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变形监测在工程应用中的分析.doc

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变形 监测 工程 应用 中的 分析
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龙岩学院毕业论文题 目: 变形监测在工程应用中的分析 二 0 一六年六月三日变形监测在工程中的应用分析摘要:建筑物的自然变形原因包括地震、台风等自然灾害,为了居民的安全,由此引得人们开始对建筑物变形的研究。对建筑物进行有效的变形监测,得到的监测数据可以建立预测模型体现形变量与建筑物安全系数的相对关系,这种研究方法在变形监测中尤为重要。本文结合了工程变形监测的实例,概述建筑物变形监测,对建筑物变形监测精度指标进行分析。关键词:建筑物、沉降监测、精度指标、一元线性回归法。2目 录1 绪 论 ..............................................................................................................................................41.1 引 言 ................................................................................................................................41.2 本文研究的必要性及主要内容 ......................................................................................42 建筑物沉降监测 ...........................................................................................................................52.1 建筑物沉降机理 ..............................................................................................................532.1.1 地基与基础 ...........................................................................................................52.1.2 地基的变形 ...........................................................................................................62.1.3 建筑物的不均匀沉降 ...........................................................................................62.2 建筑物沉降监测点的布设 ..............................................................................................62.3 建筑物沉降监测方法 ......................................................................................................72.3.1 沉降监测方法 .......................................................................................................73 建筑物沉降监测的技术指标 .......................................................................................................83.1 沉降监测等级 ..................................................................................................................83.2 沉降监测精度指标 ..........................................................................................................93.2.1 各种建筑物的允许变形值 ...................................................................................94 一元线性回归分析法 .................................................................................................................104.1 一元线性回归法数学模型 ..............................................................................................104.2 一元线性回归法应用 ......................................................................................................104.3 测区概况 ........................................................................................................................104.5 数据的分析和预测 .......................................................................................................115 总结与展望 .................................................................................................................................11参考文献 .........................................................................................................................................12英文摘要 .........................................................................................................................................13致谢 ..................................................................................................................................................141 绪论1.1 引 言随 着 社 会 的 快 速 的 发 展 , 科 技 文 化 的 不 断 提 升 和 建 筑 设 计 施 工 水 平 的 完 善 , 人 口 的增 长 和 土 地 资 源 的 减 少 矛 盾 日 益 加 重 , 对 于 城 镇 土 地 使 用 利 用 率 要 求 也 相 应 提 高 。 由 此城 镇 中 的 高 层 建 筑 沉 降 变 形 监 测 也 是 尤 为 重 要 。 国 家 明 确 规 定 , 高 层 建 筑 物 、 高 耸 建 筑物 、 重 要 的 古 建 筑 、 滑 坡 监 测 、 蓄 水 大 坝 的 变 形 以 及 各 项 工 程 建 筑 过 程 中 生 产 基 础 设 施施 工 等 , 都 需 要 进 行 沉 降 变 形 监 测 。 在 大 型 重 要 的 工 程 施 工 中 应 该 应 用 沉 降 变 形 监 测 全4程 监 控 , 给 与 施 工 人 员 相 应 的 沉 降 变 形 报 告 , 配 合 安 全 施 工 , 为 安 全 运 行 判 断 提 供 必 要信 息 。城市地区地面沉降问题是我国越发严峻的地质灾害。随着人口大量迁移进入城市居住,人民生活用水和工厂用水,大大增加,导致地下水过度使用。一些矿区开采石油、矿石资源过度开采,不关心长远发展的目标。破坏了地下土层结构,发生地面沉降的地区也越来越多。例如:上海市地区沉降资料显示,随着雨季和旱季,上海市地区地面有时上升有时下降。天津、北京等地区地下水开采量过大,近几年地面沉降面积不断加大。由此可以理解:建筑物的沉降原因可以分为自然变化和人为因素造成的。为了保证城市和建筑物的安全,预报未来的沉降,对建筑物进行沉降监测是必不可少的。沉降监测是建筑物变形监测中一项非常重要的监测内容,是采用合理的仪器和方法测量建筑物在垂直方向上的高程变化量。定期的、准确的对监测点进行沉降监测,20 世纪以前,变形监测主要使用常规的地面测量方法,采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪测量定点的形变量,近些年变形监测技术不断提升。目前,沉降监测在工程中应用相当广泛,对于沉降监测的研究也相当成熟。它具有强大的实用价值,其中预报是沉降监测中的重中之重。本文主要探讨沉降监测预报模型的建模方法。1.2 本文研究的必要性及主要内容对建筑物进行变形监测是一个非常重要的工程内容,采用合理的测量仪器和方法的测量建筑物在垂直方向高度改变量。定期、准确监测所监控的点,可以计算监测点的累积沉降量、沉降差、平均沉降量,进行监测点单点的沉降分析和预报。当前,在建筑物施工阶段或是运营阶段经行沉降监测,其首要目的是为了保证建筑物的安全,通过监测建筑物沉降异常和不安全的隐患,根据数据分析采取必要的预防措施。其次是研究的目的,并用于对设计的反分析和对未来沉降的预报。工程施工建筑物改变了地面原有的压力,因此产生地基形变。一定范围的沉降和形变不会影响建筑物的正常使用,如果沉降和形变超过了限制范围,则会影响建筑物使用,甚至安全事故。 建筑及其附件长期系统监控是基于诊断、预测、预防和研究等四个方面需要确定。预测在沉降变形监测中尤为重要,利用以往长期收集观测资料,掌握沉降和形变规律,由此推断被监测建筑能否安全使用,并对需要修整建筑物提供作业依据。本文正是从这两点出发,探讨了建筑物的精度指标,同时选用一元线性回归分析法对所得的预测结果进行分析。2 建筑物沉降监测建筑物的形变主要包括三个方面:沉降、水平位移和倾斜等。沉降大都是由基础的不均匀沉降决定的。当沉降过大时会引起上层构筑物发生变化,要么梁拉裂,柱子裂。如果建筑物刚性良好,则会出现建筑物整体倾斜或沉降现象,例如倾斜-比萨斜塔。工程上避免沉降的重要方式是增强地基土,什么是地基土,就是承担上部结构和基础压力的土,直接与基础有关。