建筑物变形观测方法与技术

7.5.5.1　变形观测的基础知识

高层建筑物、重要厂房和大型设备及其地基由于建筑物本身荷重、地质条件变化、大气温度变化、地基的塑性变形、地下水位等外界因素引起的基础和建筑物的各种变形，称之为建筑物的变形。建筑物的变形有建筑物的沉降、倾斜、裂缝和平移，在建筑物的设计及施工中，应全面地考虑这些因素，控制建筑物及其基础的变形值不超出允许值。为保证建筑物在施工、使用和运行中的安全，以及为建筑物的设计、施工、管理及科学研究提供可靠的资料，在建筑物施工和运行期间，需要对建筑物的稳定性进行观测，这项工作称为建筑物的变形观测。

建筑物变形观测的主要内容有建筑物沉降观测、建筑物倾斜观测、建筑物裂缝观测和位移观测等。建筑物变形观测的工作内容是周期性地对设置在建筑物上的观测点进行重复观测，求得观测点位置的变化量。

建筑物变形观测能否达到预定目的受很多因素的影响，最主要的因素是变形监测网的网点布设、变形观测的精度与频率。变形监测网的网点分为基准点、工作基点和变形观测点，其布设应符合下列要求：

（1）基准点，应选在变形影响区域之外稳固可靠的位置。每个工程至少应有3个基准点。大型的工程项目，其水平位移基准点应采用带有强制归心装置的观测墩，垂直位移基准点宜采用双金属标或钢管标。

（2）工作基点，应选在比较稳定且方便使用的位置。设立在大型工程施工区域内的水平位移监测工作基点宜采用带有强制归心装置的观测墩，垂直位移监测工作基点可采用钢管标。对通视条件较好的小型工程，可不设立工作基点，在基准点上直接测定变形观测点。

（3）变形观测点，应设立在能反映监测体变形特征的位置或监测断面上。监测断面一般分为关键断面、重要断面和一般断面。有特殊需要时，还应埋设一定数量的应力、应变传感器。

建筑物变形观测的精度，根据变形观测的目的及变形值的大小而异，没有一个明确的规定。如果观测的目的是监视建筑物的安全，则精度要求稍低，只要满足预警需要即可。在1971年的国际测量工作者联合会（FIG）上，建议观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20。例如：某高层建筑物的沉降设计允许150 mm，以其允许变形值1/20作为观测中误差，则观测精度为m=±7.5 mm。如果是为了研究建筑物变形的过程和规律，则精度应尽可能高些，因为精度的高低会影响观测成果的可靠性，通常，对建筑物的变形观测要反映至1～2 mm的变形量。

观测频率的确定，随荷载的变化及变形速率而异，观测过程中，可根据变形量的变化情况做适当的调整。例如，高层建筑在施工过程中的变形观测，通常楼层加高1～2层即应观测一次。

变形监测作业前，应收集相关水文地质、岩土工程资料和设计图纸，并根据岩土工程地质条件、工程类型、工程规模、基础埋深、建筑结构和施工方法等因素，进行变形监测方案设计。方案包括监测的目的、精度等级、监测方法、监测基准网的精度估算和布设、观测周期、项目预警值、使用的仪器设备等内容。

7.5.5.2　建筑场地沉降观测

建筑场地沉降观测分为相邻地基沉降观测与场地地面沉降观测，是根据建筑设计、施工的实际需要特别是软土地区密集房屋之间的建筑施工需要来确定的。毗邻的高层与低层建筑或新建与已建的建筑，由于荷载的差异，引起相邻地基土的应力重新分布，从而产生差异沉降，致使毗邻建筑物遭到不同程度的危害。差异沉降愈大，建筑刚度愈差，危害愈烈，轻则房屋粉刷层坠落、门窗变形，重则地坪与墙面开裂、地下管道断裂，甚至房屋倒塌。因此建筑场地沉降观测的首要任务是监视已有建筑安全，开展相邻地基沉降观测，以提供有效数据，确切反映建筑物及其场地的实际变形程度或变形趋势，并以此作为确定作业方法和监测外围建筑物的安全依据。

在相邻地基变形范围之外的地面，由于降雨、地下水等自然因素与堆卸、采掘等人为因素的影响，也会产生一定沉降，并且有时相邻地基沉降与场地地面沉降还会交错重叠。

对相邻地基沉降观测点的布设，可在以建筑基础深度1.5～2.0倍的距离为半径的范围内，以外墙附近向外由密到疏进行布置。对相邻地基和建筑场地的沉降观测，一般采用四等监测精度。

