第十五章 建筑物的變形觀測151 概述建筑物的變形觀測，目前在我國已受到高度重視。隨著社會主義建設(shè)的蓬勃發(fā)展，各種大型建筑物，如水壩、高層建筑、大型橋梁、隧道及各種大型設(shè)備的出現(xiàn)，因變形而造成損失的也越來越多。這種變形總是由量變到質(zhì)變而造成事故的。固而及時地對建筑物進行變形觀測，隨時監(jiān)視變形的發(fā)展變化，在未造成損失以前，及時采取補救措施，這就是變形觀測的主要目的。它的另一個目的是檢驗設(shè)計的合理性，為提高設(shè)計質(zhì)量提供科學的依據(jù)。 建筑物產(chǎn)生變形的原因很多，如地質(zhì)條件、地震、荷載及外力作用的變化等是其主要原因。在建筑物的設(shè)計及施工中，都應全面地考慮這些因素。如果設(shè)計不合理，材料選擇不當，施工方法不當或施工質(zhì)量低劣，就會使變形超出允許值而造成損失。 建筑物產(chǎn)生變形時，必然會引起內(nèi)部應力的變化，當應力變化到極限值時，建筑物即遭到破壞。所以對有些建筑物，在測定形變的同時，應輔以應力測定。本章只涉及形變觀測。 根據(jù)變形的性質(zhì)，可分為靜態(tài)變形和動態(tài)變形兩類。靜態(tài)變形是時間的函數(shù)，觀測結(jié)果只表示在某一期間內(nèi)的變形；動態(tài)變形是指在外力作用下產(chǎn)生的變形，它是以外力為函數(shù)表示的，對于時間的變化，其觀測結(jié)果表示在某一時刻的瞬時變形。 由于變形是隨時間發(fā)展變化的，所以對靜態(tài)變形要周期性地進行重復觀測，以求取兩相鄰周期間的變化量；而對動態(tài)觀測，則需用自動記錄儀器記錄其瞬時位置。本章主要說明靜態(tài)變形的觀測方法。 建筑物變形的表現(xiàn)形式，主要為水平位移、垂直位移和傾斜，有的建筑物也可能產(chǎn)生撓曲及扭轉(zhuǎn)。當建筑物的整體性受到破壞時，則可產(chǎn)生裂縫。 所謂變形，是指相對于穩(wěn)定點的空間位置的變化，所以在進行變形觀測時，必須以穩(wěn)定點為依據(jù)。這些穩(wěn)定點稱為基準點或控制點。因而變形觀測也要遵循從控制到碎部的原則。根據(jù)觀測結(jié)果，應對變形進行分析，得出變形的規(guī)律及大小，以判定建筑物是逐步趨于穩(wěn)定，還是變形繼續(xù)擴大。如果變形繼續(xù)擴大，且變形速率加快，則說明它有破壞的危險，應及時發(fā)出警報，以便采取措施。即使沒有破壞，但變形超出允許值時，則會妨礙建筑物的正常使用。如果變形逐漸縮小，說明建筑物趨于穩(wěn)定，到達一定程度，即可終止觀測。152 變形觀測的精度和頻率建筑物變形觀測的精度，視變形觀測的目的及變形值的大小而異，很難有一個明確的規(guī)定，國內(nèi)外對此有各種不同的看法。原則上，如果觀測的目的是為了監(jiān)視建筑物的安全，精度要求稍低，只要滿足預警需要即可，在1971年的國際測量工作者聯(lián)合會(FIG)上，建議觀測的中誤差應小于允許變形值的1/101/20；如果目的是為了研究孿形的規(guī)律，則精度應盡可能高些，因為精度的高低會影響觀測成果的可靠性。當然，在確定精度時，還要考慮設(shè)備條件的可能，在設(shè)備條件具備，且增加工作量不大的情況下，以盡可能高些為宜。觀測頻率的確定，隨載荷的變化及變形速率而異。例如，高層建筑在施工過程中的變形觀測，通常樓層加高1廣2層即應觀測一次；大壩的變形觀測，則隨著水位的高低，而確定觀測周期。對于已經(jīng)建成的建筑物，在建成初期，因為變形值大，觀測的頻率宜高。如果變形逐步趨于穩(wěn)定，則周期逐漸加長，直至完全穩(wěn)定后，即可停止觀測。對于頻臨破壞的建筑物，或者是即將產(chǎn)生滑坡、崩塌的地面，其變形速率會逐漸加快，觀測周期也要相應的逐漸縮短。觀測的精度和頻率兩者是相關(guān)的，只有在一個周期內(nèi)的變形值遠大于觀測誤差，其所得結(jié)果才是可靠的。