建筑物沉降观测技术设计.docx
《建筑物沉降观测技术设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑物沉降观测技术设计.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
建筑物沉降观测技术设计
建筑物沉降观测技术设计
摘要
随着国家经济的发展，当代人对于住房的要求和住房品质也有了更高的要求，各种样式和风格的建筑也越来越多，随之而来的是人们对建筑物的技术要求和建筑物运营管理的安全问题。
而建筑物沉降观测为其安全提供了最有价值的沉降数据和信息，同时为建筑物的设计和安全维护提供依据。
因此在建筑物设计施工中，建筑物沉降观测的内容，方法，沉降分析以及沉降趋势的变化对于施工具有很强的指导意义。
关键词：
建筑物沉降观测沉降分析
Abstract
Withthedevelopmentofnationaleconomy,themodernpeopletotherequirementofhousingandhousingqualityalsohavehigherrequirements,avarietyofstylesandstyleofarchitectureisalsomoreandmore,followedbythepeopleofthesafetyofthetechnicalrequirementsofthebuildingandbuildingoperationsmanagementproblem.Thebuildingsettlementobservationforthesettlementofitssafetyprovidesthemostvaluabledataandinformation,atthesametimeprovidethebasisfordesignofthebuildingandsecuritymaintenance.Soinbuildingdesignandconstruction,thebuildingsettlementobservationofthecontent,method,analysisandsubsidencetrendchangehasastrongguidingsignificancefortheconstruction.
Keywords:
buildingSettlementobservationSettlementanalysis
第1章绪论
1.1沉降观测的目的和意义
沉降观测是指定期地对沉降体的有关几何量进行测量，并从测量数据中整理、分析出沉降规律的过程。
随着人类社会的进步和国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。
与此同时，沉降监测的意义更加重要。
众所周知，工程建筑（构）物在施工和运营期间，由于受多种主观和客观因素的影响，会产生沉降，沉降如果超出了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，给社会和人民生活带来巨大的损失。
尽管工程建筑物在设计时采用了一定的安全系数，使其能安全承受所考虑的多种外荷载影响，但是由于在设计中不可能对工程的工作条件及承载能力做出安全准确的估计，施工质量也不可能完美无缺，工程在运行过程中还可能发声某些不利的变化因素，因此，国内外仍有一些工程出现事故。
所以，保证工程建筑物安全是一个十分重要且很现实的问题。
为此，沉降监测的首要目的是要掌握沉降的实际性状，为判断其安全提供必要的信息以及在防震救灾和避免工程破坏方面有着重大的意义。
工程建筑（构）物的沉降和变形相似，按其类型来区分,可以分为静态沉降和动态沉降。
静态沉降通常是指沉降观测的结果只表示某一期间内的沉降值,也就是说,它是时间的函数。
