土木工程變形監(jiān)測研究現(xiàn)狀分析

邢 君

(無錫水文工程地質(zhì)勘察院,江蘇 無錫 214063)

1 問題的提出

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會的日益發(fā)展,各類大型橋梁、水工建筑物、地下建 (構(gòu))筑物、高層建筑物等將越來越多,各類建筑物的安全運(yùn)營就顯得十分重要。為了檢查各類工程建筑物及其地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性,工程監(jiān)測必不可少。而監(jiān)測的目的主要是為了獲得變形體的變形數(shù)據(jù)用以研究變形體的空間狀態(tài)與時間特性,并對這些變形的原因做出科學(xué)的合理解釋。根據(jù)各類建筑物的特點(diǎn),變形監(jiān)測與其它測量工作相比較,其精度要求較高,而且是有一定頻率的重復(fù)觀測,故監(jiān)測的方法是值得探討的。本文將對國內(nèi)近幾年來工程監(jiān)測的方法及其相關(guān)問題作綜合性的闡述。

2 橋梁變形觀測

橋梁在其使用和運(yùn)營階段會發(fā)生各種程度不同的變形,目前所采用的監(jiān)測方法一般是常規(guī)地面測量方法。因橋梁的使用與結(jié)構(gòu)特殊性,以及受外界環(huán)境的影響和限制,它與其它建筑物變形觀測的手段略有差別。如廣州市東風(fēng)西路口處增涉河上的大跨徑桁架拱橋,其觀測方法為先進(jìn)行橋面縱坡測量,以此檢查橋面是否下垂和凸起或有無裂縫,再進(jìn)行河床斷面測量以檢查橋墩下是否存在沖刷現(xiàn)象。水平位移的測量是運(yùn)用在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下檢定的鋼尺,往返丈量西孔橋墩、中孔橋墩、臺帽間的凈距,將往返丈量的長度進(jìn)行溫度修正、尺長修正、高差修正、垂度修正,然后與竣工時各相應(yīng)凈高比較而得到相對位移量。而撓度觀測是在中孔桁架拱肋上布設(shè)測點(diǎn),在橋面的相應(yīng)位置處安置固定的觀測點(diǎn),借用39.7 t重吊車作為撓度觀測的加載車。對橋梁跨中的偏載和中載2個不利的位置用Ni002型精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測[1]。

為了保障觀測精度,有些橋梁采取了一些特別措施。如武漢長江大橋其橋墩觀測點(diǎn)是采用強(qiáng)制歸心手段,使用不同規(guī)格的球嵌與觀測墩連接,然后將微型水準(zhǔn)尺直接插人歸心孔內(nèi),以此達(dá)到水平、垂直位移共墩。由于該橋跨度大,各墩高程傳遞原則上按過河Ⅰ等水準(zhǔn)測量進(jìn)行。由于工作量太大,實(shí)際作業(yè)時采用長視線跨墩水準(zhǔn)測量來完成,保持前后視距相等,每站4測回。而其水平位移觀測包括兩部分即沿河流上、下游方向橫向位移和沿軸線方向的縱向位移[2]。

橫向位移的觀測方法是在相鄰橋墩短視線通視條件好的情況下采用T3經(jīng)緯儀配合活動覘牌來完成觀測,因活動覘牌法適用面較窄,一般用微角法進(jìn)行監(jiān)測。為減弱因長短邊而引起調(diào)焦誤差,觀測中采用單角法或單方向法。實(shí)測時以短邊定向,這樣使長邊方向上在度盤變換時不需調(diào)焦?？v向位移觀測采用特制鋼線尺和高精度的測距儀來完成。橋梁變形觀測的數(shù)據(jù)處理,與其它變形觀測的數(shù)據(jù)處理方法基本相同[3]。

3 大壩變形觀測

就大壩而言,主要有重力壩、拱壩、堆石壩、土壩等[4]。導(dǎo)致混凝土壩變形的原因,除了壩體遭受地震及特大洪水等自然因素引起的極限荷載作用外,還有由于周期荷載、固定荷載、化學(xué)侵蝕、化學(xué)溶解、帷幕灌漿的失效、排水系統(tǒng)的變質(zhì)使基礎(chǔ)老化加劇等[5]。同時,混凝土內(nèi)部溫度的影響也不可忽視。而土石壩的變形主要是由于內(nèi)部侵蝕、高水力坡降下壩基物質(zhì)的管涌、坡面的不穩(wěn)定、表面保護(hù)物質(zhì)的損壞或由于滲漏水的靜壓力引起心墻的斷裂等,根據(jù)這些特點(diǎn)其變形觀測的內(nèi)容與方法也有所區(qū)別?，F(xiàn)在各類大壩的變形觀測主要由“內(nèi)觀”和 “外觀” 系統(tǒng)組成,而外部觀測則以常規(guī)的大地測量為主,以其它方法為輔,逐步向自動化過渡[6]。大壩變形方式及主要監(jiān)測方法見表1。

