土木工程变形监测中影像测量变形技术

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0引言

近年来土木工程建设规模越来越大，但使用条件越来越复杂，对施工或运营期安全监测的要求也越来越高，如一些工程项目尤其是运营期的工程项目要求监测作业时间非常短，现场监测作业不影响正常运营；某些大型桥梁、隧道、边坡项目现场不具备工作场地条件，很难或无法接触到结构面人工布设监测点；一些应急抢险工程项目要求现场安全监测快速高效，不损伤已出现病害的结构。而常规的监测方法对于上述有较高特殊监测要求的土木工程项目往往是难以奏效的。影像测量技术是近年来发展非常迅速的一项非接触式测量新技术，其优点是只需在工作现场拍摄不同角度目标体的数字照片，即可构建被测对象的三维模型并取得测量数据，从而准确测量目标体的尺寸、位置和变形。非接触式测量可不损伤被测量目标，信息容量高且可重复使用，不仅可为静态目标提供三维空间坐标或等值线图，且也可为动态目标提供运动轨迹及变化规律，特别适合用于测量包含大量测量点位的目标体，时效性要求高，躲避危险环境而远离测量测量对象等情况。本文针对影像测量技术展开研究和分析，介绍了影像测量的原理，详细说明了影像测量技术在土木工程监测领域应用的典型案例。

1影像测量原理

影像测量技术是通过数字照片建立被测物3D模型并测量细部尺寸的技术。利用数字影像技术，拍摄不同角度的隧道断面照片，通过照片分析，可以将隧道断面所具有的点、线、面迅速有效地构建出三维模型并取得测量数据。其基本原理是利用了空间几何中的三角变换原理，通过在至少两个不同位置对同一物体拍摄的照片建立拍摄点与物体上同一点的三角关系，如图1所示。影像测量监测精度可达到mm级，并具有以下特性：①可在瞬间精确记录下被摄物体的信息，即可得到瞬间的点位关系，这是其它方法无法做到的，作业方法可根据目的不同而灵活调整；②相片信息丰富，显示能力客观，适用于测量规则或不规则物体的外形；③在具有同步装置的条件下可对动态目标进行测量；④适于对不可接触物体的测量，如电弧、燃烧、爆炸等；⑤对控制点的布设及精度要求较高，但与传统的大地测量相比，可大大减少外业工作；⑥相片可长期保存，有利于检查、分析及对比。

2单片梁荷载试验裂缝监测实例

2.1项目介绍

2012年我院在广东省高速公路建设设计标准化项目中采用影像测量技术研究梁体在不同等级荷载作用下裂缝的开展情况。鉴于预制梁破坏试验有别于常规荷载试验，具有试验时间长、危险性大的特点，因此试验过程中对于裂缝的观测采用多种检测方法相结合的方法，即在梁体表面喷涂油漆观测初始裂缝的出现；采用裂缝检测仪观测裂缝在正常使用荷载作用下的裂缝开展情况；采用影像测量技术观测梁体在超过正常使用荷载作用下的裂缝开展情况。

2.2预制梁极限荷载试验内容和目的

⑴观测试件的裂缝出现和开裂过程，记录开裂荷载Pcr（′Mcr′），使用影像测量和人工监测的方法监测不同荷载等级下裂缝宽度的变化情况，绘制裂缝开展情况与荷载、时间的关系曲线。⑵观察和描绘梁的破坏情况和特征，记录破坏荷载Pu（′Mu′）。通过对梁受弯破坏全过程中裂缝开展情况的监测，掌握测试预制梁的极限承载能力以及在荷载作用下的裂缝开展情况，为分析研究预制梁的破坏机理和特征提供参考；对比人工监测与影像测量监测结果，验证影像测量方法在实际应用过程中的独特优势；分析实际应用过程中各种因素的影响，有助于改进和完善影像测量技术。

