体倾斜观测,应测定建筑物顶部相对于底部或各层间上层相对于下层的水平位移与高差,分别计算整体或分层的倾斜度、倾斜方向以及倾斜速度。对具有刚性建筑物的整体倾斜,亦可通过测量顶面或基础的相对沉降间接确定。 4.1 引起建筑物倾斜的原因 建筑物主体倾斜观测的原因很多,如地质勘探不充分与结果不准确,设计错误,施工质量差,施工方法不当等。   (1)基础工程施工质量低劣:施工部门偷工减料,弄虚作假,随便减少配筋,降低混凝土强度等级,采用劣质钢材乃至缩小基础尺寸,减少基础埋深,基础施工放线不准确等。   (2)地基处理方面的原因:目前地基处理手段多,这方面的问题也很多,如桩端未进到设计持力层;桩径未满足设计要求;强夯未达到有效的影响深度;振冲碎石桩未达到振密效果;检测手段不合理或未能正确反映实际情况等等。   (3)地下开挖引起地面建筑物的裂损:城市由于修建地铁、地下街等地下建筑物,或者矿区开挖采矿、采煤巷道引发地面沉降,造成地面建筑物的下沉、开裂、倾斜等损害。   (4)相邻深基坑施工引起建筑物的损坏:在高层建筑基础工程施工中,由于深基坑的开挖、支护、降水、止水、监测等技术措施不当,造成支护结构倒塌或过大变形,基坑大量漏水、涌土失稳,基坑周边地面塌陷,以及相邻建筑物基础工程的施工相互影响,都会对已建成或正在建造的相邻建筑物造成威胁与损坏,引发严重的事故。 4.2 基准点位置选择与埋设 建筑主体倾斜观测应测定建筑顶部观测点相对于底部固定点或上层相对于下层观测点的倾斜度、倾斜方向及倾斜速率。刚性建筑的整体倾斜,可通过测量顶面或基础的差异沉降来间接确定。 主体倾斜观测点和测站点的布设应符合下列要求:     1. 当从建筑外部观测时,测站点的点位应选在与倾斜方向成正交的方向线上距照准目标1.5~2.0倍目标高度的固定位置。当利用建筑内部竖向通道观测时,可将通道底部中心点作为测站点;     2. 对于整体倾斜,观测点及底部固定点应沿着对应测站点的建筑主体竖直线,在顶部和底部上下对应布设;对于分层倾斜,应按分层部位上下对应布设;     3. 按前方交会法布设的测站点,基线端点的选设应顾及测距或长度丈量的要求。按方向线水平角法布设的测站点,应设置好定向点。 4.3 倾斜观测点位选择与埋设 主体倾斜观测点位的标志设置应符合下列要求:    1. 建筑顶部和墙体上的观测点标志可采用埋人式照准标志。当有特殊要求时,应专门设计;    2. 不便埋设标志的塔形、圆形建筑以及竖直构件,可以照准视线所切同高边缘确定的位置或用高度角控制的位置作为观测点位;    3. 位于地面的测站点和定向点,可根据不同的观测要求,使用带有强制对中装置的观测墩或混凝土标石;    4. 对于一次性倾斜观测项目,观测点标志可采用标记形式或直接利用符合位置与照准要求的建筑特征部位,测站点可采用小标石或临时性标志[5]。 4.4 主体倾斜观测观测的精度与仪器设备的选择 主体倾斜观测的精度 表4.1 不同等级观测点坐标中误差 变形测量 等级 位移观测 使用范围 观测点坐标中误差 /mm 特级 ≤0.3 特高精度要求的特种精密工程和重要科研项目变形观测 一级 ≤1.0 高精度要求的大型建筑物和科研项目变形观测 二级 ≤3.0 中等精度要求的建筑物和科研项目变形观测;重要建筑物主体倾斜观测,场地滑坡观测 三级 ≤10.0 低精度要求的建筑物变形观测;一般建筑物主体倾斜观测,场地滑坡观测 根据点位观测观测点坐标中误差的允许误差见表4.1,可以把这次观测定为三级观测,观测点坐标中误差为5mm。 