动态沉降是指在外力的影响下而产生的沉降,故它是外力为函数来表示动态系统对于时间的变化,其观测结果是表示建筑（构）物在某个时间的瞬时沉降。
沉降观测的任务是周期性地对观测点进行重复观测,求得其在两个观测周期的变化量,而为了求得瞬时变化,则应采用各种自动记录仪器记录其瞬时位置。
沉降观测的内容,应根据建筑物的性质与地基情况来定。
要求有明确的针对性,既要有重点,又要作全面考虑。
以便能正确反映出建筑物的变化情况,达到监视建筑物的安全运营,了解其沉降规律之目的。
沉降观测的方法要根据建筑的性质、使用情况、观测精度、周围环境以及对观测的要求来选定。
一般垂直位移多采用精密水准测量、液体静力水准测量、微水准测量的方法进行观测。
通过沉降观测取得第一手资料,监视建筑物的状态变化和工作情况,在发生不正常现象时,及时分析原因,采取措施,防止事故发生,并改善运营方式,以保证安全。
建筑物沉降是有原因的，沉降观测和沉降分析的目的是为了了解沉降体沉降趋势和沉降原因，以便及时采取措施保护建筑物的安全。
一般来讲，建筑物沉降的原因主要包括客观原因和主观原因两个方面。
客观原因主要包括：
主观原因主要包括:
（1）自然条件及其变化，即建筑物地基的工程地质、水文地质、大气温度、土壤的物理性质等；
（2）与建筑物本身相联系的原因，即建筑物本身的荷重、建筑物的结构、形式及动载荷（如风力、震动等）的作用。
（3）、设计错误。
（4）、施工质量差。
（5）、施工方法不当。
通过以上建筑（构）物沉降原因分析，我们可以得出以下的结论：
对建筑（构）物坚持长期周密的沉降观测，可以检查出各种建筑物和地质构造的稳定性，及时发现问题防患于未然。
在科学理论上，还可以更好地了解沉降体沉降的机理，检验有关工程设计的理论以及建立正确的预报沉降的理论和方法。
沉降观测的任务是通过对建筑物上的沉降观测点进行定期的重复观测，得到若干次观测数据，经过数据处理后，获得其沉降值，然后根据沉降值分析引起沉降原因和预测建筑物的沉降趋势。
因此沉降监测可以监视建筑物在施工或运营过程中所处的状态，一旦在发生不正常现象时，便能及时地采取措施，防止事故发生而造成财产损失和人员伤亡。
因此，建筑物沉降观测的意义可以归纳为以下三个方面:
第一、由于各种因素的影响，在建筑物施工和运营期间必须对其进行沉降观测，以确定沉降大小和预测沉降的趋势及其对建筑物安全的影响。
如:
建筑物地基沉降观测。
这种观测的目的是为了保证建筑物的安全，即安全监测。
第二、由于土（地）基组成成分复杂、土力学对实验数据的依赖性很大，有必要在各地对大量不同基础形式的建筑物进行观测，以便为今后的设计积累资料，作为验证设计方法和修改、制定设计方案的依据。
第三、为了对某中新结构、新材料的性能作出科学的或客观的评价，需要在一个较短的时间内，借助于外力让建筑物产生沉降，以取得科学数据。
此时，测量工作者要在短时间内以较高的精度测量出一系列的沉降值。
以上三个方面说明了对建筑物进行沉降观测的必要性和现实意义。
历史的经验与教训己经很明确地告诉我们，加强建筑物沉降观测的理论研究和实际工作是十分重要的，也非常必要。
1.2建筑物沉降测量研究现状及发展方向
1.2.1沉降测量现状
沉降观测方法与测量仪器的发展密切相关。
根据建筑（构）物的不同性质，在沿用传统的测量方法的基础上，沉降观测方法变得更加灵活和简单。
在仪器使用方面，全站仪、GPS等测量仪器取代了传统的光学仪器并朝着自动化方向发展。
沉降分析方法，在20世纪50年代以前，主要是沉降观测资料的整理、计算、分析。
使沉降分析得以迅速发展的是下面这些突破性的工作。
1971年德国测量学家H·pelzer开始采用统计检验的理论来分析沉降网点的稳定性，随后其他学者也提出了各种不同的方法。
当代的沉降分析从各种不同的方向来分析解释建筑物的沉降，例如曲线形态判断法、数据线性回归分析法、非线性曲线预测模型、时间序列预测模型、非平稳监测数据时间序列分析法等，有了众多的分析方法使得更好的分析建筑物的沉降，从而为建筑事业做出与众不同的贡献。
