建筑物沉降变形观测分析

建筑物沉降变形观测分析 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第1页 题目 :建筑物沉降测量 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计及对变形网的变形 分析 毕业设计(论文)共31页(其中外围文献参考文献11项) 完成日期2011年6月 答辩日期2011年6月 甘肃工业职业技术学院 测绘工程系0831班 王晓勇 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第2页 建筑物沉降测量方案设计及对变形网的变形分析 摘要 本文首先简单介绍了变形测量的基本知识～论述了工程建筑物变形的原因、类型、变形观测的任务、内容、 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 、原则、过程～叙述了变形监测的主要作用和内容～提出了“五定”变形监测的基本原则～阐述了变形网的特点及平差计算的原理与方法～提出了利用数理统计的原理对两期变形观测的平差值及观测值改正数进行分析～从而确定变形网是否变形的一种理论方法。然后聚焦到建筑物沉降测量上进行介绍～对建筑物沉降观测进行了具体地、细致地论述。针对建筑物沉降变形测量等级确定的问题～进行了分析与研究～同时对基准网、观测网点位的布设与观测提出了要求。然后介绍了如何对辽宁科技大学图书馆进行沉降测量方案设计及如何对其变形网进行变形分析～阐述了图书馆沉降观测的、等级和所达到的技术指标 以及在特定条件下水准基点的选择与埋设及水准基点、观测点的外业观测和内业计算。最后运用了前面介绍的确定变形网是否变形的理论对图书馆的变形网进行了分析。另外～平差计算和变形网变形分析计算都是利用Matlab进行的。 关键词: 建筑物,变形监测,沉降测量,变形网,变形分析,F分布 The Program Design of Building Settlement Measurement and Deformation Analysis 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第3页 Abstract This paper briefly introduced the deformation measurements, analyzed the causes and the types of building’s deformation, introduced the operational processes, and raised the basic principles as “five-stability” deformation monitoring. The characteristic of distortion network and the principle and method of square error calculation were elaborated. By using principles of statistics of mathematics and physics to analyze square error value and adjustment of observation value between latest field observations, a theory method was proposed to determine whether the distortion network distorts or not. Then the paper focused on the measurement of settlement building. The observation of a settlement building was specifically, and carefully discussed. It has given a detailed analysis and discussion on how to determine the grade of settlement measurement of buildings and subsidiary buildings. Furthermore, the author put forward the requirements of establishing and surveying the points in the datum networks and observation networks. Finally, how to design the settlement program and how to analysis deformation of its network for the Liaoning University of Science and Technology Library was described. The class observed and its technique standard achieved in library’s settlement were discussed also including the selection and installation of underground bench marks, field observation, indoor calculation and whether the distortion network distorted or not as well. And finally, the main calculation process was done with Matlab. Keywords: Building; Deformation measurement; Settlement measurement; Deformation network; Deformation analysis; F distribution 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第4页 目录 摘要 ................................................................................................................... 2 Abstract .............................................................................................................. 3 目录 ................................................................................................................... 