高層建筑物變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究

□ 張錦根

（福建省國土測繪院，福建 廈門 361012）

0.引言

高層建筑物增高和載荷參數(shù)性質(zhì)存在差異性，受地下根基和地上材質(zhì)與構(gòu)造共同影響，建筑物會產(chǎn)生下沉，嚴(yán)重的情況下，建筑物會發(fā)生傾斜產(chǎn)生縫隙，影響正常使用，如果情況很嚴(yán)重，將威脅人們生活財產(chǎn)安全。因此，我們必須重視高層建筑物的穩(wěn)定性。變形預(yù)測是建筑工程的重要研究問題之一，是防災(zāi)減災(zāi)防患于未然的關(guān)鍵。高層建筑變形監(jiān)測研究中一個關(guān)鍵步驟是沉降觀測，利用傳感器和測量等技術(shù)獲取建筑沉降值，探究建筑物變形內(nèi)在聯(lián)系，獲得變形規(guī)律，再用合理的方法對建筑物沉降變形大小進(jìn)行預(yù)測，以便根據(jù)需要及時采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防或善后措施，確保建筑物的安全使用。本研究充分考慮建筑物沉降變形的復(fù)雜性和多樣性，尋找最優(yōu)模型來逼近、模擬和揭示沉降變形的規(guī)律和動態(tài)特征，借助數(shù)學(xué)回歸分析方法預(yù)測建筑物的沉降變形，對建筑物的修建和保養(yǎng)管理與防災(zāi)減災(zāi)具有重大意義。

通過多期監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算與分析處理，及時反饋和發(fā)現(xiàn)施工過程中不均勻沉降的發(fā)展情況，并且將監(jiān)測的結(jié)果用于信息化反饋，以確保施工過程中的優(yōu)化設(shè)計，保證主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全。由于通常間接平差和條件平差，都是將基準(zhǔn)點設(shè)定為固定量，在有些特殊的環(huán)境中，歪曲度觀測會受干擾，從而影響到監(jiān)測的精度，例如在有些建設(shè)施工處，基準(zhǔn)點距離建筑物很近而且在較淺土層中，如果有重型車輛經(jīng)過或是施工時，這些基礎(chǔ)點會受到地面震動的影響。理論上，實際基準(zhǔn)網(wǎng)存在穩(wěn)定和不穩(wěn)定變量，對基準(zhǔn)網(wǎng)做自由網(wǎng)平差，然后使穩(wěn)定未知量擬合于它們的穩(wěn)定值，使在穩(wěn)定狀況下，達(dá)到不歪曲監(jiān)測的目標(biāo)。

1.工程概況

廈門市某建筑大廈，占地面積為4.3畝，建筑面積為42338平方米，用途類型為商住，主體層數(shù)為29。大廈地基土屬于軟土地基，由于在大廈附件修建地鐵時為了確保建筑物主體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，在整個地鐵修建項目施工過程中，通過對大廈高層建筑物結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行沉降監(jiān)測，達(dá)到對產(chǎn)生危害建筑物不均勻沉降提前預(yù)警的目的。

監(jiān)測建筑物沉降數(shù)據(jù)時，為確?；鶞?zhǔn)點有關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，必須分期測定基準(zhǔn)點的沉降情況，然后對各個點的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗，將差異性很大的離散點去掉，獲取穩(wěn)定的點作為觀測基準(zhǔn)點。在實際工作中很難確定水準(zhǔn)網(wǎng)中哪些點是可靠的，哪些點不可靠，常應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計法先總體檢驗基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性，然后選定部分點檢驗穩(wěn)定性。

本次試驗以第一次和二次觀測結(jié)果為研究對象進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其余觀測結(jié)果均可按相同方法進(jìn)行處理即可，觀測數(shù)據(jù)（如表1所示），表中為兩次觀測數(shù)據(jù)的高差，該數(shù)據(jù)中人為把距離為8定為單位權(quán)，高差變化為第二次觀測與第一次觀測的差值。

表1 某建筑沉降監(jiān)測日報表 單位：mm

續(xù)：表1

通過MATLAB程序處理后得到的改正數(shù)及協(xié)因數(shù)（如表2所示）。

表2 改正數(shù)及協(xié)因數(shù)

