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论文方式解析-基坑周边建筑物变形监测及数据处理

2021-03-17 10:08


   近些年来,城市用地呈现出日益紧张的现象,为了寻求现代城市一体化建设的更大发展利用空间,不得不向空中或地下区域延伸,由此促进了基坑工程的快速发展。一方面,基坑工程的兴起加快了城市的建设;另一方面,由于基坑引起的安全事故屡有发生。目前各种位于高层的建筑物也随之越来越多,人们对高层建筑物的安全管理问题也就越发的关注,沉降的监测不仅有利于能够为高层建筑物安全工作者提供最有价值的建筑物沉降监测信息,同时也有利于能够为高层建筑物的安全设计与其改进的研究提供了依据,因此高层建筑物的沉降趋势观测的内容、方法、沉降监测网的分析及建筑物沉降趋势预测的分析和研究非常必要。本文针对高层建筑物的沉降趋势监测的特点进行了较详细的理论分析和研究,讨论了建筑物沉降的原因、沉降监测网的布设、沉降监测的基本方法、数据处理及沉降预测分析。结合实例简述沉降观测过程的具体实施,以及数据处理时的相关步骤,最后对沉降观测过程中的各种方法进行比较,得出了相应结论与相关要求。

 
  1.1课题来源
 
  在当今中国的经济快速繁荣与发展的今天,中国的工程与建筑行业也随之蓬勃的发展起来,工程建筑在国民经济中十分重要,由于其建筑物自身因素与其外界各种因素的相互影响,建筑物本身会发生周期期沉降,确保工程建筑物的安全是非常重要和实际的问题。对于建筑物,定期沉降监测非常必要。本文通过自己的理论研究与学习并结合相关的建筑工程理论与实例,彻底的了解沉降监测的各种理论与方法。从监测网的建立到监测数据的获取,监测方法的实施与注意事项,沉降监测数据分析与预测,从而得出建筑物的沉降动态与趋势,减少一系列的损失。
 
  1.2研究的主要目的及意义
 
  伴随着人类社会的不断进步和科学技技术的全面发展,不仅大大加速了工程建设的现代化进程,而且对于现代建筑工程设备和建筑物的结构规模、造型、难度等都提出了更严格的技术要求。所以其安全生产问题也越来越受到了普遍的重视和关注,各级政府与建筑工程有关部门对安全工作也十分重视。因此,为了建筑物的安全,需要进行变形监测工作。对于建筑物自身来说,变形监测所具有的意义主要包括以下几个方面。
 
  (1)分析与评价建筑物的安全状态
 
  我们都知道,工程建筑在其施工和正常运行的过程中会因为受到各种主客观因素的直接影响而使建筑物发生重大变形。如果建筑物的变形程度超过规定的变形极限,则可能会直接影响整个建筑物的正常运行和使用。在严重的变形情况下,会危害到整个建筑物的安全,造成巨大的损失。虽然工程建筑中使用一定的安全系数的设计,这样就可以安全地支持各种外部荷载的考虑,但是由于无法对项目的设计工作条件和承载能力做出完整而准确的估算,施工质量也不可能完美无缺,工程项目在运行的过程中也可能会出现一些不利变化的因素。
 
  (2)反应与验证设计的参数
 
  进行变形监测所获得的成果其实也是对初始设计数据的检验,为今后改善设计和研究提供相关资料,通过对得到的数据进行处理对监测的目标变形进行有效的几何分析和合理的物理解释,以加深对变形机理的理解,从而验证监测体变形的工程设计与理论模型假设,为将来的设计修改和设计规范的制定提供基础,例如改善建筑物的物理参数和地基强度参数。
 
  (3)反馈设计施工的质量
 
  一方面,变形监测可以监控建筑物是否安全,另一方面,它在反馈设计和施工质量方面也起着重要作用。
 
  (4)研究变形规律和预报变形的方法
 
  由于人们知识水平的限制,存在一个认识许多问题的过程,并且由于建筑模型,建筑材料,结构类型和地质条件的不同,大型建筑物的变形特征和规律也有所不同。因此,对建筑物进行监测,从中获取监测信息,并对这些信息进行系统的分析和研究,可以发现建筑物变形的基本规律和特征,从而为判断建筑物的安全性和预测建筑物的变形趋势提供依据。
 
  1.3论文研究的主要内容
 
  就建筑物而言,实时了解其变形变化情况与变形趋势,保证建筑物的安全性十分必要。本论文研究的主要内容主要有:建筑物产生变形的原因、沉降监测网的建立、沉降监测技术方法、沉降资料的获取及数据检核与处理、沉降信息的分析与解释以及沉降预报。其中研究成果是沉降预防,这对于认识自然灾害及变形机理是极为重要的。
 
  第2章建筑物沉降产生的原因及变形监测的特点
 
  122.1建筑物产生沉降的原因
 
  建筑物在建设与运营期间,都存在着一定程度的变形,而建筑物产生这些变形的原因包括,建筑物其本身的荷重、建筑物自身的结构、形式及风力、震动等外部力量的影响,还有外界自然条件的影响,如大气温度和地下水位的变化等。通过监测分析得到变形规律,了解建筑物是否安全,从而对出现的情况做出相应的判断与预防措施。
 
  2.1.1建筑物自身的荷重
 
  建筑物本身的负重会引起沉降。随着高层建筑施工中负荷的增加,建筑物基础下的土层逐渐被压缩,基础沉降逐渐增加。对于建在沙层上的建筑物,大部分沉降已在施工过程中完成;对于在粘土层上建造的建筑物,在施工过程中仅完成部分沉降。当负载停止增加时,沉降将逐渐停止。对于高层建筑,地基强度就起到了至关重要的作用。当设计好的地基承载力与现实情况不一致时,建筑物沉降不均匀,影响建筑物的使用。特别是当建筑物的负荷太大而超过地基土的能力时,就会发生切割损坏,这将给建筑物的安全带来隐患和危害。
 
  2.1.2外界的自然条件及其变化
 
  在建筑施工过程中,建筑地基工程地质,水文地质,岩土属性,大气温度和地下水位的变化也会引起沉降。例如,建筑物基础的地质不稳定性会导致建筑物沉降不均匀,从而导致建筑物倾斜;地基上方的建筑物会因地基变形而导致建筑物沉降。当建筑物的地基处于平衡状态(例如过多抽取地下水)时,建筑物将产生均匀或不均匀的沉降,因此外部自然条件的变化也将威胁建筑物的安全。
 