4 1 绪论 ............................................................................................................... 6 1.1 选题背景及目的......................................................................................................6 1.2 变形监测的概述......................................................................................................7 1.2.1 变形监测的概念、任务和内容 ....................................................................7 1.2.2 变形监测的意义 ...........................................................................................7 1.2.3变形监测的对象 ............................................................................................7 1.2.4 变形监测的方法 ...........................................................................................7 1.2.5 变形监测的基本原则 ...................................................................................8 1.2.6 变形观测资料整理的内容............................................................................8 2 建筑物沉降测量方案设计 ............................................................................ 9 2.1 建筑物变形监测的任务和内容 ..............................................................................9 2.2 引起建筑物变形的原因 ..........................................................................................9 2.3 建筑物沉降测量等级的确定 ..................................................................................9 2.4 沉降测量的精度与周期 ........................................................................................ 10 2.5 各等级沉降测量适用水准仪 ................................................................................ 11 2.6 基准点与观测点的布设、埋设及观测 ................................................................. 12 2.6.1基准点的布设、埋设及观测 ....................................................................... 12 2.6.2观测点的布设、埋设与观测 ....................................................................... 13 3 变形网变形的分析 ...................................................................................... 14 3.1 常用平差方法 ....................................................................................................... 14 3.1.1间接平差方法 .............................................................................................. 15 3.1.2秩亏自由平差 .............................................................................................. 15 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第5页 3.2 变形网变形的分析 ................................................................................................ 16 3.2.1理论基础 ..................................................................................................... 16 3.2.2变形网的变形分析 ...................................................................................... 17 4 专题— ......................................................................................................... 18 4.1 观测方案 ............................................................................................................... 18 4.1.1工程简介 .................................................................. 错误:未定义书签。18 4.1.2基准点的选择 .............................................................................................. 