土木工程变形监测研究现状分析

邢 君

(无锡水文工程地质勘察院,江苏 无锡 214063)

1 问题的提出

随着科学技术和经济社会的日益发展,各类大型桥梁、水工建筑物、地下建 (构)筑物、高层建筑物等将越来越多,各类建筑物的安全运营就显得十分重要。为了检查各类工程建筑物及其地质构造的稳定性,工程监测必不可少。而监测的目的主要是为了获得变形体的变形数据用以研究变形体的空间状态与时间特性,并对这些变形的原因做出科学的合理解释。根据各类建筑物的特点,变形监测与其它测量工作相比较,其精度要求较高,而且是有一定频率的重复观测,故监测的方法是值得探讨的。本文将对国内近几年来工程监测的方法及其相关问题作综合性的阐述。

2 桥梁变形观测

桥梁在其使用和运营阶段会发生各种程度不同的变形,目前所采用的监测方法一般是常规地面测量方法。因桥梁的使用与结构特殊性,以及受外界环境的影响和限制,它与其它建筑物变形观测的手段略有差别。如广州市东风西路口处增涉河上的大跨径桁架拱桥,其观测方法为先进行桥面纵坡测量,以此检查桥面是否下垂和凸起或有无裂缝,再进行河床断面测量以检查桥墩下是否存在冲刷现象。水平位移的测量是运用在标准状态下检定的钢尺,往返丈量西孔桥墩、中孔桥墩、台帽间的净距,将往返丈量的长度进行温度修正、尺长修正、高差修正、垂度修正,然后与竣工时各相应净高比较而得到相对位移量。而挠度观测是在中孔桁架拱肋上布设测点,在桥面的相应位置处安置固定的观测点,借用39.7 t重吊车作为挠度观测的加载车。对桥梁跨中的偏载和中载2个不利的位置用Ni002型精密水准仪进行观测[1]。

为了保障观测精度,有些桥梁采取了一些特别措施。如武汉长江大桥其桥墩观测点是采用强制归心手段,使用不同规格的球嵌与观测墩连接,然后将微型水准尺直接插人归心孔内,以此达到水平、垂直位移共墩。由于该桥跨度大,各墩高程传递原则上按过河Ⅰ等水准测量进行。由于工作量太大,实际作业时采用长视线跨墩水准测量来完成,保持前后视距相等,每站4测回。而其水平位移观测包括两部分即沿河流上、下游方向横向位移和沿轴线方向的纵向位移[2]。

横向位移的观测方法是在相邻桥墩短视线通视条件好的情况下采用T3经纬仪配合活动觇牌来完成观测,因活动觇牌法适用面较窄,一般用微角法进行监测。为减弱因长短边而引起调焦误差,观测中采用单角法或单方向法。实测时以短边定向,这样使长边方向上在度盘变换时不需调焦。纵向位移观测采用特制钢线尺和高精度的测距仪来完成。桥梁变形观测的数据处理,与其它变形观测的数据处理方法基本相同[3]。

3 大坝变形观测

就大坝而言,主要有重力坝、拱坝、堆石坝、土坝等[4]。导致混凝土坝变形的原因,除了坝体遭受地震及特大洪水等自然因素引起的极限荷载作用外,还有由于周期荷载、固定荷载、化学侵蚀、化学溶解、帷幕灌浆的失效、排水系统的变质使基础老化加剧等[5]。同时,混凝土内部温度的影响也不可忽视。而土石坝的变形主要是由于内部侵蚀、高水力坡降下坝基物质的管涌、坡面的不稳定、表面保护物质的损坏或由于渗漏水的静压力引起心墙的断裂等,根据这些特点其变形观测的内容与方法也有所区别。现在各类大坝的变形观测主要由“内观”和 “外观” 系统组成,而外部观测则以常规的大地测量为主,以其它方法为辅,逐步向自动化过渡[6]。大坝变形方式及主要监测方法见表1。

表1 大坝变形方式及主要监测方法表

4 高层建筑物的变形观测

高层建筑物变形主要分倾斜、弯曲、扭转等,引起变形的原因有太阳辐射、风荷载、交通通行产生的振动、地震等[7]。由于高层建筑物的特殊结构,采用的观测方法因高层建筑物的特性而定[8]。如高楼大厦的变形观测,一般采用三角测量或其它专用仪器设备。就某特定位置的高塔而言,在顾及弯曲和扭转的影响下对其倾斜进行研究一般用图解解析法,即沿高塔东、西墙的基准线在相互垂直的方向上安置经纬仪,对测点进行高精度的角度观测,并测量其有关距离,然后用解析方法计算位移。近景摄影测量在高层建筑物的变形观测中运用也比较广泛。如在测量某一高度烟囱时,用非常简便的摄测四点法确定烟囱的倾斜分量,用矢量法确定烟囱的最大倾斜方向;为了检测和提高精度,用经纬仪定垂线,即在烟囱的顶部选一明显点在保持水平角不变的情况下通过正、倒镜取中数的方法在烟囱的下部确定某一标志点的位置,并布设人工标志。实践证明,摄影测量的方法用于高层建筑物的变形研究是行之有效的。有些高层建筑物如电视塔变形观测中,除一般观测方法外还应用了激光准直系统等较先进的仪器设备和方法[9]。

