卧龙湖煤矿主副井井架基础沉降监测研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 卧龙湖煤矿主副井井架基础沉降监测研究 姓名宋霜霜 申请学位级别硕士 专业大地测量学与测量工程 指导教师王列平 20090601 摘要 捅要 近年来，两淮和徐州矿区有很多井筒已发生了不同程度的破坏，经监测发现 矿区区域及工业广场地表均在井筒破坏时发生明显下沉，给矿井生产和安全带来 极大的威胁。为保证煤矿安全生产，针对卧龙湖煤矿工业广场内井架基础进行变 形监测，探讨和分析地面沉降的规律，建立预测模型。 本文介绍了变形监测的基本原理和方法，以卧龙湖煤矿为例，建立了主、副井 井架基础沉降监测网，监测网由3 类点 基准点、工作点和观测点 和3 种网 基准网、 首级网和次级网 组成，采用国家二等水准测量方法对监测网共进行了3 期全面观 测，次级网共进行了1 3 期沉降观测。基准网选取重心基准，采用秩亏自由网平差 方法，并依据平均间隙法对基准点进行了稳定性分析。首级网选用固定基准，采 用经典平差方法，并对工作点进行了差异性检验。通过严密平差绘制了沉降观测 点的沉降变化曲线，得到了主、副井井架基础最大沉降量分别为1 2 ．7 m m 和1 3 ．9 m m ， 最大沉降差分别为2 ．9 m m 和4 ．7 m m 。本文还对长观孔水位变化与井架基础沉降变化 之间进行了灰关联分析，得出水2 孔水位变化与主、副井井架基础沉降变化之间有 较强的关联性。 本文介绍了灰色系统分析模型和时间序列分析模型的建模原理和预测方法。依 据灰色系统理论，选取最佳维数新息建模，建立了能反映工程动态变化的G M 1 ， 1 等维新息模型，得到主、副井井架基础沉降点沉降预测最大残差值分别为0 ．3 m m 和1 ．1 m m ，平均残差值分别为0 ．1 2 m m 和0 ．2 0 m m ，模型精度等级均为l 级。依据时间 序列分析理论，建立T A R p 模型，得到主、副井井架基础沉降点沉降预测最大残 差值分别为0 ．7 m m 和1 ．4 m m ，平均残差值分别为0 ．1 9 m m 和0 ．3 1 m m 。从现有沉降监 测资料分析得出，灰色系统预测模型要优于时间序列预测模型。 最后，本文还利用V B 6 ．0 开发环境编写了沉降数据处理程序和沉降监测预测 程序。 图[ 3 7 ] 表[ 3 7 ] 参[ 5 8 ] 关键词井架基础沉降监测；灰色系统；时间序列分析；平均间隙法；基准 分类号P 6 4 2 ．2 6 摘要 A b s 仃a c t I nr e c e n ty e a r s ，s h a f bi nm i n e so fH u a i b e ia n dH u a i n a n , 邪w e l l 嬲X u z h o u , h a v e b e e nd e s t r o y e da td i f f e r e n tl e v e l s ．A c c o r d i n gt om o n i t o r i n gd a t a , t h eg r o u n d so ft h e m i n i n gr e g i o n sa n di n d u s t r ys q u a r e sh a v es u f f e r e d f r o mo b v i o u sc o a l m i n i n g s u b s i d e n c ew h e ns h a f I Sw e r ed e s t r o y e d ．I no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yp r o d u c t i o n , t h e p a p e ra n a l y s e st h er u l eo fg r o u n ds u b s i d e n c e ，b u i l d sp r e d i c t i v em o d e lb yt h e s u b s i d e n c em o n i t o r i n go fh e a d f r a m ef o u n d a t i o no fW O L O N GL A K Ec o a lm i n e i n d u s t r ys q u a r e s ． T h e p a p e ri n t r o d u c e st h eb a S i cp r i n c i p l e sa n d m e t h o d so fs e t t l e m e n tm o n i t o r i n ga n d b u i l d sh e a d f r a m ef o u n d a t i o ns u b s i d e n c em o n i t o r i n gn e tb a s e do nt h ee x a m p l eo f W O L O N GL A K Ec o a lm i n e ．