18 4.1.3技术指标 ..................................................................................................... 20 4.1.4仪器设备 ..................................................................................................... 20 4.1.5水准基点的观测 .......................................................................................... 21 4.1.6提高观测精度的方法 .................................................................................. 22 4.1.7外业观测方法及注意事项........................................................................... 23 4.2 数据处理 ............................................................................................................... 23 4.2.1沉降观测数据的预处理 .............................................................................. 23 4.2.2平差方法的选择及计算过程 ....................................................................... 24 4.3 变形分析 ............................................................................................................... 25 4.3.1 变形网的变形分析 ..................................................................................... 25 4.3.2 沉降量汇总表和沉降曲线.......................................................................... 26 结论 ................................................................................................................. 28 致谢 ................................................................................................................. 29 参考文献 ......................................................................................................... 30 附录? 三次观测数据预处理后各测段的高差值 ......................................... 30 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第6页 1 绪论 1.1 选题背景及目的 测绘科学是一门具有悠久历史和现代发展的学科。该学科随着科学技术的发展，服务领域也不断拓宽。尤其是随着国民经济的快速发展，城市各类高耸建筑物和多用途建筑物日益增多。这一方面可以有效缓解土地资源不足与人口不断增长的矛盾，另一方面也给城市发展注入新的活力和内涵。由于建筑物的增高、荷载的增加，在地基基础和上部结构的共同作用下，建筑物将发生不均匀沉降，轻者将使建筑物产生倾斜或裂缝，影响正常使用，重者将危及人民生命及财产安全。为了能够确切反映建筑物、构筑物及其场地的实际变形程度或变形趋势，验证设计方案的科学性，分析形变原因，预防事故发生，保证建筑物在施工及运营期间的安全，对建筑物必须进行变形测量。变形测量是监测、分析及预报工程建筑物及与工程有关的变形的主要方法;是对建筑物、构筑物及其地基或一定范围内岩体及土体的位移、沉降、倾斜、挠度、裂缝等所进行的测量工作。而对建筑物来说沉降测量是建筑物变形监测的主要内容。沉降测量主要是使用精密水准仪采用周期的观测方法定期测出建筑物在不同荷载下的沉降量，及时掌握建筑物的沉降情况，了解有无异常现象，以便采取合适的补救办法以保证建筑物的安全稳定，更能准确反映地基勘探、基础设计及施工质量的优劣。在建筑物沉降观测结果中有时会出现一些矛盾现象，我们只有认真分析这些问题产生的原因，采取合理的处理办法，才能准确掌握建筑物的沉降变化情况，从而采用合适的方法，分析、研究建筑物沉降的复杂性和多样性，为建筑物设计和防灾减灾提供科学的依据。 由以上论述可知沉降测量是非常重要的，沉降监测在现代人民生活中扮演着一个不可缺少的角色。因此，在以后工作中很可能会涉及到有关内容，虽然我们在大学里开了一门关于变形测量的课程，其中涉及了沉降测量的有关知识，但我觉得很有必要对沉降测量进行系统地研究和学习。基于这个考虑，我选择了这个课题，希望通过本次毕业设计来提高自己在变形测量方面的理论知识和实践能力。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第7页 1.2 变形监测的概述 1.2.1 变形监测的概念、任务和内容 变形监测是指利用一定的仪器和方法对变形体的变形现象进行监测的工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。变形监测的主要内容有:沉降测量、位移测量、倾斜测量、裂缝测量和挠度测量。 1.2.2 变形监测的意义 高层及超高层建(构)筑物使用越来越多，但由于高层建筑物往往采用桩基基础，且荷载较大，其施工将给高层建筑物本身及周边建筑群体带来复杂的形变影响。一方面，变形测量为掌握各种建筑物和地质构造的稳定性和安全性提供必要的信息，继而有关人员能及时发现问题并采取措施，减少或避免不必要的财产和人员伤亡;另一方面，变形测量也为建筑物的设计、施工、管理和科学研究提供可靠的资料。 1.2.3变形监测的对象 变形测量的对象是多种多样的。从地表到工程建(构)筑物，一切关系到人们生活的实物对象都可能成为变形测量的对象。具体有:一、地表变形。地表变形可以是自然原因产生的，即板块运动、地球内部岩浆的活动等原因产生，也可能是人工的原因。如地震既是自然原因，各种人类活动造成的地表变形既是人工原因。