表4.2 全站仪准确度等级分类 准确度等级 测角标准偏差/(mm) 测距标准差/mm Ⅰ ∣∣ ∣∣ Ⅱ 1﹤∣∣ 3∣∣ Ⅲ 2﹤∣∣ 5﹤∣∣ Ⅳ 6﹤∣∣ 10﹤∣∣ 注:为一测回水平方向标准偏差;为每千米测距标准偏差 表4.3 测距中误差与对应等级 测距中误差 测距仪精度等级 Ⅰ < Ⅱ < Ⅲ 根据设计的要求,高层建筑物的倾斜限差为5cm,由此可以确定倾斜位移的最大中误差、所需的观测全部采用全站仪,采有测角精度为,测距精度为1+2ppm的免棱镜全站仪,对于变形监测等级为三级以及更低的建筑物,仪器距离建筑物的距离不超过200m,按测角中误差为,距离采用200m的极限值进行计算: 方向角误差带来的影响 (4.4.1) 式中为方向角中误差,D为距离,=206265为常数 测距带来的误差=+ (4.4.2) 式中为固定误差,为比例误差 点位误差的计算公式为: = (4.4.3) =2.5mm 变形监测等级三级的位移观测应满足观测点坐标中误差5mm 本次观测定为三级观测,观测点坐标中误差为5mm,测距精度为1.4mm 方向角误差带来的影响 测角测距的精度指标: 表4.4 测角精度技术指标 等级 测角中误差(″) 最弱边边长相对中误差 测回数 三角形最大闭合差(″) DJ1 DJ2 DJ4 二等 1 ≤1/20000 12 3.5 三等 1.8 ≤1/70000 6 9 7 四等 2.5 ≤1/40000 4 6 9 表4.5测距主要技术要求如表 平面控制网等级 测距仪精度等级 观测次数 总测回数 一测回读数较 (mm) 单程各测绘较差(mm) 往 返 二、三等 Ⅰ 1 1 6 ≤5 ≤5 Ⅱ 8 ≤10 ≤15 四等 Ⅰ 1 1 4-6 ≤5 ≤7 Ⅱ 4-8 ≤10 ≤15 注:①测回是指照准目标一次、读数2~4次的过程; 由此可以确定:本次监测点的测角中误差≤ 4.9″,根据《工程测量规范》可以确定测角的观测等级为四等即能满足观测要求。 4.5 施测的方法与观测周期 建筑物倾斜度的测量方法包括(1)激光铅直法(2)经纬仪投影法(3)测水平角法(4)光学垂准法。 建筑物主体倾斜观测是建筑物变形观测的通常项目,不管采用何种方法,均是通过测量位于建筑物主体上,理应在同一竖直线上的上、下两点间的水平偏侈量、偏移方向和两点间的高差h,从而求得建筑物主体的倾斜度i 及其倾斜。 方向。 A P H S2 S1 S3 图4-1 高层建筑物的观测图 首先在建筑物周围标定、、 三点,监测其中转角和边长,则可求得其在 资用坐标系中的坐标,然后分别设站于、、 三点,监测建筑物底部的夹角,并取其平均值,以同样的方式监测建筑物顶部,按角度前方交会的原理,确定A、P的坐标[5]。 按前方交会的公式计算P点坐标 (4.5.1) (4.5.2) 同理按前方交会的公式计算A点坐标 计算偏距 (4.5.3) 建筑物主体的倾斜观测,应测定建筑物顶部观测点相对于底部观测点的偏移值,再根据建筑物的高度,计算建筑物的倾斜度,即 (4.5.4) 式中----------建筑物的主体倾斜度; ----------建筑物顶部观测点相对于底部观测点的偏移值; ----------建筑物的高度 ---------倾斜角 主体倾斜观测的周期 主体倾斜观测的周期可视倾斜速度每l~3个月观测一次。当遇基础附近因大量堆载或卸载、场地降雨长期积水等而导致倾斜速度加快时,应及时增加观测次数。当建筑突然发生大量沉降、不均匀沉降或严重裂缝时,应立即进行逐日或2~3d一次的连续观测。 4.6 提高精度的方法  1. 根据建筑物周围标定、、三个已知点,分别设站于、、 三个已知点,可以分别求出A、P两点的坐标,取其坐标的平均值,这样可以提高坐标的精度。  2. 全站仪安置在固定测站上,该测站到建筑物的距离,为建筑物高度的1.5倍以上。 3. 对于观测的角度和边长都要进行多次观测,取其测角量边的平均值,提高测角量边的精度,也能达到提高坐标的精度。 5 数据处理 5.1 变形监测数据处理的三大平差方法 常用的数据处理平差方法分为三种,分别是基于经典平差的变形网数据处理、基于秩亏自由网平差的数据处理、基于拟稳平差的变形网数据处理[6]。 5.2 平差方法的选择 在布设的水准网中有四个水准基点,而且四个水准基点均埋设到基岩,基础十分稳固。在沉降观测之前,假定了高程基准或者使四个水准基点与已知水准点联测,得到各基准点的高程,且各点多次高程较差要求达到一定的限差,因此可认为水准基点是稳定的(水准基点的高程取稳定后两次观测得到的高程的平均值)。可把此水准网看作有四个固定基准的水准网,采用间接平差原理进行数据处理较合理,它是变形数据处理的一种经典平差方法[6]。 