T h em o n i t o r i n gn e t w o r kc o n s i s t so ft h r e ek i n d so fp o i n t s a n dt h r e et y p e so fn e t w o r k s ．T h r e ep e r i o d so fo v e r a l lo b s e r v a t i o n sa l eu s e dN a t i o n a l s e c o n do r d e rl e v e l i n gm e t h o df o rs u b s i d e n c em o n i t o r i n gn e t w o r k ．A n ds e c o n d a r y n e t w o r kl a s t sf o r13p e r i o d s ．G r a v i t yd a t u mi ss e l e c t e df o rd a t u mn e t w o r kt oa n a l y s et h e s t a b i l i t yo ft h ed a t u mp o i n tu s i n gm e a ns p a c i n gm e t h o d ．P r i m a r yc o n t r o ln e t w o r ki s u s e dc l a S s i c a la d j u s t m e n ta n dd i v e r s i t yt e s to nt h ej o i n tp o i n t s ．S u b s i d e n c ec h a n g e m e n t c u r v ei sd r e wb a s e do nr i g o r o u sa d j u s t m e n t 、析t l lt h er e s u l tt h a tt h em a x i n l u l no ft h e m a i na n da u x i l i a r ys h a f th e a d f r a m ef o u n d a t i o n ss u b s t r u c t u r es e t t l e m e n ti s12 ．7 m ma n d 13 ．9 m m , s e t t l e m e n td i f f e r e n c e2 ．9 m ma n d4 ．7 m m ．T h ep a p e ra l s os t u d i e so nt h eg r e y r e l a t i o n a l a n a l y s i sb e t w e e nt h e w a t e rl e v e l c h a n g e o ft h e l o n g - v i e wh o l e sa n d s u b s i d e n c ev a r i a t i o no fh e a d f r a m ef o u n d a t i o n ．A n dt h er u s u l ti st h a tt h e r ei sr e l a t i v e l y s t r o n g c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h el o n g - v i e wh o l eN O ．