建筑物變形測量方法探討

宋發(fā)良

摘要：建筑物傾斜變形，直接影響到建筑物的健康運行。文章分析了建筑物變形測量的原因和內(nèi)容，并著重闡述了對建筑物進行變形測量的方法。

關(guān)鍵詞：建筑物；變形測量；水平位移監(jiān)測網(wǎng)；垂直位移監(jiān)測網(wǎng)

中圖分類號：TU46

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)03-0108-02

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，基建規(guī)模的迅速增長，建筑物越來越多，但受各種復雜因素的影響，少數(shù)建筑物在使用過程中會出現(xiàn)變形現(xiàn)象。通過變形測量，取得第一手的資料，可以監(jiān)視建筑物的狀態(tài)變化和工作情況，在發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象時，通過及時分析原因，采取措施，防止事故的發(fā)生，以確保人身和財產(chǎn)安全。

一、建筑物變形測量的原因

一般來說，建筑物變形主要是由于兩方面的原因引起的：一是自然條件及其變化，即建筑物地基的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土壤的物理性質(zhì)、大氣溫度等。例如，基礎(chǔ)的地質(zhì)條件不同，有的穩(wěn)定，有的不穩(wěn)定，會引起建筑物的不均勻沉降，使其發(fā)生傾斜。建筑在土基上的建筑物，由于土基的塑性變形而引起沉陷，由于溫度與地下水位的季節(jié)性和周期性的變化，而引起建筑物的規(guī)律變形。另一種是與建筑物本身聯(lián)系的原因，即建筑物本身的荷重、建筑物的結(jié)構(gòu)、型式及動荷載(如風力、震動的作用)。此外，也可能由于勘測設(shè)計、施工以及運營管理工作的不太合理、也會引起建筑物產(chǎn)生額外的變形。這些變形的原因是相互聯(lián)系的。隨著建筑物的興建，改變了地面原有的狀態(tài)，對于建筑物的地基施加了一定的外力，這就必然會引起地基及其周圍地層的變形，而建筑物本身及基礎(chǔ)，由于地基的變形及其外部荷載與內(nèi)部應(yīng)力的作用而產(chǎn)生變形。

二、建筑物變形測量的內(nèi)容

變形測量的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)建筑物的性質(zhì)與地基情況來定。要求有明確的針對性，既要有重點，又要作全面考慮。以便能正確反映出建筑物的變化情況，達到監(jiān)視建筑物的安全運營，了解其變形規(guī)律之目的。例如，對油罐基礎(chǔ)而言，主要測量內(nèi)容是均勻沉陷與不均勻沉陷，從而計算絕對沉陷值、平均沉陷值、相對彎曲、相對傾斜、平均沉陷速度以及繪制沉陷分布圖。對于廠房、宿舍樓等建筑物本身來說，則主要是傾斜與裂縫測量，對于高大的煉塔和高層房屋，還應(yīng)測量其瞬時變形、可逆變形和扭轉(zhuǎn)變形(即動態(tài)變形)。

三、建筑物變形測量的方法

(一)建筑物施工前進行統(tǒng)籌安排

按測定沉降或位移的要求，選定變形測量點。這些測量點宜分為基準點、工作基點和變形測量點。布設(shè)時應(yīng)根據(jù)工程情況布設(shè)不少于3個穩(wěn)固可靠的點作為基準點，工作基點應(yīng)選擇在比較穩(wěn)定的位置，變形測量點應(yīng)設(shè)在變形體上能反映變形特征的位置?？蓮墓ぷ骰c或鄰近的基準點對其進行測量。測量前應(yīng)埋設(shè)相應(yīng)的標石標志，建立相應(yīng)等級精度的平面網(wǎng)和高程網(wǎng)。按建筑物的設(shè)計和荷載程度，對新建的大型和重要建筑物應(yīng)確定測量周期，且從其施工開始進行系統(tǒng)的測量，直至變形達到規(guī)定的穩(wěn)定程度為止。對各周期的測量成果應(yīng)及時處理，并應(yīng)選取與實際變形情況接近或一致的參考系進行平差計算和精度評定。對重要的監(jiān)測成果應(yīng)進行變形分析，并對變形趨勢作出預報。變形趨勢預報是變形測量的重要環(huán)節(jié)。通過大量的變形測量后，獲得對建筑物的變形規(guī)律的理性認識，確定未來的變形趨勢，這是確保建筑物安全運營的可靠保證。近年來，變形監(jiān)測分析與預報實踐不斷增多，理論日益完善，使得預報工作成為可能和必要的。變形測量可進行變形的空間與時間特征分析，可以建立變形物理解釋的統(tǒng)計模型和變形物理解釋的確定性模型和混合模型。

