变形测量-第五章(1)变形观测与数据处理
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(3)建筑场地沉降观测：包括相邻地基沉降、场地地面 沉降。
生物工程中心挡墙监测实例。
2021/7/11
某工程中心挡墙采用土钉加肋柱梁支挡结构体系,土钉 间距１.２m×１.２m,成孔直径127mm，孔深７～14m不 等,挡土墙坡面采用厚100mm、Ｃ20强度等级的喷射混凝 土。如图１所示,西向挡墙ＡＣ长５５m，高３～１１m,其 中BC段长３５m，采用人工挖孔灌注桩１４根，自北向南 编号１～14，桩径１．０ｍ,主筋为２６根直径２５mm钢 筋,孔深14.5～18.0m,桩长15.0～18.5m不等,地面标高-０ .5m,桩顶标高±０.０m，持力层为强风化板岩。南侧挡墙 CD长22m，采用与西向挡墙ＡＢ段相同的结构。
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2021/7/11
• 原有挡墙破坏机理及安全对策该工程前期,原有挡墙曾在BC段发生过 两次破坏,并造成一定的不利影响。其中西向AB挡墙南侧3m处,从工程 中心主体建筑人工挖孔桩基础揭露地层情况看,孔深24m处仍为人工填 土,后经查实,此处为古采石场遗址,地基土成分较为复杂。因此在原挡 墙设计与施工时,工程地质情况不明是产生失稳的主要原因,原有坡体 疏水措施不到位,挡墙排水系统不畅,造成土体遇水强度降低,从而增加 了挡墙失稳破坏的可能性。而古采石场人工填土深度及范围的复杂性 又增加了工程设计的难度与不确定性。从原有挡墙受剪破坏以及挡墙 背部土体的圆弧形破坏特征应证了以上工程分析的可行性。工程经整 改后,采用现有方案设计与施工,但工程竣工后,共对其中18根土钉进行 拉拔试验,发现其中有两根未达到设计要求,为确保工程中心主体的安 全,需探讨挡墙破坏机理,并在此基础上,对挡墙进行行之有效的变形监 测。
2021/7/11
测量烟囱的倾斜，在相互垂直的两方向线上 标出两个固定点作为测站。
因此，在土石坝变形中以垂直位移(沉降量) 为最大， 其安全监控应以沉降量为主。
2021/7/11
4.2.2 混凝土坝的变形机理
混凝土坝观测位移中存在两部分位移：其一是弹性位 移；其二是随时间和荷载而变的非线性位移（俗称时效位 移），它包括坝体混凝土和基岩的徐变以及坝基的裂隙、 节理和其他软弱构造等在尾矿重力作用下发生的压缩和塑 性变形，就宏观来讲，该项位移的变化特点是在排泥初期 （或坝体灌浆加固等措施一、二年内）变化急剧。而后随 着时间的推移而渐趋稳定。
2021/7/11
国际大坝会议曾记录了1100座大坝失事实例，并进 行了统计分析，按成因和频率大致分为：
（1）30％左右是由于遭遇特大洪水，设计洪水偏低和泄洪设备失灵，引 起洪水漫坝而失事；
（2）27％左右是由于地质条件复杂，基础失稳和意外的结构事故（如假 设的荷载过分乐观）；
（3）20％是地下渗漏引起扬压力过高，渗漏量增大，渗透坡降过大引起 坝基渗透变形等；
2021/7/11
4.2.1 土石坝的变形机理
土石坝的变形分为竖直方向的变位（沉降），上、下游方向的 变位和沿坝轴线方向的变位等三个分量。由于土石坝是由多种材料组 成的散粒体，在荷载的作用下，特别是竖直位移要比混凝土坝要大得 多，变位的大小和变位的时间性对坝体的安全富裕度以及防止裂缝的 出现等都是重要的影响因素。
S23
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曲率计算示意图
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正、负曲率对建筑物的影响
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二、监测内容
建筑物变形包括：建筑物本身、建筑地基、场地 变形。对建筑物上部变形而言： （1）倾斜观测； （2）位移观测； （3）裂缝观测； （4）挠度观测； （5）摆动和转动观测。
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（2）水平位移。由沉降的成因及影响因素分析，土石 坝在施工期主要产生沉降，同时附带产生水平位移。在运 行期，由于水压力或渗透力的竖向分力引起坝的沉降，而 水平分力的作用，则产生水平位移；同时在土体的固结和 次固结过程中，由于侧向膨胀，在产生沉降的同时还引起 水平位移。在初期，因土体湿化，上游坡的水平位移指向 上游，当库水位升高并持续一定时间，水平位移指向下游 ，水位下降后位移又向上游回弹。因此水平位移的影响主 要受时间、水位等因素的影响。