2a n ds u b s i d e n c ev a r i a t i o no f h e a d f r a m ef o u n d a t i o n ． T h ep a p e rd i s c u s s e sm o d e l l i n gp r i n c i p l e sa n dp r e d i c t i n gm e t h o d so fg r e ys y s t e m a n a l y s i sm o d e la n dt i m es e r i e sa n a l y s i sm o d e l ．B a S e do ng r a ys y s t e mt h e o r y , G M 1 ，1 e q u a l d i m e n s i o na n dn e w - i n f o r m a t i o nm o d e l i sb u i l t 、Ⅳi t l lt h er e s u l tt h a tt h em a x i m u m o fp r e d i c t i n gd a t ar e s i d u a le r r o ro ft h em a i na n da u x i l i a r ys h a f t sh e a d f r a m ef o u n d a t i o n s s u b s t r u c t u r es e t t l e m e n ti s0 ．3 m ma n d1 ．1m m ，m e , i n0 ．12 m ma n d0 ．2 0 m m ．T h ea c c u r a c y o fm o d e lr e a c h e st h eh i g h e s tl e v e l ．A c c o r d i n gt ot i m es e r i e sa n a l y s i st h e o r y , A R ∽ m o d e li sb u i l t 、航mt h er e s u l tt h a tt h em a x i m u mo fp r e d i c t i n gd a t ar e s i d u a le r r o ro ft h e m a i na n da u x i l i a r ys h a f t sh e a d f r a m ef o u n d a t i o n ss u b s t r u c t u r es e t t l e m e n ti S0 ．7 m ma n d 摘要 1 ．4 r a m ，m e a nO ．19 m ma n d0 ．31r a m ．A c c o r d i n gt ot h ea v a i l a b l ed a t a , g r e ys y s t e m p r e d i c t i n gm o d e li sm o r es u i t a b l ef o rt h ep r o j e c tt h a nt i m es e r i e sp r e d i c t i n gm o d e l ． I nt h ee n d ，t h ep a p e rw r i t e sap r o g r a md e s i g n e dt od e a l 、 l ，i ms e t t l e m e n td a t aa n d p r e d i c ts e t t l e m e n tm o n i t o r i n gu s i n gV B 6 ．0 ． F i g u r e 【3 7 】t a b l e 【3 7 】r e f e r e n c e 【5 8 】 K e ，rw o r d H e a d f i a m ef o u n d a t i o n , S e t t l e m e n tm o n i t o r i n g ，G r e ys y s t e m , T i m es e r i e s a n a l y s i s ，M e a ns p a c i n gm e t h o d ，D a t u m C h i n e s eb o o k sc a t a l o g P 6 4 2 ．