建筑物变形监测方案设计与实施

1、第 页 （共16页）建筑物变形监测方案设计与实施 0引言 随着城市建设的迅猛发展,建筑物越来越普遍,建筑物的安全建设与运行也越来越受到社会各方面的关注。为了保证建筑物的顺利施工和施工后的安全运营,有必要设计一个合理、可行的变形监测方案,对建筑物进行系统地沉降观测,并对沉降观测量进行合理地统计分析,从而得出关于建筑物在建设过程中稳定性的显著分析1。1工程建筑物变形监测的基本原理1.1变形监测概述 建筑物变形监测的直接目的之一就是对建筑物的运营状态进行安全监控、评价和预报。从20世纪90年代以来,建筑物变形监测手段的硬件和软件迅速发展,监测范围不断扩大,监测自动化系统、数据处理和资料分析系统、安全

2、预报及分析评价系统也在不断的完善。工程设计采用新的可靠度设计理论与方法以来,变形监测成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的手段,成为工程设计和施工质量控制的重要手段。由于工程自身的特殊性和复杂性,在一般情况下,直接采用变形监测原始数据对建筑安全稳定状态进行评估和反馈是困难的。因此,为了实现建筑物安全运营的设计目的,一般需要结合具体的工程和变形监测不同时段的不同特点和要求分别选用不同的手段和方法,认真做好监测数据和资料的整理分析工作,对建筑物的安全稳定状态进行评估、预测和预报,并为改进建筑工程设计、施工方法和运营管理提供科学的依据。1.2建筑物变形的原因 建筑物的变形主要是由两方面的原

3、因引起的。一是自然条件变化,即建筑物地基的工程地质、水文地质、土壤的物理性质、大气温度等发生改变。二是建筑物本身的原因,即建筑物本身的荷重、建筑物的结构、形式及动荷载的作用。此外,由于勘测设计、施工以及运营管理工作做得不合理,也会引起建筑物产生额外的变形。1.3建筑物变形的类型 工程建筑物的变形按其类型来区分,可以分为静态变形和动态变形。2静态变形通常是指变形观测的结果只表示在某一期间内的变形值,即它只是时间的函数;动态变形是指在外力影响下而产生的变形,故它是以外力为函数来表示动态系统对于时间的变化,其观测结果表示建筑物在某个时刻的瞬时变形。1.4变形观测的任务 变形观测的任务是周期性地对观测

4、点进行重复观测,求得其在各观测周期间的变化量。一般需要长期的观测,捕捉变形敏感部位和各观测期间的变形观测点的变形信息。 对于基础而言,主要观测内容是均匀沉陷和不均匀沉陷;对于建筑物本身来说,则主要是倾斜与裂缝观测;对于工业企业、科学实验设施和军事设施中的各种工艺设备、导轨等,其主要的观测内容是水平位移和垂直位移;对于高大的塔式建筑物和高层房屋,还应该观测其瞬时变形、可逆变形和扭转。1.5变形观测的方法 大地与建筑物的变形观测方法主要是根据变形观测系统的特征、工程地质与水文地质情况、观测区域的地形情况、精度要求和周围环境确定,可采用几何水准测量、三角测量、经纬仪导线测量、光电测距仪导线测量等方法

5、。1.6变形观测的频率 观测的频率取决于变形值的大小、变形速度以及观测的目的。通常要求观测的次数,既能反映出变化的过程,又不遗漏变化的时刻。1.7变形观测控制网的布设原则 (1)变形观测控制网的起算点或终点要有稳定的点位,应布设在牢靠的非变形区,为了减少观测点误差的积累,距观测区不能过远。 (2)为便于迅速地获得观测数据,变形观测控制网的图形结构应该尽量简单。 (3)在确保变形观测控制网具有足够精度的条件下,控制网应尽量布设一次全面网;在特殊的条件下,才允许分层控制。 (4)实测原则:测量仪器设备和测量方法的选择要充分满足用户的需求。 (5)控制网布设时,应尽量采用先进的技术,尽可能多地获取建

6、筑物的变形数据,特别是绝对位移和时间信息。控制点要便于长期保存。 (6)变形观测控制网应与建筑施工采用相同的坐标系统3。2 工程建筑物变形观测方案设计2.1工程建筑物变形观测的过程筹备工作 设计单位要编写一个实施观测工作的技术任务书。其中包括水准标石和沉降标志的布设方案,确定沉降的相对精度指标及观测周期和观测期限。承担观测工作的测量单位要根据技术任务书编写测量工作计划,计划必须包括:水准标石的布设略图及其类型、沉降标志的结构及其固定方法、水准测量线路略图、精度估算和观测方法以及平差计算方法。（2）观测精度的确定 建筑变形量应能确切反映建筑物、构筑物及其地基的实际变形情况或变形趋势,并以此作为确