二、工程建(构)筑物。工程建(构)筑物有各种不同类型，如水利水电枢纽工程、桥梁、高层建筑冶炼设施精密输送带尾砂坝井塔和井架架空索道挡土墙地下井巷隧洞和硐室等等。 1.2.4 变形监测的方法 常规地面测量法:主要利用水准仪进行基准点和沉降监测点的高程测量，根据各周期沉降监测点的高程变化析建筑物的沉降变形情况。此法适合于不同类型、不同精度要求和不同施测条件的建筑物沉降监测。随着测量仪器的不断改进，全站仪在沉降监测中得到了广泛的应用，尤其是全自动跟踪测量仪(测量机器人) 的推广应用，为全天候、全方位、高精度(可达亚mm 级) 的全自动监测提供了广阔的发展空间 。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第8页 地面摄影测量法:近年来，数字摄影测量已广泛应用于大型建筑物的监测。利用此法测量时，无需接触被测物体，并可同时提供多个点的瞬间三维空间信息，其主要特点是信息量丰富，可做大面积复测，外业工作简单，使用动态观测，但精度较低。 GPS 测量法:GPS 作为一种全新的空间定位技术，从静态定位发展到动态定位，并具有很高的相对定位精度，因此在越来越多的领域取代了常规的光学仪器和电子仪器。应用GPS 进行建筑物的变形监测，可以实现全天候、实时、连续的高精度自动监测。但GPS测量的高程精度低，故现在还不应用在高精度沉降测量上。 专用设备法:专用设备包括各种准直仪、倾斜仪、液体静力水准仪、微水准器和应力计等，该法最大的特点是相对精度高，容易实现制动化联测和遥测，但测量范围较小，使用提供局部形变信息的变形观测。 实际工作中，选择哪一类变形观测法，应依据建筑物的性质、精度要求、工作环境及作业条件综合考虑。 1.2.5 变形监测的基本原则 在工程质量验收中，变形监测成果已成为重要的验收内容之一。变形监测要遵循“五定”原则。所谓“五定” ，即通常所说的变形观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的变形观测点位要稳定;所用仪器、设备要稳定;观测人员要稳定;观测时的环境条件基本稳定;观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上措施在客观上尽量减少了监测误差的不定性，使所测的结果具有统一的趋向性，保证各次复测结果与首次观测的结果可比性一致，使观测值更真实。 1.2.6 变形观测资料整理的内容 (1)检查野外的观测记录。每次观测后应及时进行检查。记录数字应无不合理的涂改、无遗漏或错误，观测结果符合 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的精度要求。如果发现粗差或不合要求时，应立即进行部分重测或全部重测。 (2)计算有关的各种观测结果。计算工作首先是数据的处理(或平差计算) ，最终是要得到点位的高程。 (3)将各种变形值按时间顺序，逐点地填写在数据表里。 (4)绘制各种变形过程的曲线，以及建筑物变形分布图。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第9页 2 建筑物沉降测量方案设计 2.1 建筑物变形监测的任务和内容 变形观测的任务是周期性地对观测点进行重复观测，求得其在各观测周期间的变化量。一般需要长期的观测，捕捉变形敏感部位和各观测期间的变形观测点的变形信息。对于基础而言，主要观测内容是均匀沉陷和不均匀沉陷。对于建筑物本身来说，则主要是倾斜与裂缝观测。对于工业企业、科学实验设施和军事设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要的观测内容是水平位移和垂直位移。对于高大的塔式建筑物和高层房屋，还应该观测其瞬时的变形、可逆变形和扭转。对建筑物来说不均匀沉陷是引起建筑物变形的主要原因，本设计主要讨论建筑物沉降测量方案设计与变形网的变形分析。 2.2 引起建筑物变形的原因 (1)自然条件及其变化而引起建筑物变形。建筑物地基的工程地质条件、水文地质条件、土壤的物理性质、大气温度等因素引起建筑物变形。如:由于基础的地质条件不同，引起建筑物各个部分不均匀沉降，而使其发生倾斜、位移、裂缝等变形;或由于地基本身的塑性变形也会引起建筑物不均匀沉降;同时由于温度与地下水位的季节性和周期性变化引起建筑物的规律性变形。 (2)建筑物自身的荷载大小、结构类型、高度及其动荷载(如风力大小、振动强弱)等引起建筑物变形。要减弱这方面影响，往往通过优化设计方案来实现。 (3)由于建筑物施工或使用期间一些工作做得不合理，或由于周围环境影响而产生的变形。例如:在高大建筑物周围进行深基坑开挖，就会对其原有建筑物产生影响。 以上引起变形的因素是相互联系、相互作用的，对建筑物往往是共同作用的，只是不同时间段，不同因素的作用强弱不同而已。 2.3 建筑物沉降测量等级的确定 确定合适的沉降变形测量等级，是进行这一测量工作的核心，也是编制和实施变形测量方案最关键的技术依据之一。等级确定得过高，会浪费较大的人力、物力、财力; 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第10页 过低，又不能可靠地反映建(构)筑物的变形情况，严重者将会导致工程事故的发生，因而要严肃地对待确定等级这一问题。在确定等级时，应首先确定建筑物的结构类型，继而确定允许沉降量，再由允许沉降量确定观测等级。具体情况如下表所示: 表2.1 沉降观测等级的确定 沉降量观测的中误差m, ,允许沉降量 观测等级 允 ,m=/20 选用值 ,允 4.2毫米 ?0.21毫米 ?0.2毫米 一 12毫米 ?0.60毫米 ?0.5毫米 二 18毫米 ?0.90毫米 ?1.0毫米 三，四 30毫米 ?1.50毫米 ?2.0毫米 五 2.4 沉降测量的精度与周期 1981年，FIG第16届会议认为:为实用目的，观测的中误差应不超过允许变形值的1/10,1/20，或1,2mm，为科研目的，观测的中误差应分别小于允许变形值的1/20,1/100，或0.02mm。 建筑物施工阶段的观测，应随施工进度及时进行。一般建筑，可在基础完工后或地下室砌完后开始观测，大型，高层建筑 可在基础垫层或基础底部完成后开始观测。观测次数与间隔时间应视地基与加荷情况而定。民用建筑可每加高1,5层观测一次工业建筑可按不同施工阶段如回填基坑，安装柱子和屋架，砌筑墙体，设备安装等分别进行观测。如建筑物均匀增高，应至少在增加荷载的25%、50%、75%和100%时各测一次。施工过程中如暂时停工，在停工时及重新开工时应各观测一次。停工期间，可第隔2,3个月观测一次。 建筑物使用阶段的观测次数，应视地基土类型和沉降速度大小而定。除有特殊要求者外，一般情况下，可在第一年观测3,4次，第二年观测2,3次，第三年后每年1次，直至稳定为止。 在观测过程中，如有基础附近地面荷载突然增减，基础四周大量积水，长时间连续降雨等情况，均应及时增加观测次数。当建筑物突然发生大量沉降，不均匀沉降或严重裂缝时，应立即进行逐日或几天一次的连续观测。