2.3实验过程

⑴梁体加载方案本次试验对40m小箱梁进行加载试验，实验梁梁高2m，宽1.2m，主梁间距3.24m，C50混凝土用量56.5m3。试验加载是整个破坏性试验的关键内容，其试验过程如下：①仪器调试：试验前对仪器设备进行仔细的安装调试，以保证的仪器正常工作。②试验预压：在正式施加荷载前先进行预载，将已就位好的试件每隔5m布置1个加载装置，施加荷载100kN，以检查各仪表的工作情况及试验测读人员的操作和读数能力，如全部正常即可开始正式试验。③初读数：正式加载前读取百分表和应变仪的初始读数，用放大镜检查有无初始裂缝并记录。④加载试验：根据钢筋混凝土预制梁设计极限承载能力估算梁体开裂前弯矩，采用MidasCivil软件建立有限元模型进行计算，确定试验加载重量。本次试验加载分为2个阶段，分别为梁体开裂前加载和梁体开裂至梁体破坏阶段的加载。a.第1阶段加载是在梁体正常使用荷载下的加载，分为4级，每级荷载下读取应变仪读数，以确定沿截面高度的应变分布，临近开裂荷载时荷载减半，并仔细观察梁受拉区有无裂缝出现，随时记录开裂荷载，每次加载后读取百分表，以确定桥梁测试截面的位移。b.第2阶段加载是在荷载超过梁体正常使用荷载后的加载，即在第1阶段荷载的基础上继续加载，直至梁体破坏断裂，逐级施加荷载，每级荷载为出现裂缝后加载量的50%，读取百分表读数，并分阶段记录梁体裂缝的发展状况，直至试件完全破坏，记下破坏荷载值。

⑵裂缝观测过程按照梁体加载方案，我们对40m小箱梁加载过程中裂缝变化进行监测，当加载量达到400kN时，小箱梁产生裂缝，现场选取4个区域作为监测对象，称1～4尺，每尺选取5条裂缝位置。加载吨位到993kN时梁体断裂，裂缝观测分为3个阶段：a.未裂阶段：在加压到400kN之前，试验荷载尚未达到极限承载力，梁体未发生开裂，挠度较小。该阶段由于梁体未发生开裂或仅有细微裂缝，为便于观测裂缝，在梁体侧面均匀地喷涂一层白色油漆，用放大镜检查每级荷载作用下的裂缝情况，如图3a。b.带裂缝工作阶段：当梁体加载到400kN时，随着试验荷载的增加，梁体受拉区混凝土产生裂缝，此时裂缝最大宽度0.6mm，因缝宽较小，故采用裂缝观测仪观测裂缝的开展情况；当加载到490kN时，缝宽超过1mm，同时采用裂缝观测仪和影像测量技术监测裂缝发展，以提高测量精度和准确性，如图3b。c.破坏阶段：试验荷载继续增大，裂缝发展迅速，当加载到790kN时，裂缝宽度达到3mm，超出允许宽度限值，挠度增加明显，当加载到993kN时，梁体破坏断裂。该阶段试验观测存在一定的危险性，人工监测方法已无法实施，因此单独采用影像测量技术对裂缝发展进行监测。

2.4结果分析

通过传统方法与影像测量技术的现场测试以及对比结果的分析，表明影像测量技术简单快捷、信息量大、安全可靠，在观测裂缝变化方面与传统的裂缝计、裂缝测宽仪相比具有明显优势，精度完全满足裂缝观测要求，特别是在人工无法靠近的梁体破坏阶段其优势更加明显，应用效果更好。

3结论

影像测量技术应用广泛、方便快捷，与传统方法相比具有以下优势：

⑴可用于准确测量隧道的相对变形，生成所测量物体的部分或整体三维模型，得到传统方法无法精确测量的全面三维尺寸，并在模型上应用纹理映射产生透视图，直观反映隧道断面变形，与三维模型、测点坐标相结合，能定性定量地反映结构变形。

⑵具有简便快捷和数据来源多选择性的特点，仅需拍照即可迅速完成现场操作，工效高且省时，应用于地铁隧道监测可减小对地铁运营的影响。

⑶测量精度高，影像测量技术理论上精确度满足小于1mm，满足要求。对于精度要求更高的情况，也能通过调整拍摄照片和标注控制点的方法，进一步改善提高。

作者：张亮 单位：广东省建筑科学研究院集团股份有限公司