7、定监测方案和检验成果质量的基本要求。由于观测精度直接影响到观测成果的可靠性,同时也受到观测方法和仪器设备等的影响,因此,确定合理的测量精度是变形监测方案设计的重要内容。 在实际监测中,通常根据高层建筑的地基允许变形值来推算,高层建筑的地基允许变形值一般是由设计单位给定的或者由相应的建筑规范规定的。地基允许变形值包括沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜四种4。根据建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)规定,常用的高层建筑地基允许变形值,可以求出相应的允许变形量,根据实际情况取其就得到应该采用的测量精度。（3）外业布点、观测及成果处理 工作计划确定后,就要埋设高程控制标志和沉降标志。为此要沿测区的所有水

8、准标石敷设水准路线,而水准标石的高程应在国家高程系统中确定。因此,要在这些水准标石和最近的一个国家高程点之间敷设水准路线。在测区建立高程控制之后,开始建筑物的沉降观测,对沉降标志进行水准测量的同时要测量建筑物体的温度,确定地下水位及其化学成分,以及获取对产生沉降原因能够做出正确解释的许多其他数据。在一期外业观测结束之后,要编绘标有水准标石和沉降标志之间的高差和距离的水准路线略图,计算闭合环的闭合差。如果闭合差在限差之内,则可以对线路进行平差,评定外业观测精度,并计算沉降速度。（4）观测周期的确定 建筑物变形是一个渐变过程,是时间的函数,而且变形速度不均匀,但变形观测次数是有限的,因此,合理的选

9、择连续观测的周期,对于正确分析变形结果是确保高层建筑自身安全很重要的。变形观测从建筑施工开始,到停止使用结束,贯穿整个过程,相邻两次变形观测的时间间隔就是一个观测周期。5确定变形观测周期的基本原则为:根据高层建筑的特征、变形速率、观测精度要求和工程地质条件及施工过程等因数综合考虑。（5）建筑物沉降和地基相对变形的确定 最后的工作是编制标志的高程和沉降一览表,并附简短说明。有关建筑物地基沉降和变形的资料还要补充建筑物的温度和地下水位的波动曲线图,以及建筑物基础和墙壁的目视观测成果。2.2观测网点的布设方案 变形观测网是由水准基点和观测点组成。水准基点是沉降观测的基准点,是测定设置在变形区的观测点

10、垂直位移的依据,它的构造与布设必须保证能够稳定不变和长期保存。变形观测点包括基准点和监测点,基准点分为稳定基准点和工作基点,它们在监测中各自作用不同。基准点的布设主要考虑测量工作的需要，而监测点的布设则需要与其它学科相结合。总的说来,监测点的位置必须布设在能够反映高层建筑变形特征和变形明显部位6。2.3 静态变形监测常用方法 变形监测目的是为了实时的了解高层建筑的变形情况,确保高层建筑的安全使用,就静态变形监测而言,监测的主要内容包括:沉降观测、倾斜观测、水平位移观测和裂缝观测。监测方法包括常规地面测量方法、近景摄影测量以及特定条件下采取一些特殊的测量方法。 沉降观测常用水准测量的方法,也可以

11、采用液体静力水准测量的方法。一般高层建筑物和深基坑开挖的沉降观测,通常用精密水准仪,按国家二等水准技术要求施测,将观测点布设成闭合环或附合水准路线联测到水准基点上。采用水准测量进行变形监测,必须做到固定观测时间、固定观测路线、固定观测人员、固定观测仪器。由于现场条件限制,变形观测时很难做到前后视距离相等,在每次观测前,必须对仪器进行检验校正,特别是对仪器i角误差和调焦误差进行检验。 倾斜观测方法比较多,对于基坑监测,常采用钻孔测斜仪对支护桩进行倾斜观测。对于高层建筑上部的倾斜观测,传统的测量方法包括经纬仪投点法、全站仪坐标测量法等,在实际工程中常采用回归平面法。回归平面法通过测量高层建筑上各点

