朱浩波

鹽城市瑞地勘測有限公司，江蘇鹽城 224002

民用建筑物變形觀測方法的研究

朱浩波

鹽城市瑞地勘測有限公司，江蘇鹽城 224002

國家及行業(yè)的有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定，建筑工程沉降應(yīng)采用國家一、二等精密水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行，但與國家一、二等精密水準(zhǔn)測量相比，建筑工程沉降觀測的方法有其自身的特點(diǎn)，根據(jù)國家及行業(yè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合其他有關(guān)文章對沉降觀測的看法，對建筑工程沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)，沉降觀測的實(shí)施、觀測周期的安排等方面存在的問題進(jìn)行分析研究，結(jié)合空間大地測量中的GPS技術(shù)，給出解決的方法或合理的建議。

建筑工程；沉降；觀測方法；GPS

0 引言

建筑物在施工工程中過程中都會(huì)發(fā)生幾何變形，包括下沉、位移、傾斜，并可能由此產(chǎn)生的裂縫、扭轉(zhuǎn)等。不同的建筑物有不同的允許變形值。如果實(shí)際變形超過了限值就會(huì)危害建筑物的正常使用或者預(yù)示建筑物的使用環(huán)境產(chǎn)生了某種不正常的變化。引起變形的客觀原因主要有：建筑物的自重、振動(dòng)或風(fēng)力等因素等引起的附加荷載，建筑物結(jié)構(gòu)的型式，地下水位的升降、它對基礎(chǔ)的侵蝕作用，地基土在荷載與地下水位變化影響下產(chǎn)生的各種工程地質(zhì)現(xiàn)象，溫度的變化，建筑物附近新工程施工對地基的擾動(dòng)等等。主觀原因有：地質(zhì)勘探不充分、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、施工質(zhì)量差、施工方法不當(dāng)?shù)鹊?。因此，從安全與經(jīng)濟(jì)的角度考慮，對建筑物上及周圍的一些觀測點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)的變形觀測，從這些點(diǎn)坐標(biāo)的變化中了解建筑物變形的空間分布和隨時(shí)間發(fā)展的情況是十分必要的[1]。

建筑物的變形觀測包括基礎(chǔ)的沉陷觀測和建筑物本身的變形觀測。在擬訂沉陷觀測點(diǎn)的布置方案時(shí)，通常是由設(shè)計(jì)部門提出要求，由施工組織計(jì)劃者提出布置方案，在施工期間進(jìn)行埋設(shè)。觀測點(diǎn)應(yīng)有足夠的數(shù)量，以便測出整個(gè)基礎(chǔ)的沉陷、傾斜與彎曲，并且能夠繪出等沉陷值曲線。同時(shí)，還應(yīng)考慮建筑物的規(guī)模、型式和結(jié)構(gòu)特征，以及建筑物場地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等條件。觀測點(diǎn)應(yīng)牢固地與建筑物結(jié)合在一起，便于觀測，并盡量保證在整個(gè)變形觀測期間不受損壞[2]。

1 變形觀測速度與復(fù)測周期及變形速度間的關(guān)系

設(shè)于t1時(shí)刻測得的觀測點(diǎn)坐標(biāo)為X1，觀測精度為m。在△t=ti+1-t1期間的變形量為△x，相應(yīng)的誤差可認(rèn)為是m△=√2m，則：

變形發(fā)展的速度v為：

2 基準(zhǔn)點(diǎn)和沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)

建筑工程沉降觀測是從一基準(zhǔn)點(diǎn)開始采用精密水準(zhǔn)測量的方法測得建筑物上各沉降點(diǎn)的高程，根據(jù)前后兩次所測同一沉降點(diǎn)的沉降量，因此，沉降觀測所用的點(diǎn)分為基準(zhǔn)點(diǎn)和沉降點(diǎn)兩種。

2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)