5 地下建筑物的变形观测

由于地下建筑物具有一定的特殊性,基坑开挖和内衬施工及形成连续墙体之后,周围岩土体均会发生形变,地下建筑物的观测内容较多。以上海人民广场地下变电站原型观测及黄埔电厂地下连续墙体观测为例,就变形监测而言,土体变形一般要观测:①地面变形,包括沉陷位移;②水平土体变位,包括倾斜和分层沉降。而墙体变形也要观测沉陷、水平倾斜等位移量[10]。

观测上述变形其方法是采用J2型经纬仪,用全圆测回法测量水平位移;用S2型水准仪测量其沉降变化;用土体测斜管进行分层沉降的观测。采用微机自动检测系统进行数据采集、变形自动监测。变形资料的分析一般通过编绘过程曲线图和位移量变幅度表,通过比较进行定性分析,通过建立数学模型进行定量的对比研究[11-12]。

6 滑坡体变形观测

滑坡是斜坡岩体在重力作用及其它因素的影响下,沿着一定的软弱面整体滑动形成的一种地质、地貌现象。滑坡体变形的监测方法,一般采用地面观测网法,兼顾其它各种监测方法,水平位移中还可使用视准线纵横交叉观测位移矢量法,用活动觇牌照准读数[13]。如云南会泽境内苏家坪滑坡体,变形监测就是采用三角网配合视准线法观测水平位移,用S2型水准仪按四等水准精度观测沉降位移,收到了较好的监测效果。而天生桥水电站厂房边坡滑坡体则采用布置测斜孔,应用CX一01型测斜仪观测对厂房边坡滑动进行监测和预报,得到了满意的结果。在著名的长江三峡新滩滑坡中,成功地运用立体监测系统,即表面与深部变形相结合,重点和一般相结合,局部和整体相结合把监测网和竖井观测结合起来,尤其是在深部变形观测中,根据不同变形阶段采用不同的仪器和方法观测。如在缓慢蠕变阶段,则主要采用基岩位错计监测;在等速蠕变阶段,主要采用FTS120-1型附壁位移计监测;在加速蠕变阶段,主要采用多点倒垂法即所谓多线倒垂法来监测突变阶段,以外部变形观测为主进行监测。所谓多线倒垂法就是用一个可以活动的浮体在一定拉力下逐个使各垂线呈铅直状态下而观测,然后通过计算各倒垂线与其基准线之差来确定滑动量。新滩滑坡通过使用上述立体监测系统,对滑动区的宏观和微观变化进行监测,都得到了满意的成果。滑坡体监测的资料分析一般与大坝变形观测数据处理方法类似。而大坝变形二维极限平衡方法、三维稳定分析法则更多地运用到滑坡稳定分析中来。速率面拟合法在沉降分析中也得到了广泛应用[14]。

7 结 语

对于不同的监测工程,由于场区范围不同、岩土介质的复杂性和特殊性、工程结构构造特点的不同,因而工程监测具有复杂性,监测内容相对较多和监测周期较长等特点,是一个复杂的系统工程。因此,实际上工程监测不仅仅取决于监测手段的高低和优劣,还决定于监测人员对监测方法的了解程度和工况的掌握程度。在进行有关工程监测时,监测人员应对监测方法有全面的了解,只有对工程中的设计图纸和施工步骤进行深入细致的研究和掌握,才能做出有针对性的监测方案和合理的工作程序,从而为决策部门提供合理的参数依据。此外,自动化、智能化、高精度、高可靠性、实时、连续、遥控、遥测和网络化等方法也将成为未来监测技术的最终发展方向。

[1]张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J].同济大学学报,2001,29(1):65-69.

[2]邬晓光,徐祖恩.大型桥梁健康监测动态及发展趋势[J].长安大学学报 (自然科学版),2003,23(1):39-42.

[3]陈政清,黄王.大型桥梁健康监测研究进展 [J].中国铁道科学,2005,26(2):1-6.

[4]陈文燕,朱林,王文韬.大坝安全监测的现状与发展趋势[J].电力环境保护,2009,25(6):38-42.

[5]王玉洁.混凝土面板堆石坝监测设计综述 [J].大坝与安全,2006(1):1-4.

[6]曹文波,刘顶明,肖兰.大坝安全监测系统综合评价方法研究初探 [J].水利与建筑工程学报,2009,7(3):155-158.

[7]李永盛.城市基坑施工监控及其环境监测 [J].建筑施工,1999,21(1):35-37.

[8]李宏男,李东升.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断评述 [J].地震工程与工程振动,2002,22(3):82-89.

[9]孙鸿敏,李宏男.土木工程结构健康监测研究进展 [J].防灾减灾工程学报,2003,22(3):92-98.

[10]鲍永亮,郑七振,唐建忠.地铁盾构隧道施工监测技术[J].铁道建筑,2009(5):44-48.

[11]曹江敏.高速公路长大隧道施工动态监测与数值模拟研究[J].铁道建筑,2007,3(12):56-59.

[12]易小明,张顶立,陈铁林.厦门海底隧道地层变形监测与机制分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(11):2 302-2 308.

[13]罗志强.边坡工程监测技术分析[J].公路,2002(5):45-48.

[14]刘东.滑坡地质灾害监测方法综述[J].采矿技术,2009,9(3):63-65.