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第11页 2.5 各等级沉降测量适用水准仪 建筑物的沉降观测在大多数情况下采用水准测量的方法，沉降测量各等级适用水准仪如下所示: 表2.2 沉降测量各等级适用水准仪 所用水准仪的等级水准尺 变形沉降观测观测点适应范围 及型号 测 测站 量等高差中误差/mm 级 线条式因特级 ??0.05 特种精密工程、重要科研S 05瓦水准尺 项目 N蔡司004威特 3 线条式因一级 ??0.15. 大型建筑物、科研项目 S 1瓦水准尺 北测蔡司007 S1 区格式木二级 ??0.50 中等精度要求建筑物、科S 1双面尺 研项目，重要 N北测威特加S21建筑物主体倾斜观测、场 平行板 地滑坡观测 区格式木三级 ??1.50 低精度建筑物、一般建筑S 3双面尺 物主体倾斜观测 北测蔡司030 S3场地滑坡观测 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第12页 2.6 基准点与观测点的布设、埋设及观测 2.6.1基准点的布设、埋设及观测 一、基准点的布设 近年来，城市建设尤其是大、中型城市建设发展非常迅速，因而在城市建设中对建(构) 筑物进行沉降变形观测，拟在其周围附近选取几个(一般要求至少为3个) 稳定的位置处直接布设基准点，是很难做到的。鉴于此种情况，设立基准点时宜埋设深层金属管水准基点，即在建(构) 筑物周围附近兼顾各方面因素，选取几个相对比较稳定的位置且地下无各种管线处，采用钻深孔至基岩层或孔深大于邻近建筑物基础的最大深度，内置金属管，管底夯实，管顶焊接圆球的形式以示点位。对于一般工程，确认点位确实稳定的，可以设立2,3个;大型重点工程设立3个(含3个) 以上;观测精度要求较低的工程可以设立1,2个。 基准点的分布:当仅有两个点时，其连线应与建(构) 筑物的主要轴线平行，或成对角形式;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成直角三角形;当点数多于3个时，除应满足以上条件外，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。 二、基准点的埋设 变形观测网是由水准基点和观测点组成。水准基点是沉降观测的基准点，是测定设置在变形区的观测点垂直位移的依据。它的构造与布设必须保证稳定不变和长期保存。对于城市地面沉陷观测的基准点，必须埋设在沉陷地区以外;城市工业建设场地及民用建筑大多位于平坦地区，由于覆盖的土层较厚，往往采用深标志作为基准点;对于较大工程或高层建筑物，水准基点应尽可能埋在基岩上，或钻深孔贯注钢筋混凝土上端连不锈钢标志。此时，如地面的覆盖层很浅，则可采用地表岩石标类型。 由于沉降地区的影响或其他原因，水准基点的高程也可能是变化的。为检查水准基点本身的高程是否变动，可以将其成组埋设，三点构成一个边长为110m 左右的等边三角形，三角形的三个顶点为水准基点。在三角形的中心于三个点等距的地方设置固定的测站，在此测站上可经常观测三个水准基点的高差。这样便可以判断水准基点的高程是否有变动。选择观测点应根据建筑物的地质条件、建筑物结构、内部应力等，同时还应 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第13页 考虑便于观测布设在最有代表性的地方。在埋设时，还需注意观测点与建筑物连接牢固，以便使观测点的变化能够真正反映建筑物的沉降。 为了保证水准点的稳定可靠和长时间保存，又要把造价费用降到最低，现在普遍采用一种作法:在离建筑物30m 以外150m 以内的地方选择和埋设水准点。具体采取以下措施: (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。 三、基准点的观测 基准网的观测，除严格按等级 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 观测、严格按规范操作仪器、严格按规范执行测量方法外，还要自始至终要遵循“五定”原则。以上措施在客观上尽量减少观测误差的不定性，使所测的结果具有统一的趋向性，保证各次复测结果与首次观测的结果可比性更一致，使所观测的沉降量更真实。 2.6.2观测点的布设、埋设与观测 一、观测点的布设 变形观测结果的准确性以及其数据能否正确反映出建筑物的实际变形，与其变形观测点布设是否合理、全面有直接关系。沉降观测点位置的确定将决定得到的变形量能否准确而全面的反映建筑物的变形随时间变化的趋势和发展，即决定了能否正确预测建筑物的变形情况进而采用正确的措施。因此，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。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第14页 沉降观测点的布设应遵循以下原则: (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。 二、观测点的埋设 埋设观测点时应注意以下几点: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。 三、观测点的观测 由于变形测量观测的点位是动态的，与地形测量、工程控制测量等有较大的区别，因而，除严格按等级标准观测、严格按规范操作仪器、严格按规范执行测量方法外，每期观测都必须保证外业观测数据是可靠与准确的，且对于设备、人员的观测条件是相同的;每期观测除应及时地检查测站各项限差外，还必须及时地计算附、闭合路线的高差闭合差，概算测站中误差，若超限，属于外业问题，必须立即返工，尤其是在 工程施工 建筑工程施工承包1园林工程施工准备消防工程安全技术交底水电安装文明施工建筑工程施工成本控制 阶段，因受施工环境的影响，观测条件一般较差，观测更应按等级标准执行，更应注意对观测成果的检查。 3 变形网变形的分析 对变形网进行变形分析，首先要选择合适的平差方法尽可能的排除观测误差的影响，然后再对变形网进行变形分析。本章介绍了两种常用的平差方法和一种变形网变形分析的数理统计方法。 3.1 常用平差方法 常用的平差方法有间接平差和秩亏自由平差。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第15页 3.1.1间接平差方法 变形网实质上仍然是一个如何确定网点位置的测量控制网，当具备必要的起算数据时，完全可按经典控制网的平差方法来平差，确定网点位置。由于变形网图形复杂，多余观测多，所以一般用间接平差。 设实际观测组成的向量为L，未知数向量为X，改正数向量为V，则一般有平差方程 L + V = AX + A? 其中:A 为系数矩阵;A?为常数向量。误差方程 V = AX + A?- L V = AX + l 其中:l = A?- L 。 组成法方程 TTA PAX + A Pl = 0 T- 1T令N = A PA NX = - ATPl X = - N A Pl 解算出X后，代入V=AX+l，求得改正数V，可计算出单位权方差估值 TVPV2 = mn,t 其中:n为观测数;t为未知数个数。 