高層建(構)筑物沉降觀測方法
[摘 要]隨著社會的發展，人均用地的日益減少，人們對高層建筑的需求越來越大，保證高層建筑物正常施工和功能安全的責任刻不容緩。本文從建（構）筑物沉降原因、特征及規律入手，較詳細介紹了觀測方法和誤差來源，并提出誤差消除方法。
[關鍵詞]建（構）筑物 沉降觀測 誤差 精度
中圖分類號：TU196.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）15-0208-02
引言
隨著社會的發展，人均用地的日益減少，人們對高層建筑的需求越來越大，保證高層建筑物正常施工和功能安全的責任刻不容緩。為了保證建（構）筑物的正常使用壽命和建（構）筑物的安全性，并為以后的勘察設計施工提供可靠的資料及相應的沉降參數，建（構）筑物沉降觀測的必要性和重要性愈加明顯。
現行規范也規定，高層建筑物、高聳構筑物、重要古建筑物及連續生產設施基礎、動力設備基礎、滑坡監測等均要進行沉降觀測。
1 建（構）筑物沉降原因、特征及規律
建（構）筑物的沉降原因從其來源主要有建筑物本身和自然條件兩方面的原因。其內部原因就是建筑物本身自重、所受荷載及結構型式等；而其外部原因則包括建筑物所附屬地基的工程地質條件、水文地質條件和周邊建筑環境的復雜影響等。建筑沉降的類型可以分為靜態沉降和動態沉降。靜態沉降是在恒載作用下某一期間內的沉降對時間的函數，它是一種時效變形，其變化是單行下滑的趨勢；動態沉降是在外力影響下產生的沉降，是以外力為函數來表示動態系統對時間的變化，所觀測的是建筑物在某個荷載作用下的瞬時沉降。從沉降機理上分析，瞬時沉降是在加載后瞬時發生的，對于飽和粘性土而言，在短時間內孔隙水來不及排出，沉降是在沒有體積變形下發生的側向擠出，是形狀變形 ，在實際二、三維的變形狀態下，其大小不可忽略。因此，處于瞬時沉降下的地基可以近似看成彈性體，從而施工時在活載作用下這種沉降隨時問的變化是非平穩的，上下有微小波動或呈階梯狀；更重要的是在實測過程中，由于各種誤差的影響也會產生這種現象。綜合分析各方面可知：沉降時程曲線的特征是在沉降期間略有波動的情況下總體呈單行下滑的趨勢，其沉降規律大致是緩慢-活躍-緩慢-穩定的一個發展過程。
2 沉降觀測方法及要求
2.1 觀測時間的要求
建（構）筑物的沉降觀測對時間有嚴格的限制條件，特別是首次觀測必須按時進行，否則沉降觀測得不到原始數據，整個觀測得不到完整的觀測意義。其他各階段的復測，根據工程進展情況必須定時進行，不得漏測或補測。只有這樣，才能得到準確的沉降情況或規律。相鄰的兩次時間間隔稱為一個觀測周期，一般高層建筑物的沉降觀測按一定的時間段為一觀測周期（如：次/30天）或按建筑物的加荷情況每升高一層（或數層）為一觀測周期，無論采取何種方式都必須按施測方案中規定的觀測周期準時進行。
2.2 觀測點的要求
為了能夠反映出建（構）筑物的準確沉降情況，沉降觀測點要埋設在最能反映沉降特征且便于觀測的位置。一般要求建筑物上設置的沉降觀測點縱橫向要對稱，且相鄰點之間間距以15-30米為宜，均勻地分布在建筑物的周圍。通常情況下，建筑物設計圖紙上有專門的沉降觀測點布置圖。另外，埋設的沉降觀測點要符合各施工階段的觀測要求，特別要考慮到裝修裝飾階段因墻或柱飾面施工而破壞或掩蓋住觀測點，不能連續觀測而失去觀測意義。