1.2.2沉降测量发展方向
作为工程测量中极为重要的一个分支，沉降观测伴随着变形观测在近几十年来得到了迅速的发展。
这主要体现在如下几个方面：
1、在观测手段方面：
首先摄影测量技术、激光技术及自动化技术在沉降观测中正在得到越来越广泛的应用。
目前，国内对上述技术的应用都进行了成功的试验并已投入了实用，未来的工作是如何进一步地推广并加以完善。
GPS定位技术已在区域性沉降观测及大型工程沉降监测中得到应用（如清华大学运用GPS技术成功地对虎门大桥沉降观测）；其它如甚长基线干涉（VLBI）及卫星激光测距（SLR）等空间技术在国外已进行了一系列的试验。
结果表明:
这些方法对于监视地壳的板块运动等都是很有发展前途的。
2、在数据处理和沉降分析方面：
理论上更严密、实用上更合理的数据处理方法（如:
自由网平差、验后方差估计、抗差估计等）得到了越来越广泛的应用，而且这种趋势仍将长期保持下去。
在这方面，除了传统的假设检验、回归分析等建立在统计理论基础之上的方法和建立在力学、物理学基础之上的确定函数模型法以外，其他新的方法也得到了试验和初步的应用。
例如运用模糊类分析的方法、灰色理论、人工神经网络进行沉降分析，这些方法将为沉降数据处理和分析带来新的生机。
3、在计算机应用方面：
自从二十世纪四十年代美国制造出第一台计算机以来，计算机在各行业的应用一直以迅猛的速度发展，目前己渗透到社会生活的各个方面。
在沉降观测的各个环节，也都发挥着其积极的优势。
更为可喜的是，在某些方面，国内己经取得了初步的、以及具有一定水平的成果:
（1）观测现场的自动控制；
（2）外业观测数据的自动采集；
（3）沉降观测数据的处理和分析；
（4）沉降观测原始数据和处理成果的保存；
（5）各类沉降图件的绘制；
综上所述，我们可以认为：
一种能综合各种经验、知识、情况和观测资料采集与沉降分析的专家系统的开发将是未来计算机在沉降观测应用中的发展方向。
1.3本论文研究的主要内容
在前人研究的基础上，本文主要对建筑物沉降观测的以下方面做了研究：
1、建筑物沉降观测基本内容及方法。
主要分为控制网的布设、水准基点和沉降观测点的标志与埋设、沉降观测的方法等。
2、沉降观测系统点的布设及其精度的确定。
本文对建筑（构）物沉降观测点的布设基本原则及其精度进行了分析说明。
第2章沉降观测网的布设
沉降观测的基本原理是：
在沉降体上选择一定数量的有代表性的点，通过对这些点重复观测来求出这些几何量的变化值。
沉降观测中的测量点通常分为：
基准点、工作点和观测点。
基准点—由于观测点的位置是变化的，为了反映观测点的变化，从理论上讲还必须有一定数量位置固定或变化甚小的点，我们称之为“基准点”或简称为“基点”。
基准点通常埋设在比较稳固的基岩上或在沉降区之外，应尽可能长期保存和稳固。
工作点—又称工作基点。
由于实际工作的原因，如基点距观测点很远，为了避免观测过程中的误差积累等因素我们还要埋设一些介于观测点和基点之间的过渡点，即所谓的“工作基点”。
它一般埋设在被观测对象附近，要求在观测期间内保持相对稳定。
观测点—它是位于沉降体上的具有代表性的点，我们称之为“观测点”或简称为“测点”。
一般地，我们把由基点、工作基点、测点构成的观测系统叫做“沉降观测系统”。
建筑物沉降观测工作的成败，要受到诸多因素的影响，其中最基本的影响因素是沉降观测方案的设计与布设。
它们包括：
沉降观测的内容、观测精度的确定、观测周期（频率）的确定、测点、工作基点及基点的布设等，下面分别予以讨论。
2.1沉降观测的精度
沉降观测的必要精度取决于具体工程允许沉降值的大小和观测目的。
观测目的通常分为检查施工、监视建筑物安全和研究沉降过程三种情况。
一般说来，检查施工对沉降观测精度的要求较低，监视安全稍高，研究沉降过程要求精度最高。
在实际测量中，合理的精度是重要的，因为过高的精度要求使测量工作复杂，费用和时间增加。