5.3 间接平差在数据处理的应用 对于测绘学科来说,数据处理就是要利用测量平差基本原理对所得到是外业采集的数据求最优解。测量平差的任务是处理一系列带有偶然误差的观测值,求出未知量的最佳估值并评定测量成果的精度。 经典的测量平差控制网平差时必须具备必要的起算数据,并以这些必要的起算数据为基准,确定其他网点的坐标,这些必要的起算数据一般称为参考基准。 变形网实质上仍然是一个如何确定网点位置的测量控制网,因此完全可以按照经典控制网的平差方法来平差,确定网点的位置,考虑到变形网图形复杂、多余观测多的特点,变形网的平差一般采用间接平差法[7]。 5.4 间接平差法求平差值的计算步骤 1. 根据平差问题的性质,选择个独立量作为参数; 2. 将每一个观测量的平差值分别表达成所选参数的函数,若函数非线性要将其线性化,列出误差方程; 3. 由误差方程系数和自由项 组成法方程,法方程个数等于参数的个数 ; 4. 解算法方程,求出参数,计算参数的平差值 ; (5.4.1) 5. 由误差方程计算,求出观测量平差值 ; (5.4.2) 6. 评定精度。 对于高层变形监测,主要处理的是变形网的高程网,因为在我们测量的网中只有一个稳定点,可依该稳定点为起算点对网进行平差,确定各个高程点的高程,然后根据各期观测中网点的高程,确定网点的变形[8]。 (5.4.3) 当网中有多个稳定点,可以按下步骤计算: 1. 任意一点为起算点进行平差,确定各个点的高程。 2. 分析确定各个稳定点,将上述平差后的高程作为这些稳定点的已知高程,然后以这些稳定点为固定点对各期进行平差计算。 3. 根据各期观测网点的高程确定网点的变形值。 5.5 沉降观测数据的预处理 首先对外业观测数据进行预处理,至少两人分别进行检查外业观测数据是否有出现错误;然后分别计算各沉降观测点之间及与水准基点间的高差并记录,最后计算闭合差是否符合限差要求,这里包括附和水准路线和闭合路线的闭合差。由于边坡周围地形条件的限制,使得观测时要设立较多的测站,因此采用测站数来计算不符值或闭合差的限差,即闭合差≤1.0mm(其中为测站数)。 5.6 沉降监测网的平差 高程网的间接平差在沉降测量中一般都要对多节点水准网进行平差计算,如图: A D C B X Y Z T 1 2 3 4 图5.1水准网 A、B、C、D 分别为已知水准基点,1、2、3、4为水准网中的节点,高差与距离图中已标出。设X、Y、Z、T是节点1、2、3、4的平差后高程,下面是求解1、2、3、4点平差后高程的过程: (1)权的确立 用距离L与测站数n定权 以测站数定权P=C/n; 以距离定权P=C/L (2)列误差方程式 (5.6.1) (5.6.2) (5.6.3) (5.6.4) (5.6.5) (5.6.6) (5.6.7) (5.6.8) (3)组法方程 (5.6.9) (5.6.10) (5.6.11) (5.6.12) (4)计算各点平差高程值 (5.6.13) (5.6.14) (5.6.15) (5.6.16) 由以上求解过程可得出规律:每个点高程平差值就是该节点周围各线路计算的高程的带权平均值 计算还可以通过计平差软件来完成,可以直接把原始观测数据(各测段的高差值)代入到程序中得到各沉降观测点的高程。最后在做一些简单处理,求两次观测数据得到的高程差,即得到各沉降观测点在某一时期沉降量的具体数值[11]。 5.7 倾斜观测平差计算 设测角中误差为,基准点坐标中误差(),() 利用误差传播定律得到交会点P的精度计算公式 (5.7.1) (5.7.2) (5.7.3) (5.7.4) (5.7.5) (5.7.6) 这样就可以求出P的精度,同理位于楼底部A点也可以求其精度值,再根据实测的P、A的坐标,就可以计算出平差后的坐标,再计算偏距[12]。 6 监测数据的整理与分析 6.1 监测数据的整理 高层变形监测的内容非常多非常复杂,所以一切的测量都要符合原始的数据,监测人员如果在表格中记录监测中出现或观察到的异常情况。要表明原始成果的真实性,记录表格中的原始数据不得随意更改。 