153 基準點與變形點的構(gòu)造與布設(shè) 無論是水平位移的觀測還是垂直位移的觀測，都要以穩(wěn)固的點作為基準點，以求得變形點相對于基準點的位置變化。對于用作水平位移觀測的基準點，要構(gòu)成三角網(wǎng)、導線網(wǎng)或方向線等平面控制網(wǎng)，對于用作垂直位移觀測的基準點，則需構(gòu)成水準網(wǎng)。由于對基準點的要求主要是穩(wěn)固，所以都要選在變形區(qū)域以外，且地質(zhì)條件穩(wěn)定，附近沒有震動源的地方。對于一些特大工程，如大型水壩等，基準點距變形點較遠，無法根據(jù)這些點直接對變形點進行觀測，所以還要在變形點附近相對穩(wěn)定的地方，設(shè)立一些可以利用來直接對變形點進行觀測的點作為過渡點，這些點稱為工作基點。工作基點由于離變形體較近，可能也有變形，因而也要周期性地進行觀測。作為變形觀測用的平面控制網(wǎng)，與地形測量或施工測量的控制網(wǎng)相比較，精度要求高，一般邊長也較短。為了減少儀器對中誤差對觀測結(jié)果的影響，通常都埋設(shè)高1.3m左右的觀測墩，在墩頂安設(shè)強制對中器，以保證每次對中于同一位置上。強制對中器的構(gòu)造如圖151所示，中間有一螺孔，可用連接螺栓來固定儀器，也可將儀器的三個腳螺栓放置在互成120的槽內(nèi)，以使儀器中心與三條槽的交會點對準。觀測墩的基礎(chǔ)，宜建在基巖或其他穩(wěn)固的地層上。 高程基準點的數(shù)目不應少于三個，因為少于三個時，如果有一點發(fā)生變化，就難于判定哪一點發(fā)生了變化。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，高程基準點(包括工作基點)可采用深埋式或淺埋式水準點。深埋式是通過鉆孔埋設(shè)在基巖上，淺埋式的基礎(chǔ)與一般水準點相同。點的頂部均設(shè)有半球狀的不銹鋼或銅質(zhì)標志。在變形觀測時，不可能對建筑物的每一點都進行觀測，而是只觀測一些有代表性的點，這些點稱為變形點或觀測點。變形點要與建筑物固連在一起，以保證它與建筑物一起變化。為使點位明顯、肯定，以保證每次所觀測的點位相同，也要設(shè)置觀測標志。變形點的數(shù)量和位置，要能夠全面反映建筑物變形的情況，并要顧及到觀測的方便。例如對工業(yè)與民用建筑進行垂直位移觀測時，其位置宜布設(shè)在建筑物的四角及荷載變化、樓層數(shù)變化以及地質(zhì)條件變化處。對于大的建筑物，要求沿周邊每隔1020m處布設(shè)一點，如圖152所示。如果垂直位移是用水準測量的方法觀測，在施工時，就在墻體底部離地面0.8m左右處，按上述要求埋設(shè)凸出墻面的金屬觀測標志，以便于觀測，如圖153所示。這些標志要與墻體內(nèi)的鋼筋焊在一起，以保證它們的整體性。對于橋墩的垂直位移觀測，則變形點宜布設(shè)在墩頂?shù)乃慕牵虼怪逼椒志€的兩端，以便于根據(jù)不均勻的垂直位移，推求橋墩的傾斜程度。 水平位移變形點的布設(shè)，則視建筑物的結(jié)構(gòu)、觀測方法及變形方向而異。產(chǎn)生水平位移的原因很多，主要有地震；巖體滑動、側(cè)向的土壓力和水壓力、水流的沖擊等。其中有些對位移方向的影響是已知的，例如，水壩受側(cè)向水壓而產(chǎn)生的位移，橋墩受水流沖擊而產(chǎn)生的位移等，即屬這種情況。但有些對方向的影響是不知道的，如受地震影響而使建筑物產(chǎn)生的位移即是。對于不同的情況，宜采用不同的觀測方法，相應的對變形點的布設(shè)要求也不一樣。但不管以什么方式布設(shè)，變形點的位置必須具有變形的代表性，必須與建筑物固連，而且要與基準點或工作基點通視。在變形點上，如果可以安置覘標或儀器，則應設(shè)置強制對中器、以強制對中，減小對中誤差，如果不能安置覘標，則應設(shè)置清晰而易于照準的目標，其顏色和圖案的選擇，應有利于提高照準的精度。 