1變形監(jiān)測概述

1.1高層建筑變形監(jiān)測高層建筑變形監(jiān)測的直接目的之一就是對高層建筑的運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)控、評價(jià)和預(yù)報(bào)。從20世紀(jì)90年代以來,高層建筑變形監(jiān)測手段的硬件和軟件迅速發(fā)展,監(jiān)測范圍不斷擴(kuò)大,監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和資料分析系統(tǒng)、安全預(yù)報(bào)及分析評價(jià)系統(tǒng)也在不斷的完善。工程設(shè)計(jì)采用新的可靠度設(shè)計(jì)理論與方法以來,變形監(jiān)測成為提供設(shè)計(jì)依據(jù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠度評價(jià)不可缺少的手段,成為工程設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制的重要手段。由于工程自身的特殊性和復(fù)雜性,在一般情況下,直接采用變形監(jiān)測原始數(shù)據(jù)對高層建筑安全穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評估和反饋是困難的。因此,為了實(shí)現(xiàn)高層建筑安全運(yùn)營的設(shè)計(jì)目的,一般需要結(jié)合具體的工程和變形監(jiān)測不同時(shí)段的不同特點(diǎn)和要求分別選用不同的手段和方法,認(rèn)真做好監(jiān)測數(shù)據(jù)和資料的整理分析工作,對高層建筑的安全穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評估、預(yù)測和預(yù)報(bào),并為改進(jìn)建筑工程設(shè)計(jì)、施工方法和運(yùn)營管理提供科學(xué)的依據(jù)。高層建筑變形觀測簡便、精度高,能直觀地、及時(shí)地掌握高層建筑性態(tài)的變化,許多高層建筑在出現(xiàn)危險(xiǎn)之前都常常發(fā)生較大的變形。因而,分析高層建筑變形規(guī)律、對高層建筑的變化趨勢進(jìn)行有效預(yù)測對高層建筑安全監(jiān)控、確保高層建筑安全運(yùn)營具有重要意義。
1.2基坑工程周圍環(huán)境監(jiān)測在城市建筑密集地區(qū)施工,不僅要求保證高層建筑本身的安全性,還必須保證鄰近建筑的安全使用。在基坑開挖以及以后的施工過程中,由于地下水位下降、荷載增加以及其它一些不確定因素,必然引起周圍環(huán)境變化,這在工程中稱為基坑工程環(huán)境效應(yīng)。基坑工程環(huán)境效應(yīng)包括支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁施工、降低地下水位、基坑土方開挖各階段對高層建筑的影響,主要表現(xiàn)在以下幾方面。(1)基坑土方開挖引起支護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及降低地下水位造成基坑四周地面產(chǎn)生沉降、不均勻沉降和水平位移,導(dǎo)致影響相鄰高層建筑及市政管線的正常使用,甚至造成破壞。(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁若采用擠土樁或部分采用擠土樁,施工過程中產(chǎn)生的擠土效應(yīng)將對鄰近高層建筑及市政管線產(chǎn)生影響。其中,由于基坑土方開挖引起支護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及降低地下水位造成基坑四周地面產(chǎn)生沉降和不均勻沉降,從而對周圍高層建筑和市政設(shè)施的影響是最主要的方面。深基坑開挖是一項(xiàng)復(fù)雜的工程,在支護(hù)加固不當(dāng)時(shí),常可因周邊地面的沉降而危及各種高層建筑的正常使用。基坑開挖引起的地表移動(dòng)與變形取決于其側(cè)壁(支護(hù)或無支護(hù))的變形程度及變形形式。邊坡、基坑工程穩(wěn)定是其鄰近地表及高層建筑安全的必要條件,但決不是充分條件,因?yàn)榧词惯吰隆⒒�坑穩(wěn)定,近鄰地表同樣存在由于開挖引起的地表移動(dòng)與變形,甚至破壞。因此,在基坑工程中,必須對周圍的高層建筑進(jìn)行安全監(jiān)測,以確保其安全使用,其中主要是對高層建筑進(jìn)行沉降觀測和傾斜觀測。

2變形監(jiān)測方案設(shè)計(jì)
2.1觀測精度的確定高層建筑變形量應(yīng)能確切反映高層建筑、構(gòu)筑物及其地基的實(shí)際變形情況或變形趨勢,并以此作為確定監(jiān)測方案和檢驗(yàn)成果質(zhì)量的基本要求。由于觀測精度直接影響到觀測成果的可靠性,同時(shí)也受到觀測方法和儀器設(shè)備等的影響,因此,確定合理的測量精度是變形監(jiān)測方案設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。國內(nèi)外對變形監(jiān)測的精度要求還存在不同看法,但可以確定的是,變形監(jiān)測的精度取決于觀測的目的。