表1 大壩變形方式及主要監(jiān)測方法表

4 高層建筑物的變形觀測

高層建筑物變形主要分傾斜、彎曲、扭轉(zhuǎn)等,引起變形的原因有太陽輻射、風(fēng)荷載、交通通行產(chǎn)生的振動、地震等[7]。由于高層建筑物的特殊結(jié)構(gòu),采用的觀測方法因高層建筑物的特性而定[8]。如高樓大廈的變形觀測,一般采用三角測量或其它專用儀器設(shè)備。就某特定位置的高塔而言,在顧及彎曲和扭轉(zhuǎn)的影響下對其傾斜進(jìn)行研究一般用圖解解析法,即沿高塔東、西墻的基準(zhǔn)線在相互垂直的方向上安置經(jīng)緯儀,對測點(diǎn)進(jìn)行高精度的角度觀測,并測量其有關(guān)距離,然后用解析方法計(jì)算位移。近景攝影測量在高層建筑物的變形觀測中運(yùn)用也比較廣泛。如在測量某一高度煙囪時,用非常簡便的攝測四點(diǎn)法確定煙囪的傾斜分量,用矢量法確定煙囪的最大傾斜方向;為了檢測和提高精度,用經(jīng)緯儀定垂線,即在煙囪的頂部選一明顯點(diǎn)在保持水平角不變的情況下通過正、倒鏡取中數(shù)的方法在煙囪的下部確定某一標(biāo)志點(diǎn)的位置,并布設(shè)人工標(biāo)志。實(shí)踐證明,攝影測量的方法用于高層建筑物的變形研究是行之有效的。有些高層建筑物如電視塔變形觀測中,除一般觀測方法外還應(yīng)用了激光準(zhǔn)直系統(tǒng)等較先進(jìn)的儀器設(shè)備和方法[9]。

5 地下建筑物的變形觀測

由于地下建筑物具有一定的特殊性,基坑開挖和內(nèi)襯施工及形成連續(xù)墻體之后,周圍巖土體均會發(fā)生形變,地下建筑物的觀測內(nèi)容較多。以上海人民廣場地下變電站原型觀測及黃埔電廠地下連續(xù)墻體觀測為例,就變形監(jiān)測而言,土體變形一般要觀測:①地面變形,包括沉陷位移;②水平土體變位,包括傾斜和分層沉降。而墻體變形也要觀測沉陷、水平傾斜等位移量[10]。

觀測上述變形其方法是采用J2型經(jīng)緯儀,用全圓測回法測量水平位移;用S2型水準(zhǔn)儀測量其沉降變化;用土體測斜管進(jìn)行分層沉降的觀測。采用微機(jī)自動檢測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、變形自動監(jiān)測。變形資料的分析一般通過編繪過程曲線圖和位移量變幅度表,通過比較進(jìn)行定性分析,通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量的對比研究[11-12]。

6 滑坡體變形觀測

滑坡是斜坡巖體在重力作用及其它因素的影響下,沿著一定的軟弱面整體滑動形成的一種地質(zhì)、地貌現(xiàn)象。滑坡體變形的監(jiān)測方法,一般采用地面觀測網(wǎng)法,兼顧其它各種監(jiān)測方法,水平位移中還可使用視準(zhǔn)線縱橫交叉觀測位移矢量法,用活動覘牌照準(zhǔn)讀數(shù)[13]。如云南會澤境內(nèi)蘇家坪滑坡體,變形監(jiān)測就是采用三角網(wǎng)配合視準(zhǔn)線法觀測水平位移,用S2型水準(zhǔn)儀按四等水準(zhǔn)精度觀測沉降位移,收到了較好的監(jiān)測效果。而天生橋水電站廠房邊坡滑坡體則采用布置測斜孔,應(yīng)用CX一01型測斜儀觀測對廠房邊坡滑動進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報,得到了滿意的結(jié)果。在著名的長江三峽新灘滑坡中,成功地運(yùn)用立體監(jiān)測系統(tǒng),即表面與深部變形相結(jié)合,重點(diǎn)和一般相結(jié)合,局部和整體相結(jié)合把監(jiān)測網(wǎng)和豎井觀測結(jié)合起來,尤其是在深部變形觀測中,根據(jù)不同變形階段采用不同的儀器和方法觀測。如在緩慢蠕變階段,則主要采用基巖位錯計(jì)監(jiān)測;在等速蠕變階段,主要采用FTS120-1型附壁位移計(jì)監(jiān)測;在加速蠕變階段,主要采用多點(diǎn)倒垂法即所謂多線倒垂法來監(jiān)測突變階段,以外部變形觀測為主進(jìn)行監(jiān)測。所謂多線倒垂法就是用一個可以活動的浮體在一定拉力下逐個使各垂線呈鉛直狀態(tài)下而觀測,然后通過計(jì)算各倒垂線與其基準(zhǔn)線之差來確定滑動量。新灘滑坡通過使用上述立體監(jiān)測系統(tǒng),對滑動區(qū)的宏觀和微觀變化進(jìn)行監(jiān)測,都得到了滿意的成果?；麦w監(jiān)測的資料分析一般與大壩變形觀測數(shù)據(jù)處理方法類似。而大壩變形二維極限平衡方法、三維穩(wěn)定分析法則更多地運(yùn)用到滑坡穩(wěn)定分析中來。速率面擬合法在沉降分析中也得到了廣泛應(yīng)用[14]。

7 結(jié) 語

對于不同的監(jiān)測工程,由于場區(qū)范圍不同、巖土介質(zhì)的復(fù)雜性和特殊性、工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)的不同,因而工程監(jiān)測具有復(fù)雜性,監(jiān)測內(nèi)容相對較多和監(jiān)測周期較長等特點(diǎn),是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此,實(shí)際上工程監(jiān)測不僅僅取決于監(jiān)測手段的高低和優(yōu)劣,還決定于監(jiān)測人員對監(jiān)測方法的了解程度和工況的掌握程度。在進(jìn)行有關(guān)工程監(jiān)測時,監(jiān)測人員應(yīng)對監(jiān)測方法有全面的了解,只有對工程中的設(shè)計(jì)圖紙和施工步驟進(jìn)行深入細(xì)致的研究和掌握,才能做出有針對性的監(jiān)測方案和合理的工作程序,從而為決策部門提供合理的參數(shù)依據(jù)。此外,自動化、智能化、高精度、高可靠性、實(shí)時、連續(xù)、遙控、遙測和網(wǎng)絡(luò)化等方法也將成為未來監(jiān)測技術(shù)的最終發(fā)展方向。

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