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沉降监测的应用资料
摘要
随着社会的不断进步,物质文明的极大提高及建筑设计施工技术水平的日臻成熟完善,同时,也因土地资源日渐减少与人口增长之间日益突出的矛盾,高层及超高层建(构)筑物越来越多。
为了保证建构筑物的正常使用寿命和建(构)筑物的安全性,并为以后的勘察设计施工提供可靠的资料及相应的沉降参数,建(构)筑物沉降观测的必要性和重要性愈加明显。
现行规范也规定,高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。
在本论文中,对建筑物进行沉降观测的目的,发展方向及GPS在建筑物沉降监测中的应用进行了简单的介绍。
详细的说明了在沉降监测中精密水准测量的观测方法及南方平差易2002对水准数据的处理。
最后对位于呼和浩特市金川开发区的东方国际城项目进行沉降监测的基准点,监测点布设、具体的观测方法及平差后数据的分析进行了详细说明。
关键词:
建筑物沉降监测沉降分析
Abstract
Withthecontinuousprogressofsociety,materialcivilizationgreatlyimprovedandconstructiontechnicallevelofdesignandconstructionofisbecomingmoreandmorematureandperfect,andbecauseoflandresourcesdwindlingbetweenpopulationgrowthandtheincreasinglyprominentcontradictions,high-riseandsuperhigh-risebuilding(structure)builtmoreandmore.Inordertoguaranteeforbuildingthenormalservicelifeandbuilt(structure)tobuildasafety,andforthefutureofthesurveyanddesignofconstructiontoprovidethenecessityandimportanceofreliabledataandcorrespondingsettlementparameterswasbuilt(structure)buildingsettlementobservationisbecomingincreasinglyobvious.Thecurrentspecificationalsoprovidesthathigh-risebuildings,high-risebuildings,importantancientbuildingsandcontinuousproductionfacilities,powerequipment,landslidemonitoringandsoontocarryoutsubsidenceobservation.
Inthispaper,thepurposeofthebuildingsubsidenceobservation,thedevelopmentdirectionandtheapplicationofGPSinbuildingsubsidencemonitoringaresimplyintroduced..Theobservationmethodofpreciselevelinginsubsidencemonitoringandtheprocessingofthedataof2002levelsoftheSouthadjustmentaredescribedindetail..Finally,locatedinJinchuanDevelopmentZone,HohhotCity,OrientalInternationalCityprojectsettlementmonitoringreferencepoint,layoutofmonitoringpoints,specificmethodsofobservationandadjustmentafterdataanalysiswasdescribedindetail.
Keywords:
buildingSettlementobservationSettlementanalysis
目录
1.绪论1
1.1沉降观测的目的1
1.2建筑物沉降测量研究现状及发展方向1
1.2.1沉降测量现状1
1.2.2沉降监测的主要方法1