通常在设计阶段就开始考虑变形测量，并作 出相应的设计。在施工期间或运行期间作出定期 观测，有时也用后期补设标志进行变形观测。
变形测量要求： （1）有明确针对性； （2）能正确反映建筑物变形情况，了解其变形 规律。
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5.1 变形量及变形监测内容
一、表达变形量的指标：移动量、变形量。 二、监测内容：建筑变形包含建筑物本身（基础与上部）、建筑地基及其场地的
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监测点的平面位置的布置
2021/7/11
2021/7/11
例3：监测点的设置
2021/7/11
例4：监测点的设置
2021/7/11
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基坑监测
(1)基坑回弹观测：由于大型基坑开挖后，卸除了地基 土的自重，引起回弹；
(2)地基土分层沉降观测：测定大型建筑物地基内部各 分层土的沉降量、沉降速度、有效压缩层厚度；
2021/7/11
变形监测的设计与观测工程特点分析,挡墙变形 以垂直挡墙走向方向位移为敏感位移方向,其次是墙 体的沉降,而墙体的沉降必然伴随有前者的存在,故 选用测小角法进行变形监测。
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5.3.4 水利水工建筑物
(1)混凝土重力坝； (2)土石坝 (3)拱坝。 几十年的实践，一致认为对大坝等水工建筑物及其基础的监测可 以达到三个目的： （1）监视建筑物在初期及随后长期运行的安全； （2）在施工中不断反馈，提高设计和施工水平； （3）通过实际工作性态的反分析，检验设计和施工，为提高和修 正设计理论提供科学依据。 总之，原型监测的主要目的是证实坝体安全的问题。为加强监测 工作，世界各国在管理体制、规章制度、仪器设备、资料整理分析以 及自动化监测等方面都有较快的发展。
影响土石坝变形的因素有坝型、剖面尺寸、筑坝材料、施工程 序和质量。坝基的地形、地质及水库水位的变化情况等等。由于这些 因素错综复杂，有些因素难以定量描述，因此，理论上通常用统计模 型的方法分析。
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（1）沉降。沉降是指在荷载的作用下，沿竖直方向发生的位移。它主要分为三 个阶段：初始沉降，固结沉降和次压缩沉降。 初始沉降是坝体及其基础发生的压缩变形，这部分沉降在填筑过程中发 生，土石坝在施工期发生的沉降主要部分就是初始沉降。固结沉降是由于土 体固结，土颗粒间的孔隙水逐渐排出而引起的沉降，其中透水性强的土石坝 固结完成较快。次固结沉降是土体中颗粒骨架在持续荷载作用下发生的蠕变 所引起的。大量观测资料表明：土石坝在施工过程中，随填筑土石料的重量 增加而产生的压缩变形占相当大的部分，竣工后，其变形有逐渐收敛的趋势 。 综上所述，在坝型、坝高、筑坝材料和填筑方法以及边界条件等一定的 情况下，土石坝的沉降量在施工期主要与筑坝高度和含水量有关，而在运行 期主要受固结影响，其中在最初1～2年内沉降增加较快，而后逐渐稳定；同 时还受水位和温度的影响。
然而，时效位移的变化规律反映大坝的工作状态。当 时效位移突然增大或急剧变化时，这是大坝或地基病态工 作的征兆。
2021/7/11
2021/7/11
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2021/7/11
沉降观测
常用水准测量方法。与一般水准测量的区别是视线短 ，一次安置仪器可有多个前视点。
在不同观测周期，将仪器安置在同一位置观测。一般 采用三等水准要求，重要设施，按二等水准要求。
对水工建筑物：通常要求工作基点与控制点联测，按 一等水准要求(线路固定，仪器点和立尺点固定)，工作点 按二等水准要求，工作点组成附合水准路线。
2021/7/11
2021/7/11
应布设成附合水准路线，埋设之后进行初次观测，随后 进行 重复观测。
2021/7/11
2021/7/11
当A，B两点无法摆设仪器，解析求法。选定地面基线12,2-3d 1,2,3点上用前方交会的方法，测定A，B点的坐标。 然后计算。
变形。 (1)倾斜观测； (2)位移观测； (3)裂缝观测； (4)挠度观测； (5)摆动和转动观测。
然后以荷载或时间为横坐标，以累积变形为纵坐标，绘制各种变形曲线， 以便了解变形的幅度和趋势，预估可能稳定的时间及建筑物的安全状况。
