《变形监测与数据处理》笔记/期末复习资料

变形：

变形是物体在外来因素作用下产生的形状、大小及位置的变化（随时间域和空间域的变化），它是自然界普遍存在的现象。

变形体：

一般包括工程建筑物、构筑物、大型机械设备以及其他自然和人工对象等。

变形体和变形观测

变形监测：

变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测，对变形体变形性态进行分析，对变形体变形的空间状态和时间特征进行预测等所开展的各项工作。变形监测又称为变形测量或变形观测。

变形监测的任务（变形监测的目的和意义）：

①分析和评价建筑物的安全状态；

②验证设计参数；

③反馈设计及施工质量；

④研究正常的变形规律和预报变形的方法。

变形过程线：

某观测点的变形过程线是以时间为横坐标，以累积变形值(位移、沉陷、倾斜和挠度等）为纵坐标绘制而成的曲线。

基准点：

认为在变形监测过程中坐标不会发生变化且坐标已知的点称之为基准点。

工作基点：

起过渡作用，便于测量工作，且在一定时间内认为坐标不发生变化的点称之为工作基点。

观测点：

位于变形体上的坐标会发生变化的点称之为观测点。

变形监测方案的主要内容（1）：

①监测内容：
需根据监测对象的本身性质和周围环境来确定，为达到保障监测对象的安全、了解其变形规律的目的，要求监测内容的选取有明确的针对性，既要有重点，又要全面考虑。总的来说可分为现场巡视、沉降观测、位移观测、倾斜观测、裂缝观测、挠度观测、渗流量观测、应力观测、日照变形观测、风振观测等。

②监测精度、仪器和方法：
变形观测要求精度高，典型精度要求为绝对精度1 mm或相对精度10^(-6)。精度要求过高会使测量工作变得非常复杂，费用时间都会成倍增加；而精度定得太低又会使变形分析变得非常困难，观测结果误差大，有时甚至会得出错误的结论。

不同类型的建筑物，变形观测的精度要求差别较大。对于同类建筑物，根据其结构、形状、地质条件、周围环境不同，要求的精度也有很大差异。即使同一建筑物，不同部位的精度要求也有很大区别。

根据监测项目的特点、精度要求、变形速率以及监测体的安全性等指标来选择不同的监测方法，也可同时采用多种方法进行监测。通过内外结合的观测手段更能合理分析表现情况。

③监测部位和测点布置：
一般要在变形体的特征部位埋设变形监测标志，在变形影响范围之外埋设测量基准点，定期观测测量标志相对于基准点的变形量。点位布置必须安全、可靠，布局合理，重点突出，并能满足监测设计及精度要求，便于长期监测。测量点一般分为基准点、工作基点和变形观测点3类。

④监测周期和监测频率：
变形监测周期，即完成一个周期的变形观测工作所需的时间，它与工程大小、测点所在位置的重要性、观测目的以及观测1次所需时间的长短有关。不同周期观测时，宜采用相同的观测网形、观测路线和观测方法，并使用同一测量仪器和设备。

变形监测频率的大小应以能系统地反映监测对象的变形规律且不遗漏其变化时刻为原则，并综合考虑单位时间内的变形大小、变形特征、观测精度要求及外界因素影响情况。应特别重视第一次观测的质量，首次(即零周期)观测应连续进行两次独立观测，并取观测结果的平均值作为变形测量初始值。

⑤仪器设备及检定要求：根据项目的要求进行仪器设备的挑选以及检定。

⑥观测与数据处理方式：按对应的观测工作程序进行。

⑦提交的成果内容：
a.监测方案的实施；
b.监测仪器的型号、规格和标定资料；
c.监测各阶段的原始资料和应力、应变曲线图；
d.数据整理和监测结果的评述；
e.竣工后的监测结果分析。

变形监测方案的主要内容（2）：

①监测内容：

需根据监测对象的本身性质和周围环境来确定，为大到保障监测对象的安全、了解其变形规律的目的，要求监测内容的选取有明确的针对性，既要有重点，又要全面考虑。

②监测精度、仪器和方法：

变形观测要求精度高，精度需根据具体建筑物确定，过高过低都有影响，也应根据监测项目的特点、精度要求、变形速率以及监测体的安全性等指标，确定监测的仪器和方法。

③监测部位和测点布置：

用测量仪器进行变形观测，一般要在变形体的特征部位埋设变形监测标志，在变形影响范围之外设测量基准点，定期观测。

④监测周期和监测频率：

监测周期与工程大小、测点所在位置的重要性、观测目的以及观测一次所需时间的长短有关，监测频率与变形的大小、速度以及观测目的来确定。

⑤仪器设备及检定要求：

根据项目的要求进行仪器设备的挑选以及检定。

⑥观测与数据处理方法：

按对应的观测工作程序进行。

⑦提交的成果内容：

监测单位根据业主和监理的要求及时提供监测资料，在现场监测工作完成后一个月提交。

变形监测方案的主要内容以及各部分的核心思想

监测资料检核的方法：

检核监测资料的方法很多，应依据实际观测情况而定，包括野外检核和室内检核。

①原始记录的校核，检查各次变形值的计算是否有误。可通过不同方法的验算、不同人员的重复计算来消除监测资料中可能存在的错误。

②原始资料的统计分析。采用统计方法进行粗差检验。

③原始实测值的逻辑分析。根据监测点内在的物理意义来分析原始实测值的可靠性，主要用于工程建筑物变形的原始实测值，一般进行一致性分析和相关性分析。

监测资料的整编：

对监测资料进行汇集、审核、整理、编排，使之集中化、系统化、规格化和图表化，并刊印成册的过程称之为“监测资料的整编”，监测资料的整编工作分为平时整编、定期整编和监测资料整编后的刊印。

