民用建筑物变形观测方法的研究

摘要 国家及行业的有关规范标准都规定,建筑工程沉降应采用国家一、二等精密水准测量的方法进行,但与国家一、二等精密水准测量相比,建筑工程沉降观测的方法有其自身的特点,根据国家及行业的规范标准,结合其他有关文章对沉降观测的看法,对建筑工程沉降观测点的布设,沉降观测的实施、观测周期的安排等方面存在的问题进行分析研究,结合空间大地测量中的GPS技术,给出解决的方法或合理的建议。

关键词 建筑工程;沉降;观测方法;GPS

中图分类号TU7 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)22-0079-02

0 引言

建筑物在施工工程中过程中都会发生几何变形,包括下沉、位移、倾斜,并可能由此产生的裂缝、扭转等。不同的建筑物有不同的允许变形值。如果实际变形超过了限值就会危害建筑物的正常使用或者预示建筑物的使用环境产生了某种不正常的变化。引起变形的客观原因主要有:建筑物的自重、振动或风力等因素等引起的附加荷载,建筑物结构的型式,地下水位的升降、它对基础的侵蚀作用,地基土在荷载与地下水位变化影响下产生的各种工程地质现象,温度的变化,建筑物附近新工程施工对地基的扰动等等。主观原因有:地质勘探不充分、设计错误、施工质量差、施工方法不当等等。因此,从安全与经济的角度考虑,对建筑物上及周围的一些观测点进行重复的变形观测,从这些点坐标的变化中了解建筑物变形的空间分布和随时间发展的情况是十分必要的[1]。

建筑物的变形观测包括基础的沉陷观测和建筑物本身的变形观测。在拟订沉陷观测点的布置方案时,通常是由设计部门提出要求,由施工组织计划者提出布置方案,在施工期间进行埋设。观测点应有足够的数量,以便测出整个基础的沉陷、倾斜与弯曲,并且能够绘出等沉陷值曲线。同时,还应考虑建筑物的规模、型式和结构特征,以及建筑物场地的工程地质、水文地质等条件。观测点应牢固地与建筑物结合在一起,便于观测,并尽量保证在整个变形观测期间不受损坏[2]。

1 变形观测速度与复测周期及变形速度间的关系

设于t1时刻测得的观测点坐标为X1,观测精度为m。在t=ti+1-t1期间的变形量为x,相应的误差可认为是m=√2m,则:

设k为由误差分布类型和置信水平所决定的系数,则只有当时才可以认为x是建筑物的变形。反之,如果,这x很可能仅仅是测量误差的反映,不能确认为它就是建筑物的变形。如果已知变形发展速度及观测精度,则可按下式计算合理的复测时间间隔,如果已知变形速度并已确定了复测时间间隔,则也可按下式计算必要的测量精度[1]。

2 基准点和沉降观测点的布设

建筑工程沉降观测是从一基准点开始采用精密水准测量的方法测得建筑物上各沉降点的高程,根据前后两次所测同一沉降点的沉降量,因此,沉降观测所用的点分为基准点和沉降点两种。

2.1 基准点的布设

建筑工程沉降观测的期限一般较长,尤其是不坚实地基上的建筑工程,基准点的长久稳固不动是十分重要的。然而,在实际工作中,为了减少因水准观测路线过长而引起的观测误差,建筑工程沉降观测所用的基准点往往设置在离工地较近的旧有建筑物外墙上,且采用相对高程系统。这样时间久了,由于大规模的城区改造,旧有建筑物可能被拆迁,基准点将遭到破坏,一旦基准点被破坏,则观测工作将被迫中断。对此,有关规范标准并没有明确规定沉降观测所用的基准点必须是国家水准点,或是与国家水准点联测的工作基点。从上述情况来看,为了保证沉降点观测工作的长期连续性,设置在工地附近的基准点只能作为工作基点,且必须与市内较近的国家水准点进行联测,从而得到沉降观测点在国家统一高程系统中的高程值。这样,即使工作基点和与与之联测的基准点都遭到破坏,也仍可用市内国家统一高程系统中的其他基准点恢复[3]。

2.2 沉降点的布设

建筑物种类多,形状各异,结构不同,对观测点的布置,很难规定得十分具体。经实践总结,认为观测点适宜设在下述位置:

1)框架结构建筑物的每个(或每两个)柱基上设一点;箱形基本四角、拐角处;