2021/7/11
表达移动、变形量的指标
（1）移动指标： 下沉Wi，水平移动Ui
2021/7/11
工业与民用建筑物 • 四个角点、中点、转角处设置。此外： • (1)沿周边每隔10-20m； • (2)有沉降缝的两侧； • (3)内部承重墙或支柱； • (4)建筑物纵、横轴线。
2021/7/11
例1：某展览馆沉降监测
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例2：汇源大厦高28层，为满足湘江大道功能需要 ，其托换工程监测作业按有关文献，以及托梁设计最 大允许不挠度4mm为依据。监测精度按高精度要求的 大型建筑物变形测量一级要求，即视线长度不大于 30m，前后视距差不大于0.7m，前后视距累积差不大 于1.0m，视线高度不小于0.3m，观测点高差中误差不 大于± 0.15mm，此要求同于特高精度要求的建筑物 绝对沉降量的观测中误差± 0.5mm的观测中误差不应 超过变形允许值的1/6。
2021/7/11
5.2变形测量的精度与周期
• 观测精度：有的有标准的规范，有的即使 没有规范，可参考同类型的其他监测。
2021/7/11
2021/7/11
2021/7/11
观测周期
(以某一基础沉陷观测过程为例)
2021/7/11
5.3监测点的设置（1）
(1)数量足够，点位适当； (2)便于现场观测； (3)便于保存，不受损坏。
（4）11％是由于大坝老化，建筑材料变质（如开裂、侵蚀和风化）以及 施工质量等原因，使材料强度降低，而引起的失事；
（5）12％是其他不同的特有原因所致。
2021/7/11
4.3.4 变形监测精度 我国现行《土石坝安全监测技术规范》SL60－94 规定，土石坝变形是安全监测中重要的必测项目
，受到水利水电工程界的广泛重视。为了判断工程的安全性，至今均利用实际观测的变形值与预先确定的 监控指标的变形值进行比较判断，因此，合理确定监控指标对预报和控制工程安全是非常重要的。 《混凝土大坝安全监测技术规范》SDJ336－89对大坝变形监测方法没有规定，但对变形监测的精度却有 明确的要求。同时对不同坝型、坝体与基础、部位、变形方向、变形量的正负号等均有具体规定，详见表 4－1。而土石坝则以此作为参考。
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移动与变形指标的定义
• 下沉：某点计算时刻的高程减初始时刻的高程； • 水平移动：某点到控制点的距离的变化； • 倾斜：相相邻两工作点的下沉差除以其距离； • 曲率：两曲线段的倾斜差求得两曲线段中点的曲
率，即平均倾斜的变化。 • 水平变形：相邻两点的水平移动量不等而引起变
形。
2021/7/11
第五章 工程建（构）筑物的变形测量
相关内容： 1.变形量、变形监测的内容； 2.精度与周期； 3.测点设置； 4.观测方法（沉降、倾斜、液体静力水准测 量、水平位移观测、挠度和裂缝观测、日照 和风振测量、变形测量）； 5.成果整理。
2021/7/11
对大型建（构）筑物：高层建筑、坝体（ 尤其是水库、电站大坝、尾矿坝）、桥梁、码头 、电视塔、管道、地下工程等需要监测。
（2）变形指标： 倾斜i，曲率K，水平变形±ε
2021/7/11
为什么要区分移动与变形指标
(1)一栋房屋，如果其整体刚度很大，如果仅 有下沉，或者水平移动，是不会造成损害的。
(2)相反，如果倾斜超过一定的值，或者曲率 、水平变形超过一定的值，是会造成严重损害的 。
为了了解引起破坏的量的特征，必须区分移动 与变形指标。
2021/7/11
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1.移动指标
(1)下沉： Wi Hi H0i
(2)水平移动：Ui Li L0i
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变形指标
• 倾斜:
i W3－W2 S2 3
• 曲率:
K234
i34i23 1 2(S23S34)
• 水平变形:
U3－U2
生物工程中心挡墙监测实例。
2021/7/11
某工程中心挡墙采用土钉加肋柱梁支挡结构体系,土钉 间距１.２m×１.２m,成孔直径127mm，孔深７～14m不 等,挡土墙坡面采用厚100mm、Ｃ20强度等级的喷射混凝 土。如图１所示,西向挡墙ＡＣ长５５m，高３～１１m,其 中BC段长３５m，采用人工挖孔灌注桩１４根，自北向南 编号１～14，桩径１．０ｍ,主筋为２６根直径２５mm钢 筋,孔深14.5～18.0m,桩长15.0～18.5m不等,地面标高-０ .5m,桩顶标高±０.０m，持力层为强风化板岩。南侧挡墙 CD长22m，采用与西向挡墙ＡＢ段相同的结构。