外业观测完成后,应及时分类整理和检查外业观测资料,进行观测值的平均值等有关计算。外业观测成果应尽快进行计算处理,求得未知数的最或是值及其变形量、变形速率等,编制监测日报表或当期的监测技术报告,并尽快提交有关部门。对于变形监测的施工项目,必须提交阶段性的监测报表。在提交报表的同时,应提交监测点的点位布置图、位移向量图、监测点变形的时程曲线等。 6.2 监测数据的分析的方法 变形分析主要包括两方面内容:①对高层变形进行几何分析,即对高层的空间变化给出几何描述;②对高层变形进行物理解释。几何分析的成果是大楼运营状态正确性判断的基础。常用的分析方法有作图分析、统计分析、对比分析和建模分析。 (1)作图分析 通过绘制各观测物理量的过程线及特征原因量下的效应量过程线图,考察效应量随时间的变化规律和趋势,常用的是将观测资料按时间顺序绘制成过程线。 通过观测物理量的过程线,分析变化规律,并将其与水位、温度等过程线对比,研究相互影响关系。通过绘制各效应量与原因量的相关图,以考察效应量的主要影响因素及其相关程度和变化规律。这种方法简便、直观、特别适用与初级分析阶段。 (2)统计分析 对各长期观测量的最大和最小值、变幅、周期、观测一段时间的平均值以及变化率进行统计、分析、以考察各观测量之间在数量变化方面是否具有一致性、合理性,以及它们的重现性和稳定性等。这种方法具有定量的概念,使分析成果更具有实用性。 (3)对比分析 比较各次巡视检查资料,定性考察建筑物异常现象的部位、变化规律和发展趋势;比较同类效应量观测值的变化规律或发展趋势,是否具有一致性和合理性;将监测成果与理论计算或实验成果相比较,观察其规律和趋势是否有一致性、合理性;并与工程的某些技术预警戒值相比较,以判断工程的工作状态是否异常。 6.3 变形监测沉降结果分析 根据监测时间情况,把整个观测分为七个周期,从2012年4月10日首次测量,第一周期为第25天,第二周期为第49天,第三周期为第71天,第四周期为第95天。设沉降量为S(mm),周期天数为d(天),沉降速度为V(mm/d),见下表6.1。 表6.1 沉降结果分析表 观测周期 1 2 3 4 平均沉降量(mm) -1.05 -2.92 -4.3 -6.5 周期天数d 24 49 71 95 沉降速度(mm/d) -0.044 -0.06 -0.061 -0.068 沉降量计算 : , , , , 总平均沉降量(mm) 从表6.1可以看出:各阶段沉降速度,,, 在观测周期内,该建筑基础沉降基本为均匀沉降,沉降变化不大,没有发现异常现象,沉降速度逐渐减小。由分析表的数据可以看出,观测周期最后一次为第4期,远远没有达到总设计的周期数,由该数据对少量的数据进行预测分析。对比后期观测真实数据,探究预测分析的精确性[13]。(参阅载荷-时间-沉降曲线图)。 6.4 沉降图分析 图6.1 A1-A10沉降趋势图 图6.2 载荷-时间-沉降量图 由沉降趋势图及载荷-时间-沉降图可以看出,工程前期,楼层沉降趋势较缓,后期开始加快,前期主要是工程进度慢所引起,楼层载荷相对较小,后期由于楼层载荷不断加大,使沉降明显,由于观测工期比较短暂,沉降并没有达到最终的平衡,而是继续下沉,主要原因是楼并未完工,预计当楼层封顶后,沉降基本停止。 7 上交资料 设计书、观测数据、变形量的计算成果、平差成果、变化曲线等监测工作全部结束后,应提交完整的监测技术总结报告,总结报告至少包括如下内容:①工程概况;②监测内容和控制指标;③监测点布置预埋设方法;④监测仪器仪表、监测方法、数据处理方法、监测精度;⑤监测周期与频率;⑥各项监测成果汇总表;⑦结合各项监测结果和有关图件进行变形分析;⑧结论与建议。 8 专题 GPS技术在高层建筑变形监测中的应用研究   传统的变形监测方法主要有两大类:一是物理学传感器方法,二是常规的大地测量方法。物理传感器方法只能观测有限的局部变形。常规的大地测量方法工作量大、效率低、受气候的影响大,并要求监测点与基点通视。近年来发展的GPS测量技术具有高精度的三维定位能力,为监测各种工程变形提供了极为有效的手段。