  2.1.3其他原因
 
  建筑物的变形应当发生在一定的安全范围内,要是变形的量超过了这个安全范围,会严重威胁到建筑物的安全,甚至会引发重大的事故。而产生的主要原因包括以下几方面:设计原因、施工原因、工程勘察失误、外部干扰原因(如地下工程的开挖)、基础施工达不到设计和规范要求等。
 
  2.2变形监测的特点
 
  (1)周期性重复观测
 
  定期对监测点进行重复观测是变形观测的主要任务,以获得定期观测到的变化量。定期观察需要固定的时间间隔,并且不能随机更改。重复性包括观测条件,方法和要求,基本相同。为了更好地测量建筑物的变形特性,在每个观察期内,观测人员,仪器和操作条件应相对固定。
 
  (2)精度要求高
 
  在通常情况下,变形监测的精度要求一般比常规工程测量要求的精度要高。例如,做水库大坝变形监测,对坝体的水平位移的监测精度一般要达到&viewmn;1mm,对于坝基等十分特殊的部位监测精度要求甚至要更高。
 
  (3)多种观测技术的综合应用
 
  目前,在现如今的变形监测工作中,一般我们用到的测量技术包括以下几种:常规大地测量的方法、专门的测量方法、自动化监测方法、摄影测量的方法、GPS等新技术的应用等。
 
  第3章沉降监测网技术要求
 
  33.1沉降监测网的布设
 
  变形监测的网点分为:基准点、工作基点、变形观测点。基准点一般是建筑物变形监测系统的基本工作控制点,是测定系统的工作点和建筑物变形点的重要依据,工作基点一般是测定基准点与其他变形观测点之间的能起相互联系控制作用的连接点,变形观测点一般直接埋在建筑物的变形体上,可以直接反映整个建筑的变形特征。
 
  3.1.1沉降基准点的布设
 
  沉降基准点的合理布设,应注意与监测建筑物保持一定的距离,且相对比较稳定,易保存的地方位置应配合施工场地布置图,如3-1图所示:
 
  图3-1沉降观测点位布置图
 
  有关建筑物变形监测基准的布设应遵循布设在受变形影响的范围之外,且相对于其他地方比较稳定,有利于长时间的保存,避开高压线等危险。每个工程项目中至少应该布设有3个基准点,基准点之间的连线应在该处形成一个闭合的圆环,基准点处应埋设标石或标志有方便使用,对于大型监测项目,参考点应尽可能使用双金属标准或钢管标准,埋入标记稳定后,将开始测量工作。根据观测要求和地质条件,确定适当的稳定期,时间不少于7天。参考点应定期进行测试、定期进行重新测试,并检查其是否符合以下相关规定:
 
  (1)重测周期要根据参考点位置的稳定性来确定。在施工过程中,应于一月至二月进行重新测量,并应在施工完成后每季度重新测量一次。
 
  (2)如遇到检测结果表明基准点有问题时,要立即对基准点进行复测。
 
  (3)当大多数监测点的结果异常时,或者当测量区域受到较大的外部因素(例如地震,爆破等)的影响时,应立即重复测量。
 
  (4)复测后,应按照《建筑变形测量规范》对基准点的相对稳定性情况进行综合分析。
 
  (5)基准点要尽量避开城市交通中的主干道、地下管道,河岸,软土,滑坡,强烈的机器振动区域以及其他容易使标记和标志损坏的地方。
 
  根据参考点的位置选择相应的标记方法,参考点用混凝土桩或钢管加固桩标记,如图3.2所示。
 
  图3-2沉降观测基准点
 
  3.1.2沉降工作基点的布设
 
  当基准点与所监测建筑物距离较远时,应布设工作基点,工作基准点应放置在相对稳定的位置,以方便测量操作,并设置相应的标记。在开始测量操作之前,将共同测量工作基准点和参考点。联合测量完成后,将工作基准点用于测量作业。
 
  沉降工作基点也可根据作业时需要设置,联测采用三角高程测量方法时,各点周围的环境不应该有太大的差别;工作基点标记和标志的类型和嵌入可以根据现场条件,浅埋钢管标准标记,混凝土普通水平标记或墙壁水平标记进行选择。
 
  3.1.3沉降监测点的布设
 
  沉降监测点的位置由监测单位、设计施工单位和甲方监理单位协商确定,施工单位应当配合埋点作业。沉降监测点的设置需要能够反映出建筑及地基变形基本特征,并应顾及充分顾及整体的建筑结构和整体地质结构的特点。对城市的基础设施,监测点的布设应充分考虑建筑的设计结构问题及监测要求。而对民用建筑,沉降监测点宜布设在建筑的四角或者是柱基上,超高层建筑的监测点不能少于2个,并且要设在对称的位置,地质复杂的地方可以设置在承重墙上。
 
  埋设过程中我们要根据待测建筑物的相应结构类型和墙体所采用的材料等情况来对沉降测量标志进行选择,并且要符合以下要求:
 
  (1)立尺部位已有明显的凸点或成半球形状,安装好后需要进行防腐处理。
 
  (2)埋设标志的位置应该远离散热器、雨水管等妨碍观测的障碍,应与墙面、地面保持一定距离方便观测。
 
  3.1.4监测基准网的技术规范要求
 
  (1)对于基准网的测量,把基准网布设成环形利用测量闭合水准路线的方法进行测量,主要的技术要求规范应满足表3-1:
 
  表3-1监测基准网的主要技术要求
 
  等级相邻基准点高差中误差(mm)每站高差中误差(mm)往返较差或环线闭合差(mm)检测已测高差较差(mm)
 
  一等0.3 0.07 0.15 0.2
 
  二等0.5 0.15 0.30 0.4
 
  三等1.0 0.30 0.60 0.8
 
  四等2.0 0.70 1.40 2.0
 
  注:表中n为测站数。
 
  (2)水准侧量所使用的仪器及水准尺,应符合下列规定:
 
  1)水准仪的i角,DS1型不应超过15″;DS3型不超过20″;DS05不得超过10″;
 