154 垂直位移觀測建筑物受地下水位升降、荷載的作用及地震等的影響，會使其產(chǎn)生位移。一般說來，在沒有其它外力作用時，多數(shù)逞下沉現(xiàn)象，對它的觀測稱沉降觀測。在建筑物施工開挖基槽以后，深部地層由于荷載減輕而升高，這種現(xiàn)象稱為回彈，對它的觀測稱為回彈觀測。垂直位移觀測的高程依據(jù)是水準基點，即在水準基點高程不變的前提下，定期地測出變形點相對于水準基點的高差，并求出其高程，將不同周期的高程加以比較，即可得出變形點高程變化的大小及規(guī)律。由水準基點組成的水準網(wǎng)稱為垂直位移監(jiān)測網(wǎng)，它可布設(shè)成閉合環(huán)、結(jié)點或附合水準路線等形式。其精度等級及主要技術(shù)要求見表151。表151 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)的主要技術(shù)要求等級相鄰基準點高差中誤差(mm)每站高差中誤差(mm)往返較差、附合或環(huán)線閉合差(mm)檢測已測高差較差(mm)使用儀器、觀測方法及要求一等0.30.070.150.2DS0.5型儀器，視線長度15m，前后視距差0.3m，視距累計差1.5m，宜按國家一等水準測量的技術(shù)要求施測二等0.50.130.300.5DS0.5型儀器，宜按國家一等水準測量的技術(shù)要求施測三等1.00.300.600.8DS0.5或DS1型儀器，宜按國家二等水準測量的技術(shù)要求施測四等2.00.701.402.0DS0.5或DS1型儀器，宜按國家三等水準測量的技術(shù)要求施測注：n為測段的測站數(shù) 如果設(shè)置有工作基點，則每年應進行一至兩次與水準基點的聯(lián)測，以檢查工作基點是否發(fā)生變動。聯(lián)測工作應盡可能選擇固定的月份，即保證外界條件基本相同，以減少外界條件變化對成果的影響。變形點垂直位移觀測的方法有多種，但暴常用的是水準測量。觀測的精度等級和主要技術(shù)要求見表152。表152 變形點垂直位移觀測的精度要求和觀測方法等級高程中誤差(mm)相鄰點高差中誤差(mm)觀測方法往返較差、附合或環(huán)線閉合差(mm)一等0.30.15除按國家一等水準測量的技術(shù)要求施測外，尚需設(shè)雙轉(zhuǎn)點，視線15m，前后視距差0.3m，視距累計差1.5m0.15二等0.5030按國家一等水準測量的技術(shù)要求施測0.30三等1.00.50按國家二等水準測量的技術(shù)要求施測0.60四等2.01.00按國家三等水準測量的技術(shù)要求施測1.40注：n為測站數(shù)由于變形觀測是多周期的重復觀測，且精度要求較高，為了避免誤差的影響，尚需注意以下各點：1設(shè)置固定的測站與轉(zhuǎn)點，使每次觀測在固定的位置上進行。2人員固定，以減少人差的影響。3使用固定的儀器和水準尺，以減少儀器誤差的影響。155 水平位移觀測水平位移觀測的平面位置是依據(jù)水平位移監(jiān)測網(wǎng)，或稱平面控制網(wǎng)。根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)形式、已有設(shè)備和具體條件，可采用三角網(wǎng)、導線網(wǎng)、邊角網(wǎng)、三邊網(wǎng)和視準線等形式。在采用視準線時，為能發(fā)現(xiàn)端點是否產(chǎn)生位移，還應在兩端分別建立檢核點。為了方便，水平位移監(jiān)測網(wǎng)通常都采用獨立坐標系統(tǒng)。例如大壩、橋梁等往往以它的軸線方向作為x軸，而y坐標的變化，即是它的側(cè)向位移。為使各控制點的精度一致，都采用一次布網(wǎng)。監(jiān)測網(wǎng)的精度，應能滿足變形點觀測精度的要求。在設(shè)計監(jiān)測網(wǎng)時，要根據(jù)變形點的觀測精度，預估對監(jiān)測網(wǎng)的精度要求，并選擇適宜的觀測等級和方法。