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1、 辽宁科技大学 设计题目：辽宁科技大学图书馆沉降监测技术设计 学 院：土木工程学院 专业班级：测绘 2011-2 班 学生姓名：刘九阳 学 号：120113705021 任课教师：宁殿民 成 绩：目 录 一、图书馆的地理概况.3 1.1 图书馆的坐落.3 1.2 图书馆的文化.3 二、监测的目的与意义.3 2.1 监测的目的.3 2.2 监测的意义.3 三、监测的方案.3 3.1 监测的内容与方法.3 3.2 监测的确定.4 3.3 监测方案规范依据.4 3.4 监测测区资料.4 3.4.1 控制资料.4 3.4.2 高程基准.4 3.4.3 方案概括.4 四、基准点与观测点.5 4.1 基准
2、点.5 4.1.1 基准点的埋设要求.5 4.1.2 基准点的选择.5 4.1.3 基准点的埋设.5 4.2 观测点.6 4.2.1 观测点的埋设要求.6 4.2.2 观测点的选择.6 4.2.3 观测点的埋设.6 五、根据允许变形量确定观测精度.6 5.1 变形量的等级与精度要求.6 六、观测等级与观测仪器的确定.7 6.1 图书馆监测的等级与观测仪器的确定.7 七、外业实测方法与要求.7 7.1 外业实测的方法.7 7.2 外业实测的要求.7 7.2.1 观测的时间和气象条件.7 7.3 设置测站.7 7.4 间歇与检测.8 八、观测周期的确定.8 8.1 观测周期规定.8 8.2 观测周
3、期的选择.8 九、变形网平差计算方法.8 9.1 变形网平差原理.8 9.2 变形网平差计算方法.8 9.2.1 准基点的平差计算.8 9.2.2 沉降观测点的平差计算.9 9.2.3 权的确定.9 9.2.4 误差方程及法方程 .9 十、变形量的计算.9 10.1 变形量的计算与比较.9 十一、沉降与倾斜曲线.10 11.1 沉降曲线的绘制.10 十二、上交材料.11 12.1 上交的内容与分析.11 一、图书馆的地理概况 1.1图书馆的坐落 图书馆坐落于千山北麓，毗邻鞍山市高新区，风光秀丽，景色宜人。建筑面积2.56 万平方米，占地面积 5 千平方米，是一座大型的现代化、多功能、综合性的图
4、书馆，历经数十载的发展，逐步形成了以理工科为主，兼顾社科、管理等学科文献的多类型、多语种、多载体的馆藏体系。目前馆内现藏书刊总量 123万余册，电子图书 25 万余种、电子期刊 2.6 万余种、图 1.科大图书馆 各种光盘 1.7 万余张，以上资源几乎涵盖了学校目前所开设的全部专业，基本上能够满足读者的需要。辽宁科技大学图书馆为读者提供 24 小时网络服务。1.2图书馆的文化 自从有了人类社会以来，便产生了文字，用来记录这些文字的载体图书也就应运而生。它记载了从古至今人类历史的发展和演变。图书馆的功能之一，就是要收集、加工、整理、科学管理这些珍贵的文献资源，以便广大的读者借阅使用。图书馆是作为
5、保存各民族文化财富的机构而存在的，它担负的保存人类文化典籍任务是图书馆最古老的职能。二、监测的目的与意义 2.1监测的目的 （1）分析和评价图书馆的安全状态，了解图书馆变形状况；（2）验证图书馆设计参数；（3）反馈设计图书馆施工的质量；（4）研究正常图书馆的变形规律和预报变形的方法。2.2监测的意义 在于获得图书馆变形观测过程中有关变形大小的一切资料，分析研究这些资料，可以监视图书馆地表变形和图书馆的运营状况。以便及时了解图书馆的变形，保证科大学子放心读书。三、监测的方案 3.1监测的内容与方法 对于图书馆，监测主要内容为沉降监测。地基的下沉量、楼体的下沉量。沉降的主要监测方法有：几何水准测量
6、、液态静力水准测量、电磁波测距三角高程测量。(1)几何水准测量：是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准 图 2.几何水准原理图 路线逐站测定各点的高程。由于不同高程的水准面不平行，沿不同路线测得的两点间高差将有差异，所以在整理国家水准测量成果时，须按所采用的正常高系统加以必要的改正，以求得正确的高程。我国国家水准测量依精度不同分为一、二、三、四等。一、二等水准测量称为“精密水准测量”，是国家高程控制的全面基础，可为研究地壳形变等提供数据。三、四等水准测量直接为