2 6 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徼理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名昧椠疑日期2 0 0 9 年- 舌月箩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理工大堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀理王太堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在 解密后适用本授权书 学位论文作者签名．泉氟鞠 签字E t 期2 0 0 9 年多月牙日 导师签名多别千 签字日期2 0 0 9 年多月9 日 第1 章绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出 煤矿主、副井提升一般采用钢质井架，井架的自重、使用中的动荷载、振动或 风力等因素引起的附加荷载，井架结构的型式，地下水位的升降，地下水对井架 基础的侵蚀作用，地基土在荷载与地下水位变化影响下产生的各种工程地质现象， 温度变化，井架附近新工程施工对地基的扰动以及厚松散层的相对不稳定性等都 将可能引起地基的塑性变形，导致井架基础的不均匀沉降。井架基础的沉降变化， 将直接导致井架的倾斜与变形，当倾斜变形与水平变形超过一定的限值后，就会 影响井架的正常使用，甚至危及井架安全。因此，对井架基础进行沉降观测是煤 矿安全生产的一项十分重要的工作。 1 ．2 国内外研究现状与动态 1 ．2 ．1 变形观测与其技术发展 经过广泛的调查，获悉目前己开展的建构筑物变形观测项目有以下几个方面 基础沉降观测，水平位移观测，倾斜观测，裂缝观测，挠度观测，风振变形观测， 日照变形观测，基坑回弹观测，深基坑边坡及支护系统变形观测和施工场地、相 邻建构筑物及设施变形观测等。上述的变形观测主要是监视建构筑物的形态及其 空间位置的变化，通常称它们为外部变形观测。与此相应，对建构筑物结构内部 的应变、应力、温度渗压、土压力、孔隙压力以及伸缩缝开合等项目的观测，通 常称为内部观测。内部观测一般不由测量人员进行，但在变形观测数据处理时， 特别是对变形原因作物理解释时，必须将内、外部观测的资料结合起来进行分析。 变形信息获取方法的选择取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和 变形速度等因素。在全球性变形监测方面，空间大地测量是最基本且最适用的技 术，它主要包括全球定位系统 G P S 、甚长基线射电干涉测量 V L B I 、卫星激光 测距 S L R 、激光测月技术 L L R 以及卫星重力探测技术 卫星测高、卫星跟踪卫 星和卫星重力梯度测量 等技术手段。在区域性变形监测方面，G P S 已成为主要的 技术手段。近1 0 年发展起来的空间对地观测遥感新技术合成孔径雷达干涉测 量 I n S A R ，I n t e r f e r o m e t r i cS y n t h e t i cA p e r t u r eR a d a r ，在监测地震变形、火 山地表移动、冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的精度已可达 c m 或m m 级，表现出了很强的技术优势，但精密水准测量依然是高精度高程信息获 安徽理I 人学硕士学位论文 取的主要方法。在工程和局部性变形监测方面，地面常规测量技术、地面摄影测 量技术、特殊和专用的测量手段以及以G P S 为主的空间定位技术等均得到了较好的 应用。 合理设计变形监测方案是变形监测的首要工作。对于周期性变形监测网设计而 言，其主要内容包括确定监测网的质量标准，选择观测方法，点位的最佳布设 和观测方案的最优选择。在过去的3 0 年里，变形监测方案设计和监测网优化设计 的研究较为深入和全面，取得了丰富的理论研究成果和较好的实用效益，这一点 可从众多文献中得到体现。目前，在变形监测方案与监测系统设计方面，其主要 发展是监测方案的综合设计和监测系统的数据管理与综合处理。 纵观国内外数十年变形监测技术的发展历程，传统的地表变形监测方法主要采 用的是大地测量法和近景摄影测量法。 1 ．常规地面测量方法的完善与发展，其显著进步是全站型仪器的广泛使用， 尤其是全自动跟踪全站仪 R T S ，R o b o t i cT o t a lS t a t i o n s ，它可进行一定范围内无人 值守、全天候、全方位的自动监测，监测精度可达亚m i l l 级。