高层建筑物沉降监测及数据处理分析方法

高层建筑物沉降监测及数据处理分析方法摘要：在高层建筑物施工过程中，随着地基上方荷载量不断加大，利用现代测量手段周期性、有规律的对建筑物的整体垂直位移进行可量化监测，以指导高层建筑安全、有序施工，并为建筑物质量评级提供数据支撑的过程，即为高层建筑物沉降监测。本文以具体的工程为例，首先对高层建筑沉降监测的技术要求进行说明、其后重点探讨利用计算机软件进行数据处理的方法，并对结果进行分析，从而总结高层建筑沉降的一般规律。关键词：高层建筑；沉降监测；技术要求；数据处理引言随着我国经济社会的发展，城镇化进程不断向前推进，房地产行业得到了蓬勃发展。由于对空间资源的利用率高，占地面积小，可缓解大城市土地资源紧张、交通拥挤等问题，高层建筑物因此在建设工程项目中备受青睐。在高层建筑施工进度不断推进的过程中，建筑物的竖向位移会因为地面荷载的增加而逐渐加大，这种变形超过一定限度可能会影响项目的安全施工，甚至不利于建筑物的正常使用。基于此，应用工程测量的变形监测手段在施工过程中对沉降变形情况进行周期性监测，实时分析沉降指标是否正常，从而为现场施工进度计划的制定提供科学依据具有十分重要的意义。本文通过具体工程，对高层建筑物沉降观测技术要求、数据处理方法等进行梳理，为今后的建筑物变形监测积累经验，以便于更加科学、高效的开展实际工作。1沉降监测的相关技术要求1.1工程概况该项目位于某市新城区，规划用地性质为商住用地，其中1#楼a座为地上16层，地下1层的高层住宅建筑，总高度60m。周边地势起伏较大，且四周道路密布，车流、人流密集，对项目的监测工作的造成了一定的干扰。1.2沉降监测的相关技术要求1）平面坐标系统本次基准点、工作基点的平面位置坐标使用网络RTK技术测量，施测前与项目所在区域3个以上的原有平面控制点联测，以进行坐标参数的转换，提高测量精准度。沉降观测点的平面位置使用全站仪配合RTK测得，其测量方法和精度不做过多要求。2）高程系统由于沉降监测主要研究的是建筑物建设阶段在竖直方向上的相对位置关系，因此本次沉降观测基准点高程采用的是假定高程系统，未与国家或区域原有水准控制点进行联测。3）沉降观测等级根据《建筑地基基础设计规范》，1#楼a座地基基础设计安全等级为乙级。根据《建筑变形测量规范》及设计和建设方要求，结合该工程实地情况，本次沉降观测的等级确定为二级，其主要沉降观测的精度指标如下：见表-1。表-1二等沉降监测的主要精度指标（单位：mm）n为测站数，L为闭合环长度2高程控制测量2.1高程基准点的布设考虑项目周边地势起伏较大，地质环境复杂，且1#楼a座为项目首期工程，此时施工场地机械设备多，震动大，围蔽多，视线差，为便于沉降观测工作的顺利开展，结合项目场地出入口及周边地质条件，最终在该工程变形影响区域外、地质较为稳定、地势平缓、便于施测的地方埋设了高程基准点3个，构成闭合环形式的沉降观测基准网（见图-1）。所有基准点统一编号：JZ1〜JZ3，并标注于标石面上。图-1高程基准点布设示意图2.2高程控制测量高程控制测量采用水准测量方法，利用DS05精密水准仪配合铟瓦尺（尺常数为3.01550米），以闭合水准路线的的形式，按二等水准测量技术要求进行施测。水准观测在标石埋设稳定后进行，首次测量独立进行两次，并定期复测，以提高观测成果的可靠性。应按照规范要求制定标准化作业流程，并在实际外业工作中严格执行。水准测量的数据处理应注意粗差的剔除，选取周边干扰小，稳定的JZ1作为起算点，采用平差软件进行严密平差计算。3沉降观测3.1沉降观测点的布设在布设建筑物沉降观测点时，应以建筑物施工结构图作为依据，结合项目所在地地质地貌情况，尽量将点位设置于建筑物承重结构墙或柱内。具体操作时应注意用水泥浆加固设置于结构柱内的观测标志，观测标志宜设置于距地面30cm-50cm的位置。