2)高低层建筑物、新旧建筑物及建筑物沉降缝两侧;

3)基础形式或埋深不同处,不同结构分界处;

4)建筑物宽度大于15m的中点处,内部承重柱纵横轴线交叉处;

5)重型设备基础和动力基础;

6)电视塔、烟囱、水塔、油罐、高炉及其它高耸建筑物,应沿周边基础对称轴的特征点上布点,并不少于4个观测点;

7)需测定挠度的基础某一轴线方向上有代表性位置,一般一条轴线上不少于3个观测点[2]。

国家及行业有关规范标准均规定,沉降观测点的布设应结合地质情况及建筑物结构特点,以能全面反映建筑物地基变形特征来确定。由上面的实践经验可以看出:从平面设置考虑,沉降点一般布设在建筑物的四角、大转角、沿外墙每10~15m处或每隔2~3根立柱的柱基上。从纵向设置考虑,沉降点一般布设在主体的±0.00以上0.5m左右的外墙上较合适,这样这样观测时立尺、观测均较方便。但对于当今的建筑工程,这样布设时常会遇到问题,甚至使观测工作无法进行,例如对于目前相当普遍的带裙房的多层或高层建筑,裙房与其主体的沉降在时间上往往不同步,二者的沉降量相差也较大,因此,必须各自分别布设沉降点,但由于裙房将建筑主体的首层外墙包围,其主体上的沉降观测点若布设在±0.00以上的首层外墙上,则工程竣工后,由于此房产往往不再属于开发商,在裙房内的主体沉降点将难以继续观测到。另外,有些工程外墙用大理石或蘑菇石装饰,则其外墙上的沉降点标志在装修期将不可避免地被破坏,即使再恢复,也影响工程外墙的美观。鉴于上述情况,对于带裙房的建筑,尤其是高层建筑,可考虑将建筑工程主体上的沉降观测点布设在常作为车库的地下室内为宜[3]。

3 沉降观测的实施

3.1 仪器测站的设置

国家一、二等精密水准测量的规范要求在设置仪器测站时,前后视距差对于一等不得超过0.5m,对于二等不得超过1.0m。然而,观测一幢建筑物的各沉降点时,在视线长度要求范围内(一等不超过30m,二等不超过50m),往往在一个测站上同时可以观测到多达4~5个沉降点,如果在这一个测站上测完这4~5个沉降点,工作效率当然较高,但前后视距差必然会超限。如果严格按照前后视距差的要求,则只得在相邻的两两沉降点之间都架设仪器设置测站。一方面,测站设置越多,产生观测误差的机会也就越大,这样有可能因过分前后视距相等,反而导致观测精度降低及工作效率下降;另一方面,我们知道,规范中限制前后视距差的目的主要是为了减小因水准仪存在i角而引起的水准尺读数误差,但一般在沉降观测之前,仪器i角已严格检验校正到接近于零,因此前后视距差即使较大,也不会产生显著的因i角而引起的水准尺读数误差。由此可见,在观测之前,只要仪器i角已严格检校,那么这一前后视距差的规范要求对于建筑工程沉降可以放宽或不作要求。

3.2 数据的处理方法

按照国家一、二等精密水准测量的规范要求,通常将测量路线布设成闭合路线,并计算其闭合差,其目的是为了检查测量数据中是否存在错误或大的累积误差。另外,如果闭合差不超限,则还要将其反号按与测段的长短成正比例地分配到路线中,即对每一测段的高差进行修正。

然而,建筑工程沉降观测有其特殊性:除第一次测量外,其余每次都是重复测量,由于每次都是重新测一遍,因此避免了因测量次数的增多而导致的误差积累,而且从同一点两次高差值的比较(随本次沉降量的大小而定,一般不会太大),还可得知测量中是否存在大的错误,这样看来,将沉降点的高程值总是小于或等于前一次的高程值,如果按照规范要求将水准测量路线布设成闭合状,且将闭合差强制分配到每一测段的高差中,反而有可能扭曲沉降点的高程值,使得在沉降点并未下沉的情况下出现沉降点上升的不合理现象。

