建筑工程地基沉降檢測(cè)與分析

代韜

武漢九通交通工程檢測(cè)有限公司 湖北 武漢 430300

1 引言

地基沉降問(wèn)題一直以來(lái)都是建筑工程領(lǐng)域中備受關(guān)注的重要課題。在城市化進(jìn)程不斷加速的背景下，地基沉降對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全和可靠性提出了更高的要求。因此，如何準(zhǔn)確、及時(shí)地監(jiān)測(cè)和分析地基沉降成為了工程師和研究人員亟需解決的問(wèn)題。地基沉降可能由多種因素引起，包括土壤的壓縮性、地下水位的變化以及建筑物荷載的作用，而對(duì)這些因素的監(jiān)測(cè)和分析將有助于預(yù)測(cè)和管理地基沉降的風(fēng)險(xiǎn)。本文旨在探討地基沉降的檢測(cè)與分析方法，包括傳統(tǒng)方法和先進(jìn)技術(shù)，以及數(shù)值模擬分析和統(tǒng)計(jì)分析方法。

2 地基沉降的定義與影響因素

2.1 地基沉降的定義

地基沉降對(duì)建筑工程具有重要的影響，可能導(dǎo)致建筑物的損壞和安全問(wèn)題。它是指地面或土壤層在一定時(shí)間內(nèi)下沉或壓縮的現(xiàn)象，通常以垂直方向的位移或變形來(lái)衡量。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是多因素相互作用的結(jié)果，包括地質(zhì)、人為工程活動(dòng)、氣象和水文條件等[1]。地基沉降是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，可能在建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施上產(chǎn)生不均勻的沉降，對(duì)結(jié)構(gòu)和安全性構(gòu)成威脅。地基沉降可進(jìn)一步分為短期和長(zhǎng)期沉降，短期沉降通常由短期內(nèi)的荷載變化引起，如建筑施工或裝載。而長(zhǎng)期沉降則是在更長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)逐漸發(fā)生，通常與地下水位、土壤壓縮性以及地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)。此外，根據(jù)引發(fā)原因，地基沉降可分為自然和人為沉降。自然沉降通常與土壤內(nèi)部的物理和化學(xué)過(guò)程有關(guān)，例如土壤壓實(shí)、水分排除和鹽度變化。而人為沉降則是由工程活動(dòng)引發(fā)，如地下挖掘、地鐵建設(shè)和地下儲(chǔ)氣等。

2.2 影響地基沉降的因素

地基沉降是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受多種因素的相互作用影響，不同地質(zhì)條件導(dǎo)致不同地區(qū)的地基沉降情況不同，軟土地區(qū)易發(fā)生較大沉降，硬巖地區(qū)沉降較小。人為工程活動(dòng)如施工、挖掘、水庫(kù)蓄水會(huì)改變土壤壓力分布，引發(fā)沉降。地下水位的變化影響土壤體積，降低水位導(dǎo)致土壤干縮，升高水位可減輕沉降。氣象條件如氣候變化、極端降水可改變土壤含水量，影響沉降速率。地下生態(tài)系統(tǒng)的生物活動(dòng)如樹(shù)根生長(zhǎng)和分解會(huì)改變土壤性質(zhì)。地震可引發(fā)地震液化，使土壤失去支撐力導(dǎo)致沉降。

圖1 地基沉降相關(guān)因素

3 地基沉降的檢測(cè)方法

圖2 建筑工程地基沉降檢測(cè)分析技術(shù)