1.2.3沉降测量发展方向2
2.水准测量及GPS测量在沉降监测中的应用4
2.1水准测量原理4
2.2.精密水准测量4
2.2.1精密水准仪的构造特点4
2.2.2精密水准标尺的构造特点5
2.2.3精密水准测量作业的一般规定6
2.2.4精密水准测量的实施7
2.2.5精密水准测量精度要求及观测要求7
2.3GPS高程测量8
2.3.1GPS高程测量原理8
2.3.2GPS在建筑物沉降监测中的应用8
3.案例分析10
3.1测区概况10
3.2.基准点、沉降监测点的布设10
3.2.1基准点及工作基点的布设10
3.2.2沉降监测点的布设11
3.3.TrimbleDiNi03型电子水准仪的使用14
3.4观测方法15
3.4.1人员及仪器设备15
3.4.2基准点的观测17
3.4.2基准点的观测17
3.5观测数据及平差17
3.6数据分析22
3.6.1沉降监测软件22
3.6.2数据分析23
根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中规定,体型简单的高层建筑基础的平均沉降量应不大有200mm。
27
4.结论28
致谢29
参考文献30
附录一原始数据31
附录二部分整理后数据57
附录三2015年5月24日平差报告64
附录四沉降曲线图76
1.绪论
1.1沉降观测的目的
为了掌握建筑物、构筑物在修建中和竣工后的变形情况,正确指导施工,保证工程质量,检验工程设计的正确性和利于建筑物、构筑物的安全使用,对指定建筑物、构筑物进行变形观测非常必要。
沉降观测是最主要的变形观测内容。
沉降观测作业简单、精度高,它不仅能提供沉降量,还可以推算建筑物的倾斜以及水平构件的挠度等。
沉降观测的主要方法是精密水准测量。
工程建筑物从施工开始到竣工,以及建成运营后很长一段时间,沉降是不可避免的。
如果沉降在一定的限度之内属正常现象,但一旦超过某一限度,就会危及建筑物的安全。
因此,在建筑物的施工和运营期间,都必须对建筑物进行沉降观测,以便及时掌握沉降情况,发现问题,采取措施,保证建筑物从施工开始到运营期间均安全有效。
1.2建筑物沉降测量研究现状及发展方向
1.2.1沉降测量现状
沉降观测方法与测量仪器的发展密切相关。
根据建筑(构)物的不同性质,在沿用传统的测量方法的基础上,沉降观测方法变得更加灵活和简单。
在仪器使用方面,全站仪、GPS等测量仪器取代了传统的光学仪器并朝着自动化方向发展。
沉降分析方法,在20世纪50年代以前,主要是沉降观测资料的整理、计算、分析。
使沉降分析得以迅速发展的是下面这些突破性的工作。
1971年德国测量学家H·pelzer开始采用统计检验的理论来分析沉降网点的稳定性,随后其他学者也提出了各种不同的方法。
当代的沉降分析从各种不同的方向来分析解释建筑物的沉降,例如曲线形态判断法、数据线性回归分析法、非线性曲线预测模型、时间序列预测模型、非平稳监测数据时间序列分析法等,有了众多的分析方法使得更好的分析建筑物的沉降,从而为建筑事业做出与众不同的贡献。
1.2.2沉降监测的主要方法
(1)水准测量法
水准测量法是建筑物沉降观测中最为常见的一种方法,是利用水准仪确定基准点和沉降监测点,通过沉降监测点各周期的高程变化来分析建筑物的沉降变化情况。
该方法适用性强、精度较高,能够适用于不同场地条件下的建筑物沉降监测,是一种应用广泛、传统且可靠的测量方法。
(2)全自动测量法
随着测量仪器的不断改进,集测距仪、电子经纬仪等优点于一体的全站仪得到了广泛的应用,尤其是全自动跟踪测距仪的推广应用,为全天候、全方位、高精度的全自动监测提供了广阔的发展空间。
(3)数字化摄影测量法
数字化摄影技术是一种利用被摄物体影像来重建物体空间位置和三维性状的技术,该技术目前在快速绘制大型建筑遗址、国防建设、地形图绘制、建筑工程学等方面均有应用,尤其是适用于重要工程的变形和自动生成线监测、弹体运动轨迹、炮口冲击波等不可接触的物体测量中,在大型建筑物的沉降观测中,由于其不需要接触即可获得多点的三维空间信息,且精度能够达到2-4µm,在建筑工程中的应用也越来越广泛。
(4)GPS测量法
GPS作为一种全新的空间定位技术,目前已经从静态定位发展的动态定位,并且已经具备了较高的定位精度,在对建筑物的沉降观测中能够实现全天候、全时段、连续的高精度自动监测,具有良好的发展前景。
1.2.3沉降测量发展方向
作为工程测量中极为重要的一个分支,沉降观测伴随着变形观测在近几十年来得到了迅速的发展。
这主要体现在如下几个方面:
1、在观测手段方面:
