【正文】 形觀測(cè)研究近期的進(jìn)展 一、變形觀測(cè)工作的研究現(xiàn)狀 人類社會(huì)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加快了工程建設(shè)的進(jìn)程，并且對(duì)現(xiàn)代工程建筑物的規(guī)模、造型、難度提出了更高的要求。眾所周知，工程建構(gòu)筑物在施工和運(yùn)營期間，由于受多種主觀和客觀因素的影 響，會(huì)產(chǎn)生變形，變形如果超出了規(guī)定的限度，就會(huì)影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及建筑物的安全，給社會(huì)和人民生活帶來巨大的損失。以大壩為例，發(fā)過 67m 高的馬爾巴賽（ Malpasset）拱壩 1959 年垮壩；意大利 262m 高的瓦依昂（ Vajont）拱壩1963 年因 庫岸大滑坡導(dǎo)致涌浪翻壩且水庫淤滿失效；美國 93m 高的提堂（ Teton）理論上做一定的參數(shù)假設(shè) 建（構(gòu)）筑物 變形 設(shè)計(jì) 各種內(nèi)外因作用 變形觀測(cè) 變形預(yù)測(cè)公式 分析 變形與其成因之間的關(guān)系 異常 修正理論 技術(shù)警報(bào) 第一章 引言 4 土壩 1976 年潰決；我國板橋和石漫灘兩座土壩 1975 年洪水漫壩失事等。 建筑工程安全監(jiān)測(cè)起步較晚，它是隨著建筑工程的失事為人們提供教訓(xùn)后，不斷地尋求監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)手段而逐步發(fā)展起來的。目前國內(nèi)許多大中城市己經(jīng)提出要求和做出決定：新建的高層、超高層，重要的建筑物必須進(jìn)行變形觀測(cè)，否則不予驗(yàn)收。為確保施工安全和建筑物的安全使用，必須對(duì)其變形進(jìn)行長期觀測(cè)。經(jīng)過廣大測(cè)量科技工作者和工程技術(shù)人員近 30 年的共同努力，在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得了豐碩的理論研究成果，并發(fā)揮了實(shí)用效益。 （ 2） 1985 年 6 月 12 日長江三峽新灘大滑坡的成功預(yù)報(bào)，確保災(zāi)害損失減少到了最低限度。為我國減少直接經(jīng)濟(jì)損失 8700 萬元， 被譽(yù)為我國滑坡預(yù)報(bào)研究史上的奇跡。 科學(xué)、準(zhǔn)確、及時(shí)的分析和預(yù)報(bào)工程及工程建筑物的變形狀況，對(duì)工程建筑物的施工和運(yùn)營管理極為重要，這一工作屬于變形監(jiān)測(cè)的范疇。 變形監(jiān)測(cè)所研究 的理論和方法主要涉及到這樣三個(gè)方面的內(nèi)容：變形信息的獲取、變形信息的分析與解釋以及變形預(yù)報(bào)。對(duì)于工程建筑物，變形監(jiān)測(cè)除了作為判斷其安全的耳目之外，還是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工的重要手段。風(fēng)振觀測(cè)就是同步測(cè)定建筑物在風(fēng)壓作用下頂部的水平位移和振輻，以取得風(fēng)壓分布體型系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)，為設(shè)計(jì)人員建立合理的風(fēng)荷設(shè)計(jì)方案提供依據(jù) ； 7） 建筑物日照變形觀測(cè) — 高層建筑物和高聳構(gòu)筑物及構(gòu)件，由于受陽光的照射和輻射，陽面與陰面、上部與下部受熱不均勻，溫差較大就會(huì)產(chǎn)生向著背陽面彎曲。觀測(cè)回彈值的大小和變化即為基坑回彈觀測(cè) ； 9） 深基坑邊坡及支護(hù)系統(tǒng)變形觀測(cè) — 隨著基坑的開挖，邊坡會(huì)逐漸失去穩(wěn)定，為確保安全要加以支護(hù)，同時(shí)要對(duì)邊坡及支護(hù)系統(tǒng)變形進(jìn)行觀測(cè) ； 10 ） 施工場(chǎng)地、相鄰建筑物及設(shè)施變形觀測(cè) — 由于新建建筑物基坑開挖、基坑施工中井點(diǎn)降水、大量堆載和卸載或 基礎(chǔ)大面積的打樁等原因，必將引起施工現(xiàn)場(chǎng)及相鄰周圍地表的變形，甚至危及相鄰建筑物與設(shè)施的安全。 上述的變形觀測(cè)主要是監(jiān)視建筑物的形態(tài)及其空間位置的變化，稱它們?yōu)橥獠孔冃斡^測(cè)。