目前，在美国加州南 部的一个新水库已安装了由8 个永久性R T S 仪器型号为L e i c aT C A l 8 0 0 和2 1 8 个棱 镜组成的地面自动监测系统。但是1 1 P S T e r r e s t r i a lP o s i t i o n a lS y s t e m ，地面定位系 统 最大的缺陷是受测程限制，测站点一般都处在变形区域的范围之内。 2 ．地面摄影测量技术在变形监测中的应用虽然起步较早，但是由于摄影距离 不能过远，加上绝对精度较低，使得其应用受到局限，过去仅大量应用于高塔、 烟囱、古建筑、船闸、边坡体等的变形监测。近几年发展的数字摄影测量和实时 摄影测量为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广泛的前景。 3 ．光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的监测仪器可用于变形的 自动监测，它包括应变测量、准直测量和倾斜测量。例如，遥感垂线坐标仪，采 用自动读书设备，其分辨率可达0 ．0 1 r a m ；采用光纤传感器测量系统将信号测量与 信号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境的能力，便 于组成遥测系统，实现在线分布式监测。 4 ．G P S 作为一种全新的现代空间定位技术，己逐渐在越来越多的领域取代了常 规光学和电子测量仪器。自从上世纪8 0 年代以来，尤其是进入9 0 年代后，G P S 卫星 定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变 化。用G P S 同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋 和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处 理扩展到实时 准实时 定位与导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚 第1 章绪论 毫米级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。地学工作者已将 G P S 用于地表变形监测的多种实验，取得了丰富的理论研究成果，并走向实用阶段。 数据通讯技术、计算机技术和以G P S 为代表的空间定位技术的同益发展和完善，使 得G P S 法由原来的周期性观测走向高精度、实时、自动监测成为可能。我国于1 9 9 4 年参加了“国际南极G P S 会战”，并已建立了青藏高原地球动力学G P S 监测网、首 都圈G P S 地表形变监测网、龙门山G P S 地壳形变监测网等，并即将建立中国G P S 地 壳形变G P S 监测网。近几年来，一些学者已开展了卓有成效的G P S 动态监测实验与 测试工作，如L o v e s 等应用G P S 技术测定了加拿大卡尔加旱塔 C a l g a r y 在强风作用 下的结构动态变形；A s h k e n a z i 等进行了大型桥梁的G P S 实时动态监测实验；G u o 等应用G P S 技术对深圳帝王大厦的风力振动进行了测量；罗志才等进行了G P S 用于 鉴别振动特征的模拟实验。目前，G P S 动态监测数据处理主要采用O T F 方法，同时， G P S 变形监测单历元求解算法及其相应软件开发的研究也在发展之中。已有研究表 明，对于长期监测的G P S 系统，采用K a l m a n 滤波三差法代替R T K 技术的双差相位 求解，可以实现m m 级精度。另人鼓舞的是，正如L o v e s 等所言，随着G P S 动态变形 监测能力的进一步证实，这一技术可望被采纳为测量结构振动的标准技术【l J 。 1 ．2 ．2 变形分析与其研究进展 变形分析的研究内容涉及到变形数据处理与分析、变形物理解释和变形预报 的各个方面，通常可将其分为变形的几何分析和变形的物理解释两部分。 1 ．变形的时空特征分析及其建模方法 传统的变形几何分析主要包括参考点的稳定性分析、观测值的平差处理和质 量评定以及变形模型参数估计等内容。 监测点的变形信息是相对于参考点或一定基准的，如果所选基准本身不稳定 或不统一，则由此获得的变形值就不能反映真正意义上的变形，因此，变形的基 准问题是变形监测数据处理首先必须考虑的问题。参考点的稳定性分析方法有很 多，例如，A ．