  2)水准仪的补偿误差:二等不大于0.2″,三等不大于0.5″;
 
  3)水准尺上的间隔平均长与名义长之间存在的差值,因瓦尺,不大于0.15mm;条码尺,不不大于0.10mm;木质双面尺,不大于0.5mm。
 
  (3)水准观测的主要技术规范要求应符合表3-2:
 
  表3-2水准观测相关技术规范
 
  等级水准仪型号水准尺视线长度(m)前后视的距离较差(m)前后视的距离较差累计(m)视线离地面最低高度(m)基本分化、辅助分化读数较差(mm)基本分化、辅助分化所测高差较差(mm)
 
  一等DS05因瓦15 0.3 1.0 0.5 0.3 0.4
 
  二等DS05因瓦30 0.5 1.5 0.5 0.3 0.4
 
  三等DS05因瓦50 2.0 3 0.3 0.5 0.7
 
  DS1因瓦50 2.0 3 0.3 0.5 0.7
 
  四等DS1因瓦75 5.0 8 0.2 1.0 1.5
 
  注:数字水准仪,不受基、辅分化的读数较差的限制,但测站两次观测的高差较差,应满足表中相应等级高差较差的限值。
 
  起点的高程应为作业区域中的原本有的高程系统。对于较小规模的监视项目,可以使用假定的高程系统。对于大型监测项目,应使用与国家水准点的联合测量得到的数据。
 
  3.1.5变形监测网的技术指标
 
  变形监测网络,由一些基准点,工作基点和变形观测点组成。主要技术要求应符合3-3表:
 
  3-3变形监测网的技术要求
 
  等级变形观测点的高程中误差(mm)每站高差中误差(mm)往返较差、附和或环线闭合差(mm)检测已测高差较差(mm)
 
  一等0.3 0.07 0.15 0.2
 
  二等0.5 0.15 0.30 0.4
 
  三等1.0 0.30 0.60 0.8
 
  四等2.0 0.70 1.40 2.0
 
  注:表中n为测站数。
 
  3.2观测精度和观测周期的确定
 
  3.2.1观测精度的确定
 
  确定观测精度的方法主要有以下几种:
 
  (1)变形允许值S:
 
  S=DL/(3-1)
 
  上式中,
 
  S-----允许差异沉降量(m);
 
  D-----建筑物倾斜值(m);
 
  L-----基础两端点的水平距离(m);
 
  H-----建筑物的高度(m)。
 
  以S为依据以一定比例系数确定或直接给出观测中误差值。
 
  (2)可根据下述公式确定为实用目的变形值观测中误差:
 
  =/t(3-2)
 
  上式中,
 
  △-----允许变形值;
 
  t-----置信区内允许误差与中误差的比值;
 
  1/t-----比例系数。
 
  估算时通常采用=20,t=2。建筑变形观测应以中误差作为衡量精度的指标,并以二倍中误差作为极限误差,如表3-4,建筑物沉降观测的等级、精度及其适用范围。
 
  表3-4建筑沉降观测的等级、精度指标及其适用范围
 
  等级沉降监测点位测站高差中误差(mm)主要适用范围
 
  特等0.05特高精度要求的变形测量
 
  一等0.15基础设计是甲级建筑物的变形测量;重要古建筑和历史建筑的变形测量;重要城市基础设施的变形测量​​等
 
  二等0.5地基基础设计为甲、乙级的建筑的变形测量;重要场地的边坡监视;重要的基坑监测;重要管线的变形测量;地下工程施工及运营中的变形测量;重要的城市基础设施的变形测量等
 
  三等1.5地基基础设计为乙、丙级的建筑的变形测量;一般场地的边坡监测;一般的基坑监测;地表、道路及一般管线的变形测量;一般的城市基础设施的变形测量;日照变形测量;风振变形测量等
 
  四等3.0精度要求低的变形测量
 
  注:沉降监测点测站高差中误差;对水准测量,为其测站高差中误差;对静力水准测量、三角离程测量,为相邻沉降监测点间等价的高差中误差;
 
  3.2.2观测周期的确定
 
  (1)荷载变动下的观测周期:
 
  1)观测次数与间隔时间应视地基与加荷情况而定,至少观测一次。
 
  2)从基础施工到结构工程封顶,每施工一层观测一次。
 
  3)从结构封顶到满荷载,一般15d~30d观测一次。
 
  4)从满荷载到沉降速度变化趋向稳定可适当延长观测时间,一般为1个月~3个月,但不应超过3个月。
 
  5)自沉降速度稳定至沉降基本停止,其观测周期开始为半年或一年左右一次,以后2年~3年一次。
 
  (2)一般的沉降观测中,观测周期如表3-5。
 
  表3-5沉降观测周期
 
  沉降速率/mm观测周期
 
  >0.3半个月
 
  0.1~0.3一个月
 
  0.05~0.1三个月
 
  0.02~0.05半年
 
  0.01~0.02一年
 
  ≤0.01停止观测
 
  3.3外业观测注意事项
 
  现场监测工作应遵循“五个固定”原则,即对观测到的变形观测值的基点,工作基点和变形观测点应保持稳定;使用的仪器和设备应基本稳定;观察者它也应该稳定;观测期间的环境条件基本稳定;观察路线,反射镜位置,程序和方法应固定。以上措施客观上减少了监控中可能出现的错误,提高数据的精确性使结果有趋向性,保证结果不会出现大的差错,得到的数据更真实。在进行测量工作时应注意以下要求:
 
  (1)应在清晰,稳定的成像时间内进行观察,以避免恶劣天气的影响;初次观测时,应反复进行两三次,确保准确性;
 
  (2)工作前,应检查相关仪器,检查并校正i角,定期测试测量仪器,根据观测精度和建筑物观测水平的确定,合理选用观测仪器。
 
  (3)测量时,应避开危险区域,避开振源,不能避开,应等待振源结束后启动;
 
  (4)合理的选择观测路线可在很大程度上提高观测的精度,观测路线的选择应基于以下事实:在观测过程中,建筑物上的所有沉降观测标记和工作基准点均应位于封闭线上,并应以最短观测路径作为最佳观测条件。确保每个站点路径所需的最小可视距离。
 