(二)建立水平位移監(jiān)測網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測網(wǎng)

水平位移監(jiān)測網(wǎng)可采用三角網(wǎng)、導線網(wǎng)、邊角網(wǎng)、三邊網(wǎng)等形式建立。設(shè)計水平位移的監(jiān)測網(wǎng)宜采用獨立坐標系統(tǒng)進行一次布網(wǎng)。按工程的需求進行精度預估，選擇合適的方案以滿足工程精度要求；垂直位移的監(jiān)測網(wǎng)可布設(shè)成閉合環(huán)、結(jié)點或附合水準路線等方法。水準基準點應(yīng)埋設(shè)在變形區(qū)以外的基巖或原狀土層上。當受條件限制時，在變形區(qū)內(nèi)也可埋設(shè)深層金屬管水準基準點。水平位移監(jiān)測網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測網(wǎng)測量時應(yīng)使每期測量的設(shè)備和人員保持固定，對測量儀器和附屬設(shè)備按規(guī)范進行檢驗，滿足規(guī)范各項限差后方可使用。測量周期應(yīng)按該工程設(shè)計需求確定。對于變形監(jiān)測網(wǎng)采用GPS定位技術(shù)和電磁波測距，網(wǎng)的幾何圖形概念與傳統(tǒng)的測角網(wǎng)有很大的區(qū)別。除特別的精密控制網(wǎng)可考慮用專門編寫的解析法優(yōu)化設(shè)計程序作網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計外，其他的網(wǎng)都可用模擬法進行設(shè)計。模擬法優(yōu)化設(shè)計的軟件功能和進行優(yōu)化設(shè)計的步驟主要是：根據(jù)設(shè)計資料和地圖資料在圖上選點布網(wǎng)，獲取網(wǎng)點近似坐標(最好將資料作數(shù)字化掃描并在微機上進行)。模擬測量方案，根據(jù)儀器確定測量值精度，可進一步模擬測量值。計算網(wǎng)的各種質(zhì)量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應(yīng)包括點位精度、相鄰點位精度、任意兩點間的相對精度、最弱點和最弱邊精度、邊長和方位角精度。進一步可計算坐標未知數(shù)的協(xié)方差陣或部分點坐標的協(xié)方差陣，協(xié)方差陣的主成份計算，特征值計算，點位誤差橢圓、置信橢圓的計算等?？煽啃园總€測量值的多余測量分量(內(nèi)部可靠性)和某一測量值的粗差界限值對平差坐標的影響(外部可靠性)。靈敏度包括靈敏度橢圓、在給定變形向量下的靈敏度指標以及測量值的靈敏度影響系數(shù)。將計算出的各質(zhì)量指標與設(shè)計要求的指標比較，使之既滿足設(shè)計要求，又不致于有太大的富余。通過改變測量值的精度或改變測量方案(增加或減少測量值)或局部改變網(wǎng)形(增加或減少網(wǎng)點)等方法重新作上述設(shè)計計算，直到獲取一個較好的結(jié)果。

(三)明確變形測量的頻率

變形測量的頻率取決于變形值的大小、變形的速度和變形工程進度、地基土質(zhì)情況及基礎(chǔ)荷載增加情況決定。通常要求變形測量的次數(shù)在建筑物施工期間及建成初期，測量頻率要大一些。下面以沉降測量為例，說明確定變形測量頻率的方法。建筑物施工階段的測量，應(yīng)隨施工進度及時進行。高層建筑物可在基礎(chǔ)墊層或基礎(chǔ)底部完成后開始測量。測量次數(shù)與時間視地基與加荷情況而定，一般每加高1～5層測量一次。施工期間停工時間較長時，應(yīng)在停工時和重新開工時各測量一次。停工期間，每隔1～3個月測量一次?；A(chǔ)附近地面荷載突然增加，周圍大量積水及暴風雨后，或周圍大量挖方時，均應(yīng)及時測量。建筑物使用階段的測量周期與頻率，取決于沉降變形的大小、速度以及測量目的。工程竣工初期的測量頻率要稍大些，開始可隔1～2個月，或每季度測量一次，以每次沉降量在5～10mm以內(nèi)為限度，否則要增加測量次數(shù)。竣工的第二年半年一次，第三年以后每年一次，直至穩(wěn)定為止。測量過程中，如遇地震影響、連續(xù)大雨水浸等情況，要及時增加測量次數(shù)。當建筑物突發(fā)大量沉降、嚴重裂縫時，應(yīng)立即連續(xù)測量。沉降是否已進入穩(wěn)定階段，可從沉降量與時間關(guān)系曲線來判定。若沉降速度小于0.01～0.04mm/d，就可認為