C h r z a n o w s k i 1 9 8 1 论述了这样5 种方法以方差分析进行整体检验 为基础的H a n n o v e r 法 H ．P e l z e r ，1 9 7 1 ，即通常所采用的“平均间隙法“ ；以B 检验法为基础的D e l t 置法，即单点位移分量法；以方差分析和点的位移向量为基 础的K a r l s r u b e 法考虑大地基准的M u n i c h 法；以位移的不变函数分析为基础的 F r e d e r i c t o n 法。后来又发展了稳健．S 变换法，也称逐次定权迭代法。 观测值的平差处理和质量评定非常重要，观测值的质量好坏直接关系到变形 值的精度和可靠性。在这方面，主要涉及到观测值质量、平差基准、粗差处理和 安徽理j 1 人学硕士学位论文 变形的可区分性等几项内容。在固定基准的经典平差基础上，发展起来了重心基 准的自由网平差和拟稳基准的拟稳平差 周江文，1 9 8 0 ；陶本藻，1 9 8 4 。在 W ．B a a r d a 1 9 6 8 提出数据探测法后，粗差探测与变形的可区分性研究成果已极为 丰富，这已体现在李德仁 1 9 8 8 、黄幼才 1 9 9 1 和陶本藻 1 9 9 2 等的著作中。 对于变形模型参数估计，陈永奇 1 9 8 8 概括了两种基本的分析方法，即直接 法和位移法。直接法是直接用原始的重复观测值之差计算应变分量或它们的变化 率；位移法是用各测点坐标的平差值之差 位移值 计算应变分量。同时，他还提 出了变形分析通用法，研制了相应的软件D E F N A N 。 1 9 7 8 年F I G 工程测量专业委员会设立了由国际测绘界5 所权威大学组成的特 别委员会“变形观测分析专门委员会刀，极大地推动了变形分析方法的研究，并取 得了显著成果。正如A ．C h r z a n o w s k i 1 9 9 6 所评价的，变形几何分析的主要问题已 经得到解决。 实际上，自2 0 世纪7 0 年代末至9 0 年代初，对几何变形分析研究得较为完善 的是用常规地面测量技术进行周期性监测的静态模型，但它考虑的仅仅是变形体 在不同观测时刻的空间状态，并没有很好地建立各个状态间的联系，更谈不上变 形监测自动化系统的变形分析研究。事实上，变形体在不同状态之间是具有时间 关联性的。为此，后来许多学者转向了对时序观测数据的动态模型研究，如变形 的时间序列分析方法建模；基于数字信号处理的数字滤波技术分离时效分量；变 形的卡尔曼滤波模型；用F I R F “t eI m p u l s eR e s p o n s e 滤波器抑制G P S 多路径效 应等。 动态变形分析既可以在时间域进行，也可以在频率域进行。频谱分析方法是 将时域内的数据序列通过傅里叶 F o u r i e r 级数转换到频域内进行分析，它有利于 确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。有些学者应用频谱 分析研究了时序观测资料的干扰因素，以便获得真正的变形信息，并取得了一定 效果。频谱分析法用于确定动态变形特征 频率和幅值 是一种常用的方法，尤其 在建构筑物结构振动监测方面被广为采用。但是，频谱分析法的苛刻条件是数据 序列的等时间问隔要求，这为一些工程变形监测分析的实用性增加了难度，因为 对于非等间隔时间序列进行插补和平滑处理必然会带入人为因素的影响。 多年来，对变形数据分析方法研究是极为活跃的，除了传统的多元回归分析 法以及上述的时间序列分析法、频谱分析法和滤波技术之外，灰色系统理论、神 经网络等非线性时间序列预测方法也得到了一定程度的应用。比如，应用灰关联 分析方法研究多个因变量和多个自变量的变形问题；应用灰色理论建模预测深基 第l 章绪论 坑事故隐患；应用人工神经网络建模进行短期的变形预测。 在变形分析中，为了弥补单一方法的缺陷，研究多种方法的结合得到了一定 程度的发展。例如，将模糊数学原理与狄色理论相结合，应用灰关联聚类分析法 进行多测点建模预测将模糊数学与人工神经网络相结合，应用模糊人工神经网 络方法建模进行边坡和大坝的变形预报；在回归分析法中，为处理数据序列的粗 差问题，提出了应用抗差估计理论对多元回归分析模型进行改进的抗差多元回归 模型；还有研究认为，人工神经网络与专家系统相结合，是解决大坝安全监控专 家系统丌发中“瓶颈’’问题的一个好方法。 由于变形体变形的错综复杂，可以将其视为一个复杂性系统。