建筑物变形与裂缝观测

一、倾斜观测

在进行观测之前，首先要在进行倾斜观测的建筑物上设置上、下两点或上、中、下三点标志，作为观测点，各点应位于同一垂直视准面内。如图4-205所示，M、N为观测点。如果建筑物发生倾斜，MN将由垂直线变为倾斜线。观测时，经纬仪的位置距离建筑物应大于建筑物的高度，瞄准上部观测点M，用正倒镜法向下投点得N'，如N'与N点不重合，则说明建筑物发生倾斜，以a表示N'、N之间的水平距离，a即为建筑物的倾斜值。若以H表示其高度，则倾斜度为：

图4-205 倾斜观测

i=arcsin（a/H） （4-83）

高层建筑物的倾斜观测，必须分别在互成垂直的两个方向上进行。

当测定圆形构筑物（如烟囱、水塔、炼油塔）的倾斜度时（图4-206），首先要求得顶部中心对底部中心的偏距。为此，可在构筑物底部放一块木板，木板要放平放稳。用经纬仪将顶部边缘两点A、A'投影至木板上而取其中心A₀，再将底部边缘上的两点B与B'也投影至木板上而取其中心B₀，A₀B₀之间的距离a就是顶部中心偏离底部中心的距离。同法可测出与其垂直的另一方向上顶部中心偏离底部中心的距离

（4-84）

图4-206 偏心距观测

构筑物的倾斜度为：

i＝c/H （4-85）

二、裂缝观测

建筑物发现裂缝，除了要增加沉降观测的次数外，应立即进行裂缝变化的观测。为了观测裂缝的发展情况，要在裂缝处设置观测标志。设置标志的基本要求是，当裂缝开展时标志就能相应的开裂或变化，正确的反映建筑物裂缝发展情况。其形式有下列三种：

1．石膏板标志

用厚10mm，宽约50~80mm的石膏板（长度视裂缝大小而定），在裂缝两边固定牢固。当裂缝继续发展时，石膏板也随之开裂，从而观察裂缝继续发展的情况。

2．白铁片标志

如图4-207所示，用两块白铁片，一片取150mm×150mm的正方形，固定在裂缝的一侧，并使其一边和裂缝的边缘对齐。另一片为50mm×200mm，固定在裂缝的另一侧，并使其中一部分紧贴相邻的正方形白铁片。当两块白铁片固定好以后，在其表面均涂上红色油漆。如果裂缝继续发展，两白铁片将逐渐拉开，露出正方形白铁上原被覆盖没有涂油漆的部分，其宽度即为裂缝加大的宽度，可用尺子量出。

图4-207 白铁片标志

3．金属棒标志（图4-208）

在裂缝两边凿孔，将长约10cm直径10mm以上的钢筋头插入，并使其露出墙外约2cm左右，用水泥砂浆填灌牢固。在两钢筋头埋设前，应先把钢筋一端锉平，在上面刻画十字线或中心点，作为量取其间距的依据。待水泥砂浆凝固后，量出两金属棒之间的距离，并记录下来。以后如裂缝继续发展，则金属棒的间距也就不断加大。定期测量两棒之间距并进行比较，即可掌握裂缝开展情况。

图4-208 金属棒标志

三、位移观测

当建筑物在平面上产生位移时，为了进行位移测量，应在其纵横方向上设置观测点及控制点。如已知其位移的方向，则只在此方向上进行观测即可。观测点与控制点应位于同一直线上，控制点至少须埋设三个，控制点之间的距离及观测点与相邻的控制点间的距离要大于30m，以保证测量的精度。如图4-209所示，A、B、C为控制点，M为观测点。控制点必须埋设牢固稳定的标桩，每次观测前，对所使用的控制点应进行检查，以防止其变化。建筑物上的观测点标志要牢固、明显。

图4-209 位移观测

位移观测可采用正倒镜投点的方法求出位移值。亦可采用测角的方法。如图4-209所示，设第一次在A点所测之角度为β₁，第二次测得之角度为β₂，两次观测角度的差数△β＝β₂－β₁，则建筑物之位移值