而精度定得太低又会增加沉降分析的困难，使所估计的沉降参数误差太大，甚至会得出不正确的结论。
讨论沉降观测必要精度的基本思路是：
先根据有关因素求出形变观测值（一般是指同一点在不同时期的坐标差（△X，△Y，△H）的必要精度，然后再套用现有的有关规范或采用相应的算法（如优化设计）来确定距离、方向、角度、高差等观测值的精度。
第一步则具有沉降观测本身的特点。
因此，我们讨论的主要问题是如何确定沉降观测值△X，△Y，△H必要精度。
2.1.1确定沉降观测精度的基本原则
一般认为，沉降观测值的必要精度主要应根据沉降观测的目的、允许沉降值的大小、沉降的速度以及工程的性质来确定。
1971年，在FIG第十三届会议上工程测量委员会中的沉降观测及其自动化小组对沉降观测精度方面提交的报告认为：
“如果观测的目的是为了使沉降值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测中误差应小于允许沉降值的1/10～1/20，如果观测的目的是为了研究其沉降的过程，则其中误差应比这个数值小得多。
这就概括地说明了沉降观测的必要精度与观测目的、允许沉降值大小之间的关系，也是确定必要精度的一个基本原则。
在现阶段，我国在多数沉降观测工作中都是根据这一原则来确定其必要精度的。
2.1.2沉降观测的精度分析
1、按允许沉降值来确定观测精度
建筑物的允许沉降值大多由设计单位提供或依据有关规程中的规定，一般可以直接套用。
设允许沉降值为
，则按上述原则有：
观测的必要精度（中误差）
。
2、按沉降观测实测数据的统计分析确定观测精度
这种方法一般是从实际经验出发并顾及当前的测量技术水平而定的。
尽管不同类型工程建筑物，沉降观测的精度要求差别较大而难以定出统一规格，但我们还是可以根据对各类工程多年沉降观测数据统计分析，确定出该类工程的预期最大沉降值，从而定出沉降观测精度。
下面给出的是各类工程的综合分析结果。
（1）大型工程建筑物。
例如，对于有连续生产线的大型车间（钢结构、钢筋混凝土结构的建筑物），通常要求观测工作能反映出lmm的沉降量；对于一般厂房要求能反映出2mm的沉降量。
因此，观测点高程的精度为
0.5～1mm,这些大型建筑物的平面位移观测精度一般在
1～3mm。
（2）水利工程建筑物。
根据其结构、形状不同，观测内容和精度也有所差异。
即使对于同一建筑物（如拱坝）的不同部位，其观测精度也不相同，沉降大的部位（如拱冠）的观测精度可稍低于沉降小的部位（如拱座）。
对于混凝土大坝，其沉降和水平位移观测的精度都是
1～2mm，对于土坝为
5～10mm。
（3）对于土木工程，测定其沉降值的精度不低于
2mm。
至于必要精度与沉降速度关系主要是由于沉降速度的大小决定两次（期）观测之间沉降值的大小，而沉降观测最终要求反映出沉降。
因此，当沉降速度大时，两次观测间的沉降量也大，这时可适当地放宽精度；反之，当沉降速度很小时（例如板块运动），则应适当地提高精度。
总的来说，在确定建筑物的沉降观测精度时，要考虑的作用因素可以归纳如表2.1。
表2-1建筑物沉降观测精度参考因素
因素
精度要求高
精度要求低
（1）沉降观测的目的
安全监测
积累资料
（2）结构或设备对沉降的反映
敏感
不敏感
（3）预期的或正常的沉降
小
大
（4）复测时间间隔
短
长
（5）沉降速度
小
大
（6）建筑物造价
高
低
2.1.3沉降观测的频率
沉降观测的特点之一是重复观测。
这就要求我们在设计时要确定重复观测的间隔，即沉降观测的周期或频率。
一般认为：
沉降观测的频率应根据沉降观测的目的、沉降值的大小、沉降的速度和工程性质来确定。
沉降速度越快，观测间隔要求越短。
对于同一工程建筑物，在不同时期，观测间隔要求也不一样。
在观测初期，由于对沉降规律不了解，为保险起见，此时要求间隔要短。
而在观测后期，在对沉降规律有了一定的了解之后，则可适当地拉长观测间隔。
当然，这些原则不是绝对的，出现紧急情况时，应作临时紧急观测。