2.1 建筑物沉降机理2.1.1 地基与基础(1)地基与基础的概念任何附着在地球上建筑物的荷载力都是由地球表面承受的。建筑通常下部扩张和埋深,减少单位面积上的压力,位于低层密度较高的土层上。建筑物下部因承担荷载力扩大的承重结构为基础,直接与基础接触承担传递荷载力的承重结构为地基。如图 2-1 示意图。5(2)地基与基础的设计要求地基应满足的几点要求:a.地基应具有足够的强度,在荷载的作用下,不致因地基失稳而破坏。b.地基不能产生过大变形而影响建筑物的安全和正常使用。同时,基础结构本身应具备有足够的强度、刚度和耐久性,在地基反作用下不会发生强度破坏,并具有改善沉降和不均匀沉降的能力。2图 2-1 地基与基础示意图(3)地基与基础在建筑工程中的重要性地基和基础是建筑物的重要部分,称为地下隐蔽工程,对于它的选址、设计和施工是建筑物安全的首要前提。更因为是隐蔽工程,所以重要性更加引起人们的关注。从地基和基础在工程施工中所占的工期和造价可看出其重要性。在不同土质中其基础工程造价占百分之十到百分之二十间,在松软土质的建设施工工程基础造价甚至超过20%,施工建设工期往往占总工期的四分之一以上。因此基础工程的建设十分重要。2.1.2 地基的变形地基变形是指地基在上部荷载力作用下,地下岩土层被压缩后,密度变化从而产生空间变化,导致建筑物沉降,包括三种沉降方式组成:瞬时沉降、固结沉降和蠕变沉降。土壤自身重力的压力称为重力压力,因为建筑负荷由压力引起的土壤中被称为额外的压力。自重应力一般自土体形成之日起就在土中产生,一般不会引起地基变形;附加压力外荷载,如建筑负荷、车辆荷载,通过土壤水的渗透,地震荷载等,应力增量的作用下,在土中产生的应力增量。6基础附加压力的作用下,从建筑到地基土中的每个点除了继承地球重力引起的重力压力,还必须负担额外的压力。包括其他材料,额外的应力和变形的作用下地基土产生新的变形,一般包括变形体积变形和形状。体积变形通常特点是规模较小,土壤的自然收缩引起的外力称为土的压缩性。2.1.3 建筑物的不均匀沉降 建筑物的沉降就是由于地基土压缩或者膨胀引起竖向产生位移,原因有很多,包括人为因素和自然因素。为尽量减少带来的损失,对实际施工中不均匀沉降的多种原因,也应进行分析,由此找出预防方法。施工中比较常见的原因可以总结为以下几点:(1)建筑物自重的影响。由于建筑物的设计建设,地基所承受的荷载不均,地基和基础产生的形变也不同。(2)地基土的不同压缩性。在地质条件复杂的地方,地下土层土质多样不一,压缩和膨胀性也是有差异。因此产生不均匀沉降。(3)建筑物的基础不同造成的影响。如果建筑物的基础不是使用一致的构造或者材料制造,会导致基础承受抗压能力也不同,例如应承相同的荷载,毛石混凝土基础比灰土基础的沉降量小。(4)施工方面影响。建筑物的上层建筑会由于使用的施工材料和构造也会导致建筑物不均匀沉降。产生建筑物沉降沉降原因复杂,对于沉降问题处理方法,应根据具体情况分析。2.2 建筑物沉降监测点的布设建筑物的沉降监测点一般布设在建筑物的特征点上,能够充分代表建筑物的沉降变形状态。布设监测点前应做的工作是,对于测区的建筑结构及现场的工作有所了解。布设沉降监测点的布设位置要求:1.建筑物四个角、大转角和外部每 10-15 米或者每 2-3 根基柱。2.高、低建筑,新老建筑和垂直和水平墙两边的交接点。3.建筑物两边的裂缝和沉降缝。4.宽度大于或等于 15 米或小于 15 米,地质复杂的建筑和土地膨胀地区,中央在承重墙内部点,并设置在地面点的中心室内地面。5.周边堆积重量,与振动有显著影响的基础部分、基础下的暗浜(沟)处。6.每个建筑的框架结构或部分柱基或沿着垂直和水平轴。7.筏基础、箱形基础底板或接近基地和中心位置的结构部分的四个角落。8.的重型设备基础和动力设备基础,基础类型或深埋的变化和双方的地质条件的变化。9.电视塔、烟囱、水塔、油罐、炼油塔,高炉,如高层建筑、周围的基本对称轴位置点交叉,点不少于四个。2.3 建筑物沉降监测方法2.3.1 沉降监测方法在工程应用中最常用的沉降观测方法是精密水准测量,还经常用液体静力水准测量和GPS 观测等方法。采用精密水准测量方法进行沉降监测时,周期性对建筑物上布置的控制点进行监测,在实际工程中,应根据实际工程情况选择观测次数和观测时间间隔。在工程进行期间,建筑物的基础和所选的工程范围地质情况导致的沉降速度都是确定观测方法的重要因素。建筑物变形是一个渐变过程,是时间的函数,而且变形速度不均匀,但变形观测次数是有限的,因此,合理的选择连续观测的周期,对于正确分析变形结果是很重要的。沉降监测周期的确定的基本原则:实用原则。即变形监测要能正确的反应出沉降监测点的7变化工程,又不能漏掉变形速度和变形时刻,还要做到观测工作量最省。国家有相应的规范规定沉降速度和监测周期的关系如表 2-2。表 2-2 沉降监测周期参照表沉降速度(mm/d) 观测周期(月) 沉降速度(mm/d) 观测周期(月)>0.3 0.5 0.02~0.05 60.1~0.3 1 0.01~0.02 120.05~0.1 3 <0.01 停止在沉降监测前首先需要布设好基准点、工作基点和监测点。水准基点是沉降监测的基准点,是测定工作点和监测点的基本依据,一般选择埋在变形区外,在岩石或深埋在原状土,也可以选择埋在固体建筑;工作基点是用来直接确定监测站的起点,为了便于观察和减少测量误差传递,工作基点应该安排附近的变形区是相对稳定的,它的高度尽可能接近高程的监控点;布设在被监测建筑物上常用的监测点标志形式有三种,分别是盒式标志、窨井式标志、螺栓式标志。沉降监测点布设完成后,应根据基准点布设的测区控制网,依次观测出各个监测点的观测高程值,并记录,用于后续各次观测高程比较值作对比依据。根据测区土层性质和国家规定确定观测次数。测区的水准控制网往往采用一个或者多个闭合、符合路线,以提高平差精度。水准仪的 i 角误差已经被检验并校正,但实际上它还是存在的。对于一个前后视距分别是 S 前、S 后,i 角误差对测站高差的影响是: 后前 ss-i为了能减弱 i 角误差的影响,应保证一个测站上的前后视距尽量相等。