國際測量工作者聯(lián)合會(huì)(FIG)第十三屆會(huì)議(1971年)工程測量組提出:“如果觀測的目的是為了使變形值不超過某一允許的數(shù)值而確保高層建筑的安全,則其觀測的中誤差應(yīng)小于允許變形值的1/10～1/20;如果觀測目的是為了研究其變形過程,則其中誤差應(yīng)比這個(gè)少得多”。對于不同的高層建筑,其變形監(jiān)測的精度要求差別比較大,同一高層建筑的不同部位在不同時(shí)間對觀測精度的要求也有可能是不同的。變形監(jiān)測采用哪個(gè)等級,主要按下列方法確定。(1)以高層建筑階段平均變形量為依據(jù);(2)以某些固定值為依據(jù);(3)以高層建筑最小變形值為依據(jù);(4)以預(yù)估變形量或變形速度為依據(jù);(5)以地基允許變形值為依據(jù)。在實(shí)際監(jiān)測中,通常根據(jù)高層建筑的地基允許變形值來推算,高層建筑的地基允許變形值一般是由設(shè)計(jì)單位給定的或者由相應(yīng)的建筑規(guī)范規(guī)定的。地基允許變形值包括沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜四種:沉降量——基礎(chǔ)某點(diǎn)沉降大小，一般指基礎(chǔ)中心的沉降量；沉降差——基礎(chǔ)上任意兩點(diǎn)沉降量之差，一般指相鄰兩單獨(dú)基礎(chǔ)的沉降量之差；傾斜——基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值；局部傾斜——砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱向6m～8m內(nèi)基礎(chǔ)兩點(diǎn)的沉降差與其距離的比值。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ7-89)》規(guī)定，常用的高層建筑地基允許變形值，可以求出相應(yīng)的允許變形量，根據(jù)實(shí)際情況取其就得到應(yīng)該采用的測量精度。由此可進(jìn)一步確定采用的觀測手段、儀器設(shè)備等，也為監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)形的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。就基坑工程施工對周圍環(huán)境的監(jiān)測要求而言，按照《基坑工程施工監(jiān)測規(guī)范》DJ/TJ08-2001-2006規(guī)定，周圍環(huán)境監(jiān)測分為四個(gè)等級。
2.2觀測點(diǎn)位的布設(shè)變形觀測點(diǎn)包括基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn),基準(zhǔn)點(diǎn)分為穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn),它們在監(jiān)測中各自作用不同。基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)主要考慮穩(wěn)定性,不受干擾,且要考慮測量技術(shù),一般埋設(shè)在變形影響范圍以外或基巖上,基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)過遠(yuǎn),則測量工作不方便,觀測誤差大,埋設(shè)近了,有可能不穩(wěn)定。所以,一般在基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)之間加設(shè)工作基點(diǎn)。同時(shí)要在基準(zhǔn)點(diǎn)周圍設(shè)置保護(hù)點(diǎn),當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)受到破壞時(shí)可用保護(hù)點(diǎn)來恢復(fù),平時(shí)則可以用于檢核基準(zhǔn)點(diǎn)。由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)構(gòu)成變形監(jiān)測網(wǎng),既保證了基準(zhǔn)的穩(wěn)定性,又方便了測量工作。基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)主要考慮測量工作的需要,而監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)則需要與其它學(xué)科相結(jié)合。總的說來,監(jiān)測點(diǎn)的位置必須布設(shè)在能夠反映高層建筑變形特征和變形明顯部位。實(shí)踐表明,監(jiān)測點(diǎn)一般布設(shè)在如下位置。(1)基礎(chǔ)類型、埋深、荷載有明顯不同處;(2)沉降縫、伸縮縫、新老建筑連接處兩側(cè);(3)高層建筑角點(diǎn)、中點(diǎn)處,且每邊不少于3個(gè)監(jiān)測點(diǎn);(4)圓形、多邊形高層建筑縱橫軸線對稱處;(5)工業(yè)廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)。