3.1 傳統(tǒng)檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的地基沉降檢測(cè)方法通常依賴于測(cè)量技術(shù)和儀器，用于監(jiān)測(cè)地基的垂直位移或變形。這些方法在工程領(lǐng)域廣泛使用，提供了可靠的數(shù)據(jù)用于評(píng)估地基的穩(wěn)定性和安全性。基準(zhǔn)測(cè)量法是一種經(jīng)典的地基沉降監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)測(cè)量建筑物的特定點(diǎn)相對(duì)于參考基準(zhǔn)的垂直位移來(lái)評(píng)估地基的沉降情況。通常使用水平標(biāo)志物（benchmark）或穩(wěn)定建筑物的部分結(jié)構(gòu)作為參考基準(zhǔn)。這些標(biāo)志物或結(jié)構(gòu)通常位于地基不受影響的區(qū)域，作為穩(wěn)定的參考點(diǎn)。測(cè)量過(guò)程中使用水準(zhǔn)儀或經(jīng)緯儀等儀器，測(cè)量參考基準(zhǔn)和被測(cè)點(diǎn)之間的高差變化。這些高差的變化表示了地基的沉降情況。基準(zhǔn)測(cè)量法提供了高度準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但需要定期測(cè)量以追蹤地基沉降的時(shí)間變化。

水準(zhǔn)測(cè)量法是一種廣泛用于地基沉降監(jiān)測(cè)的方法，它通過(guò)使用水準(zhǔn)儀來(lái)測(cè)量建筑物或地表上的高程變化[3]。在測(cè)量過(guò)程中，專業(yè)測(cè)量員會(huì)在建筑物的不同位置進(jìn)行高程測(cè)量，然后將這些測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，以檢測(cè)地基的沉降情況。水準(zhǔn)測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)在于其高精度和可靠性。它適用于各種類型的建筑物和地基，并且可以提供詳細(xì)的高程數(shù)據(jù)，以便及時(shí)識(shí)別任何沉降問(wèn)題。然而，它通常需要專業(yè)測(cè)量團(tuán)隊(duì)和昂貴的儀器，因此在一些情況下可能不太經(jīng)濟(jì)。

全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量法是一種現(xiàn)代化的地基沉降監(jiān)測(cè)方法，它利用衛(wèi)星信號(hào)來(lái)測(cè)量建筑物或地表上的位置變化。GPS接收器被安裝在建筑物的不同位置，然后通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)確定這些位置的坐標(biāo)。GPS測(cè)量法具有高精度和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)。它能夠提供連續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)到中央監(jiān)測(cè)站。這使得在監(jiān)測(cè)地基沉降時(shí)能夠迅速檢測(cè)到任何異常情況，從而采取及時(shí)的措施[4]。

3.2 先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)

在建筑工程中，地基沉降的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和分析是至關(guān)重要的，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到建筑物的結(jié)構(gòu)安全和可靠性。隨著科技的不斷發(fā)展，先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)逐漸應(yīng)用于地基沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，為工程師和研究人員提供了更精確、高效和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

遙感技術(shù)是一種通過(guò)衛(wèi)星或飛機(jī)等遙感平臺(tái)獲取地表信息的方法。在地基沉降監(jiān)測(cè)中，遙感技術(shù)可以用于獲取建筑物周圍地區(qū)的影像數(shù)據(jù)，然后通過(guò)比較不同時(shí)間點(diǎn)的影像來(lái)檢測(cè)地基沉降。遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其覆蓋范圍廣，可以監(jiān)測(cè)大面積的地基沉降情況。此外，遙感技術(shù)還可以提供高分辨率的影像數(shù)據(jù)，用于分析地表的微小變化。它尤其適用于監(jiān)測(cè)擁有大量建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的城市區(qū)域的地基沉降。

激光掃描技術(shù)，也稱為激光雷達(dá)技術(shù)，是一種通過(guò)發(fā)送激光脈沖并測(cè)量其返回時(shí)間來(lái)獲取地表或建筑物表面的三維信息的技術(shù)。在地基沉降監(jiān)測(cè)中，激光掃描技術(shù)可以用于創(chuàng)建建筑物的三維模型，并比較不同時(shí)間點(diǎn)的模型以檢測(cè)地基沉降[5]。激光掃描技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其高精度和非接觸性。它可以提供非常詳細(xì)的地表或建筑物表面信息，使監(jiān)測(cè)人員能夠準(zhǔn)確測(cè)量地基沉降的變化，激光掃描技術(shù)還可以在復(fù)雜地形和建筑物結(jié)構(gòu)下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為地基沉降監(jiān)測(cè)的有力工具。無(wú)人機(jī)可以搭載各種傳感器，包括攝像頭、LiDAR（激光雷達(dá)）、熱紅外傳感器等，用于獲取建筑物和地表的影像和數(shù)據(jù)。通過(guò)無(wú)人機(jī)，監(jiān)測(cè)人員可以實(shí)時(shí)獲取高分辨率的地表信息，以檢測(cè)地基沉降。無(wú)人機(jī)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其靈活性和低成本。無(wú)人機(jī)可以在不同時(shí)間點(diǎn)和地點(diǎn)進(jìn)行飛行，捕捉建筑物和地區(qū)的數(shù)據(jù)，使監(jiān)測(cè)更加靈活和便捷。