由此可见,建筑工程沉降观测可以不采用闭合水准测量路线,其数据处理也不采用闭合水准测量路线,其数据处理也不必进行闭合差分配。如果观测时只采用简单的支水准测量路线,在数据处理时,若前后两期的观测数据通过比对发现某一沉降点的高程值异常,则有如下两种可能的原因:一是测量误差太大,二是确实出现了较大(或异常)的沉降。因此若发现沉降点的高程值异常,不要进行误差修正,正确的做法应该是无条件返工重测核实,从而分辨出是测量误差太大,还是确有较大的沉降。

4 观测周期的安排

建筑工程的沉降观测周期主要依据沉降速率的大小来安排,而影响沉降速率的主要因素是荷载。建筑工程在主体封顶前大量增加荷载,主体封顶后则荷载增加得少而慢。因此,在安排建筑工程沉降观测的周期时,可分工程封顶前和工程封顶后两个阶段来考虑。

4.1 工程封顶前的周期

《建筑变形测量规程》规定:民用建筑可每加高1~5层观测一次。由于建筑工程在主体封顶前的施工阶段,荷载增加很快,沉降量也较大,因此建议有关规范标准明确规定每加高1层必须观测一次,这样可以及时掌握沉降量与荷载的关系,尽早发现不均匀沉降,在沉降异常时及时调整施工方案。

4.2 工程封顶后的周期

工程封顶后至工程竣工的这一时期为装修期,有关的规范标准对这一阶段的观测周期未作明确规定。由于沉降总是滞后于加载,因此在工程封顶后的装修期间有时会出现比封顶前更大的沉降量,同时,在装修期间,工程也会因地板、墙面的抹灰、安装设备等而增加一定的荷载,但这时荷载的增加因资金、配套等因素的影响而变得无时间规律,沉降速率也时大时小,对此,其观测周期应根据前一个观测周期所测算而得的日平均沉降值来安排(如表1所示),最后直至沉降基本稳定(日平均沉降值小于0.01mm/d)为止。另外,如果观测所得的不均匀沉降量较大,观测周期必须比由日平均沉降量所定的周期要短些[3]。

表1封顶后的观测周期表

5 建筑物变形观测的发展

大地测量方法中的三角测量、水准测量、交绘测量等传统方法,该类方法的主要特征是可以利用传统的大地测量仪器,理论和方法成熟,测量数据可靠,观测费用相对较低。但该类方法也有很大的缺陷:观测所需要要的时间长,劳动强度高,观测精度受到观测条件的影响较多,观测精度受到观测条件的影响教多,不能实现自动化观测等。目前,该类方法的改进主要表现在:1)利用高精度测距代替精密测角,以提高工作效率;2)采用电子水准仪代替原来的光学水准仪观测,有效地提高观测数据的可靠性;3)采用测量机器人代替原来的经纬仪观测,实现观测和数据处理的自动化和只能化。所采用的仪器还有高精度全站仪、液态静力水准仪等等[4]。

另外,由于空间大地测量技术的发展,GPS技术已经被广泛应用到测量工作中,其中变形监测也不例外,并且我们知道,其中的静态相对定位技术在形变监测中很成熟了,精度可以达到亚毫米级,所以,在对一些高层建筑或特殊的建筑的变形监测中,可以采用GPS相对定位技术对其建筑物外部的基准点进行测量,其精度是完全可以满足要求的。例如,中央电视台新台建设工程变形监测的外部基准点就使用了GPS进行测控[5]。

6 结论

与国家一、二等精密水准测量方法相比,建筑工程沉降观测的方法确有其自身的特点,本文针对建筑工程沉降观测点的布设、沉降观测的实施和观测周期的安排等几个方面的问题,根据沉降观测工作的实际具体情况,对特殊性进行了深入分析研究,并根据技术的发展对未来建筑工程的变形观测做了讨论,为以后更好进行建筑工程变形监测工作提供了依据。

参考文献

[1]陈龙飞,金其坤.工程测量[M].上海:同济大学出版社, 2006.

[2]栾元重,吕法奎,班训海.动态变形观测与预报[M].北 京:中国农业科学科技出版社,2007.

[3]郁雯,熊春宝.建筑工程沉降观测方法的研究[J].测绘通 报,2007(10):42-44.

[4]岳建平,方露,黎昵.变形监测理论与技术研究进展[J]. 测绘通报,2007(7):1-4.

[5]莫南明,过静B,张胜良,等.CCTV主楼施工变形监测技 术应用研究[J].测绘工程,2007(5):48-52.