對于表2數(shù)據(jù)，我們將已知點和變形點都當(dāng)做未知點進(jìn)行秩虧自由網(wǎng)平差，通過MATLAB得到上表Qxx，由表2Qxx比較可知，10～14點相對于其他點來說，協(xié)因數(shù)較小，協(xié)因數(shù)越大權(quán)越小，故將其選為穩(wěn)定點然后進(jìn)行擬穩(wěn)平差處理，處理后得到的結(jié)果與秩虧自由網(wǎng)處理后得到的結(jié)果對比（如表3所示）。

表3 擬穩(wěn)平差結(jié)果與秩虧自由網(wǎng)平差結(jié)果對比

2.數(shù)據(jù)分析

首先收集多個時間段的水準(zhǔn)測量值，然后將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行平差處理，可以得到各個監(jiān)測點的高程值，以此為基礎(chǔ)，就獲得各個監(jiān)測點的累積沉降量，再根據(jù)建筑物各點的累積沉降量繪制建筑物累積沉降量曲線（如圖1所示），在擬穩(wěn)平差結(jié)果后，將其結(jié)果數(shù)據(jù)作為回歸的變量在對其進(jìn)行回歸處理，推出回歸方程，達(dá)到預(yù)測作用，圖 1 為以 1、2、3、4、5 號點為例進(jìn)行折線圖處理，然后以1號點為例進(jìn)行預(yù)測與實際沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖1 1-5號點累積沉降量

圖2 1號點預(yù)測與實際沉降數(shù)據(jù)對比

可以發(fā)現(xiàn)，五個點的累積沉降量相差不大，且沉降速率（折線斜率）大致相同，可見地基處理是相對可靠穩(wěn)定的。在實際中，沉降的速率是隨時間變化著的，但大體上是趨于直線的，故本次測量是將其看做直線進(jìn)行處理。沉降折線速率開始動工時，沉降速率很大，隨著建筑工期的增加沉降速率又有所減慢，后面曲線未存在異常離散值，也沒有突然中斷的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象說明基礎(chǔ)點和觀測點都是穩(wěn)定可靠的，不會有很大的沉降，工程在施工階段的下沉平穩(wěn)，其沉降速率滿足規(guī)范要求。

3.數(shù)據(jù)建模

（1）確定自變量和因變量。因變量為：各監(jiān)測點前5次累積沉降量。自變量為：建筑物的觀測累積時間；（2）進(jìn)行回歸分析，設(shè)建筑物累積時間為自變量x，累積沉降量為因變量y，假設(shè)x和y之間存在著線性關(guān)系，利用SPSS軟件建立各點的回歸方程?，F(xiàn)以1號點為例來進(jìn)行說明：將1號點第二次累積沉降量和累積時間數(shù)據(jù)為因變量和自變量，繪制散點圖，大體呈線性相關(guān)，添加線性回歸分析函數(shù)，得到圖2和回歸方程，相關(guān)系數(shù)R2為0.9741，說明高度相關(guān)性。

4.結(jié)束語

從圖2可以看出，1號點的預(yù)測結(jié)果與實際觀測值相比較，除了首次相差較大以外，所有觀測時間段的誤差均相對較小。分析原因：預(yù)測模型是線性函數(shù)關(guān)系模型，如果建筑物發(fā)生的沉降呈現(xiàn)出完全的線性形態(tài)，則預(yù)測值將會比較準(zhǔn)確。而該點在該時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)與前幾期相比較，發(fā)生了不均勻的沉降，所以預(yù)測值與實測值之間相差較大；最后一次觀測，各監(jiān)測點的預(yù)測結(jié)果與實際觀測值相比較誤差均相對較大，是因為大廈荷載增加后，房體整體的沉降量較大。同理，可以對其他點進(jìn)行以上的分析，分析的結(jié)果表明工程的變形量較小，總體是穩(wěn)定的。

擬穩(wěn)平差的優(yōu)越性在于充分考慮了點位變化的情況,使得平差所得的結(jié)果更加符合實際情況。本研究首先介紹了擬穩(wěn)平差的概念、基本原理，討論了擬穩(wěn)點選取的兩種方法，并舉例說明假設(shè)檢測選擇擬穩(wěn)點法在實際沉降觀測數(shù)據(jù)處里中的應(yīng)用。