1、第九章第九章 建筑物的變形觀測建筑物的變形觀測 概 述 變形觀測的精度和頻率 基準點與變形點的構造與布設 垂直位移觀測 水平位移觀測 傾斜觀測 撓度觀測 變形觀測的成果處理 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 的蓬勃發展，各種大型建筑物，如水壩、高層建筑、大型橋梁、隧道 及各種大型設備的出現，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， 隨時監視變形的發展變化，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計的合理性， 為提高設計質量提供科學的依據。 建筑物產生變

2、形的原因很多，如地質條件、地震、荷載及外力作用的 變化等是其主要原因。在建筑物的設計及施工中，都應全面地考慮這 些因素。如果設計不合理，材料選擇不當，施工方法不當或施工質量 低劣，就會使變形超出允許值而造成損失。 建筑物產生變形時，必然會引起內部應力的變化，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。 根據變形的性質，可分為靜態變形和動態變形兩類。靜態變形是時間 的函數，觀測結果只表示在某一期間內的變形；動態變形是指在外力 作用下產生的變形，它是以外力為函數表示的，對于時間的變化，其 觀測結果表示在某一時刻的瞬時變形。 概

3、 述 由于變形是隨時間發展變化的，所以對靜態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。本章主要說明靜態變形的觀測方法。 建筑物變形的表現形式，主要為水平位移、垂直位移和傾斜，有的建 筑物也可能產生撓曲及扭轉。當建筑物的整體性受到破壞時，則可產 生裂縫。 所謂變形，是指相對于穩定點的空間位置的變化，所以在進行變形觀 測時，必須以穩定點為依據。這些穩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。 根據觀測結果，應對變形進行分析，得出變形的規律及大小，以判定 建筑物是逐步趨于穩定，還是變形繼續擴大。如果變形繼續擴大

4、，且 變形速率加快，則說明它有破壞的危險，應及時發出警報，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，說明建筑物趨于穩定，到達一定程度，即 可終止觀測。 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 難有一個明確的規定，國內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 規律，則精度應盡可能高些，因為精度的高低會影響觀

5、測成果的可靠 性。當然，在確定精度時，還要考慮設備條件的可能，在設備條件具 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 趨于穩定，則周期逐漸加長，直至完全穩定后，即可停止觀測。對于 頻臨破壞的建筑物，或者是即將產生滑坡、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 是相關的，只有在一個周期內的變形值遠大

6、于觀測誤差，其所得結果 才是可靠的。 基準點與變形點的構造與布設 無論是水平位移的觀測還是垂直位移的觀測，都要以穩固 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，要構成三角網、導線網 或方向線等平面控制網，對于用作垂直位移觀測的基準點， 則需構成水準網。由于對基準點的要求主要是穩固，所以 都要選在變形區域以外，且地質條件穩定，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定的地方，設立一些可以利用 來直接對變形點進行觀測的點作為過渡點，這些點稱為工工 作基點作

7、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。 基準點與變形點的構造與布設 作為變形觀測用的平面控制網，與 地形測量或施工測量的控制網相比 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果 的影響，通常都埋設高1.3m左右的 觀測墩，在墩頂安設強制對中器， 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，以使儀 器中心與三條槽的交會點對準。觀 測墩的基礎，宜建在基巖或其他穩 固的地層上。 基準點與變形點的構造與布設 在變形觀測時，不可能對建筑物的每

8、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，也要設置觀測標志。變形點的數量和位置， 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 工業與民用建筑進行垂直位移觀測時，其位置宜布設在建筑物的四角 及荷載變化、樓層數變化以及地質條件變化處。對于大的建筑物，要 求沿周邊每隔1020m處布設一點，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， 按上述要求埋設凸出墻面的金屬觀測標志，以便于觀測，如圖153

9、所示。這些標志要與墻體內的鋼筋焊在一起，以保證它們的整體性。 對于橋墩的垂直位移觀測，則變形點宜布設在墩頂的四角，或垂直平 分線的兩端，以便于根據不均勻的垂直位移，推求橋墩的傾斜程度。 基準點與變形點的構造與布設 基準點與變形點的構造與布設 水平位移變形點的布設，則視建筑物的結構、觀測方法及 變形方向而異。產生水平位移的原因很多，主要有地震； 巖體滑動、側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，水壩受側向水壓 而產生的位移，橋墩受水流沖擊而產生的位移等，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 而使建筑物產生的位移即是。對于不同的情況，宜采

10、用不 同的觀測方法，相應的對變形點的布設要求也不一樣。但 不管以什么方式布設，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。 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，會使其產生位 移。一般說來，在沒有其它外力作用時，多數呈下沉現象，對它的觀 測稱沉降觀測沉降觀測。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，這種現象稱為回彈，對它的觀測稱為回彈觀

11、測。 垂直位移觀測的高程依據是水準基點，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律。 垂直位移觀測 由水準基點組成的水準網稱為垂直位移監測網，它可布設成閉合環、結點或 附合水準路線等形式。其精度等級及主要技術要求見表151。 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 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0.30.070.150.2 DS0.5型儀器，視線長度15m， 前后視距差0.3m，視距累計差 1