內(nèi)部觀測(cè)一般不由測(cè)量人員進(jìn)行，但在進(jìn)行變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，特別是對(duì)變形原因作物理解釋時(shí)，則必須將內(nèi)，外部觀測(cè)的資料結(jié)合起來進(jìn)行分析。在全球性變形監(jiān)測(cè)方面，空間大地測(cè)量是最基本且最適用的技術(shù)，它主要包括全球定位系統(tǒng)（ GPS）、甚長基線射電干涉測(cè)量（ VLBI）、衛(wèi)星激光測(cè)距（ SLR）以及衛(wèi)星重力探測(cè)技術(shù)（衛(wèi)星測(cè)高、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星和衛(wèi)星重力梯度測(cè)量）等技術(shù)手段。近 10 年發(fā)展起來的空間對(duì)地觀測(cè)遙感新技術(shù) — 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（ InSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar），在監(jiān)測(cè) 地震變形、火山地表移動(dòng)、冰川飄移、地面沉降、山體滑坡等方面，其試驗(yàn)成果的精度已可達(dá) cm或 mm 級(jí)，表現(xiàn)出了很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但精密水準(zhǔn)測(cè)量依然是高精度高程信息獲取的主要方法。變形監(jiān)測(cè)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容就是沉降觀測(cè)。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，幾十年來人們探求的精密水準(zhǔn)測(cè)量自動(dòng)化，在 90 年代初有了突破。目前的主流產(chǎn)品有徠卡的 NA20NA3003，蔡司 DiNi DiNi10， 拓普康的 DL10 DL102 等數(shù)字電子水準(zhǔn)儀，它們的光學(xué)系統(tǒng)都采用了光學(xué)自平水準(zhǔn)儀的基本形式，具有典型的交叉吊帶補(bǔ)償器，也可以象光學(xué)水準(zhǔn)儀一樣使用。在水準(zhǔn)測(cè)量中，條碼的像通過一個(gè)分光器，將光線分成兩束，一束轉(zhuǎn)射到傳感光電二極管陣列上，另一束轉(zhuǎn)射到觀測(cè)鏡上。將儀器的調(diào)焦透鏡位置 參數(shù)作為相關(guān)搜索的初始值，求出最佳相關(guān)，即可求出高差。目前國內(nèi)尚未有國產(chǎn)電子水準(zhǔn)儀。 第一章 引言 7 本課題的研究目標(biāo)、方法和內(nèi)容 綜上所述，對(duì)工程建筑物，變形觀測(cè)具有安全預(yù)報(bào)、科學(xué)評(píng)價(jià)及檢驗(yàn)施工質(zhì)量等三方面的作用，為確保建 （ 構(gòu) ） 筑物的安全使用，必須進(jìn)行長期的變形觀測(cè)，以確定其變形狀態(tài)。然而，建筑物的變形觀測(cè)的技術(shù)、觀測(cè)方案的選取、觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及建筑物變形數(shù)據(jù)整理和分析預(yù)報(bào)的方法等都還存在著不完善、不科學(xué)的方面，有待不斷的探索與改進(jìn)。 本課題的內(nèi)容為建筑物沉降觀測(cè)方案設(shè)計(jì)，研究對(duì)象為山東理工大學(xué)圖書館的沉降情況。 本論文將結(jié)合山東理工大學(xué)圖書館的沉降觀測(cè)項(xiàng)目，主要開展以下幾個(gè)方面的研究 ： （ 1） 沉降變形觀測(cè)方案的設(shè)計(jì)與制定，包括觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、作業(yè)方法、觀測(cè)周期、成果整理和分析等多方面的內(nèi)容。 （ 2） 利用 Microft Excel 電子表格處理軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工進(jìn)行沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理、計(jì)算和匯總的方法和步驟，以期使觀測(cè)人員從大量的、重復(fù)性的工作中解脫出來。 第二章 變形觀測(cè)的基本理論 8 第二章 變形觀測(cè)的基本理論 建筑物的變形有很多種，比如傾斜、位移、裂縫等等，但是為什么會(huì)產(chǎn)生這些變形呢？