12、监测点的沉降量 (本期观测值相对于原始高程的差值),结合监测点的平面坐标，采用最小二乘法可以拟合出一个高层建筑沉降量的回归平面 : （1）根据高层建筑物基础倾斜。（单位：编）计算公式： （2）式中：基础倾斜方向端点i的沉降量（mm）； 基础倾斜方向端点j的沉降量（mm）； 基础两端点的距离（m）。 可以得出:式(2)中系数a即为高层建筑在X轴方向上的基础倾斜率,系数b即为高层建筑在Y方向上的基础倾斜率。而基础倾斜率就等于高层建筑在该方向上的倾斜率。通过回归平面方程,只须对监测点进行沉降观测,而不必专门进行倾斜观测就可以确定高层建筑在相应方向上的倾斜率7。采用回归平面法计算倾斜前提是高层建筑以刚

13、体的形式做整体性沉降,若高层建筑结构遭到破坏,高层建筑不以整体作沉降,此时采用回归平面法将得不到正确的倾斜结果。 水平位移观测根据高层建筑类型不同采用不同的方法,直线型建筑常用基准线法、引张线法、距离丈量法;曲线型建筑常用测角前方交会、精密导线法;高层建筑顶部相对于底部的偏移、竖直中心是否铅直(挠度)可用测角前方交会法、经纬仪投点法等。当基础挠度过大时,高层建筑可能由于剪力破坏而出现裂缝。裂缝观测可在裂缝两端分别固一铁片,其中一片紧压在另一片上,在边缘涂上油漆,当裂缝发生变化时，便会露出未涂漆的部分,这个就是裂缝的变化量,采用千分尺或游标卡尺量取其变化量。铁片可分别布设在裂缝最窄和最宽处,当裂

14、缝比较长时,在中间部位增加观测点位。2.4变形观测成果的精度评定 沉降监测的精度取决于监测目的、建筑物的结构和基础类型。FIG(国际测量工作者协会)于1981年第16届大会上提出,为实用目的观测值的中误差不应超过变形允许值的1/201/10;如果是为了研究变形的过程,则其中误差比上述数值更小,通常采用“以当时可能达到的最高精度”确定变形观测精度8。水准测量成果的精度评定目的为: (1)确定观测精度是否达到规定的要求; (2)及时发现粗差; (3)计算水准路线的中误差和环线闭合差; (4)为变形观测分析提供可靠的数据。2.5沉降观测自始至终要遵循“五定”原则 “五定”即沉降观测依据的基准点、工作

15、基点和被观测物的沉降观测点,点位要稳定;所用仪器、设备要稳定;观测人员要稳定;观测时的环境条件基本一致;观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上措施可以尽量减少观测误差,使所测的结果具有统一的趋向性,保证各次复测结果与首次观测的结果具有可比性,使所观测的沉降量更真实。2.6施测要求 仪器、设备的操作方法与观测程序要正确。在首次观测前要对所用仪器的各项指标进行检测校正,必要时经计量单位予以鉴定。连续使用36个月后重新对所用仪器、设备进行检校。在观测过程中,操作人员要相互配合,工作协调一致,认真仔细,做到步步有校核。2.7观测中的注意事项 严格按测量规范的要求施测;前后视观测最好用同一水平尺;各次观

16、测必须按照固定的观测路线进行;观测时要避免阳光直射,且各观测环境基本一致;成像清晰、稳定时再读数;随时观测,随时检核计算,观测时要一气呵成;在雨季前后要联测,检查水准点的标高是否有变动;将各次所观测沉降情况及时反馈有关部门,当建筑物每天(24h)连续沉降量超过1 mm时应停止施工,会同有关部门采取应急措施。3工程应用3.1 测区状况 测量的南阳师范学院逸夫教学楼建于2003年,属砖混结构建筑,上下共八层。至2012年,该楼墙基出现明显的沉降,且楼主体发生肉眼可以观察到的变形情况,楼体结合部出现明显的裂缝和挤压现象。对该楼进行了两个周期监测并提出加固的建议后,施工单位已于2013年初对楼房进行了

17、加固,目前情况良好。3.2技术方案 对楼房的监测工作主要有两部分:沉降观测和倾斜观测。3.2.1沉降观测 (1)高程控制网的布设。首先严格按照规范要求,在被监测大楼附近且远离沉降区域的稳定、可靠地方埋设三个水准标石,作为三个水准点,分别为BM1、BM2和BM3,以构成一个高等级的基础水准控制网。水准点以水泥标石,周围用混凝土浇灌以便长久保存。标石埋好后还应通过一段时间的观测以确定其可靠程度。 (2)楼体沉降观测点的布设。沉降观测点主要布设在楼体的四角、大转角处及沿外墙每1015m处。用钢筋嵌入墙基,并用水泥使其与墙体凝固成一个整体,以构成一个附合的水准扩展网。 (3)水准网测量。首级水准网路线

