基于水准测量的建筑物沉降观测研究与运用

郭新艳，孙立祺，丁涛

（1.西安高压电器研究院有限责任公司，陕西 西安 710077；2.西安体育中心控股有限公司，陕西 西安 710026；3.西安高压电器研究院有限责任公司，陕西 西安 710077）

1 引言

建筑物的安全和正常使用，不仅取决于上部结构的安全储备，更重要的是地基基础有一定的安全度。地基基础是隐蔽工程，在荷载或其他因素的作用下，地基会发生变形影响建筑物正常使用，变形过大时还可能危害到建筑结构安全。因此，建筑物的地基不仅应满足结构承载力要求，还应满足地基变形要求[1]。在建筑物的变形观测中，沉降观测被广泛应用[2]。

随着我国工业与民用建筑的快速发展，各种大型而复杂的建筑物日益增多，为了保证建筑物结构安全和正常使用，并为以后的设计施工提供可靠资料及相应沉降观测参数，建筑物沉降观测的必要性和重要性日益突出。

2 沉降观测方法

在荷载作用下，建筑物基底地基土主要由于压缩而引起竖直方向的位移称为沉降。在建筑物施工期间和使用期间应进行沉降观测，以便能够及时反映出建筑物沉降变化情况，即绝对沉降量的大小，沉降与时间的关系等。依据沉降观测数据，分析沉降的合理性，为建筑物的整体稳定性和安全性提供数据支撑。

沉降观测方法一般有：水准测量方法、静力水准测量方法、三角高程测量方法、激光测量方法等[3]。水准测量方法易于操作、数据准确，被广泛使用。

2.1 “五定”原则

沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物的沉降观测点要稳定；所用仪器、设备要固定且性能要稳定；观测人员要尽量固定；观测时的环境条件应大体一致；观测路线、镜位、程序和方法要固定。遵守以上原则，在客观上能尽量减少不确定性的观测误差，从而保证了观测结果的准确性，使各次观测结果与首次观测的结果相比更有可比性，所观测的沉降量更加可靠[4]。

2.2 布设原则

基准点、工作基点、观测点为沉降观测“三要素”，其布设分别遵循以下原则。

2.2.1 基准点布设原则

基准点是沉降观测起始测量控制的基准。为保证观测数值的可靠性，其布置必须满足稳固不变、永久保存的要求，应选择远离施工区域并定期进行复测，一般布设不应少于3个点位。其中施工过程中宜1～2月复测，使用过程中宜每半年复测一次。基准点应采用独立高程基准，各基准点之间应形成闭合环。

2.2.2 工作基点布设原则

工作基点是为直接观测变形点而在现场布设的相对稳定的测量控制点，该点受现场环境影响。

2.2.3 观测点布设原则

观测点是反应建筑物局部或者整体沉降特点的测量点，布设时应有良好的通视条件。不同结构形式的建筑物对地基施加的压力不一样，进而产生的沉降也不同，因此观测点应布设在受力体上。形状规则的，宜布设在建筑物四周的角点、转角处、中点；形状不规则的，应根据建筑物受力特征适当调整观测点位置。

从建筑物开始施工到建成使用，随着建筑物层数的不断增加，荷载也相应增加，在地基基础和上部结构共同作用下，建筑物会发生不均匀沉降。因此当荷载不断增加时，观测点的数量也应作相应的增加。

2.3 工程实例

工程概况：该工程为一幢实验楼，建筑面积7007m2,长度56m，宽度36m，结构类型为框架结构，地基采用独立柱基础。该工程严格按照国家二等水准测量要求进行观测，采用几何水准测量方法，水准观测限差[5]见表 1。

技术依据：依据以下行业规范《建筑变形测量规程 》（JGJ/T8-2007）、《工程测量规范》（GB50026-2007）、《国家一、二等水准测量规范》（GB12897-2006）。

设备选择：采用Trimble DiNiO3精密电子水准仪及配套铟钢条码尺。

数字水准仪观测限差（mm） 表1

①基准点。根据本工程现场情况，在沉降观测开始之前，在远离建筑物施工区域并用混凝土标石布设了3个基准点，其编号分别为JZ1、JZ2、JZ3。定期对基准点进行复测，检查基准点高程变化，判定基准点的稳定性。3个基准点与若干沉降观测点构成闭合水准线路形成基准网。基准网采用独立高程系统。