这个复杂系统 含有许多非线性、不确定性等复杂因素以及它们之间相互作用所形成的复杂的动 力学特性。创立于2 0 世纪7 0 年代的非线性科学理论在变形研究中也得到了反映。 例如，根据突变理论，用尖点突变模型研究大坝及岩基的稳定性；将大坝运行性 态看成一种非线性动力系统，来研究大坝观测数据序列中的混沌现象。 在变形分析中，出于实用、简便上的考虑，我们一般应用较多的是单测点模 型，同时，为顾及监测点的整体空间分布特性，多测点变形监控模型也得到了发 展。 但是，从现行的变形分析方法中，我们不难发现，大多都是离线的 事后的 ， 不能进行即时预报与监控，无法在紧急关头为突发性灾害提供即时决策咨询，这 与目前的自动化监测系统的要求很不相符，为此，研究在线实时分析与监控的方 法成为技术的关键。已有研究表明，采用递推算法的贝叶斯动态模型进行大坝监 测的动态分析是可行的。在隔河岩大坝G P S 自动化监测系统中，我们采用递推式 达尔曼滤波模型进行全自动在线实时数据处理起到了较好效果。 在G P S 监测系统中，数据处理的主要工作是观测资料的解算，而数据分析的 重点则包括变形基准的确定，J 下确区分变形与误差，提取变形特征，并解释其变 形成因。诞生于2 0 世纪8 0 年代未的小波分析理论，是一种最新的时频局部分析 方法，被认为是自傅里叶分析方法后的突破性进展。应用小波方法，进行时频分 析，可望有效地求解变形的非线性系统问题，通过小波变换提取变形特征。但这 一研究领域才刚刚起步，在变形分析方面尚无实质性的研究成果。第2 l 届I U G G 大会“小波理论及其应用“ 被l A G 确定为大地测量新理论的研究方向之一。在 1 9 9 9 年召开的第2 2 届I U G G 大会上，“小波理论及其在大地测量和地球动力学中 的应用”再次被l A G 确定为G I V 分会 大地测量理论与方法 的新的研究任务。 从目前的应用研究来看，虽然小波分析要求大子样容量的时间序列数据，但是， 安徽理T 大学硕十学位论文 长序列数据可从G P S 、T P S 等集成的自动化监测系统中得到保障。小波分析为高 精度变形特征提取提供了一种数学工具，可实现其他方法无法解决的难题，对非 平稳信号消噪有着其它方法不可比拟的优点。小波理论在变形监测 尤其是动态变 形监测 的数据分析方面将会发挥巨大的作用。 2 ．变形物理解释的进展 变形物理解释的方法可分为统计分析法、确定函数法和混合模型法三类。 统计分析法中以回归分析模型为主，通过分析所观测的变形 效应量 和外因 原因量 之间的相关性，来建立荷载变形之间的数学模型，它具有“后验” 的性质，是目前应用比较广泛的变形成因分析法。由于影响变形因子的多样性和 不确定性，以及观测资料本身的有限，因此，很大程度上制约着回归分析建模的 准确性。回归分析模型中包括多元回归分析模型、逐步回归分析模型、主成分回 归分析模型和岭回归分析模型等。统计模型的发展包括时间序列分析模型、灰关 联分析模型、模糊聚类分析模型以及动态响应分析模型等。 确定函数法中以有限元法为主，它是在一定的假设条件下，利用变形体的力 学性质和物理性质，通过应力与应变关系建立荷载与变形的函数模型，然后利用 确定的函数模型预报在荷载作用下变形体可能的变形。确定性模型具有“先验“ 的性质，比统计模型有更明确的物理概念，但往往计算工作量较大，并对用作计 算的基本资料有一定的要求。 统计模型和确定性模型的进一步发展是混合模型和反分析方法的研究，这已 在大坝安全监测中得到了较好的应用。混合模型是对那些与效应量关系比较明确 的原因量 比如水质分量 用有限元法 F E M ，F i n i t eE l e m e n tM e t h o d 计算的数值， 而对于另一些与效应量关系不很明确或采用相应的物理理论计算成果难以确定它 们之问函数关系的原因量 比如温度，时效 ，则仍用统计模式，然后与实际值进 行拟合而建立的模型。例如，林兵 1 9 9 8 采用混合模型分析坝体性态得到了较好 效果。反分析是仿效系统识别理论，将正分析成果作为依据，通过一定的理论分 析，借以反求建构筑物及其周围的材料参数，以及寻找某些规律和信息，及时反 馈到设计、施工和运行中去。反分析按其实际内涵包含反演分析和反馈分析，两 者之间既有联系又有区别。 由于变形的物理解释涉及到多学科的知识，已远不是测量人员所能够独立完 成的，所以需要相关学科专家的共同合作【1 1 。 1 ．