18、为闭合环,假定水准点BM1高程初始值为600m,采用二等水准测量规范要求,连续测量4次。平差后取其4次观测值中数作为水准点的真值。水准网每隔半年须重新进行观测,以保证成果的可靠性。扩展网的水准路线为附合水准路线9。由水准点BM1起,沿楼体一周,总计16站,闭合在水准点BM2。采用二等水准测量规范要求,沉降点通过往返两次观测值平差后取中数获得。在水准路线上均做好标记,保证在监测期间做到:同一台仪器,同一个观察员,同一处位置架设仪器,来提高成果的精度。水准网与扩展网的关系见图1。图1 水准网及其扩展网的关系 图1中,粗线部分为首级水准网:BM1BM2BM3BM1;细线部分为附合水准扩展网:BM1C

19、J01CJ02CJ03CJ04CJ05CJ06CJ07CJ08BM2。3.2.2倾斜观测 (1)建立平面控制网。绕楼房布设一条闭合导线,导线采用独立坐标系。 (2)布设用于倾斜观测的工作基点及楼角观测点。根据现场的实际情况和观测条件,选取有代表性的楼角作为观测点,在每个楼角的两个方向选取两个工作基点(基点应尽可能在墙面的延长线上)。 (3)倾斜观测。先由导线点测出房屋和基点的坐标,并使用Microstation软件绘出房屋平面图。本监测目标为一刚性建筑物,其倾斜观测主要为获得顶面相对于地基的位移量。本次监测采用投影法,即对每个楼角,从两个不同的方向(工作基点应尽可能在墙面的延长线上)切准投影到

20、地面上,并得出其倾斜分量,由矢量相加法再算出其倾斜位移量10。 如图2所示,A为设计中未发生倾斜的墙顶点,A1为发生倾斜后的墙顶上观测点,B为墙基点,理论上A与B应在同一竖直线上,由于墙体发生倾斜,A1投影到地面上有一个位移量a。从两个基点上观测可得到a在两个方向上的分量a1和a2,用矢量相加法即可求得值a,如图3所示。11因为观测条件限制,基点很难在理想的墙面延长线上,故还须在平面图上用几何方法求得倾斜值,具体计算方法此处不再详述。 图2 未倾斜的墙顶点A与倾斜的A1对照图 图3 顶点A发生位移的分解图3.2.3水准网测量观测期内,我们严格按照国家一二等水准规范要求,对水准网进行了16次观测

21、，详见表1。依据二等水准规范可知:路线在1km内水准环测量的闭合差限差为4mm。本次监测的水准网路线长705m,且闭合差都小于4mm,因此测量成果全部符合规范要求。 表1 水准网观测闭合差计算成果 观测周期观测次数 水准环闭合差（mm） 第一周期 4W1=0.48、W2= = -0.28 * MERGEFORMAT -0.28、W3=1.52、W4=-1.25 第二周期 2W1=0.66、W2=1.0 第三周期 1W1=0.6 第四周期 7W1=0.8、W2=-0.3、W3=0.5W4=-0.1、W5=0.2、W6=-0.2、W7=-0.1 第五周期 2W1=-0.2、W2=03.2.4扩展网

22、测量 对扩展网共进行了41次观测。具体情况见表2。本次附合水准路线长442m,且闭合差都小于4mm,因此本次监测的41次水准测量成果全部达到精度要求。3.2.5倾斜观测成果监测期内,共进行了28次倾斜观测。每个方向均按技术方案要求,观测4测回,测回间限差为1mm。如果超限直接现场返工,以保证成果的准确、可靠。表2 对扩展网的41次水准观测结果观测周期观测次数水准附合路线闭合差（mm）第一周期 6W1=0.1、W2=0.26、W3=0.23、W4=0.6、W5=-0.16、W6=-0.14第二周期17W1=0.28、W2=1.5、W3=-0.18、W4=0.55、W5=0、W6=0.43、W7=