7.5.5.3　建筑物沉降观测

建筑物的沉降观测是用水准测量的方法，周期性地观测建筑物上的沉降观测点和水准基点的高差变化值。建筑物在施工和运营期间，对埋设在基础和建筑物上的观测点，定期用精密水准测量的方法测定它们的高程，比较观测点不同周期的高程即可求得其沉降值。

1.水准基点的布设

水准基点是沉降观测的基准，它的埋设必须保证稳定和长久保存，因此水准基点的布设应满足以下要求：

（1）水准基点必须设置在沉降影响范围以外，冰冻地区水准基点应埋设在冰冻线以下0.5 m。

（2）为了保证水准基点高程的正确性，水准基点最少应布设3个，以便相互检核。

（3）水准基点和观测点之间的距离应适中，相距太远会影响观测精度，一般应在80 m范围内。水准点帽头宜用铜或不锈钢制成，如用普通钢代替，应注意防锈。水准基点埋设须在基坑开挖前15 d完成。

（4）水准基点可用二等水准与城市水准点联测，也可采用假定高程。

（5）水准基点可按实际要求，采用深埋式和浅埋式两种，但每一观测区域内，至少应设置一个深埋式水准点。

2.沉降观测点的布设

进行沉降观测的建筑物或构筑物，应埋设沉降观测点。沉降观测点的布设应满足以下要求：

（1）观测点具体设置一般由设计单位根据地基的工程地质资料及建筑结构的特点确定，对设计未作规定而按有关规定需作沉降观测的建筑或构筑物，其沉降观测点布置位置则由施工企业技术部门负责确定，报建设（或监理）单位审核。沉降观测点一般应布设在能全面反映建筑物和构筑物基础沉降情况的部位，如建筑物四角、沉降缝两侧、荷载有变化的部位、大型设备基础、柱子基础和地质条件变化处，一般可沿墙的长度每隔10～15 m或每隔2～3根柱在柱基上设置，并应设置在建筑物上。当建筑物的宽度大于15 m时，内墙也应在适当位置设置。框架式结构的建筑物，应在每一个桩基或部分桩基上安设观测点，具有浮筏基础或箱式基础的高层建筑，观测点应沿纵、横轴和基础（或接近基础的结构部分）周边设置；新建与原有建筑物的连接处两边，都应设置观测点；烟囱、水塔、油罐及其他类似的构筑物的观测点，应沿周边对称设置且每一构筑物不得少于5个点。

（2）观测点标志上部应为突出的半球形或有明显的突出之处，并应及时埋设，且与柱身或墙保持一定距离，以保证能在标志上部垂直立尺。

（3）观测点的埋设要求稳固，通常采用角钢、圆钢或铆钉作为观测点的标志，并分别埋设在砖墙上、钢筋混凝土柱子上和设备基础上，高度以高于室内地坪（±0.000）0.2～0.5 m为宜。沉降观测点的设置形式如图7-30所示。

图7-30　沉降观测点的设置形式（单位：mm）

3.沉降观测的周期及精度要求

沉降观测的周期应能反映出建筑物的沉降变形规律，特别是首次观测必须按时进行，否则沉降观测得不到原始数据，从而使整个观测得不到完整的观测结果。当埋设的沉降观测点稳固后，在建筑物主体开工前，进行第一次观测。在施工阶段，观测的频率要大些，一般按3 d、7 d、15 d确定观测周期，或按层数、荷载的增加确定观测周期。观测周期具体应视施工过程中地基与加荷而定。如暂时停工时，在停工时和重新开工时均应各观测一次，以便检验停工期间建筑物沉降变化情况，为重新开工后沉降观测的方式、次数是否应调整提供判断依据。在竣工后，观测的频率可以少些，根据地基土类型和沉降速度的大小而定，一般有一个月、两个月、三个月、半年与一年等不同周期。沉降是否进入稳定阶段，应由沉降量与时间关系曲线判定，如果最后两个观测周期的平均沉降速率小于0.02 mm/d，可以认为整体趋于稳定，如果各点的沉降速率均小于0.02 mm/d，即可终止观测。否则，应继续每3个月观测一次，直至建筑物沉降稳定为止。

观测时先后视水准基点，接着依次前视各沉降观测点，最后再次后视该水准基点，两次后视读数之差不应超过±1 mm。另外，沉降观测的水准路线（从一个水准基点到另一个水准基点）应为闭合水准路线。

沉降观测的精度应根据建筑物的性质而定。多层建筑物的沉降观测，可采用DS3水准仪，用普通水准测量的方法进行，其水准路线的闭合差不应超过（n为测站数）；高层建筑物的沉降观测，则应采用DS1精密水准仪，用二等水准测量的方法进行，其水准路线的闭合差不应超过（n为测站数）。沉降观测是一项长期、连续的工作，为了保证观测成果的正确性，应尽可能做到四定，即固定观测人员、使用固定的水准仪和水准尺、使用固定的水准基点、按固定的实测路线和测站进行。

