高层建筑变形监测方案设计及监测方法研究
1变形监测概述
1.1高层建筑变形监测高层建筑变形监测的直接目的之一就是对高层建筑的运营状态进行安全监控、评价和预报。从20世纪90年代以来,高层建筑变形监测手段的硬件和软件迅速发展,监测范围不断扩大,监测自动化系统、数据处理和资料分析系统、安全预报及分析评价系统也在不断的完善。工程设计采用新的可靠度设计理论与方法以来,变形监测成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的手段,成为工程设计和施工质量控制的重要手段。由于工程自身的特殊性和复杂性,在一般情况下,直接采用变形监测原始数据对高层建筑安全稳定状态进行评估和反馈是困难的。因此,为了实现高层建筑安全运营的设计目的,一般需要结合具体的工程和变形监测不同时段的不同特点和要求分别选用不同的手段和方法,认真做好监测数据和资料的整理分析工作,对高层建筑的安全稳定状态进行评估、预测和预报,并为改进建筑工程设计、施工方法和运营管理提供科学的依据。高层建筑变形观测简便、精度高,能直观地、及时地掌握高层建筑性态的变化,许多高层建筑在出现危险之前都常常发生较大的变形。因而,分析高层建筑变形规律、对高层建筑的变化趋势进行有效预测对高层建筑安全监控、确保高层建筑安全运营具有重要意义。
1.2基坑工程周围环境监测在城市建筑密集地区施工,不仅要求保证高层建筑本身的安全性,还必须保证邻近建筑的安全使用。在基坑开挖以及以后的施工过程中,由于地下水位下降、荷载增加以及其它一些不确定因素,必然引起周围环境变化,这在工程中称为基坑工程环境效应。基坑工程环境效应包括支护结构和工程桩施工、降低地下水位、基坑土方开挖各阶段对高层建筑的影响,主要表现在以下几方面。(1)基坑土方开挖引起支护结构变形以及降低地下水位造成基坑四周地面产生沉降、不均匀沉降和水平位移,导致影响相邻高层建筑及市政管线的正常使用,甚至造成破坏。(2)支护结构和工程桩若采用挤土桩或部分采用挤土桩,施工过程中产生的挤土效应将对邻近高层建筑及市政管线产生影响。其中,由于基坑土方开挖引起支护结构变形以及降低地下水位造成基坑四周地面产生沉降和不均匀沉降,从而对周围高层建筑和市政设施的影响是最主要的方面。深基坑开挖是一项复杂的工程,在支护加固不当时,常可因周边地面的沉降而危及各种高层建筑的正常使用。基坑开挖引起的地表移动与变形取决于其侧壁(支护或无支护)的变形程度及变形形式。边坡、基坑工程稳定是其邻近地表及高层建筑安全的必要条件,但决不是充分条件,因为即使边坡、基坑稳定,近邻地表同样存在由于开挖引起的地表移动与变形,甚至破坏。因此,在基坑工程中,必须对周围的高层建筑进行安全监测,以确保其安全使用,其中主要是对高层建筑进行沉降观测和倾斜观测。
2变形监测方案设计
2.1观测精度的确定高层建筑变形量应能确切反映高层建筑、构筑物及其地基的实际变形情况或变形趋势,并以此作为确定监测方案和检验成果质量的基本要求。由于观测精度直接影响到观测成果的可靠性,同时也受到观测方法和仪器设备等的影响,因此,确定合理的测量精度是变形监测方案设计的重要内容。国内外对变形监测的精度要求还存在不同看法,但可以确定的是,变形监测的精度取决于观测的目的。国际测量工作者联合会(FIG)第十三届会议(1971年)工程测量组提出:“如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保高层建筑的安全,则其观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20;如果观测目的是为了研究其变形过程,则其中误差应比这个少得多”。对于不同的高层建筑,其变形监测的精度要求差别比较大,同一高层建筑的不同部位在不同时间对观测精度的要求也有可能是不同的。变形监测采用哪个等级,主要按下列方法确定。(1)以高层建筑阶段平均变形量为依据;(2)以某些固定值为依据;(3)以高层建筑最小变形值为依据;(4)以预估变形量或变形速度为依据;(5)以地基允许变形值为依据。在实际监测中,通常根据高层建筑的地基允许变形值来推算,高层建筑的地基允许变形值一般是由设计单位给定的或者由相应的建筑规范规定的。地基允许变形值包括沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜四种:沉降量——基础某点沉降大小，一般指基础中心的沉降量；沉降差——基础上任意两点沉降量之差，一般指相邻两单独基础的沉降量之差；倾斜——基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值；局部倾斜——砌体承重结构沿纵向6m～8m内基础两点的沉降差与其距离的比值。根据《建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)》规定，常用的高层建筑地基允许变形值，可以求出相应的允许变形量，根据实际情况取其就得到应该采用的测量精度。由此可进一步确定采用的观测手段、仪器设备等，也为监测网网形的设计和优化提供参考。就基坑工程施工对周围环境的监测要求而言，按照《基坑工程施工监测规范》DJ/TJ08-2001-2006规定，周围环境监测分为四个等级。