7、地形测图和各种工程建设提供所必需的高程控制。(2)液态静力水准：静力水准仪利用连通液的原理，多支通过连通管连接在一起的储液罐的液面总是在同一水平面，通过测量不通储液罐的液面高度，经过计算可以得出各个静力水准仪的相对差异沉降。假设共有 1n个观测点。各个观测点之间已用连通管连通。安装完毕后初始 图 3.液态静力水准部分图 状态时各测 点的安装高程分别为 Y01Y0iY0jY0n，各测点的液面高度分别为 h01h0ih0jh0n。(3)电磁波测距三角高程原理：是通过观测测站点至照准点的竖直角，再用电磁波测距仪测取此两点间的距离，根据平面三角公式计算此两点间的高差，进而推求待定点高程的方法。它特别适
8、于高差较大而不便用水准测量时传递高程，以及进行跨越山谷、河流的高程测量和实现陆地与岛屿或岛屿与岛屿之间的高程连测。当测距和测角的精度达到必要的精度，图 4.电磁波测距三角高程原理 并采用必要的观测措施时，此法已可达到四等、甚至三等水准测量的精度要求。3.2监测的确定 根据图书馆的设计要求，采用几何水准测量比较好，精度高，适用于图书馆监测地形，因为地形起伏不大，监测方案很好设计。3.3监测方案规范依据(1)工程建设标准建筑物沉降观测方法（DGJ32/J18-2006）；(2)住宅工程质量通病控制标准DGJ32/J16-2005；(3)中华人民共和国行业标准建筑变形测量规程（JGJ8-2007）；
9、(4)中华人民共和国国家标准工程测量规范GB50026-2007；(5)国家一、二等水准测量规范GB12897 1991。3.4监测测区资料 3.4.1控制资料 建立独立高程系统，也可以联测国家高等级水准点与国家高程接轨。提供1985 国家高程基准成果。3.4.2高程基准 高程基准采用 1985 年国家高程系或独立高程系统。3.4.3方案概括 根据工程测量规范要求，在施工影响范围外布设水准基点，在图书馆主体承重墙或者承重柱上布设沉降观测点。观测仪器采用精密水准仪按照二等水准观测要求进行观测。根据对沉降观测点观测的需要及建筑变形测量规程（以下简称“规程”）的规定，结合现场实际情况，监控网拟布设成
10、由 3 个基准点组成的一个环形的二等水准网，编号为 BM1 BM3高程测量采用国家高程系统。基准点将设在变形影响范围以外便于长期保存的位置，基准点采用图书馆外固定地址上水准基点。观测水准基点埋设在沉降稳定的图书馆筑物上。其具体位置根据现场情况及“规程”的有关要求进行布点，均布于图书馆建筑物上。四、基准点与观测点 4.1基准点 4.1.1基准点的埋设要求 基准点可分为两级：固定基准和工作基准。固定基准点一般选择3个以上，如图 5 所示。距建筑物一定的距离（一般不少于1.5 倍建筑物高）当有 3 个点时，除某两点的连线与主要轴线平行外，另一点应跨过建(构)筑物且对其长边基本构成等腰或三个基点基本构
11、成直角三角形；当点数多于3 个时，除应满，图 5.基准点的埋设 足以上条件外其余的点应较均匀地分布在建(构)筑物的四周，距离可偏远一些。工作基点选择在地势相对稳定便于观测的位置。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。4.1.2基准点的选择 基准点是变形监测的基础，基准点一般要求绝对稳定，在位置选择时要注意 以下几方面：（1）位置要选在变形范围以外；（2）地势稳定；（3）深埋；4.1.3基准点的埋设(1)尽量利用城建部门建立的水准点和各级平面控制点，作为沉降观测的起算点。(2)在该区域内有修建年代较长、基础稳定的建筑物时，则可在该建筑物上设置墙上水准点。在墙上
12、凿一个长约 200mm 的洞，将直径为 20mm、长约 250mm 的圆钢嵌进洞内约 200mm，露出墙外约 50mm。向上弯的标头呈圆形用水泥将洞填满，洞口抹齐与墙面平。(3)建立浅埋水准点。该点应选在较隐蔽而且通视良好保证安全的地方。首先挖长 1150mm、宽 110mm左右的小浅井，地面整实。用直径 20mm、长约 117mm 的螺纹钢上部凿成半圆形，下部焊成十字。将焊成的十字型螺纹钢放入井内，直接灌注混凝土，露出地面约 60mm 左右，顶部要砌筑保护盖。图 6.基准点的埋设 4.2观测点 4.2.1观测点的埋设要求 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