正因为它具有高精度、高效益、全天候、不需通视等优点,逐渐被用来代替常规的测量方法。 8.1 GPS技术进行工程变形监测的思路 GPS技术在变形监测中的应用,有以下步骤: 1. 基准设计。基准设计是一项反映形变体监测成果是否可靠、准确的工作。由于GPS测量无需通视而且作业距离长,因此应用GPS技术完全可以将基准点选在变形区外,从而保证了数据的可靠性。 2. 图形设计。根据监测的目的,在图上选点,然后到野外踏勘,以保证所选点位满足布网的要求和野外观测具备的条件,最后得到要施测的概略点位。根据接收机台数的多少和布网原则,设计网的观测图形。 3. 观测周期和时段的设计。针对观测时段和周期,可以将工程及工程变形的性质(如长时期的缓慢变化,连续较快变化,剧烈变化等)结合起来分析,做出有利用于实现分析成果和监测意图的最佳观测周期,且可以结合目前天空的卫星分布情况,卫星的健康状况,对于时段的长短、白天、黑夜、气象等外界因素的各种分析,得出最佳的观测时段。 4. 确立外业观测模式。通常所进行的相对静态定位方法是利用在某一时间段观测(同步)的数据,利用差分等手段,求得点与点之间的坐标向量。而对于连续不断的工程变形,获得的是这一时间段内点位之间最直接的关系值。 5. 选定监测面并在外业数据采集完成之后,利用建筑物整体形变模型刻画监测面刚性运动状态。通过多期连续观测来反映建筑物的形变信息。 8.2 GPS变形监测模式 8.2.1 周期性监测模式 当形变体的变形速率相当缓慢,在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时,可利用GPS进行周期性变形监测,监测频率视具体情况可为数月、一年或甚至数年之久。此时采用GPS静态相对定位方法测量,将2台以上GPS接收机安置在观测点上同步观测一段时间,观测时段长度和时段个数依监测精度的要求而定。这种方法尤其适用于长边监测网,边长相对精度可高达10- 9。 8.2.2 连续性监测模式 连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集,获得变形数据系列,此时监测数据是连续的,具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征, GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测,一般要求变形响应的实时性。其监测的主要目的在于获取变形信息及其特性,数据处理与分析可以在事后进行。系统的精度可按要求设定,目前最高监测精度可达到亚毫米级。 8.3 GPS在变形监测中的测量方法 按监测对象及要求不同, GPS在变形监测中可选择静态测量法,快速静态测量法和动态测量法三种。 1. 静态测量法:静态测量法,就是把多于3 台GPS接收机同时安置在观测点上同步观测一定时段,一般为1小时至2 小时不等,用边连接方法构网,用后处理软件解算基线,经平差计算求定观测点三维坐标。这种方法定位精度高,适用于长边,测边相对精度可达10- 9。 2. 快速静态测量法:这种方法尤其适用于对监测点的观测。其工作原理是:把两台GPS接收机安置在基准点上固定不动连续观测,另1~4台接收机在监测点上移动,每次观测5~10分钟(采样间隔为2秒) ,经事后处理,解算出各监测点的三维坐标,根据各次观测解算出的三维坐标精度为:水平位移±3~ ±5 mm,垂直位移±5~ ±8 mm。若距离大于3 km,水平精度为5 mm + 1 ppm·D,垂直精度为8 mm + 1 ppm·D。 3. 动态测量法:该方法又分:准动态测量方法和实时动态测量法。实时动态测量方法又叫RTK方法(Real Time Kinematic) ,是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。