23、0.32、W8=0、W9=-0.48、W10=1.27、W11=0.4、W12=3.76、W13=-1.09、W14=-3.25、W15=0.35、W16=0.77、W17=-0.13第三周期8W1=-1.8、W2=-0.1、W3=0.5、W4=0、W5=0.8、W6=-0.2、W7=-0.9、W8=-0.5第四周期7W1=-0.3、W2=0、W3=0.7、W4=0、W5=0.3、W6=0.3、W7=0.5 第五周期3W1=-0.4、W2=0.5、W3=0.54 技术总结及注意事项 建筑物变形监测要遵循“五定”原则,即通常所说的变形观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的变形观测点位要稳定;所

24、用仪器、设备要稳定;观测人员要稳定;观测时的环境条件基本稳定;观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上措施在客观上尽量减少监测误差的不定性,使所测的结果具有统一的趋向性,保证各次复测结果与首次观测的结果具有可比性,使观测值更真实。 变形监测是一项非常复杂且技术要求较高的工作,在实施建筑工程变形监测时,特别是对高层、超高层以及特殊设备基础的变形监测时,根据“五定”原则应注意并做到以下几点: (1)实地勘察,做好技术设计。这是观测的第一步,为变形监测方案的编写提供重要依据。因此,要求实地勘察人员具有丰富的经验,认真听取各方意见,实地察看工程场地,做到心中有数。 (2)确定施测精度指标。精度指标是将国

25、家现行设计验收规范和工程实际情况有机结合的产物。在编写变形监测方案过程中应规定变形监测的技术精度指标、变形监测方法、观测频率及周期等。 (3)选用仪器、设备应满足变形监测施测精度要求。一般常用的仪器设备有经纬仪、全站仪、精密水准仪、电子测距仪或激光经纬仪等,监测人员要熟悉并掌握仪器、设备的操作方法与观测程序,在首次观测前要对所用仪器的各项指标进行检验校正,且必须经计量单位标定。连续使用36个月后重新对所用仪器、设备进行检校。 (4)变形监测基准点分为基准点、工作基准点、变形观测点。每个工程必须有不少于3个稳固可靠的点作为基准点。为了能够反映出建筑物的准确变形情况,变形测量点要埋设在最能反映建筑

26、物变形特征和变形明显的部位。观测点纵横向要对称,并均匀地分布在建筑物的周围12。 (5)观测时间的要求。建筑物的变形监测对时间有严格限制,特别是首次观测必须按时进行,否则变形监测因得不到原始数据,而使整个监测得不到完整的观测资料;其他各阶段的复测,根据工程进展情况必须定时进行,不得漏测或补测。相邻的2次时间间隔称为1个观测周期。无论采取何种方式都必须按施测方案中规定的观测周期准时进行。当出现异常变形或变形发展过快时,应增加测量次数,及时跟踪变形的发展。 (6)对在外业获得的数据,由专门的技术人员在当天对数据进行认真的核对和检查,并验算各项限差,确认全部符合规定要求后,再进行数据处理。最后向甲方

27、提供监测成果并分析建筑物变形的原因,供施工单位参考。以上观测经验,可供类似工程变形监测借鉴和推广。5 结束语 在观测期内还同时进行了建筑物的倾斜观测,从整个倾斜观测的结果看来,楼角倾斜位移量一直在较小的范围内波动,倾斜方向也无太大的变化。结果表明:在观测期内,建筑物没有发生严重的突变现象和明显的倾斜恶化趋势。通过对实践工作的总结和对成果的分析证明,在变形观测中,观测点的布设起着非常重要的作用,它是变形观测工作的基础,是能否合理、科学、准确地反映、分析、预测出整体变形状况的关键工作。在变形观测过程中一些无法预计的人为因素和自然因素,使变形观测的数据真实性受到限制，解决措施主要在于合理埋设水准基点

28、和工作基点,特别是保护好这些点。 变形观测是工程测量的一项重要内容,随着我国社会主义现代化建设的飞速发展,变形观测在工程实践中的应用和影响会越来越广。参 考 文 献1 中国建设部.危险房屋鉴定标准(JGJ125-99)S.北京:中国建筑工业出版社, 2000.2 吴子安.工程建筑物变性监测数据处理M.北京:测绘出版社,1989:97-115.3 张宏伟,康世英.变形观测数据处理平差横型设计J.桂林工学院学报, 2004,(1): 67-71.4 赵钴茂,加强建筑工程的变形监测J.山西建筑,2004,(4):128-129.5 冯文辰.基坑及周边建筑物变形监测方案J, 测绘与空间地理信息， 20

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