6.4.2.1 变形观测认识
1.变形测量的目的和意义
工程建筑物因为受外界荷载的作用或受力状态改变,将会产生一定的变形。较小的变形值对建筑物的安全及使用没有什么影响,而当变形值较大,甚至超过允许变形值时,会极大地影响工程建筑物的安全。所以,从施工开始到竣工及建成后整个运营期间都要不断地监测,以便掌握变形的情况,及时发现问题,保证工程建筑物的安全。人类开发自然资源的活动(例如抽取地下水、采油、采矿等)会破坏地壳上部的平衡,造成地面变形。这种变形需要长期监测,以便掌握其规律并在必要时采取措施控制其发展,保证人类正常的生产和生活。变形测量有实用上和科学上两个方面的意义。实用上的意义主要是监测各种工程建筑物和地质构造的稳定性,及时发现问题,以便采取措施。科学上的意义包括更好地理解变形的机理、验证有关工程设计的理论以及建立正确的预报变形的理论和方法。
通过变形观测可以监视工程建筑物的变化状态,在发现不正常现象时,应及时分析原因,采取措施,防止事故发生,并改善运营方式,以保证安全。另外,通过在施工和运营期间对工程建筑物进行变形观测,分析研究,可以验证工程结构的设计方法,对不同的地基与工程结构规定合理的允许沉陷与变形的数值,为工程建筑物的设计、施工、管理和科学研究工作提供资料。
2.变形监测的内容
变形监测的目的是获得变形体(大到整个地球,小到一个工程建筑物)变形的状态和时间特性。变形监测按其研究的范围可分为全球性的、区域性的和局部性的三类。局部性的变形监测主要研究工程建筑物的变形,滑坡体的滑动,以及采矿、采油和抽取地下水等人为因素造成的变形。
变形观测的内容,应根据建筑物的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性,既要有重点,又要做全面考虑,以便能正确反映建筑物的变化情况,掌握其变形规律。例如,对于工业与民用建筑物的基础而言,主要观测内容是均匀沉陷与不均匀沉陷,对于建筑物本身来说,则主要是倾斜与裂缝观测。对于工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种设备、导轨等,其主要观测内容是水平位移和垂直位移。对于土坝,其观测项目主要为水平位移、垂直位移、渗透(浸润线)及裂缝观测。对于钢筋混凝土重力坝,其主要观测项目为垂直位移、水平位移以及伸缩缝的观测,对于大型的混凝土重力坝,还要进行内部观测,例如测量混凝土应力、钢筋应力、温度等,以了解其结构内部的情况。
3.变形监测的精度
确定合理的测量精度是很重要的,过高的精度要求会使测量工作过于复杂,费用和时间增加;而精度定得太低又会使所得变形值的可靠性降低,甚至会得出不正确的结论。与其他测量工作相比,变形观测的精度要求较高。变形监测的精度取决于变形的大小、速率、仪器和方法所能达到的实际精度以及观测的目的等。一般来说,如果变形观测是为了使变形值不超过某一允许的数值,以确保建筑物的安全,则其观测的误差应小于允许变形值的1/10~1/20;如果是为了研究变形的过程,其精度要求还要更高。表6-7列出了各等级变形测量对应的精度要求。
表6-7 建筑物变形测量等级及精度 mm
工业与民用建筑物变形观测的主要内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜,其观测精度应根据建筑物基础的允许沉陷值、允许倾斜度、允许相对弯矩等来决定,同时,也应考虑其沉陷速度。在生产实操中,求得必要的精度指标以后,如果根据本单位的仪器设备和技术力量,能够比较容易地达到,而且在不必花费很大的精力、不增加很多工作量的情况下,还能达到更高的精度时,则可将观测的精度指标提高。一般从实用的目的出发,对于连续生产的大型车间(钢结构、钢筋混凝土结构的建筑物)通常要求观测工作能反映1 mm的沉陷量;对于一般的厂房,没有很大的传动设备、连续性不大的车间,要求能反映2 mm的沉陷量。
4.变形观测的周期
重复观测是变形观测的一个特点,通过重复观测,可以获得同一点不同时间的坐标值或高程值,而这些坐标值或高程值的变化量就是该点的水平位移或垂直位移。重复观测的周期取决于变形的大小、速度及观测的目的等因素。一般来说,在工程建筑物建成初期,变形的速度比较快,因此,观测频率也要高一些。经过一段时间后,工程建筑物趋于稳定,可以减少观测次数,但要坚持定期观测。及时地进行首期观测具有重要的意义,因为延误初始测量就可能失去已经发生的变形。以后各周期的测量成果都是与第一期相比较的,因此,还应特别重视第一次观测的质量。