其原理是:在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续观测,并将观测数据通过无线电传输设备,实时地发送给在各监测点上移动观测(1~3秒钟)的GPS接收机,移动GPS接收机在接收GPS信号的同时,通过无线电接收设备基准的观测数据,再根据差分定位原理,实时计算出监测点三维坐标及精度,精度可达2~5 cm。基准点与监测点有5颗以上共视GPS卫星精度可达1~2 cm。 静态和动态各有优缺点,根据实际需要选择。一般基准网应采用静态测量方法,当基准网的边长超过10 km,要考虑基准网的起算点与国际IGS站联测,基线向量 算时采用精密星历,保证基线解算的精度。对监测点进行测量时,可采用快速静态测量法。在桥梁监测时,可选择实时动态测量,如果距离近,基准点与监测点有5 颗以上共视GPS卫星时,精度可达1~2 cm[16]。 8.4 准动态特征监测 在对高层建筑物进行监测时,对其准动态特征的监测是一项非常重要的工作。在此引入高层建筑物整体形变模型,利用多期观测数据来反映建筑物的准动态特征。建筑物的整体形变(沉降、水平位移、倾斜)可体现于监测面的姿态变化。因此,刻画监测面刚性运动状态的模型则可形象地描述建筑物的整体形变状态[ 3~6 ] 。例如, 某大楼28 层, 高97m。离该楼场地约400 m的地方有一个三等水准点,将其作为检测点,在大街的人行道边空地上按四等水准测量测设了一个水准基点S,作为基础监测面A高程基准。基准点S便于观测、易于保存,位于大楼形变影响范围以外。利用GPS网在大楼附近观测条件较好的地方(大街人行道边和一座居民楼上) ,建立了两个基准点分别作为基准站和参考站。监测方案如图1所示,其中A、B分别为两监测面。 图1 大楼准动态特征监测示意图 在大楼地面上第一层各主要砼柱上布设监测点,组成基础监测面A。检测面A的主要作用是检测大楼基础是否移动,另在大楼顶层布设3个GPS监测点,组成整体监测面B。通过研究监测面B的运动状态来描述建筑物的准动态特征。研究模拟高层建筑物形变监测特定环境的实验表明 ,按静态测量模式可获得较好的定位结果。因此,为获得较精确的形变监测结果,应按静态测量模式观测。采用双频接收机,观测时段的时间长度设为30~120 min,卫星高度角限值设为15°。为配合工程应用坐标系统采用独立坐标系统。表1为监测面B上3个监测点前两期的坐标值。 表1 监测面B上监测点第1.2期的坐标值 点号 第1期 第2期 x y z x y z 1 -26.511 -29.433 181.210 -26.589 -29.706 181.186 2 25.836 20.516 181.485 25.909 20.432 181.478 3 -26.411 29.112 181.305 -26.300 29.130 181.286 将表1中的各监测点坐标值代入建筑物整体形变检测模型即可求出监测面B由第1期至第2期的转动矢量和转角如下; , ,。(负为左旋)由这些数据可以绘出大楼的整体形变图。在下沉量和转角较小的情况下,能形象地显示出大楼的下沉和旋转说明了模型在反映高层建筑物整体形变状态的灵敏性和有效性。若利用多期GPS监测数据,即可获得建筑物形变的动态规律。 8.5 实时动态特征监测 高层建筑物实时动态特征的监测对其安全运营、维护及设计至关重要,尤其要实时或准实时监测高层建筑物受地震、台风和洪水等外界因素作用下的动态特征,如高层建筑物摆动的幅度(相对位移)和频率。如图3所示,应用GPS动态定位模式对该大楼进行动态特征监测。研究其在风载、地脉动以及其他外界因素影响下的自振特性。外业观测时采用Trimble双频GPS接收机,其中一台接收机设置在视野开阔且周边环境较好的地面点上,作为基准站;另一台接收机设置在距基准站约250 m的固定点位上作为参考点;第三台接收机设置在大楼顶层开阔处,同样要求周围无干扰源。GPS1至GPS3的距离约190 m。GPS动态观测时的接收机采样间隔设置为1 s,卫星高度角限值为15°,按动态定位观测模式连续观测时间约为1 h 图2 大楼实时动态监测方案 以X方向坐标变化为例绘制时程曲线图如图4所示。由图可知整个时程曲线的变化量,水平方向的标准偏差为±213 mm最大偏差为- 1612 mm。