建筑物的变形观测

10.3　建筑物的变形观测

随着我国经济的发展，各种复杂而大型的建筑物日益增多。在建筑物的建造过程中，由于建筑物基础的地质构造不均匀、土壤的物理性质不同、大气温度变化、土基的塑性变形、地下水位季节性和周期性的变化、建筑物的结构及动荷载的作用，建筑物将发生沉降、位移、挠曲、倾斜及裂缝等现象，为了掌握建筑物、构筑物在施工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，应对指定的建筑物、构筑物进行变形观测。

变形观测包括沉降观测、倾斜观测、裂缝观测、位移观测、挠度观测等。

10.3.1　建筑物的沉降观测

建筑物的沉降是地基、基础和上层结构共同作用的结果。沉降观测是最主要的变形观测内容，建筑物沉降观测是测量建筑物上所设观测点与水准点之间随时间的高差变化量。通过此项观测，研究解决地基沉降问题和分析相对沉降是否有差异，以监视建筑物的安全。

1.水准点和观测点的设置

建筑物的沉降观测是依据埋设在建筑物附近的水准点进行的，为了相互校核并防止由于某个水准点的高程变动造成差错，一般至少埋设三个水准点。要求埋设在建筑物、构筑物基础压力影响范围以外;锻锤、轧钢机、铁路、公路等震动影响范围以外;离开地下管道至少5m;埋设深度至少要在冰冻线及地下水位变化范围以下0.5m。水准点离开观测点不要太远(不应大于100m)，以便提高沉降观测的精度。

观测点的数目和位置应能全面正确反映建筑物沉降的情况，这与建筑物的大小、荷重、基础形式和地质条件等有关。一般情况下，观测点点位宜选设在下列位置:①建筑物的四角、大转角处及沿外墙每10－15米处或每隔2－3根柱基上。②高低层建筑物、新旧建筑物、纵横墙等交接处的两侧。③建筑物裂缝和沉降缝两侧、基础埋深相差悬殊处、人工地基与天然地基接壤处、不同结构的分界处及填挖方分界处。④框架结构建筑物的每个或部分柱基上或沿纵横轴线设点。⑤片筏基础、箱形基础底板或接近基础的结构部分之四角处及其中部位置。⑥重型设备基础和动力设备基础的四角、基础形式或埋深改变处以及地质条件变化处两侧。⑦烟囱、水塔等圆形构筑物，则应在其基础的对称轴线上布设观测点。总之，观测点应设置在能表示出沉降特征的地点。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。

2.观测时间、方法和精度要求

一般在增加荷重前后，如基础浇灌、回填土、安装柱子和屋架、砌筑砖墙、设备运转等都要进行沉降观测。当基础附近地面荷重突然增加，周围大量积水及暴雨后，或周围大量挖方等均应观测。工程完工以后，应连续进行观测，观测时间的间隔可按沉降量大小及速度而定，在开始时可每隔1～2个月观测一次，以后随着沉降速度的减慢，可逐渐延长观测时间，直到沉降稳定为止。

水准点是作为比较观测点沉降量的依据，因此要求它必须以永久性水准点为根据来精确测定。测定时应往返观测，并经常检查有无变动。对于重要厂房和重要设备基础的观测，要求能反映出1～2mm的沉降量。因此，必须应用S1级以上精密水准仪和精密水准尺进行往返观测，其观测的闭合差不应超过±mm(n为测站数)，观测应在成像清晰、稳定的时间内进行。对于一般厂房建筑物，精度要求可适当放宽些，可以使用适合四等水准测量的水准仪进行往返观测，观测闭合差不超过±2mm。

沉降观测是一项较长期的系统观测工作，为了保证观测成果的正确性，应尽可能做到四定:

(1)固定人员观测和整理成果;

(2)固定使用的水准仪及水准尺;

(3)使用固定的水准点;

(4)按规定的日期、方法及路线进行观测。

3.沉降观测的成果整理

每次观测结束后，应检查观测手簿中的数据和计算是否合理、正确，精度是否合格等。然后把历次各观测点的高程列入成果表中，计算两次观测之间的沉降量和累计沉降量，并注明观测日期和荷重情况。为了更清楚地表示沉降、荷重、时间之间的关系，还要画出各观测点的沉降-荷重-时间关系曲线图。如图10.1所示。