  第4章沉降监测的方法
 
  44.1水准测量
 
  水准测量精度比较高,操作起来比较方便,是最常见沉降监测方法,对于大型建筑的沉降监测而言,水准测量是最为有效最为可靠的一种方法。
 
  4.1.1水准测量原理
 
  水准测量的基本原理是:使用水准仪提供水平视线,瞄准并读取两个地面点上的水准仪,以确定两点之间的高度差;在已知点的高度,计算要固定的高程。如图4-1,设已知A点的高程,求B点的高程;在A,B两点之间安置一架水准仪,并在A,B上竖立水准尺;根据水准仪望远镜的水平视线,在A尺上读数为a,在B尺上读数为b,则A点至B点的高差为
 
  =a-b(4-1)
 
  图4-1水准测量的原理
 
  4.1.2水准测量技术指标
 
  沉降观测中,水准测量是最常用的方法。目前,数字水准仪和条码式水准标尺已经普遍应用于水准测量作业中,它不仅大大提高了工作效率,并且准确性也得到保证。当采用水准测量进行沉降观测时,所用仪器型号和标尺类型应符合表4-1的规定,在进行水准测量时,水准测量的作业方式应符合表4-2。
 
  表4-1水准仪器与标尺类型
 
  等级水准仪型号标尺类型
 
  一等DS05因瓦条码标尺
 
  二等DS05因瓦条码标尺、玻璃钢条码标尺
 
  DS1因瓦条码标尺
 
  三等DS05、DS1因瓦条码标尺、玻璃钢条码标尺
 
  DS3玻璃钢条码标尺
 
  四等DS1因瓦条码标尺、玻璃钢条码标尺
 
  DS1玻璃钢条码标尺
 
  表4-2沉降观测作业方式
 
  沉降观测等级基准点测量、工作基点联测及首期沉降观测其他各期沉降观测观测顺序
 
  DS05型仪器DS1型仪器DS3型仪器DS05型仪器DS1型仪器DS3型仪器
 
  一等往返测——往返测或单程双侧站——奇数站:后前前后
 
  偶数站:前后后前
 
  二等往返测往返测或单程双侧站—单程观测单程双测站—奇数站:后前前后
 
  偶数站:前后后前
 
  三等单程双测站单程双侧站往返测或单程双侧站单程观测单程观测单程双测站后前前后
 
  四等—单程双侧站往返测或单程双侧站—单程观测单程双测站后后前前
 
  在水准测量时,对于数字水准仪,前后视距长度、前后视距差、水准视线高度范围及重复测量次数应符合表4-3规定。数字水准仪的观测限差应符合表4-4规定。
 
  表4-3数字水准仪观测要求
 
  沉降观测等级视线长度(m)前后视距差(m)前后视距差累积(m)视线高度(m)重复测量次数(次)
 
  一等≥4且≤30≤1.0≤3.0≥0.65≥3
 
  二等≥3且≤50≤1.5≤5.0≥0.55≥2
 
  三等≥3且≤75≤2.0≤6.0≥0.45≥2
 
  四等≥3且≤100≤3.0≤10.0≥0.35≥2
 
  注:1.在室内作业时,视线高度不受本表限制;2.当采用光学水准仪时,观测要求满足表中各项要求。
 
  表4-4数字水准仪观测限差(mm)
 
  沉降观测等级两次读数所测高差之差限差往返较差及附和或环线闭合差限差单程双侧站所测高差较差限差检测已测测段高差之差限差
 
  一等0.5 0.3 0.2 0.45
 
  二等0.7 1.0 0.7 1.5
 
  三等3.0 3.0 2.0 4.5
 
  四等5.0 6.0 4.0 8.5
 
  注:1.表中n为测站数
 
  4.1.3水准测量注意事项
 
  每次水准测量之前,必须要检测数字水准仪的i角,i角应满足一、二等不超过15″,三、四等不超过20″。多次检测后i角如不满足要求需立即停止使用。
 
  在观测前,要把仪器置于外界环境中,使水准仪与外界温度相似。水准测量作业中,要满足水准仪成像清晰、稳定的条件。日出日落前、中午太阳直射时、风力过大时、天气突然变化时、周围有震动时,不得进行观测。晴天观察时,应使用雨伞遮阳。在测量过程中要经常检查仪器,发现问题及时处理。
 
  选择观察结果时,应满足上面表4-4中指定的限制误差。如果根据原因分析重新测试了超出容限的结果,在当前测站发现观测值超过限制时,则应立即对其进行重新测量。站移动后发现超限时,应从稳定可靠的点位重新开始测量。当测量部分的往返高度差超过限制时,应首先重新测试可靠性较低的返测或往测部分。
 
  当单向双站测得的高度差超过极限值时,只能重新测量一条单边,对原始测量结果中符合极限差的一条直线进行算术平均。如果重新测试结果和原始测试结果在误差允许范围内,则可以取三条单边的算术平均值。当重新测试结果和原始的两个单边结果超出限制时,应重新测试另一个单边。当线路的往返高度差较差,且所连接路线或环路的闭合差值超过限制时,应重新测量路线可靠性较低的测量部分。
 
  第5章沉降监测数据检核与处理
 
  55.1沉降监测数据检核
 
  资料分析处理工作前必须以准确可靠的监测资料为基础,在进行分析和处理之前,必须对测得的数据进行检查和验证,并对监控系统和原始数据进行验证,以便获得正确的分析结果并发挥监控数据的作用。
 
  5.1.1数据检核的意义
 
  受观测条件的影响,任何监测数据可能存在误差,误差的大小和性质不同。在测量中,我们通常将误差分为三类:粗误差,偶然误差和系统误差。不允许在变形监视过程中观察到错误,并且可以通过某些程序消除或减少系统错误。如果监测数据存在重大误差或系统误差,将会给后续的变形分析和解释带来困难,甚至得出错误的结论。同时,在变形监测中,由于变形本身很小且接近测量误差的边缘,为了提取变形和误差的变形特征,有必要消除较大的误差并加以改善测量精度,以尽可能减少观测误差。分析变形的影响会影响分析,因此检查监控数据至关重要。
 
  5.1.2监测数据检核的方法
 
  检查监视数据的方法有很多,具体取决于实际情况。一般而言,任何观测元素(例如高度差,方向值,偏移值等)在现场观测中都有自己的观测和验证方法,例如由极限差指定的水平线的闭合差,两次读数差异必须符合规格限制。室内的检核业很重要,具体有::
 