3.1.2秩亏自由平差 平差时不设固定起算数据，根据观测量及虚拟观测量，按误差方程的建立规则，列立误差方程式: , (1) VBXL,,nuun11n1 式(1)中，系数阵B的秩R(B)=t，t0时u=0。 根据式(2) 可导出参数估计公式: ,TT111,,,XBQBBQL,() (3) uu 式(3) 中: 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第16页 TQQBuB,， (4) u 由式(3) 得: ,TT11,, (5) ()BQBXBQL, T,,(5) 的解X不唯一，但可求出其具有唯一性的最小范数解，即在 条件下得: 式XX,min ,TT111,,, XBQBBQL,() (6) m 网中可估函数为: ,TTTT111,,,,,,FXFBQBBQL() (7) TT,,11QFBQBF,() (8) ,, 根据秩亏自由网平差结果可以计算出控制网中各网点的准最或然坐标。 3.2 变形网变形的分析 3.2.1理论基础 该法的理论基础是F分布与检验。 设Z1 、Z2 为互相独立的变量，m、n分别是它们的自由度，则统计量 Z1/mF = Z2/n 定义为F变量。F变量所服从的分布称为F分布，它是一个连续型分布，其概率密度函数为 ,m，n,,m/2,1x,,,,2,,m/2n/2,mnx0, f(x),,mn,,,,(m，n)/2，mxn,,，，,,,,,22,,,,,0x0,, 假定F变量取值超过某一定值F的概率为 α , f(x)dxP( F > Fα) = =α , F, ,F根据不同的自由度m、n及概率，按上式可求出相应的分位值。如果选用显著水平,,F为，当F>则接受原假设，否则拒绝原假设。 , 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第17页 3.2.2变形网的变形分析 变形网平差后，得到各网点相邻两期观测平差值的不符值及观测值的改正数后，由两次观测值改正数求得的经验方差 TT()，()VPVVPV212,m (1) of 式中:f为两期自由度之和 。 (X)(X)d由两期的平差值的不符值:=-的加权平均值构成单位权经验方差 i2i1i TdPd2dm, (2) h ,1QPPP其中:为d的权阵，=;h为d的独立分量个数。的计算 dddd X,,1 dEE,,(,),,12X,,2 QQ,,,E,,XXXX11121(,)2QEEQQQ,,,，, ,,,,dXXXXXX12112212,,EQQ2,,XXXX2122,, Q当1、2两期分开平差时，=0。如果两期观测的设计矩阵和观测方法相同，则 XX12 QQ,2 dXX T1AA,,,111,,,,PQQQ(2) ddXXXX22 式中:A 为误差方程系数阵。 取式(2)与式(1)之比得 T2dPdmd (3) F,,hf,22mhmoo 根据F 分布的定义，式(3)服从F分布，它的自由度分别为h与f。选用显著水平 22mmα(一般α=0.05或0.01)。由F分布检验性质可知，主要看是否大于，该检验属o FFFF右尾检验。将算出的和F分布表查出的分位值进行比较，如果>，hf,(,)hfhf,(,)hf,, 22mm则表明比 大，即有 o 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第18页 PFF,,,,,hfhf,(,), 说明整个网中有移动变化发生，否则，没有发生移动。 4 专题— 辽宁科技大学图书馆沉降测量方案设计及对变形网的变形分析 本章应用前三章介绍的理论知识，我对辽宁科技大学图书馆进行了沉降测量方案设计，对其变形网是否变形进行了分析。 4.1 观测方案 4.1.1基准点的选择 一、水准基点的位置及埋设 根据辽宁科技大学图书馆周围地形图、现状图及地质钻探资料，经实地踏勘，在图书馆东、西、南三个方向选择了三个水准基点(A、B、C)均匀分布在图书馆周围，距图书馆最远的点为70m左右，最近的点为40m左右，且三个水准基点均埋设到基岩。由于图书馆预计沉降量在10mm以内，三个水准基点都在距图书馆40m以外的位置，在图书馆沉降范围外，图书馆的沉降不会影响到水准基点的位置变化，因此这三个水准基点完全可以作为沉降观测的基准点。 综合考虑现场各种因素，根据实际作业的需要，省去了工作基点的布设，水准基点与距离200m以外的已知水准基点联测一方面可以确定水准基点的高程，另一方面也起到了对水准基点稳定性进行检测的作用。为了在沉降观测时尽量保证基准点精度，采用已知水准点定期对水准基点检测的方法来实现水准基点精度的控制。这样既省去了工作基点的埋设费用，又保证了沉降观测的精度。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第19页 图4.2 水准基点的埋设 二、沉降观测点的位置及埋设 结合辽宁科技大学图书馆施工的实际情况，由综合考虑图书馆预计沉降量与实际作业的情况，天津大学设计院对图书馆设定了17个沉降观测点，位置均在主要的承重柱上，能够比较全面的反映图书馆沉降的情况，可以采用。 沉降观测点埋设的具体情况如下:距地面1m左右预埋厚度大于5mm的钢板，钢板外焊接变形较小的工字钢(焊接时需留出200mm-300mm的墙位置以便墙体的砌筑)和沉降点标志(直径为40mm的不锈钢球，焊接在工字钢上)，见图4.3。在施工过程中应对沉降观测点附加一定的防护措施，以防在沉降观测过程中受到破坏，影响沉降观测工作的正常进行。本次沉降观测点采用的防护设施是:在沉降观测点上方焊接一个支架，在支架上放一块5mm厚的钢板，以防止施工时重物砸到沉降点上;在竣工后也应采取一些防护措施，以免因一些意外事故造成观测点的破坏。各水准基点的相对位置及埋设、竣工后沉降观测点的防护措施如下图所示: 已知水准点A 431617572B16100815 149 13121011 C 图4.3 水准基点与沉降观测点的相对位置及观测点的埋设 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第20页 图4.4 观测点的防护 4.1.2技术指标 由于采用国家二等水准测量方法，根据工程的精度、使用的仪器及沉降测量的具体要求制定出合适的技术指标。仪器选用德国NI005A精密水准仪，往返测每公里高差中误差为0.5mm，水准尺采用条式因钢瓦尺，视线长度小于25m，前后视距差小于1m，前后视累计差小于3m，视线离地面最低高度为0.3m，基本分划、辅助分划或黑面、红面读数较差应小于0.4mm，基本分划、辅助分划或黑面、红面所测高差较差应小于0.6mm， ,,0.3n不符值或闭合差,,2L 或 (L为测线或环线的长度以km 为单位，n为测站数)，闭合差单位为mm。国家二等精密水准还要求仪器的,角误差不得大于15″，如采用补偿式自动安平水准仪施测时，仪器补偿误差不应大于0.2″ 。 4.1.3仪器设备 为了满足外业精度的要求，水准仪应采用DS05或DS1精密水准仪，读数记至0.05mm或0.1mm;水准尺采用与之相适应的线条式因钢瓦水准尺，尺的刻划为5mm。精密水准仪与精密水准尺在使用前应进行检验。对水准仪的检验主要是对其i角检验，当i?15"时一起可正常使用，否则需对仪器进行校正后才能使用。