水平位移監(jiān)測網(wǎng)的等級和主要技術(shù)要求見表153。表153 水平位移監(jiān)測網(wǎng)的主要技術(shù)要求等級相鄰基準點的點位中誤差(mm)平均邊長(m)測角中誤差()最弱邊相對中誤差作業(yè)要求一等1.53000.71/250 000按國家一等三角要求施測1501.01/120 000按國家二等三角要求施測二等3.03001.01/120 000按國家二等三角要求施測1501.81/70 000按國家三等三角要求施測三等6.03501.81/70 000按國家三等三角要求施測2002.51/40 000按國家四等三角要求施測四等12.04002.51/40 000按國家四等三角要求施測變形點的水平位移觀測有多種方法，最常用的有測角前方交會、后方交會、極坐標法、導線法、視準線法、引張線法等，宜根據(jù)條件，選用適當?shù)姆椒āＲ弧y角前方交會在變形點上不便于架設(shè)儀器時，多采用這種方法。如圖154所示，A、B為平面基準點，p為變形點，由于A、B的坐標為已知，在觀測了水平角、后，即可依下式求算p點的坐標。 (151)點位中誤差 的估算公式為： (152)式中 測角中誤差； D兩已知點間的距離；206 265。采用這種方法時，交會角宜在60至120之間，以保證交會精度。二、后方交會 如果變形點上可以架設(shè)儀器，且與三個平面基準點通視時，可采用這種方法。如圖155所示，A、B、C為平面基準點，p為變形點，當觀測了水平角、后，即可依公式153計算p點坐標。 (153)式中 點位中誤差的估算公式為 (154)式中 測角中誤差采用這種方法時，需注意p點不能與A、B、C在同一圓周上，否則無定解。三、極坐標法 在光電測距儀出現(xiàn)以后，這種方法用得比較廣泛，只要在變形點上可以安置反光鏡，且與基準點通視即可。如圖156所示，A、B為基準點，其坐標已知，p為變形點，當測出及d以后，即可據(jù)以求出p點的坐標，由于計算方法簡單，不再進行說明。點位中誤差的估算公式為： (155)四、導線法 當相鄰的變形點間可以通視，且在變形點上可以安置儀器進行測角、測距時，可采用這種方法。通過各次觀測所得的坐標值進行比較，便可得出點位位移的大小和方向。這種方法多用于非直線型建筑物的水平位移觀測，如對弧形拱壩和曲線橋的水平位移觀測。 五、視準線法這種方法適用于變形方向為已知的線形建(構(gòu))筑物，是水壩、橋梁等常用的方法。如圖157所示，視準線的兩個端點A、B為基準點，變形點1、2、3等布設(shè)在AB的連線上，其偏差不宜超過2cm。變形點相對于視準線偏移量的變化，即是建(構(gòu))筑物在垂直于視準點方向上的位移。量測偏移量的設(shè)備為活動覘牌，其構(gòu)造如圖158所示。覘牌圖案可以左右移動，移動量可在刻劃上讀出。當圖案中心與豎軸中心重合時，其讀數(shù)應為零，這一位置稱為零位。 觀測時在視準線的一端架設(shè)經(jīng)緯儀，照準另一端的觀測標志，這時的視線稱為視準線。將活動覘牌安置在變形點上，左右移動覘牌的圖案，直至圖案中心位于視準線上，這時的讀數(shù)即為變形點相對視準線的偏移量。不同周期所得偏移量的變化，即為其變形值。與此法類似的還有激光準直法，就是用激光光束代替經(jīng)緯儀的視準線。六、引張線法引張線法的工作原理與視準線法類似，但要求在無風及沒有干擾的條件下工作，所以在大壩廊道里進行水平位移觀測采用較多。所不同的，是在兩個端點間引張一根直徑為0.8mm至lmm的鋼絲，以代替視準線。采用這種方法的兩個端點應基本等高，上面要安置控制引張線位置的V形槽及施加拉力的設(shè)備。中間各變形點與端點基本等高，在上面與引張線垂直的方向上水平安置刻劃尺；以讀出引張線在刻劃尺上的讀數(shù)。不同周期觀測時尺上讀數(shù)的變化，即為變形點與引張線垂直方向上的位移值。156 傾斜觀測 一些高聳建(構(gòu))筑物，如電視塔、煙囪、高橋墩、高層樓房等，往往會發(fā)生傾斜。