图10.1

表10.1　沉降观测记录计算表

注:1.表中高程为简化注记，整数部分为1055m。

2.荷载情况(t/m²):第一次:0;第二次:6.5;第三次:12.5;第四次以后:20。

10.3.2　建筑物的倾斜观测

倾斜观测是建筑物变形观测的主要内容之一。建筑物发生倾斜的原因主要是因地基承载力不均匀或因建筑物体型复杂、层高变化而形成不同荷载，地基及其周围地面有差异沉降或受外力作用的结果。

倾斜观测是用测量仪器测定建筑物的基础和上部结构的倾斜量、方向和速率等。倾斜观测从观测的部位分，可分为基础倾斜观测和上部倾斜观测。

基础倾斜观测一般采用精密水准测量的方法，定期测出基础两端点的差异沉降量，进行推算。

1.用精密水准测量的方法观测基础倾斜

建筑物的基础倾斜观测，一般采用精密水准仪进行沉降观测的方法，定期测出基础两端点的差异沉降量Δh，如图10.2所示，再根据两点的距离L，即可按下式计算出基础的倾斜度i:

2.观测基础的差异沉降量推算建筑物的上部倾斜

测得建筑物两端点的差异沉降量Δh后，根据建筑物的宽度L和高度H，可按下列公式推算出上部结构的倾斜值Δ，如图10.3所示:

图10.2

图10.3

3.用经纬仪投影法测定建构筑物的倾斜

对需要进行倾斜观测的一般建筑物，要在互相垂直的两个侧面进行观测。如图10.4所示，在离墙距离大于墙高的地方选一点A安置经纬仪后，分别用正、倒镜瞄准墙顶一固定点M，向下投影取其中点M₁。过一段时间再用经纬仪瞄准同一点M，向下投影得M₂点。若建筑物沿侧面方向发生倾斜，M点已移位，则M₂与M₁不重合，于是量得偏离量e_M。同时，在另一侧面也可以测得偏移量e_N，利用矢量加法可求得建筑物的总偏斜量e，即

以H代表建筑物的高度，则建筑物的倾斜度为i=

图10.4

对于圆形构筑物(如烟囱、水塔)的倾斜观测，应在互相垂直的两个方向分别测出顶部中心对底部中心的垂直偏差，然后用矢量相加的方法，计算出总的偏差值及倾斜方向。方法如图10.5所示，在距烟囱约为烟囱高度1.5倍的地方，建一固定点安置经纬仪，在烟囱底部地面垂直视线平稳地放一木板。然后用望远镜分别照准烟囱底部外皮，向木板上投点得A、A'点，取中得A₀点。在用望远镜照准烟囱顶部外皮，向木方上投点得B、B'点，取中得B₀点。则A₀B₀两点间的距离a，就是烟囱在这个方向的中心垂直偏差，称为初始偏差。它包含有施工操作误差和筒身倾斜两方面影响因素。

图10.5

用同样方法在与其垂直的另一方向再测出垂直偏差b。烟囱总偏差值为两个方向的矢量相加。

以H代表构筑物的高度，则构筑物的倾斜度为i=

例如烟囱向南偏差25mm，向西偏差35mm，其矢量值为c=+35²=43mm，烟囱倾斜方向为矢量方向，即图中按比例画的三角形斜边方向(向西南偏43mm)。

然后用经纬仪把A、A'及B、B'分别投测在烟囱底部的立面上，作为观测点，为以后倾斜观测提供依据。以后的倾斜观测，仍采用上述方向，分别测出烟囱顶部中心对底部中心A、B点的位移量，即得出烟囱倾斜的变化数据。

