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1、第三篇 工程建设中变形测量和工业设备形位检测第九章 变形测量概述9-1.9-1.变形测量的意义、目的和内容变形测量的意义、目的和内容9-2.9-2.变形监测的特点变形监测的特点9-3.9-3.变形监测技术和方法变形监测技术和方法9-4.9-4.变形观测数据分析变形观测数据分析9-1.9-1.变形测量的意义、目的和内容变形测量的意义、目的和内容 在测量工程的实践和科学研究活动中，变形监测占在测量工程的实践和科学研究活动中，变形监测占有重要的位置。工程建筑物的兴建，从施工开始到竣工，有重要的位置。工程建筑物的兴建，从施工开始到竣工，以及建成后整个运营期间都要不断地监测，以便掌握变以及建成后整个运营
2、期间都要不断地监测，以便掌握变形的情况，及时发现问题，保证工程建筑的安全。还有形的情况，及时发现问题，保证工程建筑的安全。还有人类的开发自然的活动也会对大自然造成地表失衡变形，人类的开发自然的活动也会对大自然造成地表失衡变形，因此变形监测在工程中具有举足轻重的作用。因此变形监测在工程中具有举足轻重的作用。1.1.变形测量的意义变形测量的意义 变形测量有实用上和科学上两方面的意义：变形测量有实用上和科学上两方面的意义：（1）实用上实用上的意义主要是检查各种工程建筑物和的意义主要是检查各种工程建筑物和地质结构的稳定性，及时发现问题，以便采取地质结构的稳定性，及时发现问题，以便采取措施。措施。（2）
3、科学上科学上的意义包括更好地理解变形的机理，的意义包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论，以及建立正确的预验证有关工程设计的理论，以及建立正确的预报变形的理论和方法。报变形的理论和方法。2.变形测量的目的v通过变形观测取得第一手的资料，可以监视工程建筑物的状态和工作通过变形观测取得第一手的资料，可以监视工程建筑物的状态和工作情况，在发现不正常现象时，应及时分析原因，采取措施，防止事故情况，在发现不正常现象时，应及时分析原因，采取措施，防止事故发生，并改善运营方式，以保证安全。发生，并改善运营方式，以保证安全。v其次，通过在施工和运营期间对工程建筑物原体进行观测，分析研究，其次，通过在
4、施工和运营期间对工程建筑物原体进行观测，分析研究，可以验证地基与基础的计算方法，以及工程结构的设计方法，对不同可以验证地基与基础的计算方法，以及工程结构的设计方法，对不同的地基与工程结构规定合理的允许沉陷与变形的数值，为工程建筑物的地基与工程结构规定合理的允许沉陷与变形的数值，为工程建筑物的设计、施工、管理和科学研究工作提供资料。的设计、施工、管理和科学研究工作提供资料。v总的说来，变形监测的目的是要获得变形体变形的空间状态和时间特总的说来，变形监测的目的是要获得变形体变形的空间状态和时间特性，同时还要解释变形的原因。对于前一个目的，相应的变形监测数性，同时还要解释变形的原因。对于前一个目的，
5、相应的变形监测数据处理任务称为变形的几何分析，对于后一个目的，相应的任务称为据处理任务称为变形的几何分析，对于后一个目的，相应的任务称为变形的物理解释。变形的物理解释。变形监测按其研究的范围可分为变形监测按其研究的范围可分为3类：类： （1）全球性的变形测量）全球性的变形测量 （2）区域性的变形测量）区域性的变形测量 （3）局部性的变形测量）局部性的变形测量 主要是研究地球整体的形变，比如地极的移动，地球的主要是研究地球整体的形变，比如地极的移动，地球的转动速度的变化，地壳板块运动。转动速度的变化，地壳板块运动。空间大地测量技术出现之后，利用空间大地测量技术出现之后，利用VLBI或或SLR测量
6、板块之间测量板块之间的长基线；的长基线；GPS接收机轻便而价廉，具有高度运动性；用接收机轻便而价廉，具有高度运动性；用于于VLBI站和站和SLR站之间的加密，站间距离可以达到人们所站之间的加密，站间距离可以达到人们所希望的程度、适用于区域和局部地壳运动的监测。因此，希望的程度、适用于区域和局部地壳运动的监测。因此，利用这三种空间大地测量技术的适当结合，可以建立具有利用这三种空间大地测量技术的适当结合，可以建立具有高度空间分辨宰相时间分辨率的地壳运动监测网。高度空间分辨宰相时间分辨率的地壳运动监测网。（1）全球性的变形测量）全球性的变形测量（2）区域性的变形监测）区域性的变形监测 主要是研究地壳