引起建筑物變形的原 因較多，但最主要的原因有以下三點(diǎn)： ，即建筑物地基的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、土壤的物理性質(zhì)、大氣溫度等因素引起建筑物變形。 ，即建筑物自身的荷載大小、結(jié)構(gòu)類型、高度及其動(dòng)荷載（如風(fēng)力大小、震動(dòng)強(qiáng)弱）等引起建筑物變形。 ，或由于周圍環(huán)境影響而產(chǎn)生額外的變形。當(dāng)然這些引起變形的因素是相互聯(lián)系、相互作用的，對(duì)建筑物往往是共同作用的，只是不同時(shí)間段，不同因素的作用強(qiáng)弱不同而已。變形監(jiān)測(cè)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容就是沉降觀測(cè)。前者指其變形值是時(shí)間的函數(shù)；后者是在外力作用下產(chǎn)生的變形，其變形值是以外力的函數(shù)來表示的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)對(duì)于某一時(shí)刻的變化，其觀測(cè)結(jié)果表示建筑物在某一時(shí)刻的瞬時(shí)變形。兩種類型相互作用，共同影響。測(cè)量儀器主要有（光學(xué)、電子 ） 經(jīng)緯儀、 （ 光學(xué)、電子 ） 水準(zhǔn)儀、電磁波測(cè)距儀以及全站儀等。 2. 攝影測(cè)量方法 該法不需接觸被監(jiān)測(cè)的工程建筑物，攝影影像的信息量大，利用率高。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和實(shí)時(shí)攝影測(cè)量為該技術(shù)在變形觀測(cè)中的應(yīng)用開拓了更好的前景。這些方法可實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和遙測(cè)，且相對(duì)精度高，但測(cè)量范圍不大，提供局部變形信息?？臻g測(cè)量技術(shù)先進(jìn)，可以提供大范圍的變形信息，是研究地球板塊運(yùn)動(dòng)和地殼形變等全球性變形的主要手段。 三、建筑物變形觀測(cè)的特點(diǎn)： 1. 觀測(cè)精度高 由于變形觀測(cè)的結(jié)果直接關(guān)系到建筑物的安全，影響對(duì)變形原因和變形規(guī)律的正確分析，觀測(cè)必須具有較高的精度。一般來講，如果變形觀測(cè)是為了確保建筑物的安全，則測(cè)量精度應(yīng)小于允許變形值的 1/101/20； 如果是為了研究變形的過程，則觀測(cè)精度還應(yīng)更高。這就要求變形觀測(cè)必須依一定的時(shí)間周期進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)。通常要求觀測(cè)的次數(shù)，既能反映出變化的過程，又不遺漏變化的時(shí)刻。要從大量數(shù)據(jù)中精確提取變形信息，必須采用嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理方法。 物體的變形是通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置移動(dòng)來反映的。 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)網(wǎng)的實(shí)際情況靈活選取。這也是變形監(jiān)測(cè)者最希望看到的情況。這種情況實(shí)際上也是 存在的。這種網(wǎng)相應(yīng)的可采用經(jīng)典平差。這樣對(duì)變形點(diǎn)而言，也有了較穩(wěn)定的基礎(chǔ)，這種情況在實(shí)際中遇到的較多，當(dāng)然要確定網(wǎng)中哪些點(diǎn)較穩(wěn)定也并不是一件容易的事，要進(jìn)行穩(wěn)定點(diǎn)分析的研究。但這種方法缺乏穩(wěn)定基礎(chǔ) ， 而且重心基準(zhǔn)與網(wǎng)形大小有關(guān)。否則就利用“嘗試法”依次去掉不穩(wěn)定點(diǎn)。當(dāng)然還有一些其他的方法 ， 例如 ： t 檢驗(yàn)法、變形橢圓法、分塊間隙法等。 不同的參 考基準(zhǔn)將給出不同的位移值 ： 采用固定基準(zhǔn)所得到的位移值是相對(duì)固定點(diǎn)的變化量 ； 采用擬穩(wěn)基準(zhǔn)所得到的位移值是相對(duì)擬穩(wěn)點(diǎn)的重心的變化量 ；第二章 變形觀測(cè)的基本理論 11 采用重心基準(zhǔn)所得到的位移值是相對(duì)網(wǎng)的重心的變化量。 