这符合动态GPS测量的正常精度,表明GPS观测质量是好的。 8.6 GPS测量数据处理 GPS数据处理过程可划分为基线解算和网平差两个阶段。使用数据处理软件进行GPS网平差,需要按以下几个步骤进行(见图3) : 1)提取基线向量,构建GPS基线向量网; 2)三维无约束平差; 3)约束平差/联合平差; 4)质量分析与控制。 图3 GPS网平差的总体流程 8.7 GPS变形监测待解决的问题 8.7.1 GPS变形监测技术的不足 GPS技术用于高层建筑变形监测存在如下不足之处: GPS接收机在高山峡谷、地下、建筑物密集地区和密林深处,由于卫星信号被遮挡及多路径效应的影响,其监测精度和可靠性不高或无法进行监测;GPS用于动态变形监测时,由于GPS动态测量的精度只能达到厘米级,对微变形量, GPS测量误差成为强噪声,从受强噪声干扰的序列观测数据中提取微弱的变形信息,是GPS动态监测应解决的一个关键技术问题; GPS与一般全站仪、测斜仪等监测设备相比,设备成本较高,一般要3台以上GPS接收机; GPS误差源多,与传统大地测量手段相比, GPS定位结果和观测值之间的函数关系复杂,误差源多,数据处理过程中任一环节处理不好都将影响最终的监测精度。 8.7.2 整周模糊度的解算问题 模糊度的解算就是快速可靠地确定GPS载波相位测量中的初始整周模糊度,这是把GPS载波相位测量用于动态测量的关键问题之一,同时模糊度的正确求解是获得高精度GPS基线向量解的先决条件。在一般精度的GPS定位中,定位所需的时间实际上就是正确整周模糊度所需要的时间。快速确定整周模糊度对提高GPS定位的作业效率具有极其重要的作用。 是整周模糊度动态解算方法(Ambiguity ResolutionOn2The2Fly ,简称OTF法) ,但该法只能达到厘米级精度,不能满足高精度动态变形监测的需要。另外,对于动态变形监测,由于监测点在很短时间内的变形是微小的,表现为一种弱信号,而误差却成为强噪声,如何从受强噪声干扰的序列观测数据中提取微弱的特征信息,以提高变形监测的精度,是GPS动态监测系统应解决的一个关键技术问题。目前,这一问题通常是采用数据平滑或Kalman滤波的方法在时域内进行处理。对于变形的频率和幅值等主要变形特征的分析,则通常采用频谱分析法将时域内的数据序列通过Fourier级数转换到频域内进行分析。但由于这些方法本身存在的缺陷,对于非平稳、非等时间间隔观测信号的变形特征提取存在局限性。 8.7.3 多路径效应的影响 在GPS测量中,如果测站周围的反射物所反射的卫星信号(发射波)进入接收机天线,这就将和直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉,从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称做多路径效应。具体的GPS高层建筑变形监测中的多路径影响主要有GPS接收机旁边高物的多路径影响和高层建筑屋顶的多路径影响。由于多路径效应是GPS测量中一种重要的误差源,将严重损害GPS测量的精度,因此必须对多路径效应的影响进行处理。具体的处理方法可以有施测器材方面的和数据处理方面的。在施测器材方面可以采用好的接收机,好的天线和给接收机加抑流圈,适当减小多路径 效应的影响;在数据处理方面,由于多次观测中的多路径效应的影响会出现复现性,因此可以在数据处理时针对其复现性进行建摸,并将其剔除,从而适当削弱多路径效应的影响。 总结 本文研究了变形监测流程,主要是变形监测成果的实现与通过平差计算对变形点做出分析。变形的安全监测是进行变形预测的前提条件,也是整个信息化施工的重要环节,对于成功预测后期变形具有重大的影响。对建筑物变形或变形发展趋势进行尽早准确的预测,是变形测量追求和探索的目标。建立数学模型预测建筑物的变形量,相关规定要求有不少于10个周期的观测数据,待积累满足要求的数据后建立数学模型觉得滞后,有的建筑物因在整个建筑期内的观测周期达不到规定要求而不能建立数学模型,因此不能尽早或不能提供预测数据来完全满足工程需要,也在一定程度上损失了沉降观测成果的使用价值。