已進入穩(wěn)定階段。

(四)變形測量后數(shù)據(jù)的分析處理

變形測量數(shù)據(jù)的處理可分為變形的幾何分析和物理解釋。幾何分析在于描述變形的空間及時間特性，主要包括模型初步鑒別、模型參數(shù)估計和模擬統(tǒng)計檢驗及最佳模型選取3個步驟。變形監(jiān)測網(wǎng)的參考網(wǎng)、相對網(wǎng)在周期測量下，參考點的穩(wěn)定性檢驗和目標點和位移值計算是建立變形模型的基礎(chǔ)。變形模型既可根據(jù)變形體的物理力學性質(zhì)和地質(zhì)信息選取，也可根據(jù)點場的位移矢量和變形過程曲線選取。此外，前述的時間序列分析、灰色理論建模、卡爾曼濾波以及時間序列頻域法分析中的主頻率和振幅計算等也可看作變形的幾何分析。變形的物理解釋在于確定變形體變形與變形因子之間的函數(shù)關(guān)系，并對引起變形的原因作出分析和解釋，以預報變形發(fā)展趨勢。根據(jù)需要和條件可采用回歸分析法和確定函數(shù)模型法?；貧w分析法是以10個以上周期的長期測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過分析所測變形與內(nèi)因、外因之間的相關(guān)性，建立荷載一變形關(guān)系的數(shù)學模型。當處理兩個變量之間關(guān)系時，可采用一元回歸分析；當處理一個變量與多個因子之間的關(guān)系時，應(yīng)采用逐步回歸分析，通過在回歸方程中逐個引入顯著因子，剔除不顯著因子，獲得最佳回歸方程(預報方程)，而確定函數(shù)模型法是以大量變形信息和變形因素的測量資料為依據(jù)，利用荷載、變形體的幾何性質(zhì)和物理性質(zhì)以及應(yīng)力一應(yīng)變間的關(guān)系來建立數(shù)學模型。當變形體的幾何形狀和邊界條件復雜時，可采用有限單元法；當需要提高函數(shù)模型的精確度時，可采用聯(lián)合使用函數(shù)方法與回歸方法的函數(shù)一回歸分析方法?；貧w分析法以實測資料為基礎(chǔ)，測量資料愈豐富、質(zhì)量愈高，其結(jié)果愈可靠，且具有“后驗”性質(zhì)，它與變形的幾何分析具有密切的關(guān)系，是測量工作者最熟悉和樂于采用的方法。

四、結(jié)論

對每次的測量結(jié)果要對照分析研究，發(fā)現(xiàn)問題及時上報，為業(yè)主決策提供準確的資料，以便采取相應(yīng)措施。在進行建筑物變形測量時，應(yīng)做好如下幾項工作：

(一)合理確定測量精度

要根據(jù)地質(zhì)條件、地基處理方式、建筑物結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計施工方案，編制出科學、經(jīng)濟和高效的技術(shù)設(shè)計方案和測量細則。根據(jù)設(shè)計建筑物的各項容許值，來科學估計出測量精度。

(二)加強對測量成果進行安全性分析

關(guān)鍵是弄清設(shè)計和施工的意圖，明確各項限差。根據(jù)有關(guān)規(guī)范確定出報警極限值，對測量成果進行正確的分析，得出科學的結(jié)論，及時地指導施工和制定出安全防范措施。

(三)重視變形預報

在施工期間，通過大量的基礎(chǔ)性的變形測量工作之后，要能夠正確預報出可能發(fā)生的沉降量。當有可能發(fā)生沉降異常時，要及時通報有關(guān)方面，做好應(yīng)對措施。在施工完成之后(結(jié)構(gòu)封頂)，要能夠預測出滯后沉降量，制定出運營期間的長期變形測量方案。