建筑工程沉降觀測的期限一般較長，尤其是不堅(jiān)實(shí)地基上的建筑工程，基準(zhǔn)點(diǎn)的長久穩(wěn)固不動(dòng)是十分重要的。然而，在實(shí)際工作中，為了減少因水準(zhǔn)觀測路線過長而引起的觀測誤差，建筑工程沉降觀測所用的基準(zhǔn)點(diǎn)往往設(shè)置在離工地較近的舊有建筑物外墻上，且采用相對高程系統(tǒng)。這樣時(shí)間久了，由于大規(guī)模的城區(qū)改造，舊有建筑物可能被拆遷，基準(zhǔn)點(diǎn)將遭到破壞，一旦基準(zhǔn)點(diǎn)被破壞，則觀測工作將被迫中斷。對此，有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確規(guī)定沉降觀測所用的基準(zhǔn)點(diǎn)必須是國家水準(zhǔn)點(diǎn)，或是與國家水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測的工作基點(diǎn)。從上述情況來看，為了保證沉降點(diǎn)觀測工作的長期連續(xù)性，設(shè)置在工地附近的基準(zhǔn)點(diǎn)只能作為工作基點(diǎn)，且必須與市內(nèi)較近的國家水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，從而得到沉降觀測點(diǎn)在國家統(tǒng)一高程系統(tǒng)中的高程值。這樣，即使工作基點(diǎn)和與與之聯(lián)測的基準(zhǔn)點(diǎn)都遭到破壞，也仍可用市內(nèi)國家統(tǒng)一高程系統(tǒng)中的其他基準(zhǔn)點(diǎn)恢復(fù)[3]。

2.2 沉降點(diǎn)的布設(shè)

建筑物種類多，形狀各異，結(jié)構(gòu)不同，對觀測點(diǎn)的布置，很難規(guī)定得十分具體。經(jīng)實(shí)踐總結(jié)，認(rèn)為觀測點(diǎn)適宜設(shè)在下述位置：

1）框架結(jié)構(gòu)建筑物的每個(gè)（或每兩個(gè)）柱基上設(shè)一點(diǎn)；箱形基本四角、拐角處；

2）高低層建筑物、新舊建筑物及建筑物沉降縫兩側(cè)；

3）基礎(chǔ)形式或埋深不同處，不同結(jié)構(gòu)分界處；

4）建筑物寬度大于15m的中點(diǎn)處，內(nèi)部承重柱縱橫軸線交叉處；

5）重型設(shè)備基礎(chǔ)和動(dòng)力基礎(chǔ)；

6）電視塔、煙囪、水塔、油罐、高爐及其它高聳建筑物，應(yīng)沿周邊基礎(chǔ)對稱軸的特征點(diǎn)上布點(diǎn)，并不少于4個(gè)觀測點(diǎn)；

7）需測定撓度的基礎(chǔ)某一軸線方向上有代表性位置，一般一條軸線上不少于3個(gè)觀測點(diǎn)[2]。

國家及行業(yè)有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況及建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以能全面反映建筑物地基變形特征來確定。由上面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以看出：從平面設(shè)置考慮，沉降點(diǎn)一般布設(shè)在建筑物的四角、大轉(zhuǎn)角、沿外墻每10～15m處或每隔2～3根立柱的柱基上。從縱向設(shè)置考慮，沉降點(diǎn)一般布設(shè)在主體的±0.00以上0.5m左右的外墻上較合適，這樣這樣觀測時(shí)立尺、觀測均較方便。但對于當(dāng)今的建筑工程，這樣布設(shè)時(shí)常會(huì)遇到問題，甚至使觀測工作無法進(jìn)行，例如對于目前相當(dāng)普遍的帶裙房的多層或高層建筑，裙房與其主體的沉降在時(shí)間上往往不同步，二者的沉降量相差也較大，因此，必須各自分別布設(shè)沉降點(diǎn)，但由于裙房將建筑主體的首層外墻包圍，其主體上的沉降觀測點(diǎn)若布設(shè)在±0.00以上的首層外墻上，則工程竣工后，由于此房產(chǎn)往往不再屬于開發(fā)商，在裙房內(nèi)的主體沉降點(diǎn)將難以繼續(xù)觀測到。另外，有些工程外墻用大理石或蘑菇石裝飾，則其外墻上的沉降點(diǎn)標(biāo)志在裝修期將不可避免地被破壞，即使再恢復(fù)，也影響工程外墻的美觀。鑒于上述情況，對于帶裙房的建筑，尤其是高層建筑，可考慮將建筑工程主體上的沉降觀測點(diǎn)布設(shè)在常作為車庫的地下室內(nèi)為宜[3]。