与土建施工有关的变形测量中,沉降观测仍然是重要的监测手段。 1. 高层建筑物变形监测主要是沉降观测,通过周期性的沉降观测,可对整个建筑施工及使用定期提供安全数据,确保了建筑物在施工与应用期的安全性。 2. 由于沉降观测是一项严格的数据分析观测过程,而且数据采集与分析具有严格大地连续性,沉降观测期间,必须严格保证数据不能超限,如果数据超限,将严重影响沉降观测的精确性。在观测期间,如果出现数据超限的情况,必须重测。 3. 高层建筑物的倾斜观测对精度要求比较高。所以在对仪器、测角精度和测距精度都有较高的要求。对于测距,由于建筑物倾斜测量中仪器距离建筑物距离一般不会太远。故测距误差的固定误差对测距精度影响比较大,因此该选用固定误差较小的全站仪。 4. 平差计算部分,具体阐述了平差理论,也可以设计平差程序,或者可以根据相关软件进行数据的平差,使计算跟简单,快速,准确。 5. 检测周期内的所有外业监测工作及内业解算结束后,还应根据得到的数据进行科学的综合分析。一旦变形量达到了报警值或遇到异常情况时,应立即通知有关各方采取措施,减缓安全隐患。 致谢 要毕业了,毕业设计是对我们大学以来所学的专业知识的总结,经过半个学期的忙碌,我的设计终于接近尾声了,在过去的时间里由于我在很多方面的经验还不足,学习的内容不够扎实,所以遇到了很多困难,是老师及时的督促指导我,在我做毕业设计的每个阶段,从查阅资料到设计草案的确定和修改,中期检查,后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。 通过本次设计也让我和其他同学一样切实学到了很多知识,在这里感谢我的老师,感谢我的母校,感谢所有帮助我的人,真心的向大家说一声谢谢! 附录 水 准 法 观 测 记 录 表 日 期: 天气: 仪器型号: 观测者: 记录: 复 核: 测站编号 后距 后距 方向及尺度 标尺读数 高差中数 备注 前距 前距 第一次 第二次 视距差d ∑d 后 前 后-前 h 后 前 后-前 h 后 前 后-前 h 后 前 后-前 h 后 前 后-前 h 9 参考文献 [1] 测绘基本术语(GB/T 14911-94)北京:中国标准出版社,1994. [2] 王家贵,金继读.测绘学基础[M].北京:教育科学出版社,2000. . [3]伊晓东,李保平.变形监测技术及应用.郑州:黄河水利出版社,2007. 32-40. [4] 李青岳,陈永奇.工程测量学[M] .2版.北京:测绘出版社,1995. [5]张正禄.工程测量学.武汉:武汉大学出版社,2005. [6]黄声享,伊晖,蒋征.变形监测数据处理.武汉:武汉大学出版社,2003. [7]余学祥,徐绍铨,吕伟才.变形监测数据处理自动化[J]. 电子学报, 2001. 29(12A) [8]武兴岩,全广军.高层建筑的沉降变形监测与数据处理分析[S].石家庄:河北省地矿局水文工程地质勘察院,2009. [9]邱卫宁,黄加纳.误差理论与测量平差基础.武汉:武汉大学出版社,2003. [10]余学祥,徐绍铨,吕伟才.变形监测数据处理自动化.徐州:中国矿业大学出版社,2004. [11]张书毕.测量平差.徐州:中国矿业大学出版社,2008. [12]丁宁.高层建筑物变形监测数据处理与分析.济南:山东建筑大学,2006. [13]杨伟.高层建筑的数据处理与分析[J].清华大学报,2009,33(4):62-67. [14] 陈永奇.变形观测数据处理[J].测绘报,2006. [15] Yin Hui.English for Geomatics Engineering[M].武汉:武汉大学出版社,2005:76-78. [16] 李天文,GPS原理及应用[M].北京:科学出版社,2003,183-184. 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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