以上观测要求使用经过严格检校的经纬仪，另外，亦可采用光学垂准仪、激光准直仪、测斜仪等工程测量仪器或悬吊锤球的方法，直接测定建(构)筑物的倾斜量。

10.3.3　建筑物的裂缝观测

建筑物发现裂缝，除了要增加沉降观测的次数外，应立即进行裂缝变化的观测。为了观测裂缝的发展情况，要在裂缝处设置观测标志。设置标志的基本要求是，当裂缝开展时标志就能相应的开裂或变化，正确地反映建筑物裂缝发展情况。主要有如下两种形式:

1.石膏板标志

用厚10mm，宽50～80mm的石膏板(长度视裂缝大小而定)，在裂缝两边固定牢固。当裂缝继续发展时，石膏板也随之开裂，从而观测裂缝继续发展的情况。

2.白铁片标志

如图10.6所示，用两块白铁片，一片取150mm×150mm的正方形，固定在裂缝的一侧。并使其一边和裂缝的边缘对齐。另一片为50mm×200mm，固定在裂缝的另一侧，并使其中的一部分紧贴相邻的正方形白铁片。当两块白铁片固定好以后，在其表面均涂上红色油漆。如果裂缝继续发展，两白铁片将逐渐拉开，露出正方形白铁片上原被覆盖没有涂油漆的部分，其宽度即为裂缝加大的宽度，可用尺子量出。

图10.6

10.3.4　建筑物的位移观测

观测建筑物的平面位置随时间而移动的工作称为位移观测，有时，只要求测定建筑物在某特定方向上的位移量。

在垂直最大位移的方向上建立一条基准线，在建筑物上埋设观测标志，定期用经纬仪观测其角度，利用两次观测角度的差数，可计算得位移值，这种方法称为“视准线法”。

如图10.7所示，A、B、C为控制点，三点一直线，需精确定出，必须埋设牢固稳定的标桩，视为基准线。为防止其变化，每次观测前，应进行检查。M为观测点，设置在基准线同一直线上，标志要牢固、明显。

图10.7

经纬仪架设在A点，控制点间距离宜大于60m，以保证测角精度，精确对中、整平仪器，设第一次测得角值为β₁，第二次测得角值为β₂，两次观测角值之差Δβ=β₂－β₁，则位移值δ可由下式算得:

式中，ρ″=206265。

建立基准线，埋设标志与观测点标志要牢固是位移观测的主要方面，观测手段是多样化的，可采用正倒镜投点求出位移值，还可用拉紧金属线构成基准线，也可用激光束构成基准线。位移可通过测角求得，也可实量。

10.3.5　建筑物的挠度观测

建筑物在应力的作用下产生弯曲和扭曲时，应进行挠度观测。对于平置的构件，在两端及中间设置三个沉降点进行沉降观测，可以测得在某时间段内三个点的沉降量，分别为h_a、h_b、h_c，则该构件的挠度值为

式中，h_a及h_c为构件两端点的沉降量，h_b为构件中间点的沉降量，S_ac为两端点间的平距。

对于直立的构件，要求设置上、中、下三个位移观测点进行位移观测，利用三点的位移量求出挠度大小。在这种情况下，我们把在建筑物垂直面内各不同高程点相对于底点的水平位移称为挠度。

挠度观测的方法常采用正垂线法，即从建筑物顶部悬挂一根铅垂线，直通至底部基岩上，在铅垂线的不同高程上设置高程点，借助光学式或机械式的坐标仪表量测出各点与铅垂线最低点之间的相对位移。如图10.8所示，任意点N的挠度

图10.8

式中，S₀为铅垂线最低点与顶点之间的相对位移，S_N'为任一点N与顶点之间的相对位移。

习题和思考题

1.什么是竣工测量，竣工测量的最终成果是什么?

2.竣工总平面图包括哪些主要内容?

3.如何进行竣工总平面图的编绘及整饰?

4.工程测量资料包括哪些主要内容，应如何进行工程测量资料的管理与交接?

5.为什么要进行工程建筑物变形观测?变形观测主要包括哪些内容?

6.沉降观测的作业步骤是什么?每次观测为什么要保证仪器、观测人员和水准路线不变?

7.建筑物位移观测的方法有哪几种?

8.试述工程建筑物倾斜观测的方法。

9.试述工程建筑物裂缝的观测方法。