首先摄影测量技术、激光技术及自动化技术在沉降观测中正在得到越来越广泛的应用。
目前,国内对上述技术的应用都进行了成功的试验并已投入了实用,未来的工作是如何进一步地推广并加以完善。
GPS定位技术已在区域性沉降观测及大型工程沉降监测中得到应用(如清华大学运用GPS技术成功地对虎门大桥沉降观测);其它如甚长基线干涉(VLBI)及卫星激光测距(SLR)等空间技术在国外已进行了一系列的试验。
结果表明:
这些方法对于监视地壳的板块运动等都是很有发展前途的。
2、在数据处理和沉降分析方面:
理论上更严密、实用上更合理的数据处理方法(如:
自由网平差、验后方差估计、抗差估计等)得到了越来越广泛的应用,而且这种趋势仍将长期保持下去。
在这方面,除了传统的假设检验、回归分析等建立在统计理论基础之上的方法和建立在力学、物理学基础之上的确定函数模型法以外,其他新的方法也得到了试验和初步的应用。
例如运用模糊类分析的方法、灰色理论、人工神经网络进行沉降分析,这些方法将为沉降数据处理和分析带来新的生机。
3、在计算机应用方面:
自从二十世纪四十年代美国制造出第一台计算机以来,计算机在各行业的应用一直以迅猛的速度发展,目前己渗透到社会生活的各个方面。
在沉降观测的各个环节,也都发挥着其积极的优势。
更为可喜的是,在某些方面,国内己经取得了初步的、以及具有一定水平的成果:
(1)观测现场的自动控制;
(2)外业观测数据的自动采集;
(3)沉降观测数据的处理和分析;
(4)沉降观测原始数据和处理成果的保存;
(5)各类沉降图件的绘制;
综上所述,我们可以认为:
一种能综合各种经验、知识、情况和观测资料采集与沉降分析的专家系统的开发将是未来计算机在沉降观测应用中的发展方向。
2.水准测量及GPS测量在沉降监测中的应用
2.1水准测量原理
水准测量是利用水准仪提供的水平视线,借助于带有分划的水准尺,直接测定地面上两点间的高差,然后根据已知点高程和测得的高差,推算出未知点高程。
设水准测量的前进方向为A点到B点,则称A点为后视点,其水准尺读书a为后视读数:
称B点为前视点,其水准尺读数b为前视读数;两点间的高差等于“后视读数a”-“前视读数b”。
(1)
如果后视读数大于前视读数,则高差为正,表示B点比A点高,如果后视读数小于前视读数,则高差为负,表示B点比A点低。
图1水准测量原理图
在沉降监测中,一般使用精密水准测量。
2.2.精密水准测量
精密水准测量是每千米水准测量高差中数的偶然中误差不超过l毫米的水准测量。
一般指国家二等或二等以上的水准测量。
2.2.1精密水准仪的构造特点
对于精密水准测量的精度而言,除一些外界因素的影响外,观测仪器——水准仪在结构上的精确性与可靠性是具有重要意义的。
为此,对精密水准仪必须具备的一些条件提出下列要求。
1.高质量的望远镜光学系统为了在望远镜中能获得水准标尺上分划线的清晰影像,望远镜必须具有足够的放大倍率和较大的物镜孔径。
一般精密水准仪的放大倍率应大于40倍,物镜的孔径应大于50mm
2.坚固稳定的仪器结构仪器的结构必须使视准轴与水准轴之间的联系相对稳定,不受外界条件的变化而改变它们之间的关系。
一般精密水准仪的主要构件均用特殊的合金钢制成,并在仪器上套有起隔热作用的防护罩。
3.高精度的测微器装置精密水准仪必须有光学测微器装置,借以精密测定小于水准标尺最小分划线间格值的尾数,从而提高在水准标尺上的读数精度。
一般精密水准仪的光学测微器可以读到0.lmm,估读到0.0lmm。
4.高灵敏的管水准器一般精密水准仪的管水准器的格值为10"/2mm。
由于水准器的灵敏度愈高,观测时要使水准器气泡迅速置中也就愈困难,为此,在精密水准仪上必须有倾斜螺旋(又称微倾螺旋)的装置,借以可以使视准轴与水准轴同时产生微量变化,从而使水准气泡较为容易地精确置中以达到视准轴的精确整平。
5.高性能的补偿器装置对于自动安平水准仪补偿元件的质量以及补偿器装置的精密度都可以影响补偿器性能的可靠性。
如果补偿器不能给出正确的补偿量,或是补偿不足,或是补偿过量,都会影响精密水准测量观测成果的精度。
2.2.2精密水准标尺的构造特点
水准标尺是测定高差的长度标准,如果水准标尺的长度有误差,则对精密水准测量的观测成果带来系统性质的误差影响,为此,对精密水准标尺提出如下要求:
(1)当空气的温度和湿度发生变化时,水准标尺分划间的长度必须保持稳定,或仅有微小的变化。
一般精密水准尺的分划是漆在因瓦合金带上,因瓦合金带则以一定的拉力引张在木质尺身的沟槽中,这样因瓦合金带的长度不会受木质尺身伸缩变形影响。
(2)水准标尺的分划必须十分正确与精密,分划的偶然误差和系统误差都应很小。