4.沉降观测的成果整理

（1）整理原始记录。

每次观测结束后，应检查记录的数据和计算是否正确，精度是否合格，然后调整高差闭合差，推算出各沉降观测点的高程，并填入“沉降观测表”中（表7-7）。

（2）计算沉降量。

① 计算各沉降观测点的本次沉降量：沉降观测点的本次沉降量=本次观测所得的高程-上次观测所得的高程；

② 计算累积沉降量：累积沉降量=本次沉降量+上次累积沉降量。

将计算出的沉降观测点本次沉降量、累积沉降量和观测日期、天气、层数情况等记入“沉降观测表”中（表7-7）。

（3）绘制沉降曲线。

如图7-31所示，选择A、B、C、D四个点绘制沉降曲线图，沉降曲线分为上下两部分，上半部分为荷载（楼层）与时间关系曲线，下半部分为沉降量与时间关系曲线。

图7-31　沉降曲线图

① 绘制时间与沉降量关系曲线，以沉降量为纵轴，以时间为横轴，形成直角坐标系，然后以每次累积沉降量为纵坐标，以每次观测日期为横坐标，标出沉降观测点的位置，最后，用曲线将标出的各点连接起来，并在曲线的一端注明沉降观测点号码，这样就绘制出了时间与沉降量关系曲线图。

② 绘制时间与荷载（楼层）关系曲线，以荷载（楼层）为纵轴，以时间为横轴，形成直角坐标系，然后根据每次观测时间和相应的荷载（楼层）标出各点，将各点连接起来，即可绘制出时间与荷载（楼层）关系曲线图。

(www.xing528.com)

7.5.5.4　建筑物倾斜观测

很多高耸建（构）筑物，如高层楼房、电视塔、烟囱等，由于基础不均匀的沉降将使建筑物倾斜，随着不均匀沉降的累积，将使建筑物产生裂缝甚至倒塌。因此，必须根据设计要求进行倾斜观测、处理以保证建筑物的安全。建筑物倾斜观测就是利用测量仪器测定建筑物的基础和上部结构的倾斜变化——倾斜的方向、大小、速率等。对于建筑物而言，若设置整体倾斜观测点，则布设在建（构）筑物竖轴线或其平行线的顶部和底部；若设置分层倾斜观测点，则分层布设高低点。倾斜观测点采用固定标志、反射片或建（构）筑物的特征点。倾斜度是用顶部的观测点水平位移值d与高度H之比表示，即。倾斜观测可采用经纬仪投点法（图7-32）、前方交会法、正垂线法、激光准直法、差异沉降法和倾斜仪测记法等。

图7-32　经纬仪投点法

1.经纬仪投点法

观测时，应在建筑物底部（观测点垂线对应处）位置安置水平读数尺等量测设施，然后在测站安置经纬仪投影，应按正倒镜法测出每对上下观测点标志间的水平位移分量，再按矢量相加法求得水平位移值（倾斜量）和位移方向（倾斜方向），对需要进行倾斜观测的建筑物，需要在几个侧面进行观测。如图7-32，在距离墙面大于墙高的地方选择一固定点A 安置经纬仪（若仰角太大看不到房顶，可加装弯管目镜），盘左瞄准墙顶一观测点P，向下投影得一点P1′，盘右重复上述步骤，向下投影得一点P1″，平分P1′P1″得P1，在水平读数尺上作标记。过一段时间，再用经纬仪瞄准同一点P，向下投影得P2点，若建筑物沿侧面方向发生倾斜，P点已移位，则P1点与P2点不重合，于是量得水平偏移量d1，同时，在另一侧面也可测得观测点Q偏移量d2，以H代表建筑物的高度，则建筑物的倾斜度为：

2.前方交会法

如图7-33（a），直线AB为控制基线，P为建筑物上观测标志点，AB离建筑物的距离根据现场实际情况布设，但应不小于建筑物高度的1.5倍，并使PA、PB方向夹角γ在60°～120°之间。利用精密测角经纬仪在已知点A、B上分别向点P观测水平角α和β，从而可以计算P点的坐标，见下面公式。在外业观测中，α和β需要观测2个测回，为检核需要，有时设置3个已知点A、B、C，如图7-33（b），分别向点P进行角度观测，由两个三角形分别解算P点的坐标，按每周期计算观测点P坐标值，再以坐标差计算水平位移d。

