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基于三维激光扫描技术的岩土工程动、静态监测

基于三维激光扫描技术的岩土工程动、静态监测

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作者：王堃宇天津大学

学位级别：硕士

工程监测是保证各类工程全生命周期安全的重要前提。随着中国经济和建设的高速发展,工程安全和施工精度的要求不断提高,监测条件也越来越复杂。常规位移监测方法(水准仪,全站仪等),越来越无法满足高频率、大强度的监测工作。此外,大量... 详细信息

工程监测是保证各类工程全生命周期安全的重要前提。随着中国经济和建设的高速发展,工程安全和施工精度的要求不断提高,监测条件也越来越复杂。常规位移监测方法(水准仪,全站仪等),越来越无法满足高频率、大强度的监测工作。此外,大量岩土工程在施工及运营期间会受到动力扰动的作用,工程动态监测越来越重要。因此,建立一种非接触式,大范围、快速的动静结合的监测方法十分必要。三维激光扫描技术具有非接触式,大面积获取表面位移场的优势,在岩土工程监测中的应用不断扩大。本文重点研究三维激光扫描技术在岩土工程动、静态监测中的应用。静态监测方面,充分发挥三维扫描技术非接触式和大范围获取表面位移场的优势,结合传统的监测手段,建立了基于三维激光扫描技术的高效率高速的,可数字化建档的静态监测及稳定性评价方法,突破了传统方法无法建立可视化档案的局限性。为探讨该技术在动态监测方面的应用,采用迭代最小二乘法实现了动态云点的还原,并采用水运沙方量测量实验对拟合算法进行验证。主要工作及结论如下:(1)通过实验,得到了所用三维激光扫描仪的系统误差指标,并根据所得指标对误差来源和影响进行分析,使本文结论更具参考价值;(2)通过对比原有前、后处理算法,提出迭代最小二乘法作为扫描对象表面点云拟合的基本方法,通过数学公式推导得出该方法的适用性。利用高程和表面各点曲率对扫描点云进行降噪,使用克里金插值法弥补降噪后的孔洞并提取边坡地形地貌。基于静态监测的理论提出动态扰动下的扫描点云的还原方法;(3)对张-承高速公路某边坡的表面变形进行监测,建立了点-面结合的监测及稳定性评价方法。三维激光扫描技术可持续地监测特征点并分析表面变形场,将扫描点云用于提取等高线和快速建模,在FLAC中进行深部变形分析及安全系数计算。最后,结合表面变形监测和深部变形分析的结果,对边坡的稳定性进行了综合分析。(4)进行了一系列关于船载沙方量测量的实验。通过静态测量实验,发现三维激光扫描系统的误差达到2.46%,满足了施工要求。但是,在动态扰动下得到的扫描点云必须进行修正才能满足要求。通过对点云在静态条件下的拟合来证明最小二乘法拟合的可行性,拟合后的结果与原点云相似度为99.80%。最后,通过最小二乘法拟合将动态误差由5.37%降至2.97%,从而满足误差为3%的现场要求,证明了该方法在动态测量中的可行性。

关键词：三维激光扫描迭代最小二乘法静态变形监测动态体积测量

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