7、板块范围内变形状态，和板块交界处地壳主要是研究地壳板块范围内变形状态，和板块交界处地壳的相对移动。对于地壳板块范围的内变形状态一般是定期复测的相对移动。对于地壳板块范围的内变形状态一般是定期复测国家控制网所获得资料中可以获得；而对于板块交界处地壳的国家控制网所获得资料中可以获得；而对于板块交界处地壳的相对移动，则是建立专用的监测网，监测板块相对运动造成的相对移动，则是建立专用的监测网，监测板块相对运动造成的地壳变形。地壳变形。 随着随着GNSS和和GPS的技术发展，近年来利用的技术发展，近年来利用VLBI、SLR与与GPS相结合建立了许多区域地壳运动监测网。利用相结合建立了许多区域地壳运动监测
8、网。利用VLBI或或SLR测量板块之间的长基线；利用测量板块之间的长基线；利用GPS用于用于VLBI站和站和SLR站站之间的加密，站间距离可以达到人们所希望的程度；还可以利之间的加密，站间距离可以达到人们所希望的程度；还可以利用用GPS 、测量机器人、高精度全站仪、电磁波测距和水准测、测量机器人、高精度全站仪、电磁波测距和水准测、摄影测量技术、遥感技术量建立了局部地壳运动监测网。摄影测量技术、遥感技术量建立了局部地壳运动监测网。（3）局部性的变形监测）局部性的变形监测 主要研究工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度、和主要研究工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度、和倾斜，滑坡体的滑动以及采矿造成的地壳变
9、形、采油、倾斜，滑坡体的滑动以及采矿造成的地壳变形、采油、抽取地下水等原因造成的局部地表变形。抽取地下水等原因造成的局部地表变形。 常用方法和仪器有常用方法和仪器有GPS 、合成孔径雷达、摄影测量、合成孔径雷达、摄影测量技术、激光扫描技术、测量机器人、全站仪、经纬仪水技术、激光扫描技术、测量机器人、全站仪、经纬仪水准仪、铅直仪以及液压静力水准测量技术、准直测量技准仪、铅直仪以及液压静力水准测量技术、准直测量技术、应变测量技术、倾斜测量技术等。术、应变测量技术、倾斜测量技术等。 变形从其时间特性来分有变形从其时间特性来分有运动式运动式和和动态式动态式两种。两种。 运动式变形运动式变形指包括地壳应
10、变的的积累、地址构造断指包括地壳应变的的积累、地址构造断层两边的相对错动、建筑物或地表下沉等。这种形式的层两边的相对错动、建筑物或地表下沉等。这种形式的变形，总的趋势是朝着一个方向。变形，总的趋势是朝着一个方向。 动态变形动态变形指高层建筑物的的摆动、桥梁在动荷载作指高层建筑物的的摆动、桥梁在动荷载作用下的振动等等。这种形式的变形呈周期性，观测的结用下的振动等等。这种形式的变形呈周期性，观测的结果是活的变形的幅度和周期性息。果是活的变形的幅度和周期性息。变形观测的内容v应根据建筑物的性质与地基情况来定。要求有明应根据建筑物的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性，既要有重点，又要作全面考虑，以
11、确的针对性，既要有重点，又要作全面考虑，以便能正确反映出建筑物的变化情况，达到监视建便能正确反映出建筑物的变化情况，达到监视建筑物的安全运营、了解其变形规律之目的。筑物的安全运营、了解其变形规律之目的。v（1）工业与民用建筑物）工业与民用建筑物（2）土工建筑物）土工建筑物（3）钢筋混凝土建筑物）钢筋混凝土建筑物（4）地表沉降）地表沉降9-2.9-2.变形监测的特点变形监测的特点v一、精度要求高一、精度要求高v二、重复观测二、重复观测v三、综合应用各种观测方法三、综合应用各种观测方法v四、数据处理要求严密四、数据处理要求严密v五、需要多学科知识的配合五、需要多学科知识的配合一、精度要求高 确定变
12、形监测的精度取决于变形的大小、速率、仪器和方法所能达到的实际精度，以及观测的目的等。 一般来说，如果变形观测是为了使变形值不超过某一允许竖直，以确保建筑物的安全，则其观测的误差应小于允许变形值的1/101/20。 二、重复观测 重复观测的频率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。 在工程建筑物建成初期，变形的速度比较快，因此观测频率也要大一些。经过一段时间后，建筑物趋于稳定，可以减少观测次数，但要坚持定期观测。 三、综合应用各种观测方法 变形观测方法一般分为4类：地面测量方法，包括几何水准测量、三角高程测量、方向和角度测量、距离测量等；空间测量技术，例如空间卫星定位；摄影测量和地面激光扫描；专
13、门测量手段，主要指各种准直测量、倾斜仪监测、应变计测量等。l四、数据处理要求严密l变形量一般很小，有时甚至与观测精度处在同一量级，要从含有误差的观测值中分离出变形信息，需要严密的数据处理方法。l此外，观测值中经常含有粗差和系统误差，在估计变形模型之前要进行筛选，以保证结果的正确性。l另外，变形模型一般是预先不知道的，需要仔细地鉴别和检验。 五、需要多学科知识的配合 在制定变形监测精度，优化设计变形监测方案，合理地分析变形监测成果，特别是进行变形的物理解释时，变形测量工作者要熟悉所研究的变形体。 可以说，变形测量是处于测绘学和地球物理、土木工程等科学的边缘。9-3.9-3.变形监测技术和方法变形