（4-86）

式中 ρ＝206265"。

位移测量的允许偏差为±3mm，进行重复观测评定。

四、用三角高程测量法测定建筑物的沉降变形

在兴建和运营管理期间对大型工程建筑物的沉降观测，通常采用静力水准测量或高精度水准测量，这就要求要设置精致的标志，使用精密的水准尺及其他高精度设备。为了降低成本和满足沉降观测的急需，可采用短边三角高程测量法进行建筑物的沉降观测，其方法如下：

如图4-210所示，在建筑物上分别固定标志1和2，在建筑物之间安置精密光学经纬仪，测定倾斜角α₁及α₂。当α₁及α₂很小的情况下，标志的高程H，可按下式计算：

图4-210

（4-87）

式中 l——仪器到标志的斜距；

ρ＝206265"。

则两个标志之间的高差h₁₂即可求得。当l

由式（4-88）可知测角和量距误差的大小，都与m

由表中数字可以看出，当倾斜角α愈大、距离l愈长则对测角、量距的精度要求愈高。例如当要求建筑物沉降观测中误差为m_沉＝±0.5mm时，则在1测站上测定高差的中误差为：

根据使用010光学经纬仪观测结果表明，当l＝2~15m，α＝0°~5°时，一测回测角中误差为±1"。

采用三角高程测量法测定建筑物的沉降，在我国刚刚开始，而国外已经广泛应用于混凝土地基、高层楼房等建筑物的沉降观测。

五、用基准线法测定建筑物的水平位移

水平位移观测的任务是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量。当要测定某大型建筑物的水平位移时，可以根据建筑物的形状和大小，布设各种形式的控制网进行水平位移观测，当要测定建筑物在某一特定方向上的位移量时，这时可以在垂直于待测定的方向上建立一条基准线，定期地测量观测标志偏离基准线的距离，就可以了解建筑物的水平位移情况。

建立基准线的方法有“视准线法”、“引张线法”和“激光准直法”。

1．视准线法

由经纬仪的视准面形成基准面的基准线法，称为视准线法。视准线法又分为角度变化法（即小角法）和移位法（即活动觇牌法）两种。

小角法是利用精密光学经纬仪，精确测出基准线与置镜端点到观测点视线之间所夹的角度。由于这些角度很小，观测时只用旋转水平微动螺旋即可。

设α为观测的角度，d_i为测站点到照准点之间的距离，则观测标志偏离基准线的横向偏差q_i为：

（4-92）

在小角法测量中，通常采用T2型经纬仪，角度观测四个测回。距离d_i的丈量精度要求不高，以1/2000的精度往返丈量一次即可。

活动觇牌法是直接利用安置在观测点上的活动觇牌来测定偏离值。其专用仪器设备为精密视准仪、固定觇牌和活动觇牌。施测步骤如下：

（1）将视准仪安置在基准线的端点上，将固定觇牌安置在另一端点上。

（2）将活动觇牌仔细地安置在观测点上，视准仪瞄准固定觇牌后，将方向固定下来，然后由观测员指挥观测点上的工作人员移动活动觇牌，待觇牌的照准标志刚好位于视线方向上时，读取活动觇牌上的读数。然后再移动活动觇牌从相反方向对准视准线进行第二次读数，每定向一次要观测四次，即完成一个测回的观测。

（3）在第二测回开始时，仪器必须重新定向，其步骤相同，一般对每个观测点需进行往测、返测各2~6个测回。

2．引张线法

引张线法是在两固定端点之间用拉紧的金属丝作为基准线，用于测定建筑物水平位移。引张线的装置由端点、观测点、测线（不锈钢丝）与测线保护管四部分组成。

在引张线法中假定钢丝两端固定不动，则引张线是固定的基准线。由于各观测点上之标尺是与建筑物体固定连接的，所以对于不同的观测周期，钢丝在标尺上的读数变化值，就是该观测点的水平位移值。引张线法常用在大坝变形观测中，引张线安置在坝体廊道内，不受旁折光和外界影响，所以观测精度较高，根据生产单位的统计，三测回观测平均值的中误差可达0.03mm。