平时整编：

①收集各种资料，适时检查观测项目原始观测数据正确性、准确性和完整性；

②及时进行各观测量的计(换)算，填写数据记录表；

③随时绘制观测量过程曲线图，考察和判断观测值的变化趋势；

④随时整理巡视检查记录，确保资料的连续性。

定期整编：

①汇集工程基本情况、监测系统布置和相关考证资料、各次巡查记录资料、有关的报告和文件；

②对整编时段内的监测成果按时序进行列表统计和校对；

③根据监测结果统计资料绘制各监测点各向位移在时间和空间上的分布特征图,并绘制与影响因素有关的相关图；

④分析各观测物理量的变化规律与影响因素。

监测资料整编后的刊印：

编排顺序一般为：封面→目录→整编说明→工程概况→考证资料→巡视检查资料→观测资料→分析成果→封底。

整编监测资料的目的：

便于应用分析，向需用单位提供资料和归档保存。

整编监测资料的方法：

通常是在平时对资料已有计算、校核甚至分析的基础上，按规定及时对整编年份内的所有监测资料进行整编。

监测资料的管理：

目前利用数据库管理系统已成为监测资料管理的主要方式。

变形监测的内容：

①工业与民用建筑监测；

②高层建筑监测；

③桥梁监测；

④水工建筑物变形监测；

⑤矿区岩层与地表移动监测；

⑥古文物的保护监测；

⑦地下工程变形监测；

⑧工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等的监测；

⑨地面沉降监测。

变形监测的特点：

①变形监测需要进行重复观测。

②变形监测精度要求高。

③变形监测是多种测绘技术的综合应用。

④变形监测网侧重于研究变形点位的变化。

变形监测技术及其特点：

①边角网法的特点：

常规大地测量方法的特点是观测所需时间长，劳动强度高，观测精度受到观测条件的影响较多，不能实现自动化观测；测量机器人技术的特点是可以实现测量的全自动化，并可以对成百上千各目标作持续的、全天候的重复观测，而且精度可达0.1mm。

②基准线测量法的特点：

特别适用于直线形建筑物（如直线形大坝等）的水平位移监测。

③GPS变形监测技术的特点：

GPS自动化监测系统具有速度快、全天候观测、测点间无需通视、自动化程度高等优点，能对各监测点进行同步变形监测，并实现了数据采集、传输、处理、分析、显示、存储等的一体化和自动化，测量精度可达0.1mm。

④3D激光扫描技术的特点：

可以快速、大量、高精度地获取空间点位及其变化信息。

⑤摄影测量方法的特点：

测量精度相对较低，但是采用摄影测量方法可以全面采集变形体变形的特征信息，具有快速、直观、全面的特点。

⑥光纤传感检测技术的特点：

将传感器和数据通道集为一体，便于组层要测系统，实现在线分布式检测；测量对象广泛，适用于各种物理量的观测；体积小、质量轻、非电连接无机械活动件、不影响埋设点特性；灵敏度高，可远距测量；耐水性、电绝缘好、耐腐蚀、抗电磁干扰；频带宽，有利于超高速测量。

⑦卫星遥测技术的特点：

可从包含目标区域地形和形变等信息的一幅或多幅干涉纹图中提取地面目标的微小形变信息，主要用于对DEM修测和精化、地壳形变监测、地震变形监测、地面沉降监测及滑坡监测等，监测精度可达1cm甚至1mm。

变形监测技术的发展趋势：

①变形监测系统的设计与建立将与工程的设计与建设同步进行；

②变形监测技术将向高精度、自动化、智能化方向发展；

③监测指标的制定理论和方法将更为完善，其准确性和实用性将更强，使用面将更为广泛；

④专家系统的应用将更加普及。

变形监测网平差的三种基准：

①经典平差基准；

②秩亏自由网平差基准；

③拟稳平差基准。

自由网内制约平差：

不以固定参考点的参数定义基准或参考系，而以拟合所有点参数的初始值，并保持由观测量所确定的网的形状不变来定义参考系的新途径。在几何意义上，就是以网的重心(即各点坐标均值)、各点方向角的均值、各点矢距均值分别作为网的位置、方向和尺度基准。