本次变形监测点设置于首层结构柱上，共33个点位，均统一编号：1a-01~1a-33,具体位置如下：见图-2。图-21#楼a座沉降观测点布置示意图3.2沉降观测方法每次观测应满足"四固定”原则，即保持路线、顺序、观测方法固定；使用仪器和设备固定；主要观测人员相对固定；在基本相同的条件和环境下工作。沉降观测点的施测采用二等水准测量的方法进行，以基准点JZ1作为高程起算点，进行沉降观测，最后施测到基准点JZ1，形成闭合环；首次观测（零周期）独立进行2次，其他各次观测采用单程观测方式进行。4数据处理与分析限于篇幅，以下数据处理的方法与分析仅以1#楼a座部分沉降观测点的观测数据作为基础进行阐述。4.1荷载-时间-沉降量曲线及分析该曲线图的坐标系结构如下：坐标系第一象限反映的是建筑物楼层数（荷载值）随时间变化的折线，第二象限代表沉降观测点沉降量随时间变化的走势情况，综合起来看，该曲线图表达了随着地上荷载值的增加，建筑物各监测部位在不同观测时间点的沉降量变化趋势。各监测点荷载-时间-沉降量（P-T-S）曲线图如下：见图-3图-31#楼a座荷载-时间-沉降量（P-T-S）曲线图从上图可以看出，荷载值的大小是决定高层建筑在垂直方向位移量的一个关键因素，即随着地基所承受荷载的增加，建筑物沉降量也随之逐步加大，荷载稳定后，建筑物的沉降也逐渐趋于稳定，最终形成一条平行于时间轴的直线。4.2沉降量随时间变化螺旋曲线图及分析沉降量-时间螺旋曲线，通常被称为"变形螺旋曲线”。该数学模型通过等分圆周的形式来定义测量周期，每一个等分单元代表一个观测周期，以圆心点至半径的距离代表建筑物沉降观测点的垂直位移，将二者结合起来就能形象展示高层建筑在施工过程中沉降的一般规律：随着楼层数增加，荷载值逐渐加大，所有沉降观测点均在初始阶段围绕着圆心点做“离心运动”，荷载值（即建筑封顶，楼层数不再增加）稳定后，围绕着某一半径做近似"圆周运动”。沉降量-时间螺旋曲线图如下：见图-4图-41#楼a座沉降量-时间螺旋曲线图（单位mm）在进行数据处理时，为表达更直观、形象，所有垂直位移量均取正值。上图中各沉降观测点的走势，充分验证了上述数学模型准确性。在建筑物地基荷载不断加大时，所有监测点的变形曲线由内侧圆周逐渐向外侧圆周扩张，建筑物地基在荷载稳定后，其变形慢慢缓和，即监测点的沉降量不会再发生较大的变化，每一个监测点的变形曲线逐渐趋近于某一圆周。4.3沉降量速率随时间变化曲线图及分析沉降量速率-时间曲线图的坐标系建立以纵坐标代表各观测周期的沉降量速率（或者回弹量速率，其中正值代表回弹量速率，负值代表沉降量速率），横坐标代表时间。该坐标系反映了各观测周期建筑物沉降（回弹）的快慢以及沉降（回弹）量速率在整个观测阶段的走势。该曲线的优点是能够形象反映每一个观测周期建筑物沉降的快慢，并且能够与其他观测周期进行对比。此外，它还可以很直观的反映出建筑物在哪个观测周期发生了回弹。沉降量速率-时间曲线图如下：见图-5图-51#楼a座沉降速率-时间曲线图从上图可以看出，基本上所有监测点的沉降速率均随着荷载的增加先增大，然后减小。建筑物封顶后，建筑物荷载稳定，沉降速率继续减小，沉降曲线逐渐向时间轴趋近，建筑物沉降慢慢缓和。结语本文结合具体工程，对高层建筑物沉降观测的相关技术要求进行了简单探讨，并重点介绍了如何通过数据处理直观、形象的对观测数据进行总结、分析。综上所述，高层建筑沉降监测，外业工作时，应采用精密水准仪及配套的精密水准尺，定人、定仪器、定路线，运用精密几何水准测量方法，参照有关规范的技术要求施测；在数据处理上，应综合运用数学模型，多维度、多视角对观测结果进行展示，突出重点、科学分析。参考文献：JGJ/TS-97，建筑变形测量规程[S].北京：中国建筑工业出版社，199