2.3 遵循“五定”原則
所謂“五定”，即通常所說的沉降觀測依據的基準點、工作基點和被觀測物上的沉降觀測點，點位要穩定；所用儀器、設備要穩定；觀測人員要穩定；觀測時的環境條件基本一致；觀測路線、鏡位、程序和方法要固定。以上措施在客觀上盡量減少觀測誤差的不確定性，保證各次復測結果與首次觀測的結果可比性更一致，使所觀測的沉降量更真實。
3 誤差分析及消除方法
3.1 系統誤差
儀器校正后，還存在i角校正殘余誤差；儀器長期使用或受震動影響，使望遠鏡視準軸與水準管軸不平行，這種誤差屬于系統誤差，誤差大小同儀器與水準尺的距離成正比。這種誤差的控制方法是：將儀器盡量安置在前、后視距離相等的地方，這樣就可以消除或減弱此項誤差的影響。
由于水準尺刻劃不準確，尺長變化、彎曲等影響，水準尺必須經過檢驗才能使用。其中，水準尺的零點誤差的影響最大，控制方法：通過在一個水準測段內，兩根水準尺交替輪換使用，即在本測站用作后視尺，下測站則用為前視尺，并把測段站數目布設成偶數，則在高差中相互抵消。
3.2 觀測誤差
視差影響：在保證觀測人員固定的基礎上，觀測過程中，當存在視差時，尺像不與十字絲平面重合，觀測時眼睛所在的位置不同，讀數也不同。因此，產生讀數誤差。減弱視差的控制方法是：在每次讀數前，要仔細進行物鏡對光，消除視差。
水準尺傾斜影響：水準尺如果向視線的左右傾斜，觀測時可以通過望遠鏡十字絲很容易被察覺并糾正過來。但是，如果水準尺的傾斜方向與視線方向一致，則不容易被察覺。水準尺前后傾斜總是使尺上讀數增大。它對讀數的影響與尺的傾斜角和尺上讀數的大小即視線距地面的高度有關。尺的傾斜角越大，對讀數的影響就越大；尺上讀數越大，對讀數的影響就越大。控制方法：1、在水準測量中，要認真立尺，使尺處于鉛垂位置，尺上有圓水準氣泡的應使氣泡居中。2、可使用搖尺法，即讀數時尺底置于點上，尺的上部在視線方向前后慢慢搖動，讀取最小的讀數。
3.3 外界條件的影響
儀器下沉：儀器下沉是指由于測站處的土質松軟使儀器發生下沉，視線降低，從而使得前視讀數減小，算得的高差增大，引起高差誤差。減弱儀器下沉誤差的影響可以有以下三種方法：
1、采用雙面尺法或變更儀器高法時，第一次是讀后視讀數再讀前視讀數，而第二次則先讀前視讀數再讀后視讀數。即“后、前、前、后”的觀測程序。這樣的兩次高差的平均值即可消除或減弱儀器下沉的影響。 2、盡可能將儀器安置在堅硬的地面處，并將腳架踏實。
3、加快觀測速度，盡量縮短前視讀數與后視讀數間的時間差。
尺墊下沉：如果儀器在搬到下一站尚未讀后視讀數的一段時間內，在轉點發生尺墊下沉，將會使下一站后視讀數增大，算得的高差也增大，從而引起高差誤差。控制尺墊下沉影響的的方法是：
1、將轉點設在比較堅硬的地方。
2、在特殊情況下，轉點要設在土質松軟的地方，則必須放置尺墊，并將其踩實，以防止水準尺在觀測過程中下沉；同時在土質很松軟的地方，踩實后不要立即進行觀測，要等一會兒，防止踏實的土松軟反彈。
溫度影響：溫度會引起儀器的部件漲縮，因此可能引起視準軸的構件（物鏡，十字絲和調焦鏡）相對位置的變化，或者引起視準軸相對與水準管軸位置的變化。光學測量儀器是精密儀器，不大的位移量可能使軸線產生幾秒偏差，從而使測量結果的誤差增大。不均勻的溫度對儀器的性能的影響尤為較大。控制方法：1、盡量選在溫度均勻適宜的情況下測量，觀測時應注意撐傘遮陽。2、在數據處理時要加上溫差改正系數。