4 地基沉降的分析技術(shù)

4.1 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬分析在地基沉降的研究和工程應(yīng)用中扮演著關(guān)鍵角色。它是一種基于數(shù)學(xué)模型的方法，用于模擬和分析地基沉降過(guò)程，以預(yù)測(cè)沉降的幅度和時(shí)間變化。

有限元分析用于模擬和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)和地基的變形和應(yīng)力分布。在地基沉降研究中，有限元分析被用來(lái)模擬地基和建筑物之間的相互作用，以便評(píng)估沉降對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在有限元分析中，建筑物和地基被離散成小的有限元單元，然后根據(jù)土壤的彈性和地基結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來(lái)建立數(shù)學(xué)模型[6]。這些模型可以考慮各種因素，包括土壤的壓縮性、建筑物的荷載分布和地下水位的變化。通過(guò)計(jì)算這些有限元單元之間的相互作用，可以得出地基沉降的模擬結(jié)果。有限元分析的優(yōu)勢(shì)在于其能夠提供復(fù)雜地基和結(jié)構(gòu)交互作用的詳細(xì)模擬。它可以幫助工程師更好地理解地基沉降的機(jī)制，并預(yù)測(cè)潛在的問(wèn)題。然而，有限元分析需要大量的計(jì)算資源和專業(yè)知識(shí)，因此在實(shí)際應(yīng)用中可能需要高度專業(yè)化的團(tuán)隊(duì)。

數(shù)值地質(zhì)模型是一種用于模擬地下地質(zhì)條件和土壤性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。在地基沉降研究中，數(shù)值地質(zhì)模型被用來(lái)模擬不同地質(zhì)條件下地基的沉降行為。這些模型基于實(shí)際的地質(zhì)數(shù)據(jù)和場(chǎng)地調(diào)查，以建立土壤層次和性質(zhì)的數(shù)學(xué)表示。數(shù)值地質(zhì)模型通常使用差分方程或有限元法來(lái)模擬土壤的物理過(guò)程，如壓縮、滲透和變形。通過(guò)在模型中引入地下水流、土壤性質(zhì)和荷載分布等因素，可以預(yù)測(cè)地基沉降的發(fā)展趨勢(shì)和程度。數(shù)值地質(zhì)模型的優(yōu)勢(shì)在于它能夠更精確地考慮地質(zhì)條件的影響，并提供針對(duì)特定場(chǎng)地的個(gè)性化模擬。它可以幫助工程師更好地理解不同地質(zhì)條件下的地基沉降行為，并優(yōu)化工程設(shè)計(jì)以減輕沉降影響。然而，數(shù)值地質(zhì)模型的建立需要充分的地質(zhì)數(shù)據(jù)和專業(yè)知識(shí)，以確保模型的準(zhǔn)確性。

4.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

統(tǒng)計(jì)分析方法在地基沉降研究中扮演著重要的角色，它們通過(guò)分析地基沉降數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和趨勢(shì)來(lái)幫助工程師和研究人員更好地理解和預(yù)測(cè)地基沉降情況。

時(shí)間序列分析是一種常用于處理地基沉降數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法。它將地基沉降數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序進(jìn)行排列，然后利用統(tǒng)計(jì)技術(shù)來(lái)識(shí)別和分析數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)、周期性和隨機(jī)性成分。在時(shí)間序列分析中，常常使用的技術(shù)包括移動(dòng)平均、指數(shù)平滑和自回歸模型等[7]。這些方法可以幫助確定地基沉降的長(zhǎng)期趨勢(shì)，例如是否存在逐漸增加或減小的趨勢(shì)。時(shí)間序列分析的優(yōu)勢(shì)在于它可以幫助預(yù)測(cè)未來(lái)的地基沉降趨勢(shì)，從而為工程師提供及時(shí)的信息以采取必要的措施。這對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和維護(hù)建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施非常重要。