  (1)检查原始记录,检查计算是否有错误,用不同的方法或换不同的人进行检查。
 
  (2)对原始数据资料进行统计分析。用统计方法进行粗大误差的检查。
 
  (3)对原始数据进行逻辑分析。根据监视点的固有物理含义分析原始测量数据的可靠性。
 
  5.2沉降监测数据处理
 
  5.2.1水准网平差处理
 
  在实际平差处理过程中,应根据对象的特性,正确选择与实际情况相适应的基准,以选择相应的调整方法。各周期的平差基准要一致,这样才能反映出正确的变形量。
 
  当单位权中误差和各点位中误差在设计规格范围内时,该时间段的观测结果合格。否则,有必要检查分析原因,并及时进行补充或重新测量。
 
  数据处理时要选择稳定的基点作为起点开始。采用严格的平差方法和可靠的软件系统。应确保调整计算中使用的观测数据和初始数据是准确的。应当消除包含严重误差的观测数据。建筑变形测量平差计算分析中的数据取位应符合表5-1。
 
  表5-1变形测量平差计算分析中的数据取位要求
 
  等级角度(″)距离(mm)高程(mm)沉降(mm)
 
  特等0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
 
  一等0.01 0.01 0.1 0.01 0.01
 
  二、三等0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
 
  四等0.1 1 1 0.1 0.1
 
  5.2.2沉降量计算分析
 
  沉降监测中,设监测点本期(第i周期)沉降量(设为)、累计沉降量(设为)本期日均沉降量,即沉降速率(设为),若本期监测点高程值为、上一期高程为、初始高程为、本期与上期的时间间隔为天,则第j号监测点的沉降信息计算为:
 
  (5-1)
 
  (5-2)
 
  (5-3)
 
  各监测点均可按上式计算。
 
  当>0时,对于施工期间的建筑物可能是异常的,它出现了上升的现象,但这要看数值的大小。
 
  当<时,可认为是测量误差,不认为是上升现象。
 
  当≤时,可认为是异常上升现象。这时,这时,有必要分析这种现象的原因。通过监测记录查找时数据原因、点位标志原因还是监测原因等,尽量回忆监测时的异常情况,对可疑测段应及时重测。
 
  对于上升量的处理,一种方法是保留原值,另一种方法是按“零”下沉处理,这两种方法都存在弊端,前者累积量变小、后者变大。
 
  5.2.3沉降曲线绘制
 
  在一定时期内进行沉降监测时,根据各时期的沉降监测数据,及时对数据进行处理和分析,计算沉降信息,绘制沉降曲线图,采用沉降曲线图,可以直观地了解沉降过程和分布,也可以直观地判断沉降的发展趋势。。
 
  沉降曲线的绘制通常包括沉降与时间之间的关系以及负载与时间之间的关系。为了比较相关点的沉降量和沉降率,为了比较相对点的沉降量和沉降速率,经常在同一图表中绘制多点的沉降过程曲线。
 
  5.2.4沉降监测数据分析与预测
 
  在一定时期内(通常监测次数不小于6次)进行沉降监测时,可以使用已知的监测沉降量和影响沉降的已记录因子数据来采用某种数学方法来确定沉降之间的关系。分析存在的关系找到一定的规律,这个规律一般情况下是一种数学函数关系。
 
  通过建立的函数模型对可能发生的形变进行预测,绘制线管沉降预测曲线,并通过沉降预测曲线直观的了解沉降发展趋势和大小,为相关部门决策提供依据。当再次得到监测数据后,将两者进行对比,来验证建立的模型是否可行,与此同时还可以根据数据来修正建立的预测模型。
 
  变形预测分析的主要方法包括了:灰色模型法、回归分析法、模糊数学法、时序分析法等等,我们进行预测分析一般要采用两种方法进行印证。
 
  5.2.5基准网复测与稳定性分析
 
  经过一定时间的周期性监测后,如果发现了异常情况,,或存在外力作用的影响,应该对基准网立即实施重新复测,通过相关的计算分析,来检验基准点是否稳定,确定基准点的稳定情况是否符合标准,要有充分的理由来证明基准点的稳定,得到的监测成果才算是可靠。
 
  当复测的精度满足相关要求后,把两次监测得到的数据联合平差或者分别按照同一模型、同一基准单独进行平差,求出两期结果的差异量和误差矩阵,用来判断基准点的稳定性。沉降基准点稳定性检验分析应符合下列规定:
 
  重新测量基准网络后,应将所有基准点成对组合,以计算当前调整后的高度差数据与上一次调整后的高度差数据之间的差。
 
  当计算出的高度差不大于根据以下公式计算出的极限时,认为所有基准点稳定:
 
  (5-4)
 
  (5-5)
 
  式中:—高差差值限差(mm);
 
  —对应精度等级的测站高差中误差(mm);
 
  n—两个基准点之间的观测测站数。
 
  当有差值超过限差时,应通过分析判断找出不稳定的点。对不稳定基准点的处理,应按照工程规范的相关要求来处理。
 
  第6章工程实例分析
 
  建筑物的沉降,主要原因包括地基基础的沉降和建筑物负重后本身的沉降。而沉降变形又有均匀沉降与不均匀沉降之分,均匀沉降则我们要预先知道沉降速率和建筑物最终沉降的变化量;不均匀沉降我们则要预先知道沉降差异量和建筑物最终沉降情况。基于上面所论述的沉降分析方法并结合具体的沉降变形特征,可以对沉降变形作出具体分析研究。因本课题的实用性比较强和实际监测过程中的情况较复杂所以以工程实例来更加直接的来阐述数据的处理方法的应用。
 
  66.1工程概述
 
  6.1.1地理位置
 
  该场地位于保山市隆阳区兰城路的中部,这块地原来是属于耕地,后来因城市建设的原因被划为开发用地。场地北面为保山市隆阳区住房和城乡建设局,南面为保山市隆阳区法院,西面为保山五洲国际商贸城,东面为兰城路。
 