圖 231 水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)圖示 表 231 兩期觀測(cè)高差（ m） h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 第一期 第二期 現(xiàn)分別以固定基準(zhǔn)、擬穩(wěn)基準(zhǔn)和重心基準(zhǔn)對(duì)該網(wǎng)相應(yīng)的進(jìn)行經(jīng)典平差、擬穩(wěn)平差和偽逆平差。經(jīng)計(jì)算求得的兩期在不同基準(zhǔn)下的變化量見表 232。所以說 ， 如果在各期觀測(cè)數(shù)據(jù)中采用不同的基準(zhǔn)的話 ， 得到的結(jié)果是相對(duì)于不同基準(zhǔn)而言的 ， 它們不第二章 變形觀測(cè)的基本理論 12 具有可比性 ， 因此求得的位移值也是不符合實(shí)際情況的。 一般的 ， 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)形在變形觀測(cè)過程中是保持不變的 ， 這時(shí)只要根據(jù)實(shí)際情況采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)計(jì)算分析就可以了 ， 但有時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)會(huì)因?yàn)榄h(huán)境或人為的原因產(chǎn)生移動(dòng)或丟失 ， 或因需要又增設(shè)若干個(gè)點(diǎn) ， 致使兩期的網(wǎng)形不同 ， 當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí) ， 我們要特別注意兩期的平差基準(zhǔn)是否統(tǒng)一。 依據(jù)建筑物變形的主要原因及其類型的劃分進(jìn)而對(duì)變形觀測(cè)的過程進(jìn)行詳細(xì)的策劃。 1. 變形觀測(cè)具體方案內(nèi)容 （策劃的輸出） （ 1）建筑物變形觀測(cè)的類型：沉降觀測(cè)、傾斜觀測(cè)（垂直度觀測(cè)）、位移觀測(cè)、裂縫觀測(cè)。在工業(yè)與民用建筑的變形觀測(cè)中，由于其主要觀測(cè)內(nèi)容為基礎(chǔ)的沉降和主體傾斜，其觀測(cè)精度應(yīng)根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的允許沉降值、允許傾斜度和允許相對(duì)彎矩來決定。在國際測(cè)量工作者聯(lián)合會(huì)（ FIG）第十三屆會(huì)議中規(guī)定： “當(dāng)觀測(cè)目的是為了使其變形觀測(cè)精度中誤差應(yīng)小于允許變形值的1/10～ 1/20”。不同等級(jí)，不同精度的變形觀測(cè)，所采用的觀測(cè)方法也不相同。 （ 3）變形觀測(cè)的頻率 變形觀測(cè)的頻率或次數(shù)取決于變形值的大小，變形速度快慢和觀測(cè)目的。其他建筑物觀測(cè)的總次數(shù)不少于五次。當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行臨時(shí)緊急觀測(cè)。 （ 4）對(duì)測(cè)量人員及測(cè)量儀器的要求 測(cè)量人員必須精通測(cè)量專業(yè)知識(shí)，以便有效實(shí)施所策劃的變形觀測(cè)方案。 （ 5）變形觀測(cè)點(diǎn)的 布設(shè) 變形觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及其數(shù)據(jù)能否正確反映出建筑物的實(shí)際變形，與其變形觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)是否合理、全面有直接關(guān)系。每次在進(jìn)行沉降觀測(cè)前，須檢驗(yàn)水準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，只有穩(wěn)定的水準(zhǔn)點(diǎn)方可作為沉降觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)。 ② 對(duì)于設(shè)有后澆帶及施工縫的建筑物，還應(yīng)在其兩側(cè)布設(shè)沉降觀測(cè) 點(diǎn)； ③ 對(duì)于新建建筑物與原有建筑物的連接處，應(yīng)在其兩側(cè)的承重墻或支柱上布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)； ④ 對(duì)于一些大型工業(yè)廠房，除按上述原則布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)外，還應(yīng)在大型設(shè)備四周的承重墻或支柱上布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。 