自由网内制约平差

间接平差原理：

间接平差原理

间接平差原理

经典自由网平差：

经典自由网平差

经典自由网平差

经典网平差算例：

经典网平差算例

经典网平差算例

秩亏自由网平差直接求法： 

秩亏自由网平差直接求法

秩亏自由网平差直接求法

秩亏网平差与经典网平差之间的关系：

秩亏网平差与经典网平差之间的关系

秩亏网平差算例：

秩亏网平差算例

秩亏网平差算例

拟稳平差的基本思想：

拟稳平差的基本思想

自由网平差中测角网增补矩阵系数的物理含义：

自由网平差中测角网增补矩阵系数的物理含义

自由网平差中测角网增补矩阵系数的物理含义

①前两个条件是位置基准：表示网中各点近似坐标平均值在平差前后保持不变。

②第三个条件是方位基准：边角网秩亏自由网平差的方位基准是重心到各个点的方位角的加权(以距离的平方为权)平均值,平差前后保持不变。

③第四个条件是尺度基准：表示重心点到各个点的距离的加权平均值不变。 

自由网平差中测角网增补矩阵系数的物理含义以及经典平差、自由网平差和拟稳平差三者关系

经典平差、自由网平差和拟稳平差三者关系：

经典平差和自由网平差是拟稳平差的特例。在拟稳平差中，当只有一个起算点时为经典平差模型;当认为所有点都发生微小移动时，认为此模型符合自由网平差模型。

控制网优化设计分类：

①零类设计——基准设计；

②一类设计——结构图形设计；

③二类设计——观测值权的分配；

④三类设计——网的改造或加密方案设计。

控制网优化设计及其方法

对一项设计方案进行优化设计的方法：

①增加或删除一些观测值;

②改变某些观测值的权;

③增加或删除网中某些控制点;

④改变某些网点的位置;

⑤改变网的基准类型。

绝对网:

有部分点布设在变形体外的监测网称之为“绝对网”。

相对网:

网的全部点都在变形体上的监测网称之为“相对网”。

有固定基准的绝对网（参考网）：

固定基准位于变形体之外，在各个监测周期中认为其稳定不变，将其作为监测变形点绝对位移的参考。

没有固定基准的相对网（自由网）：

网中的全部点都位于变形体范围内的监测网。

绝对网和相对网

变形监测网的参考系方程（经典平差参考系方程系数矩阵、秩亏自由网平差参考系方程系数矩阵、拟稳平差参考系方程系数矩阵）：

变形监测网的参考系方程

变形监测网的参考系方程

多元线性回归分析的步骤以及二次显著性检验的内容和目的：

多元线性回归分析的步骤以及二次显著性检验的内容和目的

倾斜监测：

测定工业与民用建筑物倾斜度随时间变化的工作称之为“倾斜监测”。 

建筑物的倾斜监测方法原理：

建筑物的倾斜监测方法原理

基坑工程变形监测：

①监测内容：

基坑工程施工监测对象分为两大部分，即围护结构本身和相邻环境。围护结构包括围护桩、支撑、立柱、坑内土层和坑内地下水等，相邻环境包括相邻土层、地下管线、相邻房屋和坑外地下水等。

基坑工程施工监测内容

②监测方法：

a.围护桩墙顶水平位移和垂直位移监测：

水平位移监测：监测方法有极坐标法、前方交会法、视准线法等多种方法。

垂直位移监测：一般采用精密水准测量方法观测测点的高程变化。

b.深层水平位移监测：

通常采用测斜仪观测，工作原理为测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化，从而计算基坑围护桩墙在不同高程的水平位移。

c.土体分层沉降监测：

指地表以下不同深度土层内的沉降和隆起，通常采用磁性沉降仪测量。

d.基坑回弹监测：

基坑开挖后，由于卸除了地基土自重而引起的基坑底面及坑外一定范围内土体的回弹变形或隆起。通常采用回弹监测标和深层沉降标进行监测。

e.支撑轴力监测：

构件内力通常采用压力传感器和轴力计进行测量。

③监测方案的设计：

工程概况(主体结构、围护结构、地质条件)，监测内容的确定，监测方法、仪器、精度的确定，测点布置，监测周期、预警值及报警制度等实施计划的制定，监测成果，监测费用等。方案设计初稿必要时可征求有关方的意见并进行修改，当通过有关各方认定后，具体实施中一般不作大的变动，但可以根据具体情况作局部调整。

④监测内容的确定：

主要取决于工程的设计要求、地质条件、规模大小、周围环境以及建设单位的要求等。

⑤测点的布设：

桩墙顶水平位移和沉降，深层水平位移，土体分层沉降，基坑回弹，支撑轴力，坑外地下水位，相邻环境等。

⑥监测频率的确定：

各项监测的频率应考虑基坑开挖及地下工程的施工进程、施工工况以及其他外部环境影响因素的变化。

⑦报警值的确定：

设计限值，相关规范标准的规定值，经验类比值。

地基SAR（地基合成孔径雷达）：

地基SAR的两种模式：①SAR模式——合成孔径模式；②RAR模式——真实孔径模式。

SAR，即合成孔径雷达，是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星、宇宙飞船等飞行平台上，可全天时、全天候对地实施观测，并具有一定的地表穿透能力。SAR系统在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘查、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势，可发挥其他遥感手段难以发挥的作用，因此越来越受到世界各国的重视。