3 沉降觀測的實(shí)施

3.1 儀器測站的設(shè)置

國家一、二等精密水準(zhǔn)測量的規(guī)范要求在設(shè)置儀器測站時(shí)，前后視距差對于一等不得超過0.5m，對于二等不得超過1.0m。然而，觀測一幢建筑物的各沉降點(diǎn)時(shí)，在視線長度要求范圍內(nèi)（一等不超過30m，二等不超過50m），往往在一個(gè)測站上同時(shí)可以觀測到多達(dá)4～5個(gè)沉降點(diǎn)，如果在這一個(gè)測站上測完這4～5個(gè)沉降點(diǎn)，工作效率當(dāng)然較高，但前后視距差必然會(huì)超限。如果嚴(yán)格按照前后視距差的要求，則只得在相鄰的兩兩沉降點(diǎn)之間都架設(shè)儀器設(shè)置測站。一方面，測站設(shè)置越多，產(chǎn)生觀測誤差的機(jī)會(huì)也就越大，這樣有可能因過分前后視距相等，反而導(dǎo)致觀測精度降低及工作效率下降；另一方面，我們知道，規(guī)范中限制前后視距差的目的主要是為了減小因水準(zhǔn)儀存在i角而引起的水準(zhǔn)尺讀數(shù)誤差，但一般在沉降觀測之前，儀器i角已嚴(yán)格檢驗(yàn)校正到接近于零，因此前后視距差即使較大，也不會(huì)產(chǎn)生顯著的因i角而引起的水準(zhǔn)尺讀數(shù)誤差。由此可見，在觀測之前，只要儀器i角已嚴(yán)格檢校，那么這一前后視距差的規(guī)范要求對于建筑工程沉降可以放寬或不作要求。

3.2 數(shù)據(jù)的處理方法

按照國家一、二等精密水準(zhǔn)測量的規(guī)范要求，通常將測量路線布設(shè)成閉合路線，并計(jì)算其閉合差，其目的是為了檢查測量數(shù)據(jù)中是否存在錯(cuò)誤或大的累積誤差。另外，如果閉合差不超限，則還要將其反號按與測段的長短成正比例地分配到路線中，即對每一測段的高差進(jìn)行修正。

然而，建筑工程沉降觀測有其特殊性：除第一次測量外，其余每次都是重復(fù)測量，由于每次都是重新測一遍，因此避免了因測量次數(shù)的增多而導(dǎo)致的誤差積累，而且從同一點(diǎn)兩次高差值的比較（隨本次沉降量的大小而定，一般不會(huì)太大），還可得知測量中是否存在大的錯(cuò)誤，這樣看來，將沉降點(diǎn)的高程值總是小于或等于前一次的高程值，如果按照規(guī)范要求將水準(zhǔn)測量路線布設(shè)成閉合狀，且將閉合差強(qiáng)制分配到每一測段的高差中，反而有可能扭曲沉降點(diǎn)的高程值，使得在沉降點(diǎn)并未下沉的情況下出現(xiàn)沉降點(diǎn)上升的不合理現(xiàn)象。

由此可見，建筑工程沉降觀測可以不采用閉合水準(zhǔn)測量路線，其數(shù)據(jù)處理也不采用閉合水準(zhǔn)測量路線，其數(shù)據(jù)處理也不必進(jìn)行閉合差分配。如果觀測時(shí)只采用簡單的支水準(zhǔn)測量路線，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，若前后兩期的觀測數(shù)據(jù)通過比對發(fā)現(xiàn)某一沉降點(diǎn)的高程值異常，則有如下兩種可能的原因：一是測量誤差太大，二是確實(shí)出現(xiàn)了較大（或異常）的沉降。因此若發(fā)現(xiàn)沉降點(diǎn)的高程值異常，不要進(jìn)行誤差修正，正確的做法應(yīng)該是無條件返工重測核實(shí)，從而分辨出是測量誤差太大，還是確有較大的沉降。

4 觀測周期的安排

建筑工程的沉降觀測周期主要依據(jù)沉降速率的大小來安排，而影響沉降速率的主要因素是荷載。建筑工程在主體封頂前大量增加荷載，主體封頂后則荷載增加得少而慢。因此，在安排建筑工程沉降觀測的周期時(shí)，可分工程封頂前和工程封頂后兩個(gè)階段來考慮。