②工作基点。当基准点与建筑物距离较远时，一般在建筑物附近选取现场通视条件较好处布设工作基点。因本工程观测项目较少，基准点直接作为工作基点。

③沉降观测点。本工程在建筑物主体四角设置4个沉降观测点，编号分别为 GC1、GC2、GC3、GC4，均采用外露式。

④观测周期：主体施工期间每2周观测一次，主体结构封顶后第一年每3个月观测1次，主体结构封顶后第二年每半年观测1次，共计观测次数12次。

⑤数据处理及分析。在沉降观测期间，对基准点JZ1、JZ2、JZ3进行了11次复测。结果显示，3个基准点高差变化均在-0.80mm`0.94mm之间，基准点较为稳定，满足规范设计要求。根据现场实际情况，选用JZ3做为本工程沉降观测的基准起算点。

每次沉降观测结束后，采用沉降观测处理软件及时统计、处理观测数据，并计算沉降量及沉降速率，分析建筑物沉降趋势和规律，并判定沉降是否满足规范要求。本工程沉降观测成果见表2。

以累计沉降量（mm）为纵轴，时间观测次数（次）为横轴，组成直角坐标系。以每次累积沉降量为纵坐标，以观测时间次数为横坐标，标出沉降观测点位置并用曲线将各点连接起来，绘制出了时间与沉降量关系曲线。沉降曲线图见图1。

图1 沉降曲线图（mm-t）

2.4 数据处理与分析

根据图1和表2分析，可以得出以下结论：

整个沉降观测期1000天内，建筑物最大沉降量为 -8.14mm（JC2），最小沉降量为 -4.18mm（JC1），最大差异沉降量为3.96mm。

主体工程竣工前，最大沉降量为-2.05mm（JC2），最小沉降量为-1.00mm（JC4），平均沉降量为-1.65mm，平均日沉降量为0.0149mm。

建筑物沉降观测成果表 表2

主体工程竣工第一年，最大沉降量为-4.26mm（JC2），最小沉降量为 -1.41mm（JC1），平均沉降量为-3.21mm，平均日沉降量为0.0074mm。

主体工程竣工第二年上半年，最大沉降量为-1.86mm（JC4），最小沉降量为 -0.08mm（JC3），平均沉降量为-1.18mm，平均日沉降量为0.0053mm。

主体工程竣工第二年下半年，最大沉降量为-0.7mm（JC2），最小沉降量为 0.55mm（JC1），平均沉降量为-0.07mm，平均日沉降量为0.0003mm。

在施工期间和使用期间，该实验楼总沉降量不大，沉降较均匀，无异常沉降现象，日沉降量小于0.02mm，满足相关规范要求。

3 减轻不均匀沉降危害的有效措施

建筑设计方面，对于湿陷性黄土等不良地基，设计时可采用深基础形式，在提高了地基承载力同时减少地基总沉降量；软弱地基上的建筑物，体型设计宜简单，合理控制长高比，并适当增设沉降缝，可有效增强建筑物整体刚度。

结构设计方面，建筑物结构选型时应充分考虑不均匀沉降因素，并采取一定防范措施；软弱地基上的建筑物，可通过减轻自重有效控制沉降。

施工工艺方面，遵照先建重（高）建筑，后建轻（低）建筑的程序，合理安排工序；基坑开挖应尽可能减少对原土层的扰动。

4 结语

①沉降观测在建筑物变形观测中起着非常重要的作用，在建筑物施工期间和使用期间进行沉降观测具有重要指导意义。通过对沉降数据的分析与预测，能够及时发现建筑物不均匀沉降现象，积极采取应对措施，保证了施工的安全性和建筑物使用的稳定性。

②沉降观测不仅能观测建筑物沉降发展的趋势并预估最终沉降量，以便及时进行加固和处理，同时也可以验证地基基础设计计算的正确性，用于完善设计规范。

③水准测量方法操作相对简单，数据相对准确。但基准点、观测点的稳定性直接影响到测量数据的精确度，导致沉降曲线的突变。为减少误差，专业技术人员需要根据测量经验并结合实测数据，对沉降曲线进行修正。