对于旨在详细研究沉降过程的沉降观测，间隔有时要求很短，有时甚至要求连续观测，以及紧急观测（如出现台风、洪峰等情况）。
2.2观测网的布设
2.2.1沉降监测控制网布设
沉降监测水准基点必须数量足够、点位适当，监测点的设置一是便于测出建筑物基础的沉降和倾斜等；二是便于现场观测；三是便于保存，并不受损坏。
在沉降监测之前，为了消除区域性的地面沉降影响，必须妥善布置基准点、工作基点和沉降监测点的三级布点，或布设水准基点和沉降监测点的两级布点。
对于建筑物较少的测区，宜将基准点连同监测点按单一层次布设；对于建筑物多且分散的测区，宜按两个层次布网，即由基准组成的控制网，监测点与所连测的监测点组成扩展网。
根据监测精度要求，沉降监测控制网应布设成网形最合理、测站数最少的监测环路,亦可布设成闭合水准路线，或布设成符合水准路线。
在整个监测网中，通常应有四个埋设足够深的水准基点，其余的可埋设为地下或墙上。
施测时，可选择一些稳定性较好的监测点作为水准路线基点与水准网统一监测和平差。
由于施测时不可能将所有的监测点纳入水准线路内，故大部分监测点只能采用中视法测定，而水准转点则会影响成果精度，所以选择一些监测点作为水准转点极为重要。
1、水准基点布设
布设水准基点时，必须考虑以下因素：
（1）（应布设在拟监测的建筑物之间，距离一般为20~40m，工业与民用建筑物应不小于15m，较大型并略有振动的工业建筑物应不小于25m，高层建筑物应不小于30m；
（2）监测单独的建筑物时，至少布设三个水准基点，以便互相检核判断水准点高程有无变动。
对占地面积大于5000平方米或高层建筑物，则应适当增加水准基点的个数；（3）当设置水准基点处有基岩漏出时，可以用水泥砂浆直接将水准点浇注在岩层中，一般水准点应埋设在冻土线（各地区不同，如哈尔滨1.99m，上海0.06m）以下0.5m处；（4）各类水准基点应避开交通干道、地下管线、仓库堆栈、水源地、河岸、松软填土、滑坡地段、机器振动区，以及其它能使标石、标志遭受腐蚀和破坏的地点。
水准点的形式与埋设沉降观测水准点的形式与埋设要求，一般与三、四等水准点相同，但也应根据现场的具体条件、沉降观测在时间上的要求等决定。
当观测急剧沉降的建筑物和构筑物时，若建造水准点已来不及，可在已有房屋或结构物上设置标志作为水准点，但这些房屋或结构物的沉降必须证明已经达到终止。
在山区建设中，建筑物附近常有基岩，可在岩石上凿一洞，用水泥砂浆直接将金属标志嵌固于岩层之中，但岩石必须稳固。
当场地为砂土或其他不利情况下，应建造深埋水准点或专用水准点。
2、监测点布设
布设监测点时，应根据建筑物的大小、基础形式、结构特征及地质条件等因素确定。
一般可根据下列几方面布置：
（1）监测点应布置在建筑物沉降变化较显著的地方，并要考虑到在施工期间和竣工后，能顺利进行监测的地方；
（2）在建筑物的四周角点、中点及内部承重墙（柱）上均需埋设监测点，并应沿房屋周长每隔10~12m设置一个监测点，但工业厂房的每根柱子均应埋设监测点；（3）由于相邻影响的关系，在高层和低层建筑物、新老建筑物连接处，以及在相接处的两边都应布设监测点；（4）在人工加固地基与天然地基交接和基础砌深相差悬殊处以及在相接处的两边都应布设监测点；（5）当基础形式不同时，需在情况变化处埋设监测点，地基土质不均匀，可压缩性土层的厚度变化不一等情况需适当埋设监测点；（6）在振动中心基础上要布设监测点，对于烟囱、水塔等刚性整体基础上，应不少于三个监测点；（7）当宽度大于15m的建筑物在设置内墙体监测标志时，应设在承重墙上，并且要尽可能布置在建筑物的纵横轴线上，监测标志上方应有一定的空间，以保证测尺直立；（8）重型设备基础的四周及邻近堆置重物之处，即有大面积堆荷的地方，也应布设监测点；（9）沉降监测点的埋设标高，一般在室外地坪+0.5m较为适宜，但在布置时应根据建筑物层高、管道标高、室内走廊、平顶标高等情况来综合考虑。