对精密水准尺的检验主要有每米真长的检验与尺上的圆水准器的检验，每米真长与名义长不应大于0.15mm，否则需在读数加上每米真长改正数。圆水准器的检验目的是使水准尺能处于竖直状态。选用的仪器如下: 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第21页 图4.5 德国NI005A精密水准仪 图4.6 线条式因钢瓦尺 4.1.4水准基点的观测 由于大楼周围没有已知的水准点，在进行变形观测时，在离建筑物40,70m的地方埋设了三个基准点，与大楼的监测点构成独立的水准网。待水准基点基本稳定后，与一个已知水准点进行联测，在数据满足要求后，再对沉降观测点进行监测。 待水准基点基本稳定后(水准基点埋设后约一个月)，按二等精密水准测量的要求使三个水准基点组成一个闭合环并与已知水准点进行联测见图4.7，通过数据的平差处理及对比分析，确定三个水准基点是否稳定。一般最后2,3次的水准测量的高程互差值在0.3m以内，则可认为水准基点已经稳定，此时方可进行沉降观测点的测量。采用误差分配方法:求出闭合环的闭合差，如满足规范要求的限差，则按距离把闭合差分配到每个测段上得到每个测段的高差;A,D段的高差则直接由往返测高差的平均值得到。 图4.7 水准基点与已知水准点的联测图 水准基点稳定后进行第一次与已知点D(75.24400m)的联测，得到的每一观测段的高差和闭合差分别为: 表4.1 水准基点的第一次联测数据 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第22页 (m) h(m) hh(m) h(m) 环闭合差(mm) BCCAADAB -1.89956 2.52191 4.03796 -6.56030 -0.43 平差处理后得到的水准点的高程如下: 表4.2 水准基点第一次联测高程 A B C 点名 73.34444 75.86650 79.90458 高程H(m) 第二次与已知水准点的联测，得到的各测段的高差和闭合差为: 表4.3 水准基点的第二次联测数据 (m) h(m) hh(m) h(m) 环闭合差(mm) BCCAADAB -1.89950 2.52165 4.03783 -6.56014 -0.66 平差处理后得到的水准点的高程如下: 表4.4 水准基点第二次联测高程 A B C 点名 73.34450 75.86631 79.90449 高程H(m) 由此可得两次高程互差值分别为:0.06mm，-0.19mm，-0.09mm.均小于0.3mm，则可认为差值的产生是由测量误差造成的，即可确定三个水准基点都已稳定。此时可取两次观测高程的平均值作为最终三个水准基点的高程值(见表4.5)。在正式的观测过程中，还应利用已知水准点对水准基点进行不定时的检测，以确保水准基点在整个沉降观测过程中是稳定的。 表4.5 水准基点的平均高程 A B C 点名 73.34447 75.86640 79.90454 高程H(m) 4.1.5提高观测精度的方法 沉降点的观测尽量采用比较固定的方式进行测量。即在沉降测量过程中固定观测人员，固定观测仪器，固定施测路线、立尺位置及转点，尽量使各次观测的环境和条件保持一致。这样既可以提高观测速度，又能提高观测精度。施测过程中应采取一些必要的 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第23页 措施来提高测量精度，如水准仪i角是一个变化值，每次作业前，对i角进行检查，若发现i角大于15秒，应及时进行检验校正，外业观测中采用皮尺来量取前后视距，这样既可提高作业速度，又可减小i角误差的影响，提高测量精度;作业中为保证水准尺气泡稳定居中，应尽量采用尺撑等辅助设备以稳定水准尺，保证水准尺在测量过程中处于竖直状态，减小因风力或人为因素引起的水准尺倾斜误差的影响。 4.1.6外业观测方法及注意事项 外业观测采用国家二等水准测量方法:往测，奇数测站采用后-前-前-后，偶数测站采用前-后-后-前;返测，奇数站采用前-后-后-前，偶数站采用后-前-前-后。每次外业沉降观测前必须对水准仪和水准尺进行检较，测量过程中要求每两个沉降观测点间的测站数为偶数，且同一测站不允许两次调焦。因测站观测限差超限，在本站观测时发现，应立即重测;迁站后发现，则应从水准点或间歇点(须经检测符合限差)开始重测。 国家二等精密水准的观测应在标尺分划线成像清晰而稳定时进行。实际观测前，应使仪器与外界温度趋于一致。观测时，应用白色测伞遮蔽阳光。迁站时，宜罩以白色仪器罩。注意以下情况不应进行外业观测:日出后与日出前30min内;太阳中天前后各约2小时内;标尺分划线的影像跳动而难于照准时;气温突变时;风力太大而使标尺与仪器不能稳定时。 4.2 数据处理 4.2.1沉降观测数据的预处理 首先至少两人分别进行检查外业观测数据是否有出现错误;然后分别计算各沉降观测点之间及与水准基点间的高差并记录，最后计算闭合差是否符合限差要求，这里包括附和水准路线和闭合路线的闭合差。由于图书馆周围地形条件的限制，使得观测时要设 n立较多的测站，因此采用测站数来计算不符值或闭合差的限差，即闭合差?0.3mm(其中n为测站数)。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第24页 4.2.2平差方法的选择及计算过程 在布设的水准网中有三个水准基点，而且三个水准基点均埋设到基岩，基础十分稳固。在沉降观测之前，又使三个水准基点与已知水准点联测，得到各基准点的高程，且各点多次高程较差要求达到一定的限差，因此可认为水准基点是稳定的(水准基点的高程取稳定后两次观测得到的高程的平均值)。可把此水准网看作有三个固定基准的水准网，采用间接平差原理进行数据处理较合理，它是变形数据处理的一种经典平差方法。 XXX 平差的参数选取为各沉降观测点的平差后高程，设为X，X，……，。3161712 hhhhh hhh设外业数据预处理得到的高差为，，……，，，，，1.22316.17A.63.417.1B.16C.12组成误差方程如下: V, X - X - h,1211.2,V ,X - X - h23223, ,V , X - X - h3433.4,V, X - X - h4544.5, ,................., (4.1) ,V, X - X - h16171616.17, ,V,X - X - h1711717.1,V , X - H- h,186AA.6 ,V , X - H - h1916BB.16, ,V, X - H - h2012CC.12, V,BX,L即 (4.2) 20，120，1717，120，1 h，，1.2,,h2.3,,XV，，，，11,,h,,,,3.4XV22,,,,,,...,,,,,,XV33,,其中 ， ， XV,,L,h,,,,20，117，120，116.17......,,,,,, h17.1,,,,,,XV1916,,H，h,,,,AA.6XV,,,,,,2017，，，，H，hBB.16,, ,,H，hCC.12，，法方程为: 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第25页 TT (4.3) BPBX,BPL,0 其解为: T1T1,,X,(BPB)BPL,NW(4.4) BB 单位权中误差为: TT VPVVPVˆ,,,0rn,t(4.5) 平差参数X的协因数及协方差: T,1,1Q,(BPB),N (4.6) XXBB 22,1ˆˆD,,Q,,N (4.7) XXXXBB00 根据规范要求每两个测点之间必须为偶数测站，且每次沉降观测都尽量采取固定的施测路线，又结合现场地形的具体情况最后确定，除10号点到11号点之间和13号点到14号点之间需观测四测站外，其余的相邻两点之间以及沉降观测点与水准基点之间只需两个测站即可完成。