談建筑物沉降觀測(cè)的方法和注意事項(xiàng)

蘇登信

(南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木系，四川 南充 637100)

0 引言

施工測(cè)量貫穿于施工的始終，隨著施工的進(jìn)展，還應(yīng)對(duì)一些大型、高層或特殊建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，作為鑒定工程質(zhì)量和驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)、施工是否合理的依據(jù)。變形監(jiān)測(cè)作為建筑施工中一項(xiàng)十分重要的測(cè)量任務(wù)，直接影響施工項(xiàng)目質(zhì)量及安全。

變形監(jiān)測(cè)分為:位移、沉降、傾斜、撓度、裂縫監(jiān)測(cè)。建筑物施工階段的變形觀測(cè)主要指沉降觀測(cè)(這里包含了不均勻沉降和傾斜)。按GB 50026-93工程測(cè)量規(guī)范規(guī)定在建筑物沉降影響范圍外埋設(shè)至少3個(gè)堅(jiān)固的水準(zhǔn)基點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)應(yīng)埋在與鄰近建筑物的距離不得小于建筑物基礎(chǔ)深度的1.5倍～2.0倍，最好控制在離建筑物50 m～100 m范圍內(nèi)。在實(shí)際中既要考慮反映監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形特征，又便于應(yīng)用儀器進(jìn)行觀測(cè)，還要有利于測(cè)點(diǎn)的保護(hù)。

1 點(diǎn)位的布設(shè)

根據(jù)水準(zhǔn)基點(diǎn)與沉降觀測(cè)點(diǎn)的布點(diǎn)原則以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況:1)水準(zhǔn)基點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在建筑物沉降影響范圍之外，距沉降觀測(cè)點(diǎn)20 m～100 m，且不受施工影響的地方，分析受到施工影響的大小與方式，可以考慮埋設(shè)在穩(wěn)定建筑物的基巖上。為了互相檢核，水準(zhǔn)基點(diǎn)最少應(yīng)布設(shè)三個(gè)。對(duì)于擬測(cè)工程規(guī)模較大者，基點(diǎn)要統(tǒng)一布設(shè)在建筑物周圍，便于縮短水準(zhǔn)路線，提高觀測(cè)精度。2)沉降觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在最能反映建筑沉降的位置，比如民用建筑的四角點(diǎn)、中點(diǎn)、轉(zhuǎn)角處;建筑物周邊每隔10 m～20 m布置一個(gè);沉降縫兩側(cè)等等。對(duì)于水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)的構(gòu)建應(yīng)根據(jù)《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》和工程實(shí)際特點(diǎn)建立，且根據(jù)項(xiàng)目需要增設(shè)，以建立基點(diǎn)間的相互校核關(guān)系，提高校核基點(diǎn)的可靠性，呈等邊三角形位置的校核基點(diǎn)，或者設(shè)置固定轉(zhuǎn)點(diǎn)和固定測(cè)站，提高水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的測(cè)量精度和測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

為了保證測(cè)量成果能保障施工的質(zhì)量與安全，我們應(yīng)該不斷提高觀測(cè)精度，減少觀測(cè)誤差。因?yàn)樗疁?zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的主要目的是監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的高程從而得到可靠的沉降數(shù)據(jù)，為了達(dá)到這個(gè)目的，監(jiān)測(cè)精度僅僅滿足適合于本工程的一或二等水準(zhǔn)規(guī)范的要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的;要成功有效地檢驗(yàn)觀測(cè)誤差，應(yīng)設(shè)法使水準(zhǔn)網(wǎng)形成高一級(jí)的閉合環(huán)結(jié)構(gòu)，并能分析這樣的觀測(cè)誤差是由于測(cè)量引起或是由水準(zhǔn)基點(diǎn)的穩(wěn)定性引起。在檢驗(yàn)水準(zhǔn)網(wǎng)精度時(shí)，不能簡(jiǎn)單地依據(jù)一次檢驗(yàn)的成果來(lái)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的高程進(jìn)行修正。必須結(jié)合多次檢驗(yàn)成果，盡量運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合分析，對(duì)觀測(cè)精度、成果的可靠性進(jìn)行判別，根據(jù)分析報(bào)告做出高程修正的方案。也可以通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法對(duì)水準(zhǔn)基點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，比如常用的平均間隙法。