  6.1.2基坑概况
 
  保山隆阳区分公司生产调度楼建设项目总用地面积8000㎡(12亩),总建筑面积17995.21㎡,地下建筑面积为3692.22㎡,层数为8F,高度为35.30米,建筑物安全等级为一级,结构形式为框架结构,拟采用桩基础。
 
  本基坑基本呈长方形布置,长约75m,宽约55m,周长约260m,根据基础图,1~7剖面的基坑深度分别为4.34m、4.15m、4.04m、3.99m、5.57m、5.34m和4.90m。
 
  根据周边环境条件和场地内地质条件,按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012),确定基坑南北两侧与隆阳区人民法院和住建局地段的侧壁监测等级为二级,基坑东西两侧(临近市政道路)侧壁监测等级为三级。
 
  为使建筑物的基础沉降情况得到准确及时和全面的反映,在施工全过程中以及后续阶段对该区建筑的基础沉降量进行测量,可以检验建筑工程的设计和施工质量,监控建筑物施工和使用期的安全。对该重要建筑群进行全过程的变形测量是国家相关规范的要求;是保证施工过程安全性的要求;是保证业主使用安全性的要求;也是评价优良指标的一个重要依据。
 
  6.2监测依据、方法、周期
 
  监测依据的依据为监测技术要求、相关设计图纸、国家相关规范、规程、标准或地方规程,在观测过程中执行如下规范规程:
 
  (1)《工程测量规范》GB50026-2007,中华人民共和国国家标准;
 
  (2)《国家一、二等水准测量规范》GB12897-2006,中华人民共和国国家标准;
 
  (3)《建筑变形测量规范》JGJ8-2007,中华人民共和国国家标准。
 
  本次监测方法主要是采用水准测量的方法,采用二等级精度要求进行环线闭合法观测,仪器采用补偿式自动安平水准仪配双排刻划因瓦合金标尺。每次观测前必须对工作基点进行检测,检测按照《建筑物变形测量规范》采用沉降二等精度要求进行,采用往返测或单程双测站观测,从第二次开始采用单程观测,观测顺序奇数站:后前前后,偶数站:前后后前,并形成闭合环。
 
  根据中华人民共和国行业标准《建筑变形测量规范》JGJ8-2007规范要求:“当最后100d的沉降速率小于0.01~0.04mm/天,可认为已进入稳定阶段,具体取值根据各地区地基土的压缩性能确定”,根据本工程基础情况,取最后100天的沉降速率小于0.02mm/天作为进入稳定阶段的标准,即当最后100天的沉降速率小于0.02mm/天时才能停止观测工作。
 
  6.3沉降监测点位布设
 
  1)基准点的布设
 
  根据项目的情况,在远离施工地块稳定处共布设3个基准点,点位设置特制大铁钉。
 
  2)坡顶水平、垂直位移监测点布设
 
  根据基坑支护设计要求,现场布设基坑顶部水平、竖向位移点30个,点间距约为20米,点位标识选用特制大铁钉。
 
  3)基坑周围建筑物竖向位移观测、基坑周围道路及管线沉降观测点布设
 
  根据现场条件布设周围建筑物水平、垂直位移监测点10点,点位标识选用特制大铁钉。
 
  建筑物上沉降点密度和位置按设计和规范的要求布设,并考虑到测量数据分析的需要,拟布设的位置和数量于实际埋设时根据现场条件可适当调整。建筑物沉降观测点由施工单位按建筑设计图预埋(标志由测绘单位提供),若需加密时可由测量单位采用植筋法补充埋设部分变形观测点,埋设必须牢固可靠。
 
  6.4监测实施步骤
 
  6.4.1基准点测量
 
  6.4.1.1高程基准测量
 
  以基准点为起算点,按二等水准测量的要求,与其它基准点形成水准闭合环,环闭合差(F为环线长度,单位为km),偶然中误差M△1mm,全中误差MW2mm。
 
  6.4.1.2平面基准测量
 
  以基准点为起算,以监测基准点为点位,按GNSS四等测量的要求,建立水平位移监测基准网,最弱边边长相对中误差≤1/45000。
 
  6.4.2工作点测量
 
  6.4.2.1工作点高程测量
 
  以基准点为起算点,按二等水准测量的要求,与其它基准点及工作点形成水准闭合环,环闭合差(F为环线长度,单位为km),偶然中误差M△1mm,全中误差MW2mm。
 
  6.4.2.2工作点平面测量
 
  以基准点为起算,以监测基准点为点位,按GNSS一级测量的要求,建立水平位移监测基准网,最弱边边长相对中误差1/20000。
 
  6.4.3坡顶水平、垂直位移观测
 
  1)采用相同的观测方法和观测路线、使用同一监测仪器、固定观测人员。
 
  2)以基准点为起点,按三等水准测量的要求与各监测点形成水准闭合环。
 
  3)观测采用高精度电子水准仪,因瓦水准尺,观测方法采用三等水准要求。
 
  6.4.3.1水平位移监测点的测量
 
  1)采用相同的观测方法和观测路线、使用同一监测仪器、固定观测人员。
 
  2)观测方法为极坐标法。即:在基准点或工作点上设站,对每个监测点进行测量,水平角观测3个测回;距离按单向2测回测定。
 
  6.4.4基坑周围建筑物竖向位移观测
 
  6.4.4.1垂直位移监测点的测量
 
  1)采用相同的观测方法和观测路线、使用同一监测仪器、固定观测人员。
 
  2)以基准点为起点,按三等水准测量的要求与各监测点形成水准闭合环。
 
  3)观测采用高精度电子水准仪,因瓦水准尺,观测方法采用三等水准要求。
 
  4)监测点测站高差中误差。
 
  6.4.5基坑周围道路及管线沉降观测
 
  1)采用相同的观测方法和观测路线、使用同一监测仪器、固定观测人员。
 
  2)以基准点为起点,按三等水准测量的要求与各监测点形成水准闭合环。
 
  3)观测采用高精度电子水准仪,因瓦水准尺,观测方法采用二等水准要求。
 
  4)监测点测站高差中误差。
 
  6.5沉降监测数据采集
 
  在数据采集之前,要做好相关的仪器校核,无论是基准点观测所用仪器及标尺还是沉降点观测所用仪器及标尺,必须要送交测绘仪器鉴定站进行检校,合格后方能投入使用。
 
  采用固定的水准观测路线,在控制点与沉降观测点之间建立固定的观测路线,架设仪器的位置做好标记,以便于二次测量走固定的观测路线。基准点及沉降点观测数据均采用国家一、二等水准观测手簿现场记录,限差严格按照国家规范要求进行现场检查,有效控制观测过程,保证观测数据的可靠性。
 