4.1 工程封頂前的周期

《建筑變形測量規(guī)程》規(guī)定：民用建筑可每加高1～5層觀測一次。由于建筑工程在主體封頂前的施工階段，荷載增加很快，沉降量也較大，因此建議有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定每加高1層必須觀測一次，這樣可以及時(shí)掌握沉降量與荷載的關(guān)系，盡早發(fā)現(xiàn)不均勻沉降，在沉降異常時(shí)及時(shí)調(diào)整施工方案。

4.2 工程封頂后的周期

工程封頂后至工程竣工的這一時(shí)期為裝修期，有關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對這一階段的觀測周期未作明確規(guī)定。由于沉降總是滯后于加載，因此在工程封頂后的裝修期間有時(shí)會(huì)出現(xiàn)比封頂前更大的沉降量，同時(shí)，在裝修期間，工程也會(huì)因地板、墻面的抹灰、安裝設(shè)備等而增加一定的荷載，但這時(shí)荷載的增加因資金、配套等因素的影響而變得無時(shí)間規(guī)律，沉降速率也時(shí)大時(shí)小，對此，其觀測周期應(yīng)根據(jù)前一個(gè)觀測周期所測算而得的日平均沉降值來安排（如表1所示），最后直至沉降基本穩(wěn)定（日平均沉降值小于0.01mm/d）為止。另外，如果觀測所得的不均勻沉降量較大，觀測周期必須比由日平均沉降量所定的周期要短些[3]。

表1 封頂后的觀測周期表

5 建筑物變形觀測的發(fā)展

大地測量方法中的三角測量、水準(zhǔn)測量、交繪測量等傳統(tǒng)方法，該類方法的主要特征是可以利用傳統(tǒng)的大地測量儀器，理論和方法成熟，測量數(shù)據(jù)可靠，觀測費(fèi)用相對較低。但該類方法也有很大的缺陷：觀測所需要要的時(shí)間長，勞動(dòng)強(qiáng)度高，觀測精度受到觀測條件的影響較多，觀測精度受到觀測條件的影響教多，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測等。目前，該類方法的改進(jìn)主要表現(xiàn)在：1）利用高精度測距代替精密測角，以提高工作效率；2）采用電子水準(zhǔn)儀代替原來的光學(xué)水準(zhǔn)儀觀測，有效地提高觀測數(shù)據(jù)的可靠性；3）采用測量機(jī)器人代替原來的經(jīng)緯儀觀測，實(shí)現(xiàn)觀測和數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和只能化。所采用的儀器還有高精度全站儀、液態(tài)靜力水準(zhǔn)儀等等[4]。

另外，由于空間大地測量技術(shù)的發(fā)展，GPS技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到測量工作中，其中變形監(jiān)測也不例外，并且我們知道，其中的靜態(tài)相對定位技術(shù)在形變監(jiān)測中很成熟了，精度可以達(dá)到亞毫米級，所以，在對一些高層建筑或特殊的建筑的變形監(jiān)測中，可以采用GPS相對定位技術(shù)對其建筑物外部的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量，其精度是完全可以滿足要求的。例如，中央電視臺新臺建設(shè)工程變形監(jiān)測的外部基準(zhǔn)點(diǎn)就使用了GPS進(jìn)行測控[5]。

6 結(jié)論

與國家一、二等精密水準(zhǔn)測量方法相比，建筑工程沉降觀測的方法確有其自身的特點(diǎn)，本文針對建筑工程沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)、沉降觀測的實(shí)施和觀測周期的安排等幾個(gè)方面的問題，根據(jù)沉降觀測工作的實(shí)際具體情況，對特殊性進(jìn)行了深入分析研究，并根據(jù)技術(shù)的發(fā)展對未來建筑工程的變形觀測做了討論，為以后更好進(jìn)行建筑工程變形監(jiān)測工作提供了依據(jù)。

[1]陳龍飛，金其坤.工程測量[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.

[2]欒元重，呂法奎，班訓(xùn)海.動(dòng)態(tài)變形觀測與預(yù)報(bào)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)科技出版社,2007.

[3]郁雯，熊春寶.建筑工程沉降觀測方法的研究[J].測繪通報(bào)，2007（10）：42-44.

[4]岳建平，方露，黎昵.變形監(jiān)測理論與技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 測繪通報(bào)，2007（7）：1-4.

[5]莫南明，過靜珺，張勝良，等.CCTV主樓施工變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究[J].測繪工程，2007（5）：48-52.

TU7

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1674-6708（2010）22-0079-02