高層建筑物變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

袁松

（核工業(yè)華東二六七工程勘察院，江西 九江 332000）

1 引言

高層建筑從施工準(zhǔn)備起，到全部工程竣工后的一段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)按施工與設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行沉降、位移和傾斜等變形觀測(cè)。一般分兩部分：一部分是觀測(cè)高層建筑施工造成周?chē)徑?構(gòu))筑物和護(hù)坡樁的變形以及日照等對(duì)建筑物施工影響的變形，以保證安全和正確指導(dǎo)施工，這是直接為施工服務(wù)的變形觀測(cè)；另一部分是在整個(gè)施工過(guò)程中和竣工后，觀測(cè)高層建筑各部位的變形，以檢查施工質(zhì)量和工程設(shè)計(jì)的正確性，并為有關(guān)地基基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反饋信息。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理與分析，然后根據(jù)實(shí)際變形情況采取有效的防治措施。本文主要就水岸蓮華一期二標(biāo)段18#、19#樓以及41#樓地下車(chē)庫(kù)的沉降變形監(jiān)測(cè)過(guò)程進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析了高層建筑物變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

2 高層建筑變形監(jiān)測(cè)的基本方法

為了保證變形觀測(cè)成果的精度，除按規(guī)定時(shí)間一次不漏地進(jìn)行觀測(cè)外，在觀測(cè)中應(yīng)采取“一穩(wěn)定、四固定”的基本方法。

2.1 一穩(wěn)定

一穩(wěn)定是指變形觀測(cè)依據(jù)的基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)，其點(diǎn)位要穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)點(diǎn)是變形觀測(cè)的基本依據(jù)，每項(xiàng)工程至少要有3個(gè)穩(wěn)固可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)，并每半年復(fù)測(cè)一次，工作基點(diǎn)是觀測(cè)中直接使用的依據(jù)點(diǎn)，要選在距觀測(cè)點(diǎn)較近但比較穩(wěn)定的地方。對(duì)通視條件較好或觀測(cè)項(xiàng)目較少的高層建筑，可不設(shè)工作基點(diǎn)，而直接依據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)。變形觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在被觀測(cè)物上最能反映變形特征，且便于觀測(cè)的位置。

2.2 四固定

四固定是指：①所用儀器、設(shè)備要固定；②觀測(cè)人員要固定；③觀測(cè)的時(shí)間要固定；④觀測(cè)的路線、鏡位、程序和方法要固定。

3 高層建筑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方式主要分為兩種：一種是內(nèi)部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，另一種是外部測(cè)量數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，通常都要制定相應(yīng)的步驟，每一個(gè)步驟中的計(jì)算工作都應(yīng)該做到分毫不差，否則就會(huì)對(duì)最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果造成嚴(yán)重影響。

在處理數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該先對(duì)外部影響因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣有利于消除相關(guān)影響因素，進(jìn)而專(zhuān)門(mén)處理內(nèi)部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在實(shí)際處理過(guò)程中，工作人員應(yīng)該先將豎直方向與水平方向的基線變化情況記錄下來(lái)，并制作數(shù)據(jù)處理表。之后將不同觀測(cè)時(shí)間內(nèi)豎直方向和水平方向的原基線與基線增量進(jìn)行記錄，以便于在進(jìn)行處理時(shí)能夠相互對(duì)照。最后可以繪制一張相鄰時(shí)間段的基線變化曲線圖，進(jìn)而使相關(guān)人員更加直觀地觀察不同觀測(cè)過(guò)程中基線增量的變化情況。

上述分析方法是相對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析法，目前，許多單位開(kāi)始應(yīng)用不同的新方法進(jìn)行建筑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，例如，最大間隙法與平均間隙法等。此外，有的工作單位還使用卡爾曼濾波法，這是目前應(yīng)用最多同時(shí)也是效果最佳的方法，卡爾曼濾波中最關(guān)鍵的組成部分是狀態(tài)估計(jì)，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的隨機(jī)量進(jìn)行定量推斷可以估計(jì)出建筑物的變形情況，所以這種方法對(duì)建筑物變形數(shù)據(jù)處理工作有一定的幫助。

4 實(shí)例研究

4.1 工程概況

本工程位于九江市長(zhǎng)虹西大道，其中18#、19#樓分別是三十三層與二十九層的高層住宅樓，這兩座建筑的總高度分別為96.1m與84.5m。地下車(chē)庫(kù)總建筑面積約為7.56萬(wàn)平方米，地下一層，層高3.7m。兩座主樓的基礎(chǔ)為樁基+筏板，主體為剪力墻結(jié)構(gòu)；41#樓地下車(chē)庫(kù)基礎(chǔ)為樁基+筏板結(jié)構(gòu)，地下車(chē)庫(kù)為框架結(jié)構(gòu)。

4.2 觀測(cè)方案

①基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)。為提高觀測(cè)準(zhǔn)確性并且為了工作方便，本工程使用獨(dú)立高程系統(tǒng)，分別在長(zhǎng)虹西大道的馬路旁電線桿和周邊布設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。首次觀測(cè)要用往返觀測(cè)的方式對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)閉合環(huán)進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)而保證基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的可靠性。觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置于距外墻墻體平面上部0.5m處，且保證距觀測(cè)點(diǎn)至少2米以內(nèi)不得有障礙物。觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在承重墻外，并保證其具備良好的通視條件。沉降縫或伸縮縫兩側(cè)、山墻中部、高低建筑物及建筑物的沉降縫兩側(cè)都要設(shè)置相應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)時(shí)，各觀測(cè)點(diǎn)要組成一個(gè)水準(zhǔn)閉合環(huán)，再與2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成水準(zhǔn)閉合環(huán)，同時(shí)檢驗(yàn)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定情況。