  每次观测均需采用环形闭合方法,在观测过程中,做到步步校核与检查,依照相关规程规范,在满足精度等级的条件下,进行水准测量,获得相关数据。
 
  6.6沉降监测数据处理
 
  本项目监测对象包括基坑周围建筑、基坑周边道路、基坑周边管线、基坑坡顶等。本次数据处理仅列出基准网数据处理、部分房屋监测点处理及基坑坡顶监测数据处理。
 
  (1)水准网平差处理
 
  它包括监测基准网平差,它由基准点和部分工作基点构成,还有变形监测网平差,它由部分基准点、工作基点和变形观测点构成。
 
  首先进行基准网平差,利用COSA软件进行水准网平差,利用南方平差易软件进行水准网平差,得到表6-1、表6-2、表6-3,高程控制网等级为国家二等每公里高差中误差为1.08mm,起始点高程BM1为1660.5081m,高差闭合差为1.0mm,限差3.0mm,路线长度0.571km,水准路线为JZD1-JZD2-JZD3–JZD1形成闭合环。
 
  表6-1高差观测成果表
 
  测段起点号测段终点号测段距离(m)测段高差(m)
 
  JZD1 JZD2 176.1000-0.5833
 
  JZD1 JZD3 263.5000 0.5445
 
  JZD2 JZD1 176.1000 0.5837
 
  JZD2 JZD3 130.9000 1.1280
 
  JZD3 JZD1 263.5000-5.3419
 
  JZD3 JZD2 130.9000-0.5437
 
  表6-2高程平差结果表
 
  点号高差改正数(m)改正后高差(m)高程中误差(m)平差后高程(m)备注
 
  JZD1 0.0000 1660.5081已知点
 
  JZD2-0.0003-0.5836 0.0003 1659.9245
 
  JZD1 0.0000 1660.5081已知点
 
  JZD3-0.0006 0.58442 0.0003 1661.0523
 
  JZD2 0.0003 1659.9245
 
  JZD1-0.0001 0.5836 0.0000 1660.5081已知点
 
  JZD2 0.0003 1659.9245
 
  JZD3-0.0002 1.1278 0.0003 1661.0523
 
  JZD3 0.0003 1661.0523
 
  JZD1 0.0005-5.3413 0.0000 1660.5081已知点
 
  JZD3 0.0003 1661.0523
 
  JZD2 0.0002 0.0740 0.0003 1659.9245
 
  表6-3高程控制成果表
 
  点名H(m)备注
 
  JZD1 1660.5081已知点
 
  JZD2 1659.9245未知点
 
  JZD3 1661.0523未知点
 
  得到各个基准点数据后进行监测网的平差处理,利用COSA平差软件对每一期监测数据进行平差处理得到相对应的数据,且满足相关规范及精度要求。数据处理完毕后选取4个监测点数据得到表6-4
 
  表6-3房屋监测点成果表
 
  点号
 
  日期F1
 
  高程(m)F3
 
  高程(m)F8
 
  高程(m)F11
 
  高程(m)
 
  2017.4.20 1661.4724 1661.1492 1660.3427 1660.8312
 
  2017.4.28 1661.4720 1661.1491 1660.3428 1660.8313
 
  2017.5.02 1661.47223 1661.14885 1660.34259 1660.83128
 
  2017.5.05 1661.4720 1661.1491 1660.3427 1660.8311
 
  2017.5.08 1661.4725 1661.1496 1660.3424 1660.8309
 
  2017.5.12 1661.4721 1661.1493 1660.3426 1660.8313
 
  2017.5.15 1661.4720 1661.1494 1660.3426 1660.8314
 
  2017.5.19 1661.4729 1661.1501 1660.3416 1660.8311
 
  2017.5.22 1661.4725 1661.1497 1660.3414 1660.8310
 
  2017.5.26 1661.4721 1661.1493 1660.3426 1660.8313
 
  2017.5.29 1661.4725 1661.1497 1660.3414 1660.8310
 
  2017.6.02 1661.4722 1661.1493 1660.3425 1660.8314
 
  (1)沉降量分析
 
  计算本次沉降量: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
 
  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、荷载情况等记入“沉降观测表”中。如表6-5
 
  表6-4房屋建筑沉降观测记录表
 
  点号F1 F3 F8 F11
 
  日期累计变化(mm)变化速率(mm/d)
 
  累计变化(mm)变化速率(mm/d)
 
  累计变化(mm)变化速率(mm/d)
 
  累计变化(mm)变化速率(mm/d)
 
  2017.4.20 0.00 0.00 0.00 0 0.00 0 0.00 0
 
  2017.4.28-0.40-0.05-0.10-0.01 0.10 0.01 0.10 0.012
 
  2017.5.02-0.57-0.05-0.45-0.01-0.01 0.00 0.18 0.015
 
  2017.5.05-0.97-0.05-0.55-0.04-0.01 0.00 0.08 0.005
 
  2017.5.08-0.87-0.06-0.15-0.04-0.31-0.02-0.22-0.012
 
  2017.5.12-1.17-0.05-0.05-0.01-0.41-0.02-0.12-0.005
 
  2017.5.15-1.57-0.05 0.15 0.00-0.51-0.02 0.08 0.003
 
  2017.5.19-1.07-0.06 1.05 0.01-1.61-0.06-0.02-0.001
 
  2017.5.22-0.97-0.04 1.55 0.04-2.91-0.09-0.22-0.007
 
  2017.5.26-1.27-0.03 1.65 0.05-3.01-0.08-0.12-0.003
 
  2017.5.29-1.17-0.04 2.15 0.05-4.31-0.11-0.32-0.008
 
  2017.6.02-1.37-0.03 2.25 0.06-4.51-0.10-0.12-0.003
 
  (2)绘制沉降曲线图
 
  沉降曲线分为两部分,即时间与沉降之间的关系曲线和时间与负载之间的关系曲线。画出时间与沉降量的关系曲线首先,以沉降量s为纵轴,以时间t为横轴,形成直角坐标系。
 
  图6-1房屋建筑沉降曲线图
 
  由图6-1折现线变化可以看出,前七期F1、F3、F8、F11四个监测点的折现斜率较为平缓变化幅度小建筑物的沉降较为稳定,从第八期开始F3、F8两个点折线变化较为明显,沉降变化量相对于前七期明显变大,F1、F11点变化相对稳定没有出现较大的波动,就总体而言各个点变化都较为稳定,此时变化也趋于稳定符合相关要求规范。以上列出的只是房屋监测中具有代表性的几个点。
 