2 沉降觀測(cè)方法

采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法，應(yīng)盡量做到前后視線等距離，視線長(zhǎng)度根據(jù)所選儀器精度而定，一般不得大于65 m，在同一觀測(cè)站，不得兩次調(diào)焦，鏡位和轉(zhuǎn)點(diǎn)均要穩(wěn)定，水準(zhǔn)儀要嚴(yán)格平整，不得使用塔尺，每次觀測(cè)應(yīng)符合“三同一固定”原則，即為:

1)采用相同的觀測(cè)路線和觀測(cè)方法。2)使用同一儀器和設(shè)備。3)相同的觀測(cè)人員。4)在固定的環(huán)境和條件下工作。

在具體的實(shí)施過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況采用兩種測(cè)量方法，即:相鄰臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)閉合法和直接測(cè)量法。測(cè)量時(shí)的精度要求滿足本工程的沉降觀測(cè)技術(shù)要求，一般采用Ⅱ級(jí)變形觀測(cè)精度要求，各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 沉降觀測(cè)技術(shù)要求

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)的成果整理

3.1 整理原始記錄

每次觀測(cè)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)檢查記錄的數(shù)據(jù)和計(jì)算是否正確，精度是否合格，然后分配閉合差到高差改正數(shù)里，根據(jù)新的高差改正數(shù)推算各沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程。

3.2 計(jì)算沉降量

1)沉降觀測(cè)量值的原有計(jì)算方法——視線高法。水準(zhǔn)測(cè)量的原理與計(jì)算方法:利用觀測(cè)時(shí)水準(zhǔn)儀所提供的水平視線，在后視與前視兩測(cè)點(diǎn)位置豎立的水準(zhǔn)標(biāo)尺上獲取讀數(shù)，求得其高差，來(lái)確定前視測(cè)點(diǎn)的高程。因此水準(zhǔn)測(cè)量量值的計(jì)算方法一般采用高差法:HB=HA+hAB(hAB=a-b)。當(dāng)利用水平視線讀數(shù)，可以在一測(cè)站能測(cè)出若干個(gè)前視點(diǎn)的讀數(shù)時(shí)，比如線路測(cè)量跟施工放樣時(shí)，水準(zhǔn)測(cè)量量值的計(jì)算方法也可以采用視線高法:HB=Hib(Hi=HA+a)。建筑物的沉降觀測(cè)就是在一測(cè)站能測(cè)出若干個(gè)前視點(diǎn)的讀數(shù)，所以沉降觀測(cè)量值的原有計(jì)算方法就是采用的視線高法。

2)沉降觀測(cè)量值簡(jiǎn)化計(jì)算新法——時(shí)點(diǎn)差法。建筑物沉降觀測(cè)采用的是大地水準(zhǔn)測(cè)量原理。沉降觀測(cè)工作中的水準(zhǔn)點(diǎn)，是假定在一定長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生垂直位移變形，用于觀測(cè)工作中參照的基準(zhǔn)點(diǎn)。設(shè)置在建筑物上的沉降點(diǎn)就是參照基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)其產(chǎn)生的垂直變化，獲得在此時(shí)段兩點(diǎn)間的垂直間差。因此每一次沉降觀測(cè)工作記錄表上直接記錄的數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果是在某一測(cè)量時(shí)段的某一觀測(cè)站點(diǎn)，觀測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)上后視標(biāo)尺的讀數(shù)(a)與建筑物沉降點(diǎn)上前視標(biāo)尺的讀數(shù)(b)，通過(guò)計(jì)算求得此時(shí)此站該沉降點(diǎn)與其水準(zhǔn)點(diǎn)兩點(diǎn)間讀數(shù)的垂直間差(G=a-b)，以下簡(jiǎn)稱該沉降點(diǎn)之時(shí)點(diǎn)差。從該沉降點(diǎn)前一次觀測(cè)的時(shí)點(diǎn)差和本次觀測(cè)的時(shí)點(diǎn)差比較，即可求知本次觀測(cè)的沉降量。采用時(shí)點(diǎn)差式的計(jì)算方法，本文稱之為時(shí)點(diǎn)差法。時(shí)點(diǎn)差法中的上次時(shí)點(diǎn)差減去本次時(shí)點(diǎn)差即等于本次沉降觀測(cè)的沉降量。時(shí)點(diǎn)差法減少了計(jì)算后視線高程的計(jì)算步驟。