12、.5m，宜按國家一等水準測量 的技術要求施測 二等0.50.130.300.5 DS0.5型儀器，宜按國家一等水準 測量的技術要求施測 三等1.00.300.600.8 DS0.5或DS1型儀器，宜按國家二 等水準測量的技術要求施測 四等2.00.701.402.0 DS0.5或DS1型儀器，宜按國家三 等水準測量的技術要求施測 n n n n n n n n 注：注：n n為測段的測站數為測段的測站數 垂直位移觀測 如果設置有工作基點，則每年應進行一至兩次與水準基點的聯測，以 檢查工作基點是否發生變動。聯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。

13、 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要求見表152。 垂直位移觀測 n n n n 0.15 0.30 0.60 1.40 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 線閉合差 (mm) 一等0.30.15 除按國家一等水準測量的技術 要求施測外，尚需設雙轉點， 視線15m，前后視距差0.3m， 視距累計差1.5m 二等0.5030 按國家一等水準測量的技術要 求施測 三等1.00.50 按國家二等水準測量的技術要 求施測 四等2.01.00 按國家三等水準測量的技術要 求施測 注：注：n n為測段的測

14、站數為測段的測站數 垂直位移觀測 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設置固定的測站與轉點，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。 水平位移觀測 水平位移觀測的平面位置是依據水平位移監測網，或稱平面控制網。 根據建筑物的結構形式、已有設備和具體條件，可采用三角網、導線 網、邊角網、三邊網和視準線等形式。在采用視準線時，為能發現端 點是否產生位移，還應在兩端分別建立檢核點。 為了方便，水平位移監測網通常都采用獨立坐標系統。例如大壩、橋 梁等往往以它的軸線方向作為x軸，

15、而y坐標的變化，即是它的側向位 移。為使各控制點的精度一致，都采用一次布網。 監測網的精度，應能滿足變形點觀測精度的要求。在設計監測網時， 要根據變形點的觀測精度，預估對監測網的精度要求，并選擇適宜的 觀測等級和方法。水平位移監測網的等級和主要技術要求見表153。 水平位移觀測 表表9 93 3 水平位移監測網的主要技術要求水平位移監測網的主要技術要求 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 作業要求 一等1.5 3000.71/250 000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3.0 300

16、1.01/120 000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6.0 3501.81/70 000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 水平位移觀測 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 測角前方交會 在變形點上不便于架設儀器時， 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。 測角中誤差； D兩已知點間的距離； 206 265。 采

17、用這種方法時，交會角宜在60 至120之間，以保證交會精度。 cotcot cotcot cotcot cotcot BABA p BABA p xxyy y yyxx x )(sin sinsin 2 22 Dm mp m 后方交會 如果變形點上可以架設儀器， 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。 BpBBpBp BBpBp xKyyyy K Kba xxxx 2 1 cot)()( BABA yyxxa cot)()( BABA xxyyb cot)()( BCBC yyx

18、xc cot)()( BCBC xxyyd db ca k 2 2222 )sin(sinsin bac aBCcAB p DDD DDDD m m 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。 極坐標法 在光電測距儀出現以后，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： 22 )(D m mm Dp 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

19、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。 視準線法 這種方法適用于變形方向為已知的線 形建(構)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)筑物在垂直 于視準點方向上的位移。量測偏移量 的設備為活動覘牌，其構造如圖15 8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，其讀數應為零，這

20、 一位置稱為零位。 觀測時在視準線的一端架設經緯儀， 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緯儀的視準線。 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

21、槽及施加拉力的設備。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。不同周期觀測時尺上讀數的變化，即為變形點與引張線垂直方向 上的位移值。 傾斜觀測 一些高聳建(構)筑物，如電視塔、煙囪、高橋墩、高層樓房等，往往 會發生傾斜。傾斜度用頂部的水平位移值K與高度h之比表示，即 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。 h K i 前方交會法 采用前方交會法時，例如對高層樓房的

22、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 22 yxK 前方交會法 像煙囪等圓錐形中空構筑物，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

23、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： )( )( RD b e RD a e BB AA 前方交會法 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： 根據a、b的正負號，還可以按下式計算出偏移的方向： 為以Ap為0按順時針方向計量的方位角。 22 BA eee B A e e arctan 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

24、投影位置的距離， 即為高處該點的水平位移值。 鉛垂儀的構造如圖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。 撓度觀測 所謂撓度，是指建(構)筑物或其構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生向下彎曲，高聳建筑物會產生側向彎 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： )()( AC BA A ABe ss LL L ss

25、F 觀測點間的距離； 觀測點的沉降量。 BA LL 、 CBA sss、 撓度觀測 沉降觀測的方法可用水準測量，如果由于結構或其他原因，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)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。 變形觀測的成果處理 變形觀測的外業工作結束后，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是監測網點，首要的是監測網點必須穩定可靠。 為能判定其是否穩定，也要定期進行復測。如果各個點每次結果的平 差值的較差在要求的范圍內，則認為它是穩定的，如果某點的較差超 限，則說明該點產生了變形。根據該點觀測的變形點，其結果應考慮 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，即變形量是相對于首 期的結果而言的，所以要特別注意首期觀測的質量。 變形觀測的目的是從多次觀測的成果中，發現變形的規律和