觀測基點的影響：觀測基點的影響有以下四個方面：1、如果水準點頂端擱置面不平、粗糙，則每次標尺擱放情況就會不同，導致觀測結果偏差大。2、如果水準點材料的鋼度不夠，則材料容易變形，導致每次觀測時的標準不一樣，導致結果偏差大。3、如果觀測前未校驗水準點，如果出現沉降變化，用變化了的水準點作為觀測依據，結果自然偏差大。4、基準點保護不好，如基準點內有雜物且沒有及時清理，觀測的依據被破壞了，導致觀測結果出現偏差。控制方法：布設專用的水準點，為便于相互檢查、核對，至少應設置3個或3個以上水準點，埋設地點必須穩定，避免受施工機具、車輛碰壓以及雜物影響。為便于觀測，水準點離被測建筑物不宜太遠，一般在50～100m范圍內。為防止冰凍影響，水準點應埋設在冰凍線以下0.5m處，水準點頂部都要蓋保護。
觀測路線的影響：如果沒有合理的觀測路線，將會導致觀測路線、儀器架設位置、觀測距離不同，直接影響了觀測結果的準確性和精度。如果每次的觀測路線隨意，那么隨著測角度的不同，將會產生很大的誤差。控制方法：在實際的沉降觀測測中，建立合理的觀測路線，根據沉降觀測點的埋設要求或圖紙設計的沉降觀測點布置圖，確定沉降觀測點的位置。在控制點與沉降觀測點之間建立固定的觀測路線，并在架設儀器站點與轉點處做好標記樁，保證各觀測均沿統一路線施測。
4 結束語
綜上所述，嚴格按照規范要求，遵循“五定”原則，合理安排觀測線路和觀測時間，就能取得真實的觀測數據。堅持地面沉降觀測與研究，加強地質災害的防治管理，最大限度的控制沉降事故的發生，關系到人民生活質量的提高和經濟建設的可持續發展，利在當代，功在千秋。
[關鍵詞]建（構）筑物 沉降觀測 誤差 精度
中圖分類號：TU196.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）15-0208-02
引言
隨著社會的發展，人均用地的日益減少，人們對高層建筑的需求越來越大，保證高層建筑物正常施工和功能安全的責任刻不容緩。為了保證建（構）筑物的正常使用壽命和建（構）筑物的安全性，并為以后的勘察設計施工提供可靠的資料及相應的沉降參數，建（構）筑物沉降觀測的必要性和重要性愈加明顯。
現行規范也規定，高層建筑物、高聳構筑物、重要古建筑物及連續生產設施基礎、動力設備基礎、滑坡監測等均要進行沉降觀測。
1 建（構）筑物沉降原因、特征及規律
建（構）筑物的沉降原因從其來源主要有建筑物本身和自然條件兩方面的原因。其內部原因就是建筑物本身自重、所受荷載及結構型式等；而其外部原因則包括建筑物所附屬地基的工程地質條件、水文地質條件和周邊建筑環境的復雜影響等。建筑沉降的類型可以分為靜態沉降和動態沉降。靜態沉降是在恒載作用下某一期間內的沉降對時間的函數，它是一種時效變形，其變化是單行下滑的趨勢；動態沉降是在外力影響下產生的沉降，是以外力為函數來表示動態系統對時間的變化，所觀測的是建筑物在某個荷載作用下的瞬時沉降。從沉降機理上分析，瞬時沉降是在加載后瞬時發生的，對于飽和粘性土而言，在短時間內孔隙水來不及排出，沉降是在沒有體積變形下發生的側向擠出，是形狀變形 ，在實際二、三維的變形狀態下，其大小不可忽略。因此，處于瞬時沉降下的地基可以近似看成彈性體，從而施工時在活載作用下這種沉降隨時問的變化是非平穩的，上下有微小波動或呈階梯狀；更重要的是在實測過程中，由于各種誤差的影響也會產生這種現象。綜合分析各方面可知：沉降時程曲線的特征是在沉降期間略有波動的情況下總體呈單行下滑的趨勢，其沉降規律大致是緩慢-活躍-緩慢-穩定的一個發展過程。