图7-33　前方交会法

3.正垂线法

垂线宜选用直径0.6～1.2 mm的不锈钢丝，上端可锚固在通道顶部或需要高度处所设的支点上，稳定重垂的油箱中应装有黏性小、不冰冻的液体。观测时，由底部观测墩上安置的量测设备（如坐标仪、光学垂线仪、电感式垂线仪），按一定周期测出各测点的水平位移量。

4.激光准直法

激光准直法是在顶部适当位置安置接收靶，在其垂线下的地面或地板上安置激光铅垂仪或激光准直仪，按一定的周期观测，在接收靶上直接读取或量出顶部的水平位移量和位移方向。作业中仪器应严格置平、对中，应旋转180°观测两次取其中数，对超高层建筑，当仪器设在楼体内部时，应考虑大气湍流影响。

建筑物倾斜观测的周期，可视倾斜速度的大小，每隔1～3个月观测一次。如遇基础附近因大量堆载或卸载，场地降雨长期大量积水而导致倾斜速度加快时，应及时增加观测次数。施工期间的观测周期与沉降观测周期取得一致，倾斜观测应避开强日照和风荷载影响大的时间段。

5.差异沉降法

在基础上选择观测点，采用三等水准测量方法，以所测各周期的基础沉降差换算求得建筑物整体倾斜度及倾斜方向。以差异沉降推算整体的倾斜值公式为：

式中：ΔD——倾斜值（m）；

　　　ΔS ——基础两端点的沉降差（m）；

　　　L——基础两端点的水平距离（m）；

　　　H——建（构）筑物高度（m ）。

6.倾斜仪测记法

采用的倾斜仪（如水管式倾斜仪、水平摆倾斜仪、气泡倾斜仪或电子倾斜仪）应具有连续读数、自动记录和数字传输等功能。监测建筑物上部层面倾斜时，仪器可安置在建筑物基础面上，以所测楼层或基础面的水平角变化值反映和分析建筑物倾斜的变化程度。

7.5.5.5　建筑物裂缝观测

当建筑物出现裂缝且裂缝不断发展时，应根据需要进行裂缝观测并满足下列要求：

（1）裂缝观测点，应根据裂缝的走向和长度，分别布设在裂缝的最宽处和裂缝的末端。

（2）裂缝观测标志，应跨裂缝牢固安装，标志可选用镶嵌式金属标志、粘贴式金属片标志、钢尺条、坐标格网板或专用量测标志等。

（3）标志安装完成后，应拍摄裂缝观测初期的照片。

（4）裂缝的量测，可采用比例尺、小钢尺、游标卡尺或坐标格网板等工具进行，量测应精确至0.1 mm。

（5）裂缝的观测周期，应根据裂缝变化速度确定。裂缝初期可每半个月观测一次，基本稳定后宜每月观测一次，当发现裂缝加大时应及时增加观测次数，必要时应持续观测。

7.5.5.6　建筑物水平位移观测

工业与民用建（构）筑物的水平位移测量，应满足下列要求：

（1）水平位移变形观测点，应布设在建（构）筑物的下列部位：

建筑物的主要墙角和柱基上以及建筑沉降缝的顶部和底部；当有建筑裂缝时，还应布设在裂缝的两边；大型构筑物的顶部、中部和下部。

（2）观测标志宜采用反射棱镜、反射片、照准觇牌或变径垂直照准杆。

（3）水平位移观测周期，应根据工程需要和场地的工程地质条件综合确定。

水平位移监测可以采用极坐标法、交会法。用交会法进行水平位移监测时，宜采用三点交会法；角交会法的交会角，应在60°～120°之间，边交会法的交会角，宜在30°～150°之间；用极坐标法进行水平位移监测时，宜采用双测站极坐标法，其边长应采用全站仪测定；测站点应采用有强制对中装置的观测墩，变形观测点可埋设安置反光镜或觇牌的强制对中装置或其他固定照准标志。

7.5.5.7　建筑物日照变形观测

当建（构）筑物因日照引起的变形较大或工程需要时，应进行日照变形观测且符合下列要求：

（1）变形观测点，宜设置在监测体受热面不同的高度处。

（2）日照变形的观测时间，宜选在夏季的高温天进行，一般观测项目，可在白天时间段观测，从日出前开始定时观测，至日落后停止。

（3）在每次观测的同时，应测出监测体向阳面与背阳面的温度，并测定即时的风速、风向和日照强度。

（4）观测方法，应根据日照变形的特点、精度要求、变形速率以及建（构）筑物的安全性等指标确定，可采用交会法、极坐标法、激光准直法、正倒垂线法等。