水准标尺分划的偶然误差和系统误差的大小主要决定于分划刻度工艺的水平,当前精密水准标尺分划的偶然中误差一般在
m。
由于精密水准标尺分划的系统误差可以通过水准标尺的平均每米真长加以改正,所以分划的偶然误差代表水准标尺分划的综合精度。
(3)水准标尺在构造上应保证全长笔直,并且尺身不易发生长度和弯扭等变形。
一般精密水准标尺的木质尺身均应以经过特殊处理的优质木料制作。
为了避免水准标尺在使用中尺身底部磨损而改变尺身的长度,在水准标尺的底面必须钉有坚固耐磨的金属底板。
(4)在精密水准标尺的尺身上应附有圆水准器装置,作业时扶尺者借以使水准标尺保持在垂直位置。
在尺身上一般还应有扶尺环的装置,
以便扶尺者使水准标尺稳定在垂直位置。
(5)为了提高对水准标尺分划的照准精度,水准标尺分划的形式和颜色与水准标尺的颜色相协调,一般精密水准标尺都为黑色线条分划,和浅黄色的尺面相配合,有利于观测时对水准标尺分划精确照准。
2.2.3精密水准测量作业的一般规定
根据各种误差的性质及其影响规律,水准规范中对精密水准测量的实施作出了各种相应的规定,目的在于尽可能消除或减弱各种误差对观测成果的影响。
(1)观测前30分钟,应将仪器置于露天阴影处,使仪器与外界气温趋于一致;观测时应用测伞遮蔽阳光;迁站时应罩以仪器罩。
(2)仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等,其差应小于规定的限值:
二等水准测量中规定,一测站前、后视距差应小于1.0m,前、后视距累积差应小于3m。
这样,可以消除或削弱与距离有关的各种误差对观测高差的影响,如i角误差和垂直折光等影响。
(3)对气泡式水准仪,观测前应测出倾斜螺旋的置平零点,并作标记,随着气温变化,应随时调整置平零点的位置。
对于自动安平水准仪的圆水准器,须严格置平。
(4)同一测站上观测时,不得两次调焦;转动仪器的倾斜螺旋和测微螺旋,其最后旋转方向均应为旋进,以避免倾斜螺旋和测微器隙动差对观测成果的影响。
(5)在两相邻测站上,应按奇、偶数测站的观测程序进行观测,对于往测奇数测站按“后前前后”、偶数测站按“前后后前”的观测程序在相邻测站上交替进行。
返测时,奇数测站与偶数测站的观测程序与往测时相反,即奇数测站由前视开始,偶数测站由后视开始。
这样的观测程序可以消除或减弱与时间成比例均匀变化的误差对观测高差的影响,如i角的变化和仪器的垂直位移等影响。
(6)在连续各测站上安置水准仪时,应使其中两脚螺旋与水准路线方向平行,而第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。
(7)每一测段的往测与返测,其测站数均应为偶数,由往测转向返测时,两水准标尺应互换位置,并应重新整置仪器。
在水准路线上每一测段仪器测站安排成偶数,可以削减两水准标尺零点不等差等误差对观测高差的影响。
(8)每一测段的水准测量路线应进行往测和返测,这样,可以消除或减弱性质相同、正负号也相同的误差影响,如水准标尺垂直位移的误差影响。
(9)一个测段的水准测量路线的往测和返测应在不同的气象条件下进行,如分别在上午和下午观测。
(10)使用补偿式自动安平水准仪观测的操作程序与水准器水准仪相同。
观测前对圆水准器应严格检验与校正,观测时应严格使圆水准器气泡居中。
(11)水准测量的观测工作间歇时,最好能结束在固定的水准点上,否则,应选择两个坚稳可靠、光滑突出、便于放置水准标尺的固定点,作为间歇点加以标记,间歇后,应对两个间歇点的高差进行检测,检测结果如符合限差要求(对于二等水准测量,规定检测间歇点高差之差应≤1.Omm),就可以从间歇点起测。
若仅能选定一个固定点作为间歇点,则在间歇后应仔细检视,确认没有发生任何位移,方可由间歇点起测。
2.2.4精密水准测量的实施
从某一水淮点出发,选定一条闭合水准路线;或从一个水准点出发至另一水淮点,选定一条水准路线。
安置水准仪的测站至前、后视立尺点的距离,应该量距使其相等,其观测次序如下:
往测奇数站的观测程序:
后前前后;往测偶数站的观测程序:
前后后前;返测奇数站的观测程序:
前后后前;返测偶数站的观测程序:
后前前后;表1进行各项检查后,满足限差后,才能搬站。
依次设站,用相同的方法进行观测,直至线路终点,计算线路的高差闭合差,
表1二等水准测量记录手薄
2.2.5精密水准测量精度要求及观测要求
水准测量的精度根据往返测的高差不符值来评定,因为往返测的高差不符值集中反映了水准测量各种误差的共同影响,这些误差对水准测量精度的影响,不论其性质和变化规律都是极其复杂的响。