3 研究的主要内容 第l 章绪论 本文结合皖北卧龙湖煤矿主副井井架基础沉降监测实例，主要进行以下工作 1 ．沉降监测 建立主、副井井架基础沉降监测网，包括基准点、工作点和观测点的布设，水 准路线的选择，以及对实测资料的预处理；对基准网进行稳定性分析，对首级网 的工作点进行差异性检验，对次级网进行严密平差，绘制沉降观测点的沉降变化 曲线。 2 ．数据处理 1 为基准网、首级网和次级网选择合适的平差基准； 2 对基准网进行稳定性分析 3 对工作点进行差异性检验； 4 绘制观测点沉降变化曲线； 5 编制沉降数据处理程序； 6 对长观孔水位变化与井架基础沉降变化之间进行灰关联分析。 3 ．数学建模 1 依据灰色系统理论，选取最佳维数新息建模，建立G M 1 ，1 等维新息模型； 2 依据时间序列分析理论，建拙 p 预测模型； 3 通过预测精度的比较，分析两种模型的预测效果； 4 编制沉降监测预测程序。 安徽理工大学硕士学位论文 2 沉降观测和基准点稳定性分析 2 ．1 点的布设 对于沉降监测网，一般来说由三类点和三种网组成基准点埋设在变形 影响范围之外，尽量保持长期稳定，用作变形监测的起算点，并构网以便检验其 稳定性；工作点是基准点和观测点之间的联系点，与基准点联系构成首级控 制网，首级控制网复测间隔时间较长，用来测量工作点相对于基准点的变形量； 观测点与工作点之间要有便利的观测条件，它们共同组成次级变形网，次级 变形网复测时间间隔短，用来监测井架基础上的观测点相对于工作点的变形量。 观测点直接埋设在待观测对象上，与其一起移动，它们的点位变化反映了待测对 象空间位置的变化【2 J 。 1 ．基准点的布设 沉降观测是根据基准点进行的，因此要求基准点的位置在整个变形观测期间 稳定不变。为保证基准点高程的正确性和便于相互检核，布设基准点数目应不少 于三个并构成基准网。埋设地点应保证有足够的稳定性，设置在受压、受震范围 以外，离开铁路、公路和地下管道至少5 m 。冰冻地区埋设深度要低于冰冻线0 ．5 m 。 为了观测方便及提高观测精度，基准点距观测点不要太远，一般应在l O O m 范围以 内，否则还应布设工作点。 基准点的标石，可根据点位所处的不同地质条件选埋基岩水准基点标石、深 埋钢管水准基点标石、深埋双金属管水准基点标石和混凝土基本水准标石。 2 ．工作点的布设 工作点又称工作基点，它是基准点与观测点之间起联系作用的点。工作点埋 设在被研究对象附近，要求在观测期| ’H J 保持点位稳定，其点位由基准点定期检测。 工作点位置与邻近建构筑物的距离不得小于建构筑物基础深度的1 ．5 ～2 ．O 倍，也 可设置在稳定的永久性建构筑物墙体或基础上。 工作点的标石，可按点位的不同要求选埋钢管水准标石、混凝土普通水准标 石或墙角、墙上水准标志等。 3 ．观测点的布设 沉降观测点是固定在待观测对象上的测量标志，应牢固地与待观测对象结合 在一起，便于观测，并尽量保证在整个沉降观测期间不受损坏。观测点的数量和 位置，应能全面反映待观测对象的沉降情况，尽量布置在沉降变化可能显著的地 方。如在基础形式改变处、新旧建构筑物基础连接处、基础深度改变处、伸缩缝 第2 章沉降观测和基准点稳定性分析 两侧、地质条件改变处、建构筑物荷载变化部位、平面形状改变处、建筑物四角 或沿外墙每l O - 1 5 m 处或具有代表性的支柱和基础上，均应设置观测点。对于工业 厂房，观测点可设在柱子、承重墙、厂房转角、大型设备基础及较大荷载的周围。 高大圆形的构筑物，应在基础的对称线上设观测点。总之，观测点应设在能表示 出沉降特征的点。 沉降观测标志可根据建构筑物结构类型和建筑材料，采用墙 柱 标志、基础 标志和隐蔽式标志，各类标志的立尺部位应加工成半球形或有明显的突出点，并 涂上防腐剂。标志埋设位置应避开有碍设标与观测的障碍物，并应视立尺需要离 开墙 柱 面和地面一定距离。 在施工期间，经常会遇到沉降观测点被毁，为此一方面可以适当地加密沉降 观测点，对重要的位置可布置双点；另一方面观测人员应经常注意观测点变动情 况，如有损坏及时设置新的观测点l 引。 2 ．2 监测时间及频率 当基准点、工作点和观测点己埋设稳固，即进行第一次观测，此次观测成果 作为以后沉降变形的衡量依据。 1 ．施工期间变形观测的周期及频率 建构筑物施工阶段的观测，应随施工进度及时进行。高层建构筑物可在基础 垫层或基础底部完成后开始观测。观测次数与时间视地基与加荷情况而定，一般 每加高l ～5 层观测一次。施工期间停工时间较长时，