高层建筑物沉降观测及数据分析

周志良

中山市岩土工程勘察有限公司广东中山528400

摘要：本文结合高层建筑物的沉降观测实践，进行了网点布设、精度估算、成果精度评定和数据分析，总结了做好建筑物沉降观测的关键事项。对同类工作具有较好的参考价值。

关键词：沉降观测；精度估算；数据分析

1引言

在高层建筑物施工过程中，建筑物基础的沉降观测是十分重要的工作。通过沉降观测，一方面可以确定基础的实际沉降量、沉降差等参数是否在设计允许值范围内，以确保建筑物的安全；另一方面可以积累沉降数据，将现场测量结果反馈到设计部门，为今后同类建筑设计的优化提供参考。位于中山市的某酒店，地面以上15层，一层地下室，预制桩基础，框架结构。此酒店属高层建筑，在其施工过程中及竣工后一段时间内，必须对基础进行沉降观测。笔者有幸参与这一工作的全过程，借此介绍一下这方面的经验。

2布网方案

2.1基准点的布设

沉降观测基准点是沉降观测的参考基准，是沉降观测的基础，基准点的布设至关重要，基准点应选择在变形影响范围以外且稳定、易于长期保存的地方，应避开交通主道、地下管线、河岸、松软填土地段。基准点的标石应埋设在基岩层或原状土层中，也可设在基础深且稳定的建筑物上，基准点数不应少于3个。根据现场的条件，如图1所示，在距施工场地200米外布设了3个基准点，分别为BM1、BM2和BM3，其中BM1、BM3位于已建成十年以上的高层建筑物的基础上，另一个点BM2位于桥墩上部，点位稳固，3个基准点构成闭合水准路线作基准网。

2．2沉降观测点的布设

根据设计要求，在建筑物首层柱基上布设了6个沉降观测点C1～C6（见图1），其中4个位于建筑物四大拐角上，2个位于长边中部，观测点间距25～35m。相邻沉降观测点间联测，C2与C5联测，BM2与C3联测,BM3分别与C1、C2联测，这样BM2、BM3与C1～C6构成沉降监测网，网中有四个闭（附）合环，图1中h1～h10分别为各线路的高差，括号内数字为线路测站数。沉降观测点采用冲击钻在柱上打孔，然后嵌入带帽不锈钢标志，标志与柱面成60°角，标志外露3～4cm，便于立尺。

3精度估算与观测等级选定

3．1设计要求

建筑设计时，对建筑物基础沉降变形提出了要求，针对具体情况，往往提出了最大沉降值、相邻点间最大沉降差或最大倾斜度等限差要求。对于此酒店，设计提出的限差要求为相邻观测点间最大沉降差小于20mm。

3．2精度估算

根据基础沉降差的设计要求，按《建筑变形测量规范》[1]中有关规定，取沉降差限差的1/20作为沉降差的观测中误差，以代表沉降差的观测中误差，那么1.0mm。

假定沉降监测网每期数据处理采用间接平差法，将6个观测点的高程选作6个未知数1～6。由间接平差理论知，一但水准网的网形确定，误差方程的系数矩阵也就随之而定；取测站高差观测中误差为单位权中误差，由水准线路的测站数可以确定观测值的权阵。以B、P、N和Q分别代表误差方程的系数矩阵、高差观测值的权阵、法方程系数矩阵和未知数协因数阵，根据图1中的网形与线路测站数，那么可知各矩阵分别如下：

(1)

确定了未知数的协因数阵，就可以求得任一高差平差值的协因数（权倒数），其计算公式如下：

(2)

(3)

式中：—i、j点间高差平差值；、—i、j点平差后的高程；—的协因数（权倒数）；、、—i、j点高程的自协因数和互协因数；于（1）式协因数阵对应行、列中查得。

由（3）式可以算得沉降监测网中最大协因数的观测线路为h6或h7，，按下列公式估算出最小的观测点测站高差中误差：

(4)式的意义很明显，即只有在测站高差中误差不超过±0.83mm的情况下，方可保证沉降差的中误差不超过±1.00mm。

3．3沉降观测级别及精度指标

由3．2中精度估算知，观测点测站高差中误差不能超过，方能满足设计提出的沉降差的观测要求。根据《建筑变形测量规范》[1]对建筑变形测量的级别规定，本酒店沉降观测按二级要求比较合适，二级要求测站高差中误差=±0.5mm，能够满足设计的要求。