下面是一、二等水准测量的部分规范。
每公里水准测量的偶然中误差
和每公里水准测量的全中误差
一般不得超过表2规定的数值。
表2:
一、二等水准每公里偶然中误差与全中误差规范表
测量等级
一等
二等
0.045
1.0
1.0
2.0
测站视线长度(仪器至标尺距离)、前后视距差、视线高度也有一定要求,按表3规定执行。
表3一、二等会准视线长度,视距、视线高度规范表
等级
视线长度
前后视距差
任一测站上前后视距差累积
视线高度(下丝读数
一等
二等
2.3GPS高程测量
2.3.1GPS高程测量原理
利用GPS可以测量出高精度的WGS84三维坐标(大地经纬度和大地高),但是我国大多数用户需要的是正常高(如1985国家高程基准等),那么就需要将大地高转换成为我们需要的正常高,由图2可以知,h=H-ζ,由此可以知道,将GPS大地高转换成正常高的关键就是求出GPS点上的高程异常值ζ。
因此,在利用GPS确定了高精度的大地高后,求正常高的过程实际上就是求高程异常的过程
图2GPS高程测量原理图
2.3.2GPS在建筑物沉降监测中的应用
随着GPS接收机的小型化,该技术在工程领域逐渐得到应用,特别是20世纪90年代,由于接收技术和数据处理技术的日臻完善,使测量的速度和精度不断提高。
GPS在我国的变形监测领域中得到应用。
1998年,我国的隔河岩大坝外部变形首次采用GPS自动化监测系统,该系统具有速度快、全天候观测、测点间无需通视、自动化程度高等优点,对坝体表面的各监测点能进行同步变形监测,并实现了数据采集、传输、处理、分析、显示、存储等的一体化和自动化,测量精度可达到亚毫米级。
我国著名的水利工程---三峡工程的变形监测就是用的GPS的方法。
目前,GPS变形监测系统在硬件上区分主要有一机一天线和一机多天线两种模式,这两种模式各有其特点,前者的观测精度高系统稳定可靠,后者在系统建设经费方面有一定的优势。
变形监测的目的是获得变形体变形的空间和时间特征,并做出变形的几何分析和物理解释,在实际生活中有重要意义,同时又具有重要的理论意义。
实用上的意义主要是分析、监测各种工程建筑物稳定性及安全性,及时发现问题,以便采取措施,预防事故。
在进行GPS变形监测时,首先要符合《全球定位系统GPS测量规范(规程)》,还要根据国家标准《工程测量规范》变形观测的等级划分精度。
建(构)筑物的安全监测,其观测中误差一般应小于允许变形值1/20~1/10。
变形监测网中的基准点应埋设在建(构)筑物变形影响之外,观测方便并且不受施工影响的地方。
监测点应布设在被监测对象内有代表性的、变形敏感部位的地点,使监测点的变化能真正反映建(构)筑物的变形状况。
实地埋设基准点与监测点时一定注意避免点附近有雷达站、电台、高大建筑物及大面积的水域等,以减少噪声与地面反射的影响。
因为多路径效应难以用模型来削弱.最好的方法是采取预防措施。
GPS变形监测网基准点和监测点选定后,观测方案的拟定对整个GPS网的精度起到重要的作用,试验表明,较好的观测方案有:
(1)多台CPS接收机的同步观测方案,如果实际情况允许,最好做到每点1机进行同步观测。
(2)多期观测应做到每期观测时GPS接收机台数不变,接收机的型号不变。
(3)每期观测时应选择最佳卫星分布且卫星较多的时段,如能够注意到相同或相似的分布状态则更好。
(4)基准点间以及基准点与变形点之间距离不宜超出5km。
有条件的地方最好引入高级GPS点的WGS-84坐标作为GPS变形监测网的位置基准,提高基线解算的精度。
采样率的选择根据所需要的精度进行,常以10~20s一次为宜。
通常认为数据采样期间监测点不发生变形,即认为天线处于静止状态。
3.案例分析
3.1测区概况
东方国际城位于公交总站往西400米路南。
东方国际城住宅共78栋,,其中有多层(6层)、小高层(11层)、高层(18、33层)。
本论文是对小高层27#进行沉降观测。
图3为27#楼图片。
图327#楼
3.2.基准点、沉降监测点的布设
3.2.1基准点及工作基点的布设
基准点是检验和直接测定观测点的依据,要求在整个观测过程中稳定不变。
故须埋设在稳定的地方,且离开被测建筑物有一定的距离(BM1)。
另外,为了便于校核和监测的便利性,还需要不是一定数量的工作基点,工作基点数目应不少于三个,在监测主楼周围布设3个工作基点(编号:
BM2、BM3、BM4)。
具体点位布设见图5。
3.2.2沉降监测点的布设
观测点是固定在待测建筑物上的测量标志,埋设位置应保证施工
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