下面以基础的沉陷观测过程为例,说明确定观测频率的方法。建筑物在施工过程中,在载荷不断增加的影响下,基础下土层的压缩是逐渐实现的,因此,基础的沉陷也是逐渐增加的。一般认为,建筑在砂类土层上的建筑物,其沉陷在施工期已大部分完成,而建筑在黏土类土层上的基础,其沉陷在施工时期只完成了一部分。图6-21所示为不同类土层的沉降过程线。由图中可以看出,砂类土层上基础的沉陷过程可以分为4个阶段:第一阶段是在施工期间,随着基础上压力的增加,沉陷速度很大,年沉陷量达20~70 mm;到第二阶段,沉降速度就显著地减小,年沉陷量大约为20 mm;第三阶段为平稳下沉阶段,其速度为每年1~2 mm;第四阶段的沉陷曲线几乎是水平的,也就是说到了沉陷停止的阶段。根据这种情况,在观测精度要求相同时,沉陷观测的频率是变化的。在施工过程中,频率应高些,一般有3天、7天、半月3种周期,竣工投产以后,频率可低一些,一般有1个月、2个月、3个月、半年及1年等不同的周期。
图6-21 不同类土层的沉降过程线
在施工期间也可以按荷载增加的过程进行观测,即从埋设的观测点稳定后进行第一次观测,当荷载增加到25%时观测1次,以后每增加15%观测1次。竣工后,一般第一年观测4次,第二年2次,以后每年1次。在掌握了一定规律或变形稳定之后,可减少观测次数。这种根据日历计划(或荷载增加量)进行的变形观测称为正常情况下的系统观测。另外,通常,在出现特殊情况前后还要进行紧急观测(临时观测),如地震、强台风等情况。
近年来,某些工程在某些特殊情况下或针对特殊的要求,对变形观测的时效性要求越来越高。为了保证施工安全,变形监测常常要求随着施工同步进行连续观测,且对监测成果处理要快、要及时,发现异常要及时上报,只有这样才能把隐患消灭在萌芽状态。
5.变形观测的常用方法
(1)地面测量方法,包括几何水准测量、三角高程测量、方向和角度测量、距离测量等;
(4)专门测量手段,主要是指各种准直测量、倾斜仪监测、应变计测量等。
各种测量方法都有其优点和局限性,设计监测方案时,应综合考虑各种方法的特点,取长补短,互相校核。
6.4.2.2 建筑沉降观测
下面结合工程案例介绍建筑沉降监测相关工作要求及做法。
1.工程概况及沉降观测总体计划
某住宅小区共有3幢楼,建筑层数为30层。施工过程中要求对3幢大楼进行沉降观测。该工程沉降观测总体计划如下:
(1)观测周期计划。主体结构的沉降观测分以下3个阶段进行:
1)主体施工阶段(即从±0.000到结构封顶);
2)封顶至竣工阶段;
3)竣工后1年。
在主体施工阶段,大楼每施工2层观测1次,在大楼封顶至竣工阶段,每个月观测1次,竣工后每半年观测1次,每幢楼共计观测25次。
(2)观测方法。主体结构沉降监测采用水准测量的方法。其具体做法是:在大楼施工影响区域外建立3个基准点BM0、BM1和BM2,在3座建筑物旁各建1个工作基点BM3、BM4、BM5,这6个点构成一条闭合水准路线;再由工作基点分别围绕3号楼、4号楼、5号楼构成3条独立的闭合水准路线,测定大楼的12个沉降监测点(图6-22)。
图6-22 水准监测网的布设
2.基准点和沉降监测点标志的构造和埋设
(1)基准点布设。基准点是固定不动且作为沉降观测高程基点的水准点。它是监测建筑物地基及深基坑变形的基准,一般设置3个基准点构成一组,同时,在每组3个基准点的中心位置设置固定测站,经常测定3点间的高差,以判断基准点的高程有无变动。
基准点一般要求埋设在基岩上或沉降影响范围之外不受施工影响的地方。该建筑楼群周边只有低矮民房和农田,难以埋设基岩基准点,因此,基准点选在大楼施工影响区域外约200 m处埋设混凝土标。在3个基准点的中心位置设置固定测站,每次监测前先检查基准点的稳定性。工作基点BM3、BM4、BM5尽可能靠近监测大楼。工作基点只要保证在每次观测期间稳定即可,因此,其标志可采用浅埋混凝土标志。
(2)沉降监测点布设。沉降监测点是设立在变形体上、能反映其变形特征的点。沉降监测点的位置和数量应根据建(构)筑物荷载大小、基础形式、结构特征与地质条件及支护结构形式、基坑周边环境等因素确定。一般可根据下列几个方面布设:(www.xing528.com)
1)沉降监测点应布置在深基坑及建筑物沉降变化较显著的地方,并要考虑到在施工期间和竣工后能顺利进行监测的地方。
2)深基坑支护结构的沉降监测点应埋设在锁口梁上,一般间隔10~15 m埋设一点,在支护结构的阳角处和原有建筑物距离基坑很近处应加密设置沉降监测点。