14、监测技术和方法 一、常规的大地测量方法 常规大地测量方法是指通过测角、量边、水准等技术来测定变形的方法。 优点如下： （1）能够提供变形体的变形状态。 （2）观测量通过组成网的形式可以进行测量结果的校核和精度的评定。 （3）灵活性大，能够适应于不同精度要求，不同形式的变形体和不同的外界条件。（一）精密高程测量（一）精密高程测量 高程测量一般通过几何水准测量或电磁波测距三角高程测量的方法获得。（二）精密距离测量（二）精密距离测量 重复精密测距可测定点在某一方向上的相对位移。（三）角度测量（三）角度测量 角度测量又分为水平角测量和高度角测量。（四）重力测量（四）重力测量 地面高程的变化也可以间接地
15、用重力测量测定。二、专门测量手段和技术（一）液体静力水准测量（一）液体静力水准测量 它是利用静止液体原来来传递高程的方法。（二）准直测量（二）准直测量 准直测量就是测量测点偏离基准线的垂直距离的过程，它以观测某一方向上点位相对于基准线的变化为目的，包括水平准直和铅直两种。（三）应变测量（三）应变测量 应变是相对距离的变化。设两点之间的距离为l，相对距离的变化为l，那么l/ l为应变。应变计有机械式和电子式两种。（四）倾斜测量（四）倾斜测量 倾斜测量有相对于水平面和相对于垂直面两类。前者主要是检测地面倾斜和建筑物基础倾斜，后者主要是监测高层建筑物倾斜。三、空间测量技术 （一）（一）GPS测量测量
16、 GPS的特点和优越性：它不受天气的干扰，定位精度高，点位间无须通视，容易实施长距离的精确三维定位，可以实时测量，具备良好的自动化和集成性能。 GPS用于变形观测有两种基本模式，一种是按一定频率重复测量监测网，得出各监测点的位移；另一种是GPS接收机固定安置在测点上，实现连续观测。（二）合成孔径雷达干涉测量技术（二）合成孔径雷达干涉测量技术 是近年来迅速发展起来的一种微波遥感技术，它是利用SAR的相位信息提取地表的三维信息和高程变化信息的一项技术，目前已成为国际遥感界的一个研究热点。四、摄影测量和激光扫描技术（一）摄影测量方法摄影测量的优点： （1）不需要接触被监测的变形体。（2）观测时间短，
17、外业工作量小，可快速获取变形过程。（3）信息量大，利用率高。v摄影测量的方法：摄影测量的方法：就是在这些变形体的周围选择稳定的点，在这些目标点上安置照相机或摄像机，对变形的物体进行拍摄，然后通过内业处理得到变形体上稳定点的二维或者三维的坐标，通过对不同时期相同目标点的坐标变化得到他们的变化情况，从而得到建筑物的变化。（二）激光扫描技术（二）激光扫描技术 激光扫描技术也是非接触测量的重要手段，利用激光扫描获得的数据真实可靠，最直接地反映了客观事物实时的、变化的、真实的形态特性，所以人们将激光扫描技术作为快速获取空间数据的一种有效手段。 激光扫描技术的优点 （1）能全天候工作 （2）数据量大、精度
18、较高 （3）获取数据速度快，实时性强 （4）全数字特征，信息传输、加工和表达容易。9-4.9-4.变形观测数据分析变形观测数据分析 变形观测数据分析包括几何分析和物理解释两类，前者是分析变形体在空间中和时域中的变形特性，而后者是分析变形与变形原因之间的关系，用于预报变形，理解变形的机理。v监测变形体的变形有两种方式：一种是利用变形体外一些稳定基点来测定变形体上目标点的绝对位移；另一种是变形观测点都在变形体上，监测的测点之间的相对变形。对于前者，为了确保基准点的稳定性，常将它们组成网，并定期观测以检查其稳定性。对于后者，通常称为相对网，因为所有观测点都在变形体上，测点的位移是相对的。相对网分析主
19、要问题是鉴别变形模型，确定了变形模型后就可以计算变形参数。v联系观测值和变形模型的方式有两种：坐标分析法和观测值分析法。v前者要先进行相对网平差，计算点的坐标，两期坐标之差为位移。后者是直接建立两期观测值的差值与变形模型的关系，进而估算变形模型。v变形的物理解释一般可分为两种方法：统计分析法和确定函数法。v统计分析法是通过分析所观测的变形和变形成因之间的相关性来建立荷载变形之间关系的数学模型。v确定函数模型法是利用荷载、变形体的几何性质和物理性质，以及应力应变间的关系来建立模型，和前者相比，它有先验的性质。v动态变形观测得到一组以时间为坐标的观测数据，称为“时间系列”。对于动态变形分析也有几何分析和物理解释。动态变形观测几何分析主要确定其变形的频率和振幅。而物理解释是把建筑物描述为具有系统理论计算模型的动态系统，用动态响应分析的原理和方法建模。