變形觀測(cè)成果的整理與分析 欲使變形觀測(cè)真正成為工程施工和營運(yùn)管理的耳目 ，確保安全施工和充分發(fā)揮工程效益的作用，除了取得現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的第一手資料外，還必須對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行整理與分析，并編制變形分析報(bào)告。 4. 繪制觀測(cè)點(diǎn)變形過程曲線和建筑物變形分布圖?？偨Y(jié)出建筑物變形過程、變形規(guī)律、變形幅度、變形原因，并找出變形值與引起變形的內(nèi)在原因和規(guī)律。 反饋調(diào)整、確保安全 利用觀測(cè)成果的分析結(jié)果，采取相應(yīng)的處置措施確保施工及建筑物營運(yùn)的安全，主要考慮以下幾個(gè)方面： 1. 是否嚴(yán)格按照所策劃的觀測(cè)方案進(jìn)行變形觀測(cè)； 2. 所策劃的方案的正確性審查； 3. 對(duì)施工生產(chǎn)和運(yùn)營管理提出指導(dǎo)性建議。若一旦發(fā)現(xiàn)建筑物的變形觀測(cè)值超過其設(shè)計(jì) 允許的最大變形時(shí)，應(yīng)及時(shí)將觀測(cè)結(jié)果書面報(bào)告勘察、設(shè)計(jì)、質(zhì)檢單位，以便共同研究、制定方案，采取切實(shí)可行的措施，防止發(fā)生意外。第五章 不均勻沉降對(duì)建筑物影響及防治措施 15 第三章 北區(qū)綜合樓沉降觀測(cè)方案設(shè)計(jì) 變形觀測(cè)開始前，應(yīng)根據(jù)變形類型、測(cè)量目的、任務(wù)要求以及測(cè)區(qū)條件等進(jìn)行變形觀測(cè)方案的設(shè)計(jì)。 變形觀測(cè)方案的內(nèi)容，一般包括 ： 觀測(cè)任務(wù)及目 的、觀測(cè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、作業(yè)方法、觀測(cè)周期和觀測(cè)期限等。當(dāng)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)變形異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)增加觀測(cè)次數(shù)。 制定合理的變形觀測(cè)方案是沉降變形觀測(cè)的第一步，也是非常重要的一項(xiàng)工作，因?yàn)樗绊懙接^測(cè)的成本以及成果的精度和可靠性，因此，本章結(jié)合山東理工大學(xué)圖書館的沉降觀測(cè)對(duì)建筑物變形觀測(cè)方案進(jìn)行了系統(tǒng)研究和精 心設(shè)計(jì)。 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）北區(qū)綜合樓 位于大學(xué)北區(qū)中心位置，地下一層，地上四層，根據(jù)設(shè)計(jì)要求該建筑在施工過程及運(yùn)營期間需要進(jìn)行沉降觀測(cè)，直至無沉降為止。控制點(diǎn)包括基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)以及聯(lián)系點(diǎn)、定向點(diǎn)等。工作基點(diǎn)應(yīng)選設(shè)在靠近觀測(cè)目 標(biāo)且便于聯(lián)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定或相對(duì)穩(wěn)定位置 ； 使用前應(yīng)利用基準(zhǔn)點(diǎn)或檢核點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性檢測(cè)。對(duì)需要定向的工作基點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)定向點(diǎn)，并應(yīng)選擇穩(wěn)定且符合照準(zhǔn)要求的點(diǎn)位作為定向點(diǎn)。 第五章 不均勻沉降對(duì)建筑物影響及防治措施 16 沉降觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè) 建筑物確定