2 沉降觀測方法及要求
2.1 觀測時間的要求
建（構）筑物的沉降觀測對時間有嚴格的限制條件，特別是首次觀測必須按時進行，否則沉降觀測得不到原始數據，整個觀測得不到完整的觀測意義。其他各階段的復測，根據工程進展情況必須定時進行，不得漏測或補測。只有這樣，才能得到準確的沉降情況或規律。相鄰的兩次時間間隔稱為一個觀測周期，一般高層建筑物的沉降觀測按一定的時間段為一觀測周期（如：次/30天）或按建筑物的加荷情況每升高一層（或數層）為一觀測周期，無論采取何種方式都必須按施測方案中規定的觀測周期準時進行。
2.2 觀測點的要求
為了能夠反映出建（構）筑物的準確沉降情況，沉降觀測點要埋設在最能反映沉降特征且便于觀測的位置。一般要求建筑物上設置的沉降觀測點縱橫向要對稱，且相鄰點之間間距以15-30米為宜，均勻地分布在建筑物的周圍。通常情況下，建筑物設計圖紙上有專門的沉降觀測點布置圖。另外，埋設的沉降觀測點要符合各施工階段的觀測要求，特別要考慮到裝修裝飾階段因墻或柱飾面施工而破壞或掩蓋住觀測點，不能連續觀測而失去觀測意義。
2.3 遵循“五定”原則
所謂“五定”，即通常所說的沉降觀測依據的基準點、工作基點和被觀測物上的沉降觀測點，點位要穩定；所用儀器、設備要穩定；觀測人員要穩定；觀測時的環境條件基本一致；觀測路線、鏡位、程序和方法要固定。以上措施在客觀上盡量減少觀測誤差的不確定性，保證各次復測結果與首次觀測的結果可比性更一致，使所觀測的沉降量更真實。
3 誤差分析及消除方法
3.1 系統誤差
儀器校正后，還存在i角校正殘余誤差；儀器長期使用或受震動影響，使望遠鏡視準軸與水準管軸不平行，這種誤差屬于系統誤差，誤差大小同儀器與水準尺的距離成正比。這種誤差的控制方法是：將儀器盡量安置在前、后視距離相等的地方，這樣就可以消除或減弱此項誤差的影響。
由于水準尺刻劃不準確，尺長變化、彎曲等影響，水準尺必須經過檢驗才能使用。其中，水準尺的零點誤差的影響最大，控制方法：通過在一個水準測段內，兩根水準尺交替輪換使用，即在本測站用作后視尺，下測站則用為前視尺，并把測段站數目布設成偶數，則在高差中相互抵消。
3.2 觀測誤差
視差影響：在保證觀測人員固定的基礎上，觀測過程中，當存在視差時，尺像不與十字絲平面重合，觀測時眼睛所在的位置不同，讀數也不同。因此，產生讀數誤差。減弱視差的控制方法是：在每次讀數前，要仔細進行物鏡對光，消除視差。
水準尺傾斜影響：水準尺如果向視線的左右傾斜，觀測時可以通過望遠鏡十字絲很容易被察覺并糾正過來。但是，如果水準尺的傾斜方向與視線方向一致，則不容易被察覺。水準尺前后傾斜總是使尺上讀數增大。它對讀數的影響與尺的傾斜角和尺上讀數的大小即視線距地面的高度有關。尺的傾斜角越大，對讀數的影響就越大；尺上讀數越大，對讀數的影響就越大。控制方法：1、在水準測量中，要認真立尺，使尺處于鉛垂位置，尺上有圓水準氣泡的應使氣泡居中。2、可使用搖尺法，即讀數時尺底置于點上，尺的上部在視線方向前后慢慢搖動，讀取最小的讀數。
3.3 外界條件的影響
