地基基礎沉降觀測方法綜述

摘要：通過對地基基礎的沉降觀測可及時掌握沉降大小及其變化規律，很多工程均設置了沉降觀測。不同的觀測方法適用的工程條件不同，本文對目前常用的表層沉降、深層沉降和斷面沉降觀測方法進行了全面的總結.

關鍵詞：地基基礎沉降;表層沉降;深層沉降;斷面沉降

一、前言

地基在建筑物荷載作用下都會產生沉降，如果地基沉降，尤其是差異沉降，超出建筑物允許范圍，輕則影響建筑物的正常使用，重則導致房屋開裂傾斜、路基沉陷、堤壩坍塌等。為了及時了解地基在建筑物荷載作用下的沉降以及沉降變化趨勢，以便提前采取有效措施，防止事故的發生，很多工程都需要設置沉降觀測。如果工程建在軟土地基上，則要進行預壓加固來消除地基沉降，加固過程中也必須進行沉降觀測，以便及時分析地基的加固程度，確定是否達到設計要求再進行卸載。一些現場試驗，如靜載試樁、復合地基載荷試驗等，也需要獲得沉降觀測結果，才能根據曲線確定承載力。通過沉降觀測可積累經驗資料，反算地基變形參數，為今后的工程設計計算提供依據。

沉降觀測按部位可分為表層沉降觀測、深層（分層）沉降觀測和斷面沉降觀測。經過多年的發展，沉降觀測方法不斷完善，觀測儀器類型也越來越多，但不同的觀測方法和觀測儀器適用于不同的工程地質條件。為了便于交流，本文對現行沉降觀測方法及儀器進行總結，以供參考。

二、表層沉降觀測

很多工程只要求觀測地基表層沉降或建筑物在地表以上某點的沉降，這些沉降統稱為表層沉降。表層沉降觀測方法按觀測手段不同可分為多種：

1、幾何水準觀測

對于實測沉降范圍很小、觀測精度要求較高的試驗工程，例如靜力試樁、地基載荷試驗等，一般采用架設觀測粱，利用百分表直接進行沉降觀測，精度可達0.01mm。

對于視野開闊、測量精度要求不高的建筑物地基沉降，如軟基加固、公路路基、橋墩等，可以采用設置臨時基準點，利用水準儀進行觀測，觀測精度為±1.0mm。

對于一些難以采用水準儀進行觀測且對沉降精度要求較低的海上工程，可以采用GPS全球定位系統進行沉降觀測。測量精度受天氣影響較大，如在相同天氣情況下進行觀測，精度可控制在±5cm范圍內，然后采用曲線擬合法消除沉降的正常波動。

2、靜力水準觀測

即利用連通器水平面相同的原理進行沉降觀測的方法，按觀測手段的不同可分為傳統法和改進法。

①傳統法

傳統的靜力水準觀測一般有以下3種：

目視法靜力水準裝置。通過讀取兩點的液面刻度值，取得測點高程的變化再計算沉降，觀測精度可達到±1mm;

接觸法靜力水準裝置。儀器掛在觀測點上，接通電源，按指揮鈕，測針向下移至水面自動停止，即可讀取液面高程，再計算沉降，精度可達到±0.1mm;

接觸法組合式靜力水準遙測裝置。按測高儀自動加水，水面超過溢水口后

停止加水，依次接通各測點的線路，由測高儀讀取各測點靜止水面高程，即可進行多點沉降觀測，精度可達到±0.1mm。傳統的靜力水準觀測方法原理簡單、淺顯易懂，用于室內試驗觀測比較容易，用于實際工程觀測時，由于現場條件復雜、天氣變化異常，實際操作比較困難，一般較少使用。

②改進法

為了能使靜力水準觀測法方便地應用于實際工程沉降觀測，目前已有3種改進的做法，一種是在連通器中安裝帶有弦式傳感器的圓柱狀浮筒。測點沉降會引起容器內液面明顯的升高與降低，液面的變化將改變懸掛鋼弦的張力和共振頻率，通過測得的頻率差即可推算出測點的沉降。

隨著高精度壓力傳感器研制成功并投入使用，另一種改進的做法是采用大量程、高精度的振弦式壓力傳感器測量測點相對基準液面的液體壓強的變化，從而得出測點的垂直沉降量。如美國基康生產的NA-S1型多點異高靜力水準系統。

該方法具有長期穩定性好、測點可隨意增減、數據可遙控或自測等特點，觀測精度可達±1mm。廣泛地應用于水電站、大壩等大型建筑物的沉降觀測。

除了采用壓力傳感器外，還有采用孔隙水壓力傳感器觀測防波堤沉降的。如海南三亞某防波堤沉降觀測，測點處的水深達30～34m，沉降是根據測點前后兩次水壓力變化推算的;又如某港北大防波堤沉降是通過采用孔隙水壓力傳感器觀測堤下海底面與堤外不動點之間的壓力差推算的。