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• 原有挡墙破坏机理及安全对策该工程前期,原有挡墙曾在BC段发生过 两次破坏,并造成一定的不利影响。其中西向AB挡墙南侧3m处,从工程 中心主体建筑人工挖孔桩基础揭露地层情况看,孔深24m处仍为人工填 土,后经查实,此处为古采石场遗址,地基土成分较为复杂。因此在原挡 墙设计与施工时,工程地质情况不明是产生失稳的主要原因,原有坡体 疏水措施不到位,挡墙排水系统不畅,造成土体遇水强度降低,从而增加 了挡墙失稳破坏的可能性。而古采石场人工填土深度及范围的复杂性 又增加了工程设计的难度与不确定性。从原有挡墙受剪破坏以及挡墙 背部土体的圆弧形破坏特征应证了以上工程分析的可行性。工程经整 改后,采用现有方案设计与施工,但工程竣工后,共对其中18根土钉进行 拉拔试验,发现其中有两根未达到设计要求,为确保工程中心主体的安 全,需探讨挡墙破坏机理,并在此基础上,对挡墙进行行之有效的变形监 测。
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测量烟囱的倾斜，在相互垂直的两方向线上 标出两个固定点作为测站。
因此，在土石坝变形中以垂直位移(沉降量) 为最大， 其安全监控应以沉降量为主。
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4.2.2 混凝土坝的变形机理
混凝土坝观测位移中存在两部分位移：其一是弹性位 移；其二是随时间和荷载而变的非线性位移（俗称时效位 移），它包括坝体混凝土和基岩的徐变以及坝基的裂隙、 节理和其他软弱构造等在尾矿重力作用下发生的压缩和塑 性变形，就宏观来讲，该项位移的变化特点是在排泥初期 （或坝体灌浆加固等措施一、二年内）变化急剧。而后随 着时间的推移而渐趋稳定。
2021/7/11
国际大坝会议曾记录了1100座大坝失事实例，并进 行了统计分析，按成因和频率大致分为：
（1）30％左右是由于遭遇特大洪水，设计洪水偏低和泄洪设备失灵，引 起洪水漫坝而失事；
（2）27％左右是由于地质条件复杂，基础失稳和意外的结构事故（如假 设的荷载过分乐观）；
（3）20％是地下渗漏引起扬压力过高，渗漏量增大，渗透坡降过大引起 坝基渗透变形等；
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4.2.1 土石坝的变形机理
土石坝的变形分为竖直方向的变位（沉降），上、下游方向的 变位和沿坝轴线方向的变位等三个分量。由于土石坝是由多种材料组 成的散粒体，在荷载的作用下，特别是竖直位移要比混凝土坝要大得 多，变位的大小和变位的时间性对坝体的安全富裕度以及防止裂缝的 出现等都是重要的影响因素。
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曲率计算示意图
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正、负曲率对建筑物的影响
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二、监测内容
建筑物变形包括：建筑物本身、建筑地基、场地 变形。对建筑物上部变形而言： （1）倾斜观测； （2）位移观测； （3）裂缝观测； （4）挠度观测； （5）摆动和转动观测。
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（2）水平位移。由沉降的成因及影响因素分析，土石 坝在施工期主要产生沉降，同时附带产生水平位移。在运 行期，由于水压力或渗透力的竖向分力引起坝的沉降，而 水平分力的作用，则产生水平位移；同时在土体的固结和 次固结过程中，由于侧向膨胀，在产生沉降的同时还引起 水平位移。在初期，因土体湿化，上游坡的水平位移指向 上游，当库水位升高并持续一定时间，水平位移指向下游 ，水位下降后位移又向上游回弹。因此水平位移的影响主 要受时间、水位等因素的影响。
通常在设计阶段就开始考虑变形测量，并作 出相应的设计。在施工期间或运行期间作出定期 观测，有时也用后期补设标志进行变形观测。
变形测量要求： （1）有明确针对性； （2）能正确反映建筑物变形情况，了解其变形 规律。
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5.1 变形量及变形监测内容