3)在建筑物四周角点、中点及内部承重墙(柱)上均需埋设监测点,并应沿房屋周长每间隔10~12 m设置一个沉降监测点,但工业厂房的每根柱子均应埋设沉降监测点。
4)由于相邻建筑及深基坑与周边环境之间相互影响,在高层和低层建筑物、新老建筑物连接处及在相接处的两边都应布设沉降监测点。
5)在人工加固地基与天然地基交接和基础砌筑深度相差悬殊处及在相接处的两边都应布设沉降监测点。
6)当基础形式不同时,需在结构变化位置埋设沉降监测点。在地基土质不均匀、可压缩性土层的厚度变化不一或有暗沟等情况下,需适当埋设沉降监测点。
7)在振动中心基础上也要布设沉降监测点,在烟囱、水塔等刚性整体基础上,应埋设不少于3个沉降监测点。
8)对于宽度大于15 m的建筑物,其内墙体的沉降监测标志应设置在承重墙上,并且要尽可能布置在建筑物的纵、横轴线上,监测标志上方应有一定的空间,以保证测尺直立。
9)重型设备基础的四周及邻近堆置重物之处,即有大面积堆积荷载的地方,也应布设沉降监测点。
对于本工程案例,沉降监测点布设在大楼沉降特征点位置,每幢大楼布设12个(M01~M12)沉降监测点,如图6-23所示。
图6-23 沉降监测点位置布置示意
沉降监测点应埋设在稳固、不易被破坏、能长期保存的地方。其埋设点的标高位置一般在室外地坪+0.500 m较为适宜,但在布置时应根据建筑物层高、管道标高、室内走廊、平顶标高等情况综合考虑。埋设点的高度、朝向等要便于立尺和观测。同时,还应注意所埋设的沉降监测点要避开柱子间的横隔墙、外墙上的雨水管等,以免所埋设的沉降监测点无法监测而影响监测资料的完整性。对于墙体上或柱子上的沉降监测点,可将直径为20~22 mm的钢筋按图6-24所示的形式设置。
图6-24 沉降监测点埋设
3.观测与平差
沉降观测按《建筑变形测量规范》(JGJ 8—2016)中的一级变形观测的技术指标,即沉降观测点测站高差中误差≤±0.15 mm,往返较差及环线闭合差
为千米数),最弱点的高程中误差≤±1.0 mm。为尽可能地减少测量误差对沉降值的影响,观测时尽可能做到以下4点:
(1)固定观测人员;
(2)固定观测仪器和标尺;
(3)使用固定的基准点;
(4)按规定的日期、方法及既定的路线、测站进行观测。
本工程案例平差以BM1为起算点,经严密平差直接计算出3幢大楼各自的M01~M12的高程。
4.观测成果整理
完成沉降观测应提交的成果资料包括:沉降观测(水准测量)记录手簿,沉降观测成果表,观测点位置图,沉降量、地基荷载与延续时间三者的关系曲线图,沉降观测分析报告。
(1)整理原始记录。每次观测结束后,应检查记录中的数据和计算是否正确、精度是否合格,如果误差超限应重新观测,然后调整闭合差,推算各观测点的高程,列入沉降观测成果表(表6-8)中。
(2)计算沉降量。根据各观测点本次所观测高程与上次所观测高程之差,计算各观测点本次沉降量和累计沉降量,并将观测日期和荷载情况记入沉降观测成果表中,参考样表见表6-8(表中高程省略了小数点前位数)。
表6-8 沉降观测成果表
续表
(3)绘制沉降曲线。为了更清楚地表示沉降量、荷载、时间三者之间的关系,还要画出各观测点的时间与沉降量关系曲线及时间与荷载关系曲线,如图6-25所示。
图6-25 建筑沉降量、荷载、时间关系曲线
6.4.2.3 主体结构垂直度观测
垂直度是指建筑物外墙面的铅垂度。《建筑装饰装修工程质量验收标准》(GB 50210—2018)中规定,高层建筑外墙面垂直度限差为H/1 000且≤30 mm。在检测建筑物的垂直度时,由于整体墙面检测不便,通常是通过测定大楼建筑外墙面转折处棱角线的铅垂度来评定的。
建筑垂直度观测方法通过下面的工程案例进行介绍。
同沉降观测案例,本监测大楼平面棱角线较多,设计确定监测大楼10个棱角线(C01~C10,如图6-26所示)来评定大楼的整体垂直度状况。具体做法是在大楼基础层±0.000平台浇筑完毕后,分别测定C01~C10处棱角顶点的平面坐标,该次测量称为首期观测;当大楼施工至i层h高度时,再观测i层的C01~C10处棱角顶点的平面坐标(实际上是在混凝土浇筑前测量立模的角点,这样若垂直度偏差大可进行修正)。
设某一棱角线在基础层测量的棱角点平面坐标为(x0,y0),施工到i层后,在i层测量的该棱角点平面坐标为(xi,yi),i层高度为hi,则该点的倾斜度K和倾斜方向α为
图6-26 垂直度观测点位置布置
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