在沉降觀測(cè)工作中做好各觀測(cè)點(diǎn)位的布置、測(cè)繪好點(diǎn)位分布圖，是做好沉降觀測(cè)工作的基礎(chǔ)。因在沉降觀測(cè)點(diǎn)位分布圖上詳細(xì)繪有觀測(cè)站點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)、轉(zhuǎn)測(cè)點(diǎn)、沉降觀測(cè)點(diǎn)等的位置及編號(hào)、建筑物的方位圖示、新建工程相鄰建筑物況等應(yīng)表達(dá)的信息量。這些信息量的錄入，對(duì)時(shí)點(diǎn)差法的計(jì)算和后續(xù)沉降觀測(cè)作業(yè)起到延續(xù)引導(dǎo)作用。沉降觀測(cè)點(diǎn)位分布圖同樣是指導(dǎo)每次沉降觀測(cè)逐站、逐點(diǎn)循序漸進(jìn)，保證沉降觀測(cè)讀數(shù)、記數(shù)取值的精準(zhǔn)度，減少沉降觀測(cè)操作時(shí)產(chǎn)生作業(yè)粗差的控制圖。

3.3 沉降曲線繪制及分析

由觀測(cè)周期和沉降觀測(cè)值得到沉降變形曲線，這是較為簡(jiǎn)單可行的常用數(shù)據(jù)分析方法，一般通過(guò)Excel表格建立沉降變形曲線。根據(jù)建筑物在土層和加固后地基上在荷載作用下和時(shí)間列序所組成的曲線，用數(shù)學(xué)方程進(jìn)行擬合，逼近所建立起來(lái)的非線性沉降曲線是具有形象鮮明，概念清楚的工程語(yǔ)言。

建筑物的沉降過(guò)程是在多種因素綜合影響下的復(fù)雜沉陷變化過(guò)程，難以進(jìn)行具體的模型化描述。線性回歸函數(shù)分析方法是一種實(shí)時(shí)性較好的數(shù)據(jù)處理方法。它是通過(guò)分析所觀測(cè)的變形和外因之間的相關(guān)性，來(lái)建立荷載—變形之間關(guān)系的數(shù)據(jù)模型。此模型應(yīng)用正確預(yù)報(bào)精度較高。

沉降模型一般為線性、圓(橢圓)、雙曲、指數(shù)和對(duì)數(shù)五種，通過(guò)沉降曲線圖形識(shí)讀，確定五種模型當(dāng)中的一種，然后試擬合，得到沉降曲線方程，最后確定為哪一種模型，這里我們以指數(shù)模型為例分析線性回歸模型的應(yīng)用原理。

假設(shè)試擬合后的沉降曲線方程為:U=β0e-β1/T。

其中，U為累計(jì)沉降值;T為時(shí)間;β0，β1均為系數(shù)。由U=β0e-β1/T兩側(cè)同取對(duì)數(shù)可得:lnu=lnβ0- β1/T，令，lnu=y，-1/T=x，lnβ0=c。

則此函數(shù)變形為:y=β1x+c。求沉降線性回歸方程，最終得到數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到該回歸模型函數(shù)的相關(guān)系數(shù)為Put，假設(shè)顯著性水平為d，這里假設(shè)以自由度n-2=18，查出相關(guān)系數(shù)臨界值表得Pd的值，如果Put＞Pd，則證明回歸模型相關(guān)性很強(qiáng)，反之則然。在后期沉降趨于穩(wěn)定后，我們一般用預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的差異平方和計(jì)算回歸擬合度值:σ2=∑r2i∕n-2，擬合度值很小且接近1，證明模型有效且顯著。

實(shí)際當(dāng)中我們經(jīng)常通過(guò)對(duì)某一號(hào)點(diǎn)的對(duì)比確定適用于本工程的預(yù)測(cè)模型，除了線性回歸模型，常常作為對(duì)比對(duì)象的有時(shí)間序列分析與灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型。通過(guò)對(duì)比的方法可以取得有效的預(yù)測(cè)模型。

灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型又經(jīng)常作為一個(gè)很有效的模型出現(xiàn)在我們的沉降預(yù)測(cè)當(dāng)中，很多次的結(jié)論我們發(fā)現(xiàn)雖然灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型比較復(fù)雜，但是它的精度又常常是最高的。

如果在觀測(cè)過(guò)程中得到異常的沉降曲線，比如從曲線上看出沉降觀測(cè)點(diǎn)在沉降中期突然高程上升，我們就要分析其產(chǎn)生的原因并采取相應(yīng)的措施，保障施工的安全。除了關(guān)于時(shí)間—沉降量關(guān)系曲線，最基本的還有時(shí)間—荷載的沉降關(guān)系曲線，都反映了沉降過(guò)程是否漸趨穩(wěn)定或已經(jīng)穩(wěn)定。最后根據(jù)數(shù)據(jù)編制報(bào)告。

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