2.2观测点位的布设变形观测点包括基准点和监测点,基准点分为稳定基准点和工作基点,它们在监测中各自作用不同。基准点的布设主要考虑稳定性,不受干扰,且要考虑测量技术,一般埋设在变形影响范围以外或基岩上,基准点埋设过远,则测量工作不方便,观测误差大,埋设近了,有可能不稳定。所以,一般在基准点和监测点之间加设工作基点。同时要在基准点周围设置保护点,当基准点受到破坏时可用保护点来恢复,平时则可以用于检核基准点。由基准点和工作基点构成变形监测网,既保证了基准的稳定性,又方便了测量工作。基准点的布设主要考虑测量工作的需要,而监测点的布设则需要与其它学科相结合。总的说来,监测点的位置必须布设在能够反映高层建筑变形特征和变形明显部位。实践表明,监测点一般布设在如下位置。(1)基础类型、埋深、荷载有明显不同处;(2)沉降缝、伸缩缝、新老建筑连接处两侧;(3)高层建筑角点、中点处,且每边不少于3个监测点;(4)圆形、多边形高层建筑纵横轴线对称处;(5)工业厂房独立柱基础。
3观测周期的确定高层建筑变形是一个渐变过程,是时间的函数,而且变形速度不均匀,但变形观测次数是有限的,因此,合理的选择连续观测的周期,对于正确分析变形结果是确保高层建筑自身安全很重要的。变形观测从高层建筑施工开始,到停止使用结束,贯穿整个过程,相邻两次变形观测的时间间隔就是一个观测周期。确定变形观测周期的基本原则为:根据高层建筑的特征、变形速率、观测精度要求和工程地质条件及施工过程等因数综合考虑。对于沉降观测,从分析变形过程出发,变形速度值比变形绝对值具有更重要的意义。基于这一点,其周期可用以下经验公式来确定因:2/hT ≥×M ×K V其中:hM为两沉降观测点之间的高程误差;V为沉降速度,一般取平均沉降量与间隔天数的比值;K为高程沉降量与其误差之比,可根据高层建筑变形情况在5～10内选择。在实际工程中,应视具体情况选择观测次数与间隔时间。在高层建筑施工期间,观测次数与间隔时间应视地基与荷载增加情况而定;在高层建筑使用阶段则应视地基土类型和沉降速度大小而定。特别当高层建筑平均沉降速度较大或不均匀沉降量较大时,一方面应及时通知设计、施工单位,查找原因并采取措施,另一方面应增加观测次数,以保证高层建筑的安全使用。
4静态变形监测常用方法变形监测目的是为了实时的了解高层建筑的变形情况,确保高层建筑的安全使用,就静态变形监测而言,监测的主要内容包括:沉降观测、倾斜观测、水平位移观测和裂缝观测。监测方法包括常规地面测量方法、近景摄影测量以及特定条件下采取一些特殊的测量方法。沉降观测常用水准测量的方法,也可以采用液体静力水准测量的方法。一般高层建筑物和深基坑开挖的沉降观测,通常用精密水准仪,按国家二等水准技术要求施测,将观测点布设成闭合环或附合水准路线联测到水准基点上。采用水准测量进行变形监测,必须做到固定观测时间、固定观测路线、固定观测人员、固定观测仪器。由于现场条件限制,变形观测时很难做到前后视距离相等,在每次观测前,必须对仪器进行检验校正,特别是对仪器i角误差和调焦误差进行检验。倾斜观测方法比较多,对于基坑监测,常采用钻孔测斜仪对支护桩进行倾斜观测。对于高层建筑上部的倾斜观测,传统的测量方法包括经纬仪投点法、全站仪坐标测量法cap)等,在实际工程中常采用回归平面法训。回归平面法通过测量高层建筑上各点监测点的沉降量iZ(本期观测值相对于原始高程的差值),结合监测点的平面坐标(,)i iX Y,采用最小二乘法可以拟合出一个高层建筑沉降量的回归平面:(1)i iZi =a gX +b ?Y +c根据高层建筑基础倾斜。(单位:编)计算公式:()/i j=S ?S L(2)式中:iS为基础倾斜方向端点i的沉降量(mm)；jS为基础倾斜方向端点j的沉降量(mm);L为基础两端点的距离(m)。可以得出:式(2)中系数a即为高层建筑在X轴方向上的基础倾斜率,系数b即为高层建筑在Y方向上的基础倾斜率。而基础倾斜率就等于高层建筑在该方向上的倾斜率。通过回归平面方程,只须对监测点进行沉降观测,而不必专门进行倾斜观测就可以确定高层建筑在相应方向上的倾斜率。采用回归平面法计算倾斜前提是高层建筑以刚体的形式做整体性沉降,若高层建筑结构遭到破坏,高层建筑将不以整体作沉降,此时采用回归平面法将得不到正确的倾斜结果。水平位移观测根据高层建筑类型不同采用不同的方法,直线型建筑常用基准线法、引张线法、距离丈量法;曲线型建筑常用测角前方交会、精密导线法;高层建筑顶部相对于底部的偏移、竖直中心是否铅直(挠度)可用测角前方交会法、经纬仪投点法等。当基础挠度过大时,高层建筑可能由于剪力破坏而出现裂缝。裂缝观测可在裂缝两端分别固定一铁片,其中一片紧压在另一片上,在边缘涂上油漆,当裂缝发生变化时,便会露出未涂漆的部分,这个就是裂缝的变化量,采用千分尺或游标卡尺量取其变化量。铁片可分别布设在裂缝最窄和最宽处,当裂缝比较长时,在中间部位增加观测点位。
参考文献
[1]黄声享,尹晖.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2003.
[2]高淑照.灰色系统理论及在混凝土桥梁施工挠度变形监测中的应用[D].硕士学位论文，西南交通大学,2002.
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