3、不動桿法

目前采用該法進行土體深層（分層）沉降觀測的只有滑動電阻式分層沉降儀，其原理與表層沉降類似，即在觀測點位置鉆孔埋入剛度較大的不動桿，桿下端插入硬層（gt;40mm），上端引出地面，所不同的是將沉降儀直接下放到鉆孔預定高程，然后通過油壓裝置打開爪子伸入土中，以保證沉降儀與土同步沉降。

當觀測點附近設置參考點比較困難時，沉降可采用埋入不動桿法進行觀測。該方法是在觀測點位置鉆孔，埋入帶套管的不動桿，桿下端插入硬層（N大于40），上端引出地面（或海底面），沉降盤及測量裝置套在不動桿上，沉降盤與不動桿的垂直位移即為沉降盤處的沉降，垂直變位通過測量裝置進行觀測。根據沉降測量方法的不同，又有目測法、滑動電阻式和磁感應式。

①目測法

在不動桿上做好標尺，直接讀出沉降盤與標尺之間的相對垂直位移。該法精度可達±1mm，適合于陸上回填、堆載預壓等引起的地基表層沉降。

②滑動電阻式

該測量裝置是將不動桿與沉降盤的機械變位轉換成電阻值，通過導線引出進行觀測，精度可達到±0.1mm。不同型號的沉降儀量程不同，選型時應估計可能出現的最大沉降。

③磁感應式

該測量裝置是將不動桿與沉降盤的機械變位轉換成磁編碼，通過導線引出進行觀測，精度可達到±1.0mm。

三、深層（分層）沉降觀測

為了準確掌握地基各土層在上部荷載作用下的變形特性以及相臨建筑物荷載對地基各土層的影響，有時需要對土體深層（分層）沉降進行觀測。土體深層（分層）沉降有6種觀測方法：

1、深標點水準儀

深標點水準儀有兩種做法，一種是采用鉆機在預定位置上鉆孔，孔內放置帶有小沉降盤的測桿，用套管保護引出地面，在地面上用水準儀進行觀測，測量精度可達土1.0mm;另一種是采用鉆機在預定位置上鉆孔，鉆孔內加護管保護，防止塌陷，孔底壓人磁錘式回彈標，觀測時用毫米刻度的專用鋼尺由磁鐵吸住孔底回彈標，引出地面用水準儀進行觀測。

深標點水準儀適合于硬土層，但一個鉆孔只能布置一個深標點，若干個測點則需要若干個鉆孔，如果是軟基，一般采用磁環式沉降儀。

2、磁環式沉降儀

磁環式沉降儀由磁環、導管、測頭三部分組成。根據測點高程將磁環連同爪子一起套在導管相應的位置上，鉆孔至預定高程再沉放導管，然后打開爪子以保證磁環與土體同步變形。測孔做好后用帶有長度標記的測頭進行觀測，觀測精度可達12mm。

前采用的導管有兩種，一種是可壓縮軟管，直徑為20mm左右，土層沉降時軟管被壓縮，磁環連同軟管一起沉降;另一種是硬管，直徑為40mm左右，磁環與爪子固定在一起但可以在管上自由滑動。磁環式沉降儀的另一種改進的做法是采用鐵環代替磁環，相應的是將原來的鐵測頭改成磁測頭，可以降低一些成本。

分層沉降觀測點應沿鉛垂線方向在各層土內布設。點數與深度應根據分層分布情況確定，原則上每一土層設一點，最淺的點位應在基礎底下，最深的點位應在超過壓縮層理論厚度處，或在壓縮性低的礫石或巖石層上。分層沉降儀由分層沉降管、磁環、波紋管和沉降儀組成。

3、不動桿法

目前采用該法進行土體深層（分層）沉降觀測的只有滑動電阻式分層沉降儀，其原理與表層沉降類似，即在觀測點位置鉆孔埋人剛度較大的不動桿，桿下端插入硬層（N大于40），上端引出地面（或海底面），所不同的是將沉降儀直接下放到鉆孔預定高程，然后通過油壓裝置打開爪子伸人土中，以保證沉降儀與土同步沉降。

4、鉆探法一鉆芯實測法

根據采用的鉆探設備等，估算利用鉆探法觀測基沉降的誤差約為±20mm以內。

其優點：數據能直觀地反應出沉降值;節省了很多中間過程的工作量;根據鉆芯取樣還可反應出層間填筑情況。缺點是鉆點量大，費用較高。

5、深標點水準儀

深標點水準儀有兩種做法，一種是采用鉆機在預定位置上鉆孔，孔內放置帶有小沉降盤的測桿，用套管保護引出地面，在地面上用水準儀進行觀測，測量精度可達±l.0mm;另一種是采用鉆機在預定位置上鉆孔，鉆孔內加護管保護，防止塌陷，孔底壓人磁錘式回彈標，觀測時用毫米刻度的專用鋼尺由磁鐵吸住孔底回彈標，引出地面用水準儀進行觀測。深標點水準儀適合于硬土層，但一個鉆孔只能布置一個深標點，若干個測點則需要若干個鉆孔，如果是軟基，一般采用磁環式沉降儀。