一、表达变形量的指标：移动量、变形量。 二、监测内容：建筑变形包含建筑物本身（基础与上部）、建筑地基及其场地的
2021/7/11
监测点的平面位置的布置
2021/7/11
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例3：监测点的设置
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例4：监测点的设置
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基坑监测
(1)基坑回弹观测：由于大型基坑开挖后，卸除了地基 土的自重，引起回弹；
(2)地基土分层沉降观测：测定大型建筑物地基内部各 分层土的沉降量、沉降速度、有效压缩层厚度；
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变形监测的设计与观测工程特点分析,挡墙变形 以垂直挡墙走向方向位移为敏感位移方向,其次是墙 体的沉降,而墙体的沉降必然伴随有前者的存在,故 选用测小角法进行变形监测。
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5.3.4 水利水工建筑物
(1)混凝土重力坝； (2)土石坝 (3)拱坝。 几十年的实践，一致认为对大坝等水工建筑物及其基础的监测可 以达到三个目的： （1）监视建筑物在初期及随后长期运行的安全； （2）在施工中不断反馈，提高设计和施工水平； （3）通过实际工作性态的反分析，检验设计和施工，为提高和修 正设计理论提供科学依据。 总之，原型监测的主要目的是证实坝体安全的问题。为加强监测 工作，世界各国在管理体制、规章制度、仪器设备、资料整理分析以 及自动化监测等方面都有较快的发展。
影响土石坝变形的因素有坝型、剖面尺寸、筑坝材料、施工程 序和质量。坝基的地形、地质及水库水位的变化情况等等。由于这些 因素错综复杂，有些因素难以定量描述，因此，理论上通常用统计模 型的方法分析。
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（1）沉降。沉降是指在荷载的作用下，沿竖直方向发生的位移。它主要分为三 个阶段：初始沉降，固结沉降和次压缩沉降。 初始沉降是坝体及其基础发生的压缩变形，这部分沉降在填筑过程中发 生，土石坝在施工期发生的沉降主要部分就是初始沉降。固结沉降是由于土 体固结，土颗粒间的孔隙水逐渐排出而引起的沉降，其中透水性强的土石坝 固结完成较快。次固结沉降是土体中颗粒骨架在持续荷载作用下发生的蠕变 所引起的。大量观测资料表明：土石坝在施工过程中，随填筑土石料的重量 增加而产生的压缩变形占相当大的部分，竣工后，其变形有逐渐收敛的趋势 。 综上所述，在坝型、坝高、筑坝材料和填筑方法以及边界条件等一定的 情况下，土石坝的沉降量在施工期主要与筑坝高度和含水量有关，而在运行 期主要受固结影响，其中在最初1～2年内沉降增加较快，而后逐渐稳定；同 时还受水位和温度的影响。
然而，时效位移的变化规律反映大坝的工作状态。当 时效位移突然增大或急剧变化时，这是大坝或地基病态工 作的征兆。
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沉降观测
常用水准测量方法。与一般水准测量的区别是视线短 ，一次安置仪器可有多个前视点。
在不同观测周期，将仪器安置在同一位置观测。一般 采用三等水准要求，重要设施，按二等水准要求。
对水工建筑物：通常要求工作基点与控制点联测，按 一等水准要求(线路固定，仪器点和立尺点固定)，工作点 按二等水准要求，工作点组成附合水准路线。
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应布设成附合水准路线，埋设之后进行初次观测，随后 进行 重复观测。
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当A，B两点无法摆设仪器，解析求法。选定地面基线12,2-3d 1,2,3点上用前方交会的方法，测定A，B点的坐标。 然后计算。
变形。 (1)倾斜观测； (2)位移观测； (3)裂缝观测； (4)挠度观测； (5)摆动和转动观测。
然后以荷载或时间为横坐标，以累积变形为纵坐标，绘制各种变形曲线， 以便了解变形的幅度和趋势，预估可能稳定的时间及建筑物的安全状况。
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表达移动、变形量的指标
（1）移动指标： 下沉Wi，水平移动Ui