同时,在作业的过程中,由于外部环境的影响,i 角是有所变化的。根据规范,水准精密水准测量观测项目具体要求: 往测时奇数站的观测顺序是“后前前后“,偶数站的观测顺序是“前后后前“。反测时,奇偶数站的观测顺序正好和往测时的观测顺序相反。在整个监控,最好固定监测仪器和测试人员,固定的线路和测站,固定监测周期和相应的时间,并尽可能的在大致相同的天气情况下进行观测。沉降观测的方法除了精密的水准测量外,还经常采用液体静力水准测量和 GPS 观测等方法。3 建筑物沉降监测的技术指标3.1 沉降监测等级沉降观测的等级应根据相应的精度要求来区分,有四个等级,分别为:特级、一级、二级、三级。测量过程中应根据建筑物的实际需求进行选择相应的观测等级。表 3-1 和表 3-2 分别是观测等级对应的适用范围和沉降监测点的精度要求。8表 3-1 观测等级对应的适用范围变形测量等级 观测点测站高差中误差(沉降观测mm)观测点坐标中误差(位移观测 mm)适用范围特级 ≤0.05 ≤0.3 特高精度要求的特种精密工程一级 ≤0.15 ≤1.0 高精度要求的大型建筑物二级 ≤0.50 ≤3.0 中等精度要求的建筑物和科研项目变形监测三级 ≤1.50 ≤10.0 低精度要求的建筑物变形观测;一般建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测。表 3-2 沉降监测点的精度要求(mm)等级 往返较差、附和或环线闭合差高程中误差 相邻点高差中误差特等 0.15 ±0.3 ±0.15一等 0.3 ±0.5 ±0.30二等 0.6 ±1.0 ±0.50三等 1.4 ±2.0 ±1.003.2 沉降监测精度指标3.2.1 各种建筑物的允许变形值根据允许变形值的不同类别,不同的建筑结构特点和使用要求,不同的建筑有不工业与民用建筑物变形监测主要监测是建筑的基础沉降和倾斜变形,在一定范围内是允许的,一旦超过一定范围,必然会影响建筑物的正常工作,临界点的范围是允许的结构变形值。建筑物的变形值基础变形监测是非常重要的,是变形监测的准确性的参考指数。同的程度要求。表3-3 是各种建筑物的允许变形值。9表 3-3 各种建筑物的允许变形值变形特征或结构形式 允许变形值中、低压缩性土 高压缩性土砖石承重结构基础的局部倾斜 0.002 0.003框架结构 0.002L 0.003L砖石墙填充的边排柱 0.0007L 0.001L工业与民用建筑相邻柱基的差异沉降当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构 0.005L 0.005L单层排架结构(柱距为6m)柱基的沉降量(mm) (120) 200H≤24m 0.004H24m<H≤60 0.003H60<H≤100 0.002H多层和高层建筑基础的倾斜H>100 0.0015HH≤20m 0.008H20<H≤50 0.006H50<H≤100 0.005H100<H≤150 0.004H150<H≤200 0.003H高耸结构基础的倾斜200<H≤250 0.002HH≤100m 400100<H≤200 300高耸结构基础的沉降量(mm) 200<H≤250(200)200注:(1)加括号的允许变形值表示的是仅适用于中性压缩土。(2)L为相邻柱基的中心距离(mm);H为自室外地面起算的建筑物高度(m)。4 一元线性回归分析法建立自变量和因变量之间的数学模型,是预测建筑物沉降和变形发展趋势的最重要一步。一元线性回归分析法是一种现代数据处理方法,是系统辨别和系统分析的重要方法之一,是一种动态的数据处理方法。该 方 法 基 于 随 机 过 程 理 论 和 数 理 统 计 学 方 法 , 研 究 随机 数 据 序 列 所 遵 从 的 统 计 规 律 , 从 而 对 数 据 变 化 趋 势 做 出 正 确 的 分 析 和 预 报 。4.1 一元线性回归法数学模型建立自变量和因变量之间的数学模型,是预测建筑物沉降和变形发展趋势的最重要一步。一元线性回归分析法是一种现代数据处理方法,是系统辨别和系统分析的重要方法之10一,是一种动态的数据处理方法。该 方 法 基 于 随 机 过 程 理 论 和 数 理 统 计 学 方 法 , 研 究 随机 数 据 序 列 所 遵 从 的 统 计 规 律 , 从 而 对 数 据 变 化 趋 势 做 出 正 确 的 分 析 和 预 报 。一元线性回归预测方法是计算两个变量的散点图和观察显示数据的趋势直线,使用最小二乘方法,发现变量之间的相关性,并建立一元线性回归的预测模型。可由自变量的变化,根据预测模型推算出因变量。这种数据处理方法根据数理统计学方法,研究其随机数据遵循的统计规律,对后期数据的变化进行分析和预报,广泛应用各行各业。一元线性回归的数学模型:yi=a+bxi+ε (4-1)在公式一中 y 是因变量为预测对象,x 是影响因素为自变量;a、b 为待定的回归系数;ε 为随机变量。公式中 a、b 参数可通过最小二乘法确定最佳估计值。通过长期对建筑物的监测得到的预测对象 y 和相关因素 x 的呈现近似线性关系,对每对数据 xi和 yi的关系有:yi=a+bxi+ε i (4-2)yi为预测对象实际值的估计值,ε i为实际值与估计值之间的随机误差。可根据最小二乘法准则 ε i²=min,将式(2)分别对 a 和 b 分别偏微分,得到联立式。ni1(yi-a-bxi)²=0 (4-3) nib1(yi-a-bxi)²=0 (4-4)nia1微分后:(yi-a-bxi)xi=0 (4-5) ni1(yi-a-bxi)=0 (4-6)ni1简化后可以得到:a= -b (4-7) yxb= (4-8)nii xiy1)(4.2 一元线性回归法数学应用通过一元线性回归分析法,一方面介意分析建筑物变形的原因,另一方面也可对引起
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