3．激光准直法

激光准直法可分为两类：第一类是激光束准直法。它是通过望远镜发射激光束，在需要准直的观测点上用光电探测器接收。由于这种方法是以可见光束代替望远镜视线，用光电探测器探测激光光斑能量中心，所以常用于施工机械导向的自动化和变形观测。第二类是波带板激光准直系统，波带板是一种特殊设计的屏，它能把一束单色相干光会聚成一个亮点。波带板激光准直系统由激光器点光源、波带板装置和光电探测器或自动数码显示器三部分组成。第二类方法的准直精度高于第一类，可达10

六、用前方交会法测定建筑物的水平位移

在测定大型工程建筑物（例如塔形建筑物、水工建筑物等）的水平位移时，可利用变形影响范围以外的控制点用前方交会法进行。

如图4-211所示，1，2点为互不通视的控制点，T₁为建筑物上的位移观测点。由于γ_l及γ₂不能直接测量，为此必须测量连接角γ'₁及γ'₂，则γ_l及γ₂通过计算可以求得：

图4-211

七、用后方交会法测定建筑物的水平位移

建筑物的平面位移观测，在我国用于水利工程上较多，例如大坝、护坡、护岸等工程。位移观测的方法很多，有方向线法、三角测量法、综合测量法，还有视准线法、引张线法，正、倒垂线法等等。在上一节我们介绍了用角度前方交会法测定建筑物的水平位移，本节我们将介绍用后方交会法测定建筑物的水平位移。

为了测定单体建筑物的水平位移，可在被测建筑物本体上设立测站，要求测站标志必须和建筑物连成一个整体。在建筑物周围，当然应在变形范围之外，寻找4~5个固定方向，要求测站点和观测点都有强制归心设备，以克服偏心误差的影响。常见的对中装置有下列三种：

1．三叉式对中盘：如图4-212所示，盘上铣出三条辐射形凹槽，三条凹槽夹角为120°，对中时必须先把基座的底板卸掉，将三只脚螺旋尖端安放在三条凹槽中后，经纬仪就在对中盘上定位了。

图4-212 三叉式对中盘

2．点、线、面式对中盘：如图4-213所示，盘上有三个小金属块，分别是点、线、面。“点”是金属块上有一个圆锥形凹穴，脚螺旋尖端对准放上去后即不可移动；“线”是金属块上，有一条线形凹槽，脚螺旋尖端在凹槽内可以沿槽线移动。第三块是一个平面，脚螺旋尖端在上面有二维自由度，当脚螺旋间距与这三个金属块间距大致相等时，仪器可以在对中盘上精确就位。

图4-213 点、线、面式对中盘

3．球、孔式对中装置：如图4-214所示，固定在标志体上的对中盘上有一个圆柱形的对中孔，另有一个对中球（或圆柱）通过螺纹可以旋在基底的底板下，对中球外径与对中孔的内径匹配，旋上对中球的测量仪器通过球、孔接口，可以精确地就位于对中盘上。

图4-214 球、孔式对中装置

仪器和观测标志都设置强制归心设备之后，即可在测站上进行多次后方交会观测，这样定期地观测若干组观测值，在假定原有固定方向的位置没有变化的情况下，根据几组观测成果，可以推算出本测站的平面位移量。

用后方交会法测定建筑物平面位移的基本原理如下：

如图4-215所示，A为动点，即待测水平位移的测站点。设未移动前的坐标为x_a，y_a，发生位移后A移动到A'位置，其移动后的坐标为x_a±dx_a，y_a±dy_a。B为设置在变形影响范围之外的固定点，其坐标为x_b，y_b。AB边的方向角为α，当

图4-215

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