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工业与民用建筑物 • 四个角点、中点、转角处设置。此外： • (1)沿周边每隔10-20m； • (2)有沉降缝的两侧； • (3)内部承重墙或支柱； • (4)建筑物纵、横轴线。
2021/7/11
例1：某展览馆沉降监测
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例2：汇源大厦高28层，为满足湘江大道功能需要 ，其托换工程监测作业按有关文献，以及托梁设计最 大允许不挠度4mm为依据。监测精度按高精度要求的 大型建筑物变形测量一级要求，即视线长度不大于 30m，前后视距差不大于0.7m，前后视距累积差不大 于1.0m，视线高度不小于0.3m，观测点高差中误差不 大于± 0.15mm，此要求同于特高精度要求的建筑物 绝对沉降量的观测中误差± 0.5mm的观测中误差不应 超过变形允许值的1/6。
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5.2变形测量的精度与周期
• 观测精度：有的有标准的规范，有的即使 没有规范，可参考同类型的其他监测。
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观测周期
(以某一基础沉陷观测过程为例)
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5.3监测点的设置（1）
(1)数量足够，点位适当； (2)便于现场观测； (3)便于保存，不受损坏。
（4）11％是由于大坝老化，建筑材料变质（如开裂、侵蚀和风化）以及 施工质量等原因，使材料强度降低，而引起的失事；
（5）12％是其他不同的特有原因所致。
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4.3.4 变形监测精度 我国现行《土石坝安全监测技术规范》SL60－94 规定，土石坝变形是安全监测中重要的必测项目
，受到水利水电工程界的广泛重视。为了判断工程的安全性，至今均利用实际观测的变形值与预先确定的 监控指标的变形值进行比较判断，因此，合理确定监控指标对预报和控制工程安全是非常重要的。 《混凝土大坝安全监测技术规范》SDJ336－89对大坝变形监测方法没有规定，但对变形监测的精度却有 明确的要求。同时对不同坝型、坝体与基础、部位、变形方向、变形量的正负号等均有具体规定，详见表 4－1。而土石坝则以此作为参考。
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移动与变形指标的定义
• 下沉：某点计算时刻的高程减初始时刻的高程； • 水平移动：某点到控制点的距离的变化； • 倾斜：相相邻两工作点的下沉差除以其距离； • 曲率：两曲线段的倾斜差求得两曲线段中点的曲
率，即平均倾斜的变化。 • 水平变形：相邻两点的水平移动量不等而引起变
形。
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第五章 工程建（构）筑物的变形测量
相关内容： 1.变形量、变形监测的内容； 2.精度与周期； 3.测点设置； 4.观测方法（沉降、倾斜、液体静力水准测 量、水平位移观测、挠度和裂缝观测、日照 和风振测量、变形测量）； 5.成果整理。
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对大型建（构）筑物：高层建筑、坝体（ 尤其是水库、电站大坝、尾矿坝）、桥梁、码头 、电视塔、管道、地下工程等需要监测。
（2）变形指标： 倾斜i，曲率K，水平变形±ε
2021/7/11
为什么要区分移动与变形指标
(1)一栋房屋，如果其整体刚度很大，如果仅 有下沉，或者水平移动，是不会造成损害的。
(2)相反，如果倾斜超过一定的值，或者曲率 、水平变形超过一定的值，是会造成严重损害的 。
为了了解引起破坏的量的特征，必须区分移动 与变形指标。
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1.移动指标
(1)下沉： Wi Hi H0i
(2)水平移动：Ui Li L0i
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变形指标
• 倾斜:
i W3－W2 S2 3
• 曲率:
K234
i34i23 1 2(S23S34)
• 水平变形:
U3－U2