6、串聯分層沉降計

對于軟土地基采用串聯分層沉降計精準測量不同地質層面的沉降，測量精度可以達±1mm，對于深厚軟基工程可配合連通液位精密沉降計使用，聯合測量深厚軟基的沉降值。對于一般土質地基采用單點沉降計測量地基沉降。

四、斷面沉降測量

一些工程如公路路基、導堤等需要進行沿寬度范圍內的斷面沉降觀測。這類觀測按測點施測方式分為活動式和固定式兩種。

1、固定式

海上工程如防波堤斷面，沉降觀測點在水下，很難采用活動式沉降儀進行觀測，這時需要沿斷面布置若干個測點，利用不動桿法進行各點沉降觀測，各點沉降的連線即可得到斷面沉降。一種埋設定點測斜儀觀測斷面沉降，可有效地解決該問題。

當沉降觀測點在水下，很難采用活動式沉降儀進行觀測，這時需要沿斷面布置若干個測點，利用不動桿法進行各點沉降觀測，各點沉降的連線即可得到斷面沉降，而施工過程中很容易將不動桿碰歪或撞壞。可采用以下方法解決此類問題：

①埋設定點測斜儀觀測斷面沉降。其原理是通過一種轉換裝置，利用測斜儀觀測沉降引起的斷面斜率變化，根據測斜儀測得的各點斜率，從斷面坡腳處理論零點開始，逐段推算沉降增量測點越多，沉降精度越高。

②地基剖面沉降可在路堤施工之前，沿路基橫斷面方向鉆孔埋設多個單點沉降計，組成剖面沉降系統測量;也可以采用連通液位精密沉降計測量。

2、活動式

沿斷面埋設軟管，采用靜力水準法利用單點沉降探頭在軟管內的移動進行斷面沉降觀測。典活動式沉降儀適用于公路路基斷面的沉降觀測。

①剖面沉降儀，由沉降管和二次測試儀器組成。沉降管為一般的PVC管，二次測試儀器由探頭、注水管、注水架組成。其測試優點：一是能夠測定任意一點的沉降值，甚至可以測試整個剖面的連續沉降曲線，配置自動記錄儀即可實現;二是測試成本低。其缺點：一是精度比較低（大到厘米級的誤差），若要提高精度，必須根據待測沉降的大小范圍，配置若干不同靈敏度的探頭，這將大大增加儀器的造價;另一缺點是測試操作比較復雜，整個系統攜帶不便，須由機械協助運輸，測試時需取水和注水。

②水平測斜儀，與剖面沉降儀相似，由沉降管和二次測試儀器組成。不同的是無需注水系統，其沉降管是特制的PVC管。

其測試優點：精度高;操作方便;可得到整個剖面的沉降曲線，測點間距最小為0.5m;儀器一次性投資與剖面沉降儀接近。水平測斜儀的缺點主要是特制的PVC造價比較高，每米25元左右，約為普通PVC管的4倍。

五、其他方法

對于實測沉降范圍很小、觀測精度要求較高的試驗工程，例如地基載荷試驗，一般采用架設觀測梁，利用百分表直接進行沉降觀測，精度可達0.01mm。對于視野開闊、測量精度要求不高的地基沉降，如軟基加固、公路路基、橋墩等，可以采用設置臨時基準點，利用水準儀進行觀測，觀測精度為±1.0mm對于一些難以采用水準儀進行觀測且對沉降精度要求較低的海上工程，可以采用GPS全球定位系統進行沉降觀測。測量精度受天氣影響較大，如在相同天氣情況下進行觀測，精度可控制在±5cm范圍內，然后采用曲線擬合法消除沉降的正常波動。

六、結束語

1、應根據工程環境條件、地質條件的不同，選用不同的觀測方法和觀測儀器。從實際使用情況分析，許多觀測設備可以改進其安裝方法來提高其精度。

2、從實際使用情況分析，磁環式沉降儀采用的爪子在軟土中效果尚可，在硬土中效果欠佳，日本滑動電阻式沉降儀油壓裝置將爪子打開插入土中，效果很好，值得國內廠家借鑒。

3、隨著沉降觀測研究的深入，新的儀器設備和精密度高的觀測設備的出現，在提高了路基沉降觀測的精度同時使得沉降觀測的工作量大為減少，也降低了沉降觀測的費用。國外的沉降觀測儀器使用靈活方便，精度較高，但造價昂貴，一般工程難以接受，國內儀器生產廠家應盡可能研制造價低廉但性能基本相盡的觀測儀器。

4、隨著鐵路、公路建設標準的提高，對路基的工后沉降要求越來越嚴，（高速鐵路）最小工后沉降僅為20mm。并且由于沉降的監測施工干擾大、要求精度高、監測的時間長、資料的整理難等特點，傳統的方法很難對路基進行沉降的評估。為了確保達到施工要求，沉降觀測方法還有待進一步改善。

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