4沉降观测结果

沉降观测按二级的要求进行，使用的仪器为检校合格的NI007精密水准仪和铟瓦水准尺，每期观测的作业人员和观测线路固定不变。从基础完成观测点布设好开始首次观测，以后每增高2～3层观测一期，竣工后一年多时间内每隔两个月左右观测一期，共观测15期。

每期观测的第一步工作，是检验基准点的稳定性。在基准点BM1、BM2和BM3之间检测一个闭合环，每个测段均进行往返观测，通过基准点之间往返高差较差和环线闭合差是否符合限差要求来确定基准点的稳定性，其限差为（测站数）[1]。根据15期的观测结果，基准点间往返测高差较差和水准环闭合差均未超限，说明三个基准点是稳定的。

每期观测结束后，对观测值进行检查整理，采用严密的平差方法和可靠的软件进行平差计算，获得此次各观测点高程和测站高差中误差。由观测点的第一次平差观测所得的高程与本次高程之差，就可获得观测点的累积下沉量。一共15期的沉降观测结果见表1，表中列出了观测点各期观测的累积下沉量、最大沉降差、累积下沉量平均值、各时段沉降量平均值及各时段的平均沉降速率等数据。

图2观测点沉降曲线

5数据分析

5．1观测精度分析

由沉降观测网的形状知，每一期观测有4个独立的水准闭（附）合环（不计基准点间的闭合环），由4个环线的闭合差来求测站高差中误差，不一定能客观反映观测精度。但15期观测共有60个独立的水准环线，按60个环线闭合差计算测站高差中误差，就具有较好的代表性，计算公式如下，

由表2可知，和均比小，说明实际观测精度满足二级要求。与很接近，说明每次的平差结果较好地反映了观测点的实际沉降情况，系统误差影响较小，沉降监测网网形较好，无扭曲产生。

5．2累积沉降量和最大沉降差分析

由表1可知，从基础完成到建筑物竣工后一年多这一过程中，各观测点的累积沉降量在+14.82mm～+20.96mm之间，最大C5点+20.96mm，最小C6点+14.82mm，平均+16.45mm，最大沉降差6.14mm。最大沉降差远小于设计提出的限差20mm。说明该建筑物沉降比较均匀，观测点的沉降差符合设计要求，不会对建筑物的结构产生影响。

5．3沉降曲线分析

从图2的沉降曲线可以看出，沉降主要发生在建筑施工期间，这一期间，曲线较陡，沉降速率较大；建筑物封顶后，曲线明显变缓，沉降速率减小；装修完成建筑物竣工后，沉降曲线几乎成水平直线，沉降速率越来越小而接近零，建筑物基础趋于稳定。

6结语

这次沉降观测工作，取得了比较满意的成果，得到了业主和设计单位的充分认可。要做好沉降观测工作，下列几点至关重要：

（1）布设好基准点。基准点的点位选择很重要，既要位于施工影响范围之外，点位稳定，又要方便之后的观测工作。对于建筑物的沉降观测，建议将基准点布设在建成时间较长的高层建筑的柱基上或桥梁的基础上部，这样点位牢固稳定，且不易遭受破坏。

（2）精度估算必不可少。精度估算就是按设计的限差要求和初步设计的网形，估算网中最弱点高程中误差、最弱高差中误差以及测站高差的中误差。它不仅是选择沉降观测等级的依据，同时也是优化网形，调整观测点位的基础。

（3）各期观测，尽量做到观测条件一致。使用同一仪器，观测方法相同，作业人员不变，观测路线相对稳定，观测时段统一。

（4）全部观测工作完成后，进行精度统计和数据分析。精度指标可由两种方法分别计算，一是通过各次观测的环线闭合差计算，二是通过各次平差的单位权中误差计算。精度统计的目的是检验实际观测是否达到规范的要求，数据分析则是分析沉降量、最大沉降差是否符合设计要求，确定沉降量变化规律和特征。

参考文献

[1]建设综合勘察研究设计院等，建筑变形测量规范（JGJ8-2007），北京：中国建筑工业出版社，2007年。

[2]中国建筑科学研究院等，建筑地基基础设计规范（GB5007-2011），北京：中国建筑工业出版社，2011年。

[3]於宇寿、鲁成林，测量平差基础（增订本）。北京：测绘出自版社，1983。

[4]张德宝，建筑物沉降灰色预测预报，工程勘察，2000，（3）。