基于水準測量的建筑物沉降觀測研究與運用

郭新艷，孫立祺，丁濤

（1.西安高壓電器研究院有限責任公司，陜西 西安 710077；2.西安體育中心控股有限公司，陜西 西安 710026；3.西安高壓電器研究院有限責任公司，陜西 西安 710077）

1 引言

建筑物的安全和正常使用，不僅取決于上部結構的安全儲備，更重要的是地基基礎有一定的安全度。地基基礎是隱蔽工程，在荷載或其他因素的作用下，地基會發生變形影響建筑物正常使用，變形過大時還可能危害到建筑結構安全。因此，建筑物的地基不僅應滿足結構承載力要求，還應滿足地基變形要求[1]。在建筑物的變形觀測中，沉降觀測被廣泛應用[2]。

隨著我國工業與民用建筑的快速發展，各種大型而復雜的建筑物日益增多，為了保證建筑物結構安全和正常使用，并為以后的設計施工提供可靠資料及相應沉降觀測參數，建筑物沉降觀測的必要性和重要性日益突出。

2 沉降觀測方法

在荷載作用下，建筑物基底地基土主要由于壓縮而引起豎直方向的位移稱為沉降。在建筑物施工期間和使用期間應進行沉降觀測，以便能夠及時反映出建筑物沉降變化情況，即絕對沉降量的大小，沉降與時間的關系等。依據沉降觀測數據，分析沉降的合理性，為建筑物的整體穩定性和安全性提供數據支撐。

沉降觀測方法一般有：水準測量方法、靜力水準測量方法、三角高程測量方法、激光測量方法等[3]。水準測量方法易于操作、數據準確，被廣泛使用。

2.1 “五定”原則

沉降觀測依據的基準點、工作基點和被觀測物的沉降觀測點要穩定；所用儀器、設備要固定且性能要穩定；觀測人員要盡量固定；觀測時的環境條件應大體一致；觀測路線、鏡位、程序和方法要固定。遵守以上原則，在客觀上能盡量減少不確定性的觀測誤差，從而保證了觀測結果的準確性，使各次觀測結果與首次觀測的結果相比更有可比性，所觀測的沉降量更加可靠[4]。

2.2 布設原則

基準點、工作基點、觀測點為沉降觀測“三要素”，其布設分別遵循以下原則。

2.2.1 基準點布設原則

基準點是沉降觀測起始測量控制的基準。為保證觀測數值的可靠性，其布置必須滿足穩固不變、永久保存的要求，應選擇遠離施工區域并定期進行復測，一般布設不應少于3個點位。其中施工過程中宜1～2月復測，使用過程中宜每半年復測一次。基準點應采用獨立高程基準，各基準點之間應形成閉合環。

2.2.2 工作基點布設原則

工作基點是為直接觀測變形點而在現場布設的相對穩定的測量控制點，該點受現場環境影響。

2.2.3 觀測點布設原則

觀測點是反應建筑物局部或者整體沉降特點的測量點，布設時應有良好的通視條件。不同結構形式的建筑物對地基施加的壓力不一樣，進而產生的沉降也不同，因此觀測點應布設在受力體上。形狀規則的，宜布設在建筑物四周的角點、轉角處、中點；形狀不規則的，應根據建筑物受力特征適當調整觀測點位置。

從建筑物開始施工到建成使用，隨著建筑物層數的不斷增加，荷載也相應增加，在地基基礎和上部結構共同作用下，建筑物會發生不均勻沉降。因此當荷載不斷增加時，觀測點的數量也應作相應的增加。

2.3 工程實例

工程概況：該工程為一幢實驗樓，建筑面積7007m2,長度56m，寬度36m，結構類型為框架結構，地基采用獨立柱基礎。該工程嚴格按照國家二等水準測量要求進行觀測，采用幾何水準測量方法，水準觀測限差[5]見表 1。

技術依據：依據以下行業規范《建筑變形測量規程 》（JGJ/T8-2007）、《工程測量規范》（GB50026-2007）、《國家一、二等水準測量規范》（GB12897-2006）。

設備選擇：采用Trimble DiNiO3精密電子水準儀及配套銦鋼條碼尺。

數字水準儀觀測限差（mm） 表1

①基準點。根據本工程現場情況，在沉降觀測開始之前，在遠離建筑物施工區域并用混凝土標石布設了3個基準點，其編號分別為JZ1、JZ2、JZ3。定期對基準點進行復測，檢查基準點高程變化，判定基準點的穩定性。3個基準點與若干沉降觀測點構成閉合水準線路形成基準網。基準網采用獨立高程系統。