傾斜度用頂部的水平位移值K與高度h之比表示，即 （156）一般傾斜度用測定的K及h求算，如果確信建筑物是剛性的，也可以通過測定基礎(chǔ)不同部位的高程變化來間接求算。 高度h可用懸吊鋼尺測出，也可用三角高程法測出。頂部點的水平位移值，可用前方交會及建立垂準線的方法測出。一、前方交會法采用前方交會法時，例如對高層樓房的墻角觀測，則高處觀測點與其理論位置的坐標差x、y，即為在x,y方向上的位移值，其最大位移方向上的位移值為 （157）像煙囪等圓錐形中空構(gòu)筑物，應測定其幾何中心的水平位移，這種情況可采用圖159所示的方法進行。A、B為兩觀測站，離煙囪的距離應不小于煙囪高度的兩倍，并使Ap、Bp方向大致垂直。經(jīng)緯儀先在A點觀測煙囪底部和頂部相切兩方向的值，取平均值得a、a即為通過煙囪底部和頂部中心的方向值。同樣再在B點觀測，得b、b。若aa，bb，則表示煙囪的上下中心不在同一鉛垂線上，即煙囪有傾斜。計算出a= a-a，b= b-b，并從A、B分別沿Ap、Bp方向量出到煙囪外皮的距離DA、DB，則可按下式計算出垂直于Ap、Bp方向的偏移量eA、eB： （158）式中R為煙囪底部的半徑，可量出底部的周長后求得。煙囪總的偏移量e為： （159）根據(jù)a、b的正負號，還可以按下式計算出偏移的方向： （1510）為以Ap為0按順時針方向計量的方位角。二、垂準線法 垂準線的建立，可以利用懸吊垂球，也可以利用鉛垂儀(或稱垂準儀)。 利用垂球時，是在高處的某點，如墻角、建筑物的幾何中心處懸掛垂球，垂球線的長度應使垂球尖端剛剛不與底部接觸，用尺子量出垂球尖至高處該點在底部的理論投影位置的距離，即為高處該點的水平位移值。鉛垂儀的構(gòu)造如圖1510所示，當儀器整平后，即形成一條鉛垂視線。如果在目鏡處加裝一個激光器，則形成一條鉛垂的可見光束，稱為激光鉛垂線。觀測時，在低部安置儀器，而在頂部量取相應點的偏移距離。157 撓度觀測所謂撓度，是指建(構(gòu))筑物或其構(gòu)件在水平方向或豎直方向上的彎曲值。例如橋的梁部在中間會產(chǎn)生向下彎曲，高聳建筑物會產(chǎn)生側(cè)向彎曲。圖15一11是對梁進行撓度觀測的例子。在梁的兩端及中部設(shè)置三個變形觀測點A、B及C，定期對這三個點進行沉降觀測，即可依下式計算各期相對于首期的撓度值： (1511)式中 觀測點間的距離；觀測點的沉降量。沉降觀測的方法可用水準測量，如果由于結(jié)構(gòu)或其他原因，無法采用水準測量時，也可采用三角高程的方法。橋梁在動荷載(如列車行駛在橋上)作用下會產(chǎn)生彈性撓度，即列車通過后，立即恢復原狀，這就要求在撓度最大時測定其變形值。為能測得其瞬時值，可在地面架設(shè)測距儀，用三角高程法觀測，也可利用近景攝影測量法測定。對高聳建(構(gòu))筑物豎直方向的撓度觀測，是測定在不同高度上的幾何中心或棱邊等特殊點相對于底部幾何中心或相應點的水平位移，并將這些點在其扭曲方向的鉛垂面上的投影繪成曲線，就是撓度曲線。水平位移的觀測方法，可采用測角前方交會法、極坐標法或垂線法。158 變形觀測的成果處理變形觀測的外業(yè)工作結(jié)束后，應及時對觀測手簿進行整理和檢查。如有錯誤或誤差超限，須找出原因，及時進行補測。由于觀測變形點的依據(jù)是監(jiān)測網(wǎng)點，首要的是監(jiān)測網(wǎng)點必須穩(wěn)定可靠。為能判定其是否穩(wěn)定，也要定期進行復測。如果各個點每次結(jié)果的平差值的較差在要求的范圍內(nèi)，則認為它是穩(wěn)定的，如果某點的較差超限，則說明該點產(chǎn)生了變形。根據(jù)該點觀測的變形點，其結(jié)果應考慮該點變形的影響。變形量的計算，是以首期觀測的成果作為基礎(chǔ)，即變形量是相對于首期的結(jié)果而言的，所以要特別注意首期觀測的質(zhì)量。變形觀測的目的是從多次觀測的成果中，發(fā)現(xiàn)變形的