同时还要注意所埋设的监测点要让开柱间横隔墙、外墙上的雨水管等，以免所埋设的监测点无法监测而影响监测资料的完整性；（10）在浇筑基础时，应根据沉降监测点的相应位置，埋设临时的基础监测点。
若基础本身荷载很大，可能在基础施工时就产生一定的沉降，即应埋设临时的垫层监测点，或基础杯口上的临时监测点，待永久监测点埋设完毕后，立即将高程引到永久监测点上。
在监测期间，如发现监测点被损坏，应立即补上。
2.2.2水准基点的标志与埋设
水准基点的标志构造，要根据埋设地区的地址条件，应尽量埋设在基岩上，或者深埋于原状土内，决不允许埋设在人工土内。
由于人工土所有时可以达到数米深，所以选点时应谨慎考察，对于重要建筑工程，基准点应力求埋设在基岩中。
对于一般的厂房的沉降观测，可参照水准测量中三、四等水准规范进行标识设计与埋设；对于精度高的沉降观测，需要设计和选择专门的水准基点标识。
1、地面岩石标
如果地面上土层很浅，地表有完整的基岩露头时，可埋设基岩标志点。
先清理上不得覆盖物，并除去岩石的风化层，然后在新鲜的基岩上开凿一个适当深度的岩坑。
在此岩坑开凿一个深度大于0.1m的岩孔，孔内必须用水洗净，灌注1:
2的水泥砂浆，埋设保护盖标志。
当基岩露头在地面以下深度不超过1.5m时，可在基岩中开挖一个深度小于0.5m的岩坑，浇灌钢筋混凝土柱石。
2、下水井式混凝土标
用于土层较厚的地方，测点标志用不锈钢或陶瓷镶嵌在柱石上。
为了防止雨水灌进水准基点井里，井台需要高出地面0.2m当柱石顶面距离地面深度较大时，标石可由柱石和底盘组成，并在上面加混凝土标志保护盖，在保护盖上加覆盖物。
3、深埋钢管标
当地表覆盖的第四纪冲基层较厚时，并且基岩埋藏深度较大时，采用钻孔穿过土层和风化层埋设钢管标志，这类标适于平坦地区，可采用钻孔深埋钢管标志。
为了检查水准基点本身的变化，通常以三点为一组方式布点。
地形条件许可时，可组成没变长100m的等边三角形，每个埋设标志。
定期测定3点高程变化状况。
若地形条件困难，也可以把三点布设成直线连接图形。
2.2.3沉降监测点的标志与埋设
沉降监测点的标志可根据不同的建筑结构类型和建筑材料，采用墙（柱）标志、基础标志和隐蔽性标志等形式。
各类标志的立尺部位应加工成半球形或有明显的突出点，并涂上防腐剂。
钢筋观测点标志与埋设
将直径为18～22mm的钢筋锯成为230～250mm的节，将每节钢筋弯成U形，
一端顶部加工成半球形。
在离地面300～500mm的墙上凿孔，孔深120～140mm。
如图2.3所示，将钢筋水平嵌入墙孔内，半球端垂直向上，钢筋露出墙面约40mm，用水泥沙浆灌实并与墙面抹平。
图2-1钢筋监测点
2.3本章小结
本章主要介绍了沉降观测系统的布设，首先是介绍了确定沉降观测精度的基本原则，以及按允许沉降值和按沉降观测实测数据的统计分析两种方法来确定观测精度。
然后，根据沉降观测的特点讲述了确定沉降观测频率的依据。
接下来，介绍了沉降观测点的布设，并根据本文主要研究课题，重点讲述建筑物沉降观测点的布设。
最后，是系统设计内容及说明书的编制过程。
第3章沉降观测的技术方法
3.1基本方法
目前，沉陷观测中用得最多的是几何水淮测量。
对于中、小型厂房和土工建筑物的沉陷观测一般可采用普通水准测量，而对于大型厂房、高层建筑物及混凝土坝等建筑物，则一般采用精密水准测量。
考虑到沉陷观测本身的特点，为了保证其质量和观测方便，无论建筑物是何种类型，工作在何种场合，除了遵循一般水准测量有关规定之外，还应该注意如下事项：
1、水准路线应尽量构成闭合环，以便为每期观测提供必要的检核，并通过平差适当地提高精度。
2、应采用“三固定”的方法来提高沉陷观测的精度。
所谓“三固定”，就是各期观测中固定观测员、固定仪器、固定施测线路。
采用“三固定”的方法之所以能提高精度，是因为它在整个沉降观测过程中把偶然误差系统化，从而使其在各期观测的差值中自动消除的缘故。
3、在固定线路上的固定测站、转点位置上设置临时标志和尺桩，以加快观测速
升级会员 