②工作基點。當基準點與建筑物距離較遠時，一般在建筑物附近選取現場通視條件較好處布設工作基點。因本工程觀測項目較少，基準點直接作為工作基點。

③沉降觀測點。本工程在建筑物主體四角設置4個沉降觀測點，編號分別為 GC1、GC2、GC3、GC4，均采用外露式。

④觀測周期：主體施工期間每2周觀測一次，主體結構封頂后第一年每3個月觀測1次，主體結構封頂后第二年每半年觀測1次，共計觀測次數12次。

⑤數據處理及分析。在沉降觀測期間，對基準點JZ1、JZ2、JZ3進行了11次復測。結果顯示，3個基準點高差變化均在-0.80mm`0.94mm之間，基準點較為穩定，滿足規范設計要求。根據現場實際情況，選用JZ3做為本工程沉降觀測的基準起算點。

每次沉降觀測結束后，采用沉降觀測處理軟件及時統計、處理觀測數據，并計算沉降量及沉降速率，分析建筑物沉降趨勢和規律，并判定沉降是否滿足規范要求。本工程沉降觀測成果見表2。

以累計沉降量（mm）為縱軸，時間觀測次數（次）為橫軸，組成直角坐標系。以每次累積沉降量為縱坐標，以觀測時間次數為橫坐標，標出沉降觀測點位置并用曲線將各點連接起來，繪制出了時間與沉降量關系曲線。沉降曲線圖見圖1。

圖1 沉降曲線圖（mm-t）

2.4 數據處理與分析

根據圖1和表2分析，可以得出以下結論：

整個沉降觀測期1000天內，建筑物最大沉降量為 -8.14mm（JC2），最小沉降量為 -4.18mm（JC1），最大差異沉降量為3.96mm。

主體工程竣工前，最大沉降量為-2.05mm（JC2），最小沉降量為-1.00mm（JC4），平均沉降量為-1.65mm，平均日沉降量為0.0149mm。

建筑物沉降觀測成果表 表2

主體工程竣工第一年，最大沉降量為-4.26mm（JC2），最小沉降量為 -1.41mm（JC1），平均沉降量為-3.21mm，平均日沉降量為0.0074mm。

主體工程竣工第二年上半年，最大沉降量為-1.86mm（JC4），最小沉降量為 -0.08mm（JC3），平均沉降量為-1.18mm，平均日沉降量為0.0053mm。

主體工程竣工第二年下半年，最大沉降量為-0.7mm（JC2），最小沉降量為 0.55mm（JC1），平均沉降量為-0.07mm，平均日沉降量為0.0003mm。

在施工期間和使用期間，該實驗樓總沉降量不大，沉降較均勻，無異常沉降現象，日沉降量小于0.02mm，滿足相關規范要求。

3 減輕不均勻沉降危害的有效措施

建筑設計方面，對于濕陷性黃土等不良地基，設計時可采用深基礎形式，在提高了地基承載力同時減少地基總沉降量；軟弱地基上的建筑物，體型設計宜簡單，合理控制長高比，并適當增設沉降縫，可有效增強建筑物整體剛度。

結構設計方面，建筑物結構選型時應充分考慮不均勻沉降因素，并采取一定防范措施；軟弱地基上的建筑物，可通過減輕自重有效控制沉降。

施工工藝方面，遵照先建重（高）建筑，后建輕（低）建筑的程序，合理安排工序；基坑開挖應盡可能減少對原土層的擾動。

4 結語

①沉降觀測在建筑物變形觀測中起著非常重要的作用，在建筑物施工期間和使用期間進行沉降觀測具有重要指導意義。通過對沉降數據的分析與預測，能夠及時發現建筑物不均勻沉降現象，積極采取應對措施，保證了施工的安全性和建筑物使用的穩定性。

②沉降觀測不僅能觀測建筑物沉降發展的趨勢并預估最終沉降量，以便及時進行加固和處理，同時也可以驗證地基基礎設計計算的正確性，用于完善設計規范。

③水準測量方法操作相對簡單，數據相對準確。但基準點、觀測點的穩定性直接影響到測量數據的精確度，導致沉降曲線的突變。為減少誤差，專業技術人員需要根據測量經驗并結合實測數據，對沉降曲線進行修正。