  (3)基坑坡顶水平位移监测结果
 
  通过处理基坑坡顶监测数据后得到表6-5、表6-6数据,根据表6-5、表6-6绘制折线变化图得到图6-2、图6-3
 
  表6-3基坑坡顶水平位移监测累计变化表(1)
 
  表6-3基坑坡顶水平位移监测累计变化表(2)
 
  图6-1基坑坡顶水平位移监测累计变化折线图(1)
 
  图6-1基坑坡顶水平位移监测累计变化折线图(2)
 
  由上折线图可得知基坑变形较为严重,其中JK18、JK19、JK20、JK23、JK24、JK25已达到报警值。
 
  总体评价分析:
 
  观测点水准线路测量最大测站高差中误差为0.486mm,观测精度满足二级沉降观测变形测量精度要求,监测结果有效。
 
  基坑周围建筑监测点累计沉降量为:
 
  基坑周围建筑监测点最大累计沉降量为4.04mm(F8#观测点),最小累计沉降量0.02mm(F15#观测点)。平均累计沉降量为0.68mm;
 
  基坑周边道路监测点最大累计沉降量为9.25mm(DC3#观测点),最小累计沉降量0.14mm(DG2#观测点)。平均累计沉降量为3.74mm;
 
  基坑周边管线监测点最大累计沉降量为8.29mm(GX7#观测点),最小累计沉降量1.19mm(GX3#观测点)。平均累计沉降量为3.37mm;
 
  基坑坡顶监测点最大累计沉降量为521.05mm(JK25#观测点),最小累计沉降量0.62mm(JK9#观测点)。平均累计沉降量为50.29mm。
 
  观测点水平变形点:
 
  基坑周围道路监测点最大累计变化为7.28mm(DG2#观测点),最小累计变化为1.00mm(DF2#观测点)。平均累计变化量为3.28mm;
 
  基坑坡顶监测点最大累计变化为286.92mm(JK25#观测点),最小累计变化为1mm(JK11#观测点)。平均累计变化量为29.7mm。
 
  基坑周围布设的裂缝监测点,用专业游标卡尺监测无明显变化。
 
  基坑变形较为严重,其中JK18、JK19、JK20、JK23、JK24、JK25已达到报警值。
 
  由于基坑施工完成,施工震动影响减小,各方面沉降稳定,基坑及周边建筑物监测结束。
 
  6.7利用模型对沉降数据进行预测
 
  通过上一章节的阐述,沉降预测的方法有回归分析法、时序分析法、模糊数学法、灰色模型法等,而GM(1,1)模型是灰色理论中最常用的模型之一。
 
  灰色GM(1,1)模型:
 
  中国著名学者邓举龙教授于1982年首次提出了灰色系统理论。该理论指出,所有随机量都可以视为在一定范围和时间段内变化的灰度量和灰度过程。基于此,我们可以使用一些已知数据通过建立数学模型来达到建立预测模型的目的。在灰色系统理论中,系统状态方程由GM(M,N)模型描述,其中M表示系统状态方程的阶数,N表示方程式中可变微分方程式的数量。一般来说,我们主要采用比较简单和经典的GM(1,1)模型,它的建模如下:
 
  首先对原始数据列进行一阶累加得到新的数据列为:,其中
 
  (6-1)
 
  (1)利用此序列生成紧邻均值序列:,其中
 
  (6-2)
 
  (2)建立灰色GM(1,1)模型的一级白化微分方程:
 
  (6-3)
 
  (3)灰色GM(1,1)模型参数列的最小二乘估计为:
 
  (6-4)
 
  式中,(6-5)
 
  (4)将计算求得的参数a、b带入式中求微分方程,取可得到灰色GM(1,1)预测模型为:
 
  (6-6)
 
  (5)对此式再做一阶累减还原计算得到原始序列的灰色GM(1,1)预测模型为:
 
  (6-7)
 
  在用GM(1,1)模型建模预测之前,需要对数据进行等间隔处理,该模型建模比较简单,需要的数据量少(理论上最低4个),可大幅提升建模效率。
 
  利用灰色模型对建筑物进行沉降预测得到如下结果:
 
  (1)初始化建模原始序列
 
  0.0,3.6,4.1,4.7,5.6,6.2,7.5,8.4,10.4,11.6,12.7,14.6,15.2
 
  (2)计算灰色模型发展系数a和灰色作用量b
 
  a=-0.130 b=3.659
 
  (3)模拟值与模拟误差
 
  序号实际数据模拟数据残差相对模拟误差
 
  -------------------------------------------------------------------------------------
 
  2 3.600 3.908-0.308 8.543%
 
  3 4.100 4.450-0.350 8.539%
 
  4 4.700 5.068-0.368 7.830%
 
  5 5.600 5.772-0.172 3.065%
 
  6 6.200 6.573-0.373 6.017%
 
  7 7.500 7.486 0.014 0.191%
 
  8 8.400 8.525-0.125 1.489%
 
  9 10.400 9.709 0.691 6.647%
 
  10 11.600 11.057 0.543 4.683%
 
  11 12.700 12.592 0.108 0.851%
 
  12 14.600 14.340 0.260 1.779%
 
  13 15.200 16.331-1.131 7.444%
 
  (4)计算平均模拟相对误差:4.756%(满足相关要求)
 
  (5)预测未来[5]步的值:18.599 21.181 24.122 27.472 31.286
 
  灰色模型建立后,我们可以根据得到的模型与监测数据进行比对就可以看出所建立的模型是否适合预测,上面建立的模型在计算出平均模拟相对误差后可知,相对误差满足相关要求,可以利用该模型对建筑物变形进行模拟预测。


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