13、的数目和位置又与建筑物的大小、荷载、基础类型和地质条件有关，并且要能 够全面反映建筑物的沉降情况。沉降观测点的选择还应便于建筑物基础沉降的现 场观测，易于保存，并不受损坏。4.2.2观测点的选择 图 7.观测点的埋设(1)通常在建筑物的四角点、中点、转角处等能反映变形特征和变形明显的部位布设沉降观测点，点间距一般为 10m 20m；(2)对于设有后浇带及施工缝的建筑物，应在其两侧布设沉降观测点；(3)对于新建与原有建筑物的连接处，应在其两侧的承重墙或支柱上布设沉降观测点；(4)对于一些大型工业厂房，除按上述原则布设沉降观测点外，还应在大型设备四周的承重墙或支柱上布设沉降观测点。4.2.3观测点
14、的埋设(1)观测点本身应牢固稳定，确保点位安全，能长期保存；(2)观测点的上部必须为突出的半球形状或有明显的突出之处，与柱身或墙身保持一定的距离；(3)要保证能在点上垂直置尺和良好的通视条件。五、根据允许变形量确定观测精度 5.1变形量的等级与精度要求 表 1.变形测量等级及精度要求 变形测量等级 垂直位移测量 水平位移观测 变形点的高程中误差（mm）相邻变形点的高程中误差（mm）变形点点位中误差（mm）一等 0.3 0.1 1.5 二等 0.5 0.3 3.0 三等 1.0 0.5 6.0 四等 2.0 1.0 12.0 表 2.水准测量的主要技术（1）等级 每千米高差全中误差 路线长度 k
15、m 水准仪型号 水准尺 观测次数 往返较差、附合或环线闭合差 与已知点联测 附合或环线 平地 山地 二等 2 DS1 因瓦 往返各一次 往返各一次 4 三等 6 50 DS1 因瓦 往返各一次 往一次 12 4 DS3 双面 往返各一次 四等 10 16 DS3 双面 往返各一次 往一次 20 6 五等 15 DS3 单面 往返各一次 往一次 30 表 3.水准观测的主要技术要求（2）等级 水准仪型号 视线长度m 前后视的距离较差 m 前后视距离较差累积 m 视线离地面最低高度 m 基、辅分划或黑、红面读数较差 基、辅分划或黑、红面所测高程较差 二等 DS1 50 1 3 0.5 0.5 0.
16、7 三等 DS1 100 3 6 0.3 1.0 1.5 DS3 75 2.0 3.0 四等 DS3 100 5 10 0.2 3.0 5.0 五等 DS3 100 近似相等 六、观测等级与观测仪器的确定 6.1图书馆监测的等级与观测仪器的确定 虽然外业观测采用的是国家二等水准测量方法,但是外业观测技术指标不能完全采用与其相同的技术指标。根据工程的精度、使用的仪器及沉降观测的具体要求制定出适合本工程的技术指标标尺采用条式因瓦水准尺；仪器采用 DS05精密水准仪和国家二等技术指标。七、外业实测方法与要求 7.1外业实测的方法 对水准基点及沉降观测点均采用二等水准测量方法.(1)往测:奇数测站采用
17、后前前后;偶数测站采用前后后前观测顺序；(2)返测:奇数测站采用前后后前;偶数测站采用后前前后观测顺序；(3)对沉降点的观测时尽量采用测站固定、人员固定和一个后视几个前视的方法。7.2外业实测的要求 7.2.1观测的时间和气象条件 水准观测应在标尺分划线成像清晰而稳定时进行。下列情况下，不应进行观测：(1)日出后与日落前 30 分钟内；(2)太阳中天前后各约 2h 内（可根据地区、季节和气象情况，适当增减中午间歇时间）；(3)标尺分划线的影像跳动而难于照准时；(4)气温突变时；(5)风力过大而使标尺与仪器不能稳定时。7.3设置测站 二等水准观测，须根据路线土质选用尺桩或尺台（尺台重量不轻于 5
18、kg）作转点尺承，所用尺桩或尺台数，应不少于 4 个。特殊地段可采用大帽钉。测站视线长度（仪器至标尺距离）、前后视距差、视线高度按表 4 规定执行。表 4 二等水准要求 等级 仪器型号 视线长度 前后视距差 任一测站上前后视距差累积 视线高度 （下丝读数）二等 DS1,DS05 50m 1.0m 3.0m 0.3m 注：下丝为近地面的视距丝。7.4间歇与检测 观测间歇时，最好在水准点上结束。否则，应在最后一站选择两个坚稳可靠、光滑突出、便于放置标尺的固定点，作为间歇点。如无固定点可选择，则间歇前应对最后两站的转点尺桩（用尺台作转点时，可用三个带帽钉的木桩）做妥善安置作为间歇点。间歇后应对间歇点