儀器下沉：儀器下沉是指由于測站處的土質松軟使儀器發生下沉，視線降低，從而使得前視讀數減小，算得的高差增大，引起高差誤差。減弱儀器下沉誤差的影響可以有以下三種方法：
1、采用雙面尺法或變更儀器高法時，第一次是讀后視讀數再讀前視讀數，而第二次則先讀前視讀數再讀后視讀數。即“后、前、前、后”的觀測程序。這樣的兩次高差的平均值即可消除或減弱儀器下沉的影響。 2、盡可能將儀器安置在堅硬的地面處，并將腳架踏實。
3、加快觀測速度，盡量縮短前視讀數與后視讀數間的時間差。
尺墊下沉：如果儀器在搬到下一站尚未讀后視讀數的一段時間內，在轉點發生尺墊下沉，將會使下一站后視讀數增大，算得的高差也增大，從而引起高差誤差。控制尺墊下沉影響的的方法是：
1、將轉點設在比較堅硬的地方。
2、在特殊情況下，轉點要設在土質松軟的地方，則必須放置尺墊，并將其踩實，以防止水準尺在觀測過程中下沉；同時在土質很松軟的地方，踩實后不要立即進行觀測，要等一會兒，防止踏實的土松軟反彈。
溫度影響：溫度會引起儀器的部件漲縮，因此可能引起視準軸的構件（物鏡，十字絲和調焦鏡）相對位置的變化，或者引起視準軸相對與水準管軸位置的變化。光學測量儀器是精密儀器，不大的位移量可能使軸線產生幾秒偏差，從而使測量結果的誤差增大。不均勻的溫度對儀器的性能的影響尤為較大。控制方法：1、盡量選在溫度均勻適宜的情況下測量，觀測時應注意撐傘遮陽。2、在數據處理時要加上溫差改正系數。
觀測基點的影響：觀測基點的影響有以下四個方面：1、如果水準點頂端擱置面不平、粗糙，則每次標尺擱放情況就會不同，導致觀測結果偏差大。2、如果水準點材料的鋼度不夠，則材料容易變形，導致每次觀測時的標準不一樣，導致結果偏差大。3、如果觀測前未校驗水準點，如果出現沉降變化，用變化了的水準點作為觀測依據，結果自然偏差大。4、基準點保護不好，如基準點內有雜物且沒有及時清理，觀測的依據被破壞了，導致觀測結果出現偏差。控制方法：布設專用的水準點，為便于相互檢查、核對，至少應設置3個或3個以上水準點，埋設地點必須穩定，避免受施工機具、車輛碰壓以及雜物影響。為便于觀測，水準點離被測建筑物不宜太遠，一般在50～100m范圍內。為防止冰凍影響，水準點應埋設在冰凍線以下0.5m處，水準點頂部都要蓋保護。
觀測路線的影響：如果沒有合理的觀測路線，將會導致觀測路線、儀器架設位置、觀測距離不同，直接影響了觀測結果的準確性和精度。如果每次的觀測路線隨意，那么隨著測角度的不同，將會產生很大的誤差。控制方法：在實際的沉降觀測測中，建立合理的觀測路線，根據沉降觀測點的埋設要求或圖紙設計的沉降觀測點布置圖，確定沉降觀測點的位置。在控制點與沉降觀測點之間建立固定的觀測路線，并在架設儀器站點與轉點處做好標記樁，保證各觀測均沿統一路線施測。
4 結束語
綜上所述，嚴格按照規范要求，遵循“五定”原則，合理安排觀測線路和觀測時間，就能取得真實的觀測數據。堅持地面沉降觀測與研究，加強地質災害的防治管理，最大限度的控制沉降事故的發生，關系到人民生活質量的提高和經濟建設的可持續發展，利在當代，功在千秋。
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：鞏經理
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