因此，在选用权的确定方法时，采用测站数来定权，即P=C/n。ii在具体平差计算时选择四测站的观测高差中误差为单位权中误差，即P=4/n。 ii 计算中涉及的主要是矩阵的运算，所以通过MATLAB软件分步进行解算非常方便，得出结果后，再利用Microsoft Office Excel做一些简单处理，即可得到沉降量汇总表和沉降曲线。 4.3 变形分析 4.3.1 变形网的变形分析 通过对变形网的外业观测及数据处理后，得出各网点两期观测的平差值之差，还不能确定这些差值即是沉降量，还要分析这些变化量是属于观测误差的干扰还是由点位移动产生的，如果是由点位移动产生的，则可断定这些差值主要是由建筑物沉降引起的。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第26页 否则，则是由观测误差引起的。 F应用3.5节介绍的确定变形网是否变形的理论，经计算，一期到二期的等于hf, FF454.387，二期到三期的等于6.821，均大于 为3.9，其中 α取值0.05，hhf,(,)hf, 等于17，f等于6。所以可断定各网点两期观测的平差值之差很大程度上是由建筑物沉降引起的，而不是由观测误差引起的。 4.3.2 沉降量汇总表和沉降曲线 表4.6 沉降量汇总表 总沉降量点名 第一次(mm) 第二次(mm) 第三次(mm) (mm) 1 0 1.05 1.15 2.20 2 0 1.53 1.29 2.83 3 0 1.31 0.98 2.29 4 0 0.88 0.75 1.63 5 0 1.63 0.51 2.15 6 0 2.04 0.51 2.56 7 0 1.48 0.14 1.63 8 0 0.82 1.32 2.14 9 0 1.40 0.77 2.17 10 0 1.47 0.35 1.82 11 0 1.01 0.57 1.58 12 0 1.04 0.83 1.87 13 0 0.32 0.92 1.24 14 0 0.97 2.48 3.46 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第27页 15 0 0.45 1.45 1.89 16 0 0.032 1.88 1.91 17 0 2.47 0.89 3.36 沉降曲线 3.5 31 2 32.5 4 526 7 8 1.5 9 累积沉降量(mm)10 111 12 13 0.514 15 160 17123 观测次数 图4.8 沉降曲线 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第28页 结论 在施工过程中，建筑物的变形监测与工程质量关系重大。建设方、施工方、监理方必须高度重视建筑物的变形监测。在变形监测的过程中有一些无法预计的人为因素和自然因素的影响，使变形观测的数据真实性受到一定的限制。提高数据真实性主要在于合理埋设水准基点和工作基点，特别是保护好这些点是十分重要的。还要认真做到“五定”，使观测值真实、可靠，使建筑物的变形能在施工中进行有效地监控，从而避免过大的变形发生。变形观测是工程测量的一项重要内容，随着我国社会主义现代化建设的飞速发展，变形观测在工程实践中的应用和影响会越来越广。沉降变形测量在大、中型工程建设的施工与运营中，已起到了重要的监测与保障作用，已是不可缺少的一项工作。 变形监测网可分为两类，一类是有固定基准的绝对网(也称参考网) ，另一类是没有绝对固定基准的相对网。绝对网中，固定基准稳定于变形体之外，在各观测周期中认为是不变的，以作为测定变形点绝对位移的参考点，这种监测网平差采用经典平差方法即可实现。相对网中，由于全部网点都位于变形体上，没有必要的起算基准，是一种自由网，平差时存在参考系秩亏问题，为了分析变形，需要寻找一个恰当的变形参考系。在实际应用中针对点位的稳定性情况，采用秩亏自由网平差的方法，查出移动点，判断稳定性。具体操作过程需要一定的程序或软件来解决。 通过对变形网的外业观测及数据处理后，得出各网点两期观测的平差值之差，这种平差值之差的产生包括两方面的原因:一是由于网点在两期观测间所产生的移动影响;二是由于两期观测误差所引起的。所以判断点位是否变形时，必须顾及到这两方面。当移动量很大、比观测误差大许多时，容易得出点位是否移动的结论。相反，很难得出点位是否移动的判断。所以，判断变形网网点位置是否变形:一是采用合适的平差方法尽可能排除或减少测量误差的干扰，计算不同时间网点位置的变化量;二是利用数理统计的方法分析这些变化量是属于观测误差的干扰还是由点位移动产生的。若是由点位移动产生的，则说明所监测建筑物产生了沉降。 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第29页 致谢 感谢王利军老师对我的悉心指导。在设计过程中我遇到了不少的难题，比如把握不住设计的总体结构、变形网变形的分析部分无从下手、设计正文冗长重复等，老师都不厌其烦地给我讲解、给我找资料，在此，我谨向老师表示诚挚的感谢。 感谢各位老师。时光如箭，大学三年的美好时光一眨眼就过去了。在这短短的三年中，王利军、王晓君、张军、唐均、胡良柏、张晓东、等测绘工程专业的全体老师传授了我很多知识，也给了我不少帮助，衷心地感谢各位老师。 感谢各位同窗。同窗们在一起经历了风风雨雨，有甘，也有苦，但无论甘苦都是精彩的。我们在一起相互支持、相互帮助、相互鼓励，度过了一段难忘、快乐、有意义的 8的全体同学前程似锦、幸福快乐。 时光。祝测绘工程200 甘肃工业职业技术学院专生毕业设计 第30页 参考文献 [1] 朱建军，贺跃光，曾卓乔(变形测量的理论与方法[M]长沙:中南大学出版社，2004:89-95( [2] 宁殿民，白萍(某大学图书馆沉降观测方案设计[J](鞍山科技大学学报，2004，27(1):34-36( [3] 宁殿民，唐锴(基于数理统计的变形网变形的确定[J](鞍山科技大学学报，2007，30(1):34-36( [4] CJJ 8—99，城市测量规范[S](北京:中国建筑工业出版社，1999( [5] GB 50026-93，工程测量规范[S](北京:中国计划出版社，1993( [6] JGJ/T 8-97，建筑变形测量规程[S](北京:中国建筑工业出版社，1998( [7] 《城市测量手册》编写组(城市测量手册[M](河北:测绘出版社，1993:1037-1046( [8] 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