3觀測周期的確定高層建筑變形是一個(gè)漸變過程,是時(shí)間的函數(shù),而且變形速度不均勻,但變形觀測次數(shù)是有限的,因此,合理的選擇連續(xù)觀測的周期,對于正確分析變形結(jié)果是確保高層建筑自身安全很重要的。變形觀測從高層建筑施工開始,到停止使用結(jié)束,貫穿整個(gè)過程,相鄰兩次變形觀測的時(shí)間間隔就是一個(gè)觀測周期。確定變形觀測周期的基本原則為:根據(jù)高層建筑的特征、變形速率、觀測精度要求和工程地質(zhì)條件及施工過程等因數(shù)綜合考慮。對于沉降觀測,從分析變形過程出發(fā),變形速度值比變形絕對值具有更重要的意義。基于這一點(diǎn),其周期可用以下經(jīng)驗(yàn)公式來確定因:2/hT ≥×M ×K V其中:hM為兩沉降觀測點(diǎn)之間的高程誤差;V為沉降速度,一般取平均沉降量與間隔天數(shù)的比值;K為高程沉降量與其誤差之比,可根據(jù)高層建筑變形情況在5～10內(nèi)選擇。在實(shí)際工程中,應(yīng)視具體情況選擇觀測次數(shù)與間隔時(shí)間。在高層建筑施工期間,觀測次數(shù)與間隔時(shí)間應(yīng)視地基與荷載增加情況而定;在高層建筑使用階段則應(yīng)視地基土類型和沉降速度大小而定。特別當(dāng)高層建筑平均沉降速度較大或不均勻沉降量較大時(shí),一方面應(yīng)及時(shí)通知設(shè)計(jì)、施工單位,查找原因并采取措施,另一方面應(yīng)增加觀測次數(shù),以保證高層建筑的安全使用。
4靜態(tài)變形監(jiān)測常用方法變形監(jiān)測目的是為了實(shí)時(shí)的了解高層建筑的變形情況,確保高層建筑的安全使用,就靜態(tài)變形監(jiān)測而言,監(jiān)測的主要內(nèi)容包括:沉降觀測、傾斜觀測、水平位移觀測和裂縫觀測。監(jiān)測方法包括常規(guī)地面測量方法、近景攝影測量以及特定條件下采取一些特殊的測量方法。沉降觀測常用水準(zhǔn)測量的方法,也可以采用液體靜力水準(zhǔn)測量的方法。一般高層建筑物和深基坑開挖的沉降觀測,通常用精密水準(zhǔn)儀,按國家二等水準(zhǔn)技術(shù)要求施測,將觀測點(diǎn)布設(shè)成閉合環(huán)或附合水準(zhǔn)路線聯(lián)測到水準(zhǔn)基點(diǎn)上。采用水準(zhǔn)測量進(jìn)行變形監(jiān)測,必須做到固定觀測時(shí)間、固定觀測路線、固定觀測人員、固定觀測儀器。由于現(xiàn)場條件限制,變形觀測時(shí)很難做到前后視距離相等,在每次觀測前,必須對儀器進(jìn)行檢驗(yàn)校正,特別是對儀器i角誤差和調(diào)焦誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。傾斜觀測方法比較多,對于基坑監(jiān)測,常采用鉆孔測斜儀對支護(hù)樁進(jìn)行傾斜觀測。對于高層建筑上部的傾斜觀測,傳統(tǒng)的測量方法包括經(jīng)緯儀投點(diǎn)法、全站儀坐標(biāo)測量法cap)等,在實(shí)際工程中常采用回歸平面法訓(xùn)。回歸平面法通過測量高層建筑上各點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)的沉降量iZ(本期觀測值相對于原始高程的差值),結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)的平面坐標(biāo)(,)i iX Y,采用最小二乘法可以擬合出一個(gè)高層建筑沉降量的回歸平面:(1)i iZi =a gX +b ?Y +c根據(jù)高層建筑基礎(chǔ)傾斜。(單位:編)計(jì)算公式:()/i j=S ?S L(2)式中:iS為基礎(chǔ)傾斜方向端點(diǎn)i的沉降量(mm)；jS為基礎(chǔ)傾斜方向端點(diǎn)j的沉降量(mm);L為基礎(chǔ)兩端點(diǎn)的距離(m)。可以得出:式(2)中系數(shù)a即為高層建筑在X軸方向上的基礎(chǔ)傾斜率,系數(shù)b即為高層建筑在Y方向上的基礎(chǔ)傾斜率。而基礎(chǔ)傾斜率就等于高層建筑在該方向上的傾斜率。通過回歸平面方程,只須對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行沉降觀測,而不必專門進(jìn)行傾斜觀測就可以確定高層建筑在相應(yīng)方向上的傾斜率。采用回歸平面法計(jì)算傾斜前提是高層建筑以剛體的形式做整體性沉降,若高層建筑結(jié)構(gòu)遭到破壞,高層建筑將不以整體作沉降,此時(shí)采用回歸平面法將得不到正確的傾斜結(jié)果。水平位移觀測根據(jù)高層建筑類型不同采用不同的方法,直線型建筑常用基準(zhǔn)線法、引張線法、距離丈量法;曲線型建筑常用測角前方交會(huì)、精密導(dǎo)線法;高層建筑頂部相對于底部的偏移、豎直中心是否鉛直(撓度)可用測角前方交會(huì)法、經(jīng)緯儀投點(diǎn)法等。當(dāng)基礎(chǔ)撓度過大時(shí),高層建筑可能由于剪力破壞而出現(xiàn)裂縫。裂縫觀測可在裂縫兩端分別固定一鐵片,其中一片緊壓在另一片上,在邊緣涂上油漆,當(dāng)裂縫發(fā)生變化時(shí),便會(huì)露出未涂漆的部分,這個(gè)就是裂縫的變化量,采用千分尺或游標(biāo)卡尺量取其變化量。鐵片可分別布設(shè)在裂縫最窄和最寬處,當(dāng)裂縫比較長時(shí),在中間部位增加觀測點(diǎn)位。

參考文獻(xiàn)
[1]黃聲享,尹暉.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.
[2]高淑照.灰色系統(tǒng)理論及在混凝土橋梁施工撓度變形監(jiān)測中的應(yīng)用[D].碩士學(xué)位論文，西南交通大學(xué),2002.