②使用儀器與觀測(cè)。建筑沉降觀測(cè)工作的精度要求非常高，所以為了確保觀測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，通常情況下的測(cè)量誤差應(yīng)小于變形值的到。為此，高層建筑變形監(jiān)測(cè)工作應(yīng)該使用S1或S05級(jí)的精密水準(zhǔn)儀，同時(shí)還要使用受環(huán)境及溫差變化影響小的高精度銦合金水準(zhǔn)尺。本工程主要采用天寶DSO5高精密電子水準(zhǔn)儀及一對(duì)2m銦鋼尺和0.5s拓普康全站儀。

本次觀測(cè)采用集合水準(zhǔn)方法，按國(guó)家三等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求進(jìn)行。每次觀測(cè)時(shí)，首先要對(duì)建筑物的2個(gè)起算基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基準(zhǔn)點(diǎn)間的高度差不能大于0.3mm。每次觀測(cè)結(jié)束后，用微機(jī)程序按經(jīng)典的嚴(yán)密方法進(jìn)行平差計(jì)算，求出每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平差后高程和點(diǎn)位高程中的誤差。最后填制《沉降觀測(cè)記錄表》。

4.3 觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置和觀測(cè)周期

①觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。為了精確地反映出建筑物的沉降趨勢(shì)，觀測(cè)點(diǎn)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及地基基礎(chǔ)的情況而設(shè)置。主樓：18#、19#樓分別布設(shè)10個(gè)點(diǎn)共20個(gè)沉降點(diǎn)。41#樓地下車(chē)庫(kù)：共布設(shè)33個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。

②觀測(cè)周期的設(shè)置。根據(jù)建筑物所在位置的地質(zhì)情況、地基處理情況和上部結(jié)構(gòu)情況，確定變形觀測(cè)周期。主體建筑物建設(shè)到正負(fù)零時(shí)，布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，設(shè)置好觀測(cè)點(diǎn)后，進(jìn)行第一次觀測(cè)，確定基準(zhǔn)值。地下停車(chē)庫(kù)以每個(gè)建筑單元為單位劃分，樁基柱子澆筑完成后，布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行第一次觀測(cè)，確定基準(zhǔn)值。

主樓：每?jī)蓪佑^測(cè)一次，直至主體完工；故18#樓共觀測(cè)16次，19#樓共觀測(cè)14次。如有異常，還需增加觀測(cè)頻率。

1#樓地下停車(chē)庫(kù)：觀測(cè)工作分施工期和竣工后兩時(shí)段，施工期是在基礎(chǔ)或地下室底板施工完成后即開(kāi)始觀測(cè)，可根據(jù)施工進(jìn)度和相關(guān)要求進(jìn)行，竣工后的觀察要求在第一年內(nèi)每隔2至3個(gè)月觀測(cè)一次，以后每隔4至6個(gè)月觀測(cè)一次。具體觀測(cè)周期可根據(jù)建筑物變形情況并按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.4 變形觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析

①二維曲線數(shù)據(jù)處理。本工程的變形監(jiān)測(cè)自第1次實(shí)施觀測(cè)到第26次完成,整理觀測(cè)數(shù)據(jù)成果得到一條雙縱軸繪制的沉降觀測(cè)點(diǎn)總體變化曲線。通過(guò)該曲線可以看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體呈緩和下降趨勢(shì),至19#樓觀測(cè)開(kāi)始時(shí),沉降情況逐漸發(fā)生變化，致使多數(shù)點(diǎn)都有較大的沉降變化量,部分點(diǎn)還出現(xiàn)沉陷反彈、抖動(dòng)等現(xiàn)象。

②變形螺旋曲線法。在對(duì)變形數(shù)據(jù)曲線的繪制過(guò)程中,通過(guò)分析注意到一種能夠較好反映出變形過(guò)程特性的曲線。該曲線形狀上類(lèi)似于數(shù)學(xué)中的函數(shù)螺線,故將其命名為變形螺旋曲線。該曲線的優(yōu)點(diǎn)在于,它反映出了變形體變化的整體過(guò)程。當(dāng)建筑物的荷載漸進(jìn)增加階段,沉降變形量便隨之不斷加大,此時(shí)的變形曲線將以較大的角度向內(nèi)側(cè)圓周收縮;在建筑物的荷載進(jìn)入穩(wěn)定階段后,沉降變形量慢慢減少,此時(shí)變形曲線沿著某一固定圓周延伸。

③三維模型數(shù)據(jù)處理。為了能更直觀明了地顯示變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),利用Surfer三維模型對(duì)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是一種很好的方式。該軟件通過(guò)數(shù)據(jù)插值網(wǎng)格化后繪制的測(cè)區(qū)三維立體線框模型,形象地展現(xiàn)了各觀測(cè)點(diǎn)間的高程落差和點(diǎn)位的分布情況。

5 結(jié)語(yǔ)

高層建筑的沉降變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)且十分緩慢的過(guò)程，相關(guān)工作人員在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)該具備足夠的耐心，同時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)的選擇與觀測(cè)點(diǎn)的布置也是變形監(jiān)測(cè)工作中非常重要的部分。