19、进行检测，比较任意两尺承点间歇前后所测高差，若符合限差（见表 4）要求，即可由此起测；若超过限差，可变动仪器高度再检测一次，如任超限，则须从前一水准点起测。检测成果应保留，但计算高差时不采用。八、观测周期的确定 8.1观测周期规定（1)沉降观测周期按每两个结构观测一次,直至封顶,封顶后每月观测一次，直至竣工。（2)出现不均沉降时，根据情况增加观测次数。（3)施工期间因故停工超过三个月，应在停工时及复工前进行观测。（4）结构封顶至工程竣工沉降周期应符合下列要求：均匀沉降且连续三个月内平均沉降量不超过 1mm 时，每三个月观测一次；连续二次每三个月平均沉降量不超过 2mm 时，每六个月观测一次；外
20、界发生剧烈变化时应及时观测；封顶后应每六个月观测一次，直至基本稳定（1mm/100d）为止。8.2观测周期的选择（1)沉降观测点埋好稳定后需进行第一次沉降观测,以后每增加一层便进行一次观测；（2)竣工后的第一年前四个月每两个月一次,后八个月进行两次观测；（3)第二年两次、第三年一次；（4)当最后三次观测中所测建筑沉降量不超过水准测量精度(0.5mm)范围时,可停止观测。九、变形网平差计算方法 9.1变形网平差原理 最小二乘法平差（least squares method）是在残差向量 V和权矩阵 P满VP为最小的条件下，求取测量值和参数的最佳估值，并进行精度估计的的理论和方法。德国著名的数学家
21、、物理学家、天文学家和大地测量学家高斯（C F Gauss）于 1794 年首创此法。应用于测量，使平差的大部分问题得到解决，极大地推动了 19 世纪大地测量的发展。用此法进行测量平差时，未知量估值的数学期望等于未知量的数学期望（估值无偏），且估值的方差为最小，所获得的估值是最佳估值。其应用十分广泛，不仅用于传统的测量平差，而且用于最小二乘拟合和最小二乘配置等现代平差理论之中；不仅在测绘领域中，而且在其他许多科学和工程技术领域都已得到广泛应用。9.2变形网平差计算方法 9.2.1准基点的平差计算 三个水准基点构成一个闭合环,当闭合差hf L4(L 为环线长)时可将闭合差按与距离成比例反号分配到
22、各测段中,然后再用已知点高程计算出水准基点高程。9.2.2沉降观测点的平差计算 从图 7 中可看出三个水准基点与沉降观测点可构成三个结点的水准网,分别取三个水基点最近的沉降点为结点。9.2.3权的确定 权的确定有两种方式:以测站数定权iP=in1(n 为各测段的测站数)；以长度定权iP=iL1(L 为各测段的长度，单位 km)。9.2.4误差方程及法方程 平差计算采用间接平差法.设三个结 图 7.水准网平差 点平差高程分别为 X(12),Y(6),Z(16)见图 7,因为有 6 段观测值,所以能列 出 6 个误差方程。各测段的改正数iV 1V=X-1h-CH 2V=X-Y-2h 3V=Z-X-
23、3h 4V=Y-4h-AH 5V=Y-Z-5h 6V=Z-6h-BH(1)其对应权的为iP,i=1,2，6。根据误差方程式组成法方程,并写成未知数 X,Y,Z 表达式 X=1P(CH+1h)+2P(Y+2h)+3P(Z-3h)/(1P+2P+3P)Y=4P(AH+4h)+2P(X-2h)+5P(Z+5h)/(2P+4P+5P)Z=6P(BH+6h)+3P(Y+3h)+5P(Z-5h)/(3P+5P+6P)(2)将已知点高程、观测高差及各测段的权代入上式按逐渐趋近法计算出各结点平差高程.再将各结点平差后的高程作为已知点组成 3 条附合水准路线,按附合水准路线平差原理求出结点间各沉降点的平差高程。
24、如果每次沉降观测都采用测站固定法观测,只需将每次观测的高差代入上式就可求出结点的平差高程,再按上述同样的方法求出结点间各沉降点的高程。利用相临两次观测高程之差求出每次的沉降量及总的沉降量。十、变形量的计算 10.1变形量的计算与比较 初 值：1h,2h,3h,4h,5h,6h,7h,8h,9h.17h；第一次：1h,2h,3h,4h,5h,6h,7h,8h,9h.17h；第二次：1h,2h,3h,4h,5h,6h,7h,8h,9h.17h；第 n 次：1h,2h,3h,4h,5h,6h,7h,8h,9h.17h；每次比较H，分析总下沉量总H。十一、沉降与倾斜曲线 11.1沉降曲线的绘制 利用 EXCEL 分析沉降变化。如下例。十二、上交材料 12.1上交的内容与分析（1）观测记录手簿；（2）平差计算结果；（3）沉降观测点下沉量曲线图；（4）各次沉降量及总沉降量一览表；（5）分析变化量及预警值。