空間插值方法用于推斷不同地點(diǎn)之間的地基沉降情況，以創(chuàng)建地基沉降的空間分布圖。在空間插值中，常用的技術(shù)包括克里金插值、反距離權(quán)重插值和徑向基函數(shù)插值等。這些方法根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離和地基沉降值的空間關(guān)系，生成地基沉降的連續(xù)空間分布圖。這對(duì)于評(píng)估地基沉降的空間變化和確定高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域非常有用。空間插值方法的優(yōu)勢(shì)在于它們可以填補(bǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的空白區(qū)域，提供更全面的地基沉降信息。這對(duì)于確定建筑物的結(jié)構(gòu)安全性和規(guī)劃城市發(fā)展非常重要，因?yàn)樗梢詭椭鷽Q策者更好地了解地基沉降的影響范圍。

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析

地基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)處理與分析軟件在現(xiàn)代建筑工程中扮演著至關(guān)重要的角色。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是地基沉降監(jiān)測(cè)的核心組成部分。這些系統(tǒng)通常包括各種傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、通信設(shè)備和中央監(jiān)測(cè)站。傳感器網(wǎng)絡(luò)被布置在關(guān)鍵位置，例如建筑物的地基或土壤表面，以測(cè)量地基的變形、應(yīng)力、位移和其他關(guān)鍵參數(shù)。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集單元，然后通過(guò)通信設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到中央監(jiān)測(cè)站。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能夠提供即時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，工程師和研究人員可以實(shí)時(shí)了解地基沉降的狀態(tài)。這對(duì)于及時(shí)采取措施以防止?jié)撛诘慕Y(jié)構(gòu)損害非常關(guān)鍵。此外，一些先進(jìn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還具有報(bào)警功能，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出了安全閾值，就會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，從而幫助工程師采取緊急行動(dòng)。

數(shù)據(jù)處理與分析軟件在地基沉降監(jiān)測(cè)中扮演著關(guān)鍵的角色。它們用于接收、清洗、校準(zhǔn)和分析從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)。以下是一些常用的數(shù)據(jù)處理與分析軟件，MATLAB是一個(gè)強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，廣泛用于處理地基沉降數(shù)據(jù)。它提供了豐富的工具箱，用于數(shù)據(jù)清洗、可視化、統(tǒng)計(jì)分析和建模。AutoCAD Civil 3D，是一款專業(yè)的土木工程設(shè)計(jì)和分析軟件，它具有強(qiáng)大的地質(zhì)和地基分析功能，可用于處理地基沉降數(shù)據(jù)和創(chuàng)建地圖[8]。GeoStudio是一套專業(yè)的地質(zhì)和地基分析軟件，適用于模擬地基沉降的復(fù)雜過(guò)程，包括滲流、固結(jié)和彈性分析。這些軟件工具的選擇取決于項(xiàng)目的規(guī)模、復(fù)雜性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的性質(zhì)。它們可以幫助工程師將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息，進(jìn)行趨勢(shì)分析、模擬建模、生成報(bào)告，并提供決策支持。

5 結(jié)論與展望

地基沉降的檢測(cè)與分析是建筑工程中一個(gè)至關(guān)重要的領(lǐng)域，它需要不斷探索和改進(jìn)的方法和技術(shù)。通過(guò)綜合利用傳統(tǒng)和先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方法，以及數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)分析等分析手段，我們可以更好地理解和管理地基沉降問(wèn)題，確保工程的可持續(xù)發(fā)展和安全性。未來(lái)的研究和實(shí)踐應(yīng)該致力于提高監(jiān)測(cè)的智能性、全面性和精確性，以滿足不斷增長(zhǎng)的建筑需求和城市、交通發(fā)展挑戰(zhàn)。