悬挂钢尺法在深基坑沉降观测中的应用

段鹏，兰泽英

(1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州　510060；　2.广东工业大学管理学院，广东 广州　510520)



悬挂钢尺法在深基坑沉降观测中的应用

段鹏1*，兰泽英2

(1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州510060；2.广东工业大学管理学院，广东 广州510520)

摘要：随着高层建筑物越来越多，深基坑高程传递是其沉降观测要解决的重要问题。悬挂钢尺法由于其操作简单、结果精确、可靠性高的特点，在工程中得到广泛应用。本文结合工程实例，对悬挂钢尺法应用于深基坑沉降观测进行深入研究，实践证明悬挂钢尺法能够满足高等级沉降观测高程传递精度要求，对同类项目具有典型示范意义。

关键词：沉降观测；悬挂钢尺法；高程传递；精度分析；深基坑

1引言

随着城市化进程不断推进，为了缓解人口快速增长与土地资源尖锐矛盾，高层及超高层建筑物在全国各大城市中日益增多，而这些建筑物绝大多数具有深基坑。为了确切反映建筑地基、基础及其场地在静荷载或动荷载及环境等因素影响下的实际变形程度和变形趋势，需要从基坑底部基础部分开始进行沉降观测[1]。由于深基坑上下高差大，采用常规水准测量的方法难以将地面高程传递到地下，常用的深基坑基础沉降观测方法有全站仪三角高程测量[2]、液体静力水准测量[3]。但考虑到前者观测精度较低，通常只能达到三级沉降观测精度要求，不能满足更高等级沉降观测精度要求[4，5]；后者相对观测精度较高，但只能测量各沉降点的相对沉降量，不能反映建筑物绝对沉降量，且测量范围小、费用相对较高[6]。

悬挂钢尺法传递高程技术成熟、操作简单，加入温度和张力改正可以达到较高精度[7，8]。本文结合某超高层建筑物地下室沉降观测方案，对悬挂钢尺法传递高程的精度进行了理论分析，对数据处理方法进行了详细探讨，对传递结果进行了数据分析，并通过实验论证了悬挂钢尺法传递高程的精度能够满足一级沉降观测精度要求。该方法简单、高效、精确、稳定，对同类项目具有典型示范意义。

2悬挂钢尺法原理

2.1原理[9]

悬挂钢尺法传递高程是一种比较成熟的方法，通过加入温度改正和拉力改正后能够达到较高的精度，是目前高程传递的主要方法，其原理如图1所示。A、B两点分别为基坑上下两处高程点，通过在A点附近基坑支柱横梁上架设三脚架，将检定过的钢尺向下送放，并在钢尺末端悬挂重锤，待钢尺稳定后，基坑上下架设的两台水准仪同时进行观测，两台水准仪在水准尺和钢尺的读数分别为hA、hB与L1、L2，通过加入温度改正和拉力改正，则可精确得到B点高程为：

HB=HA+hA-(L1-L2+△1+△2)-hB

(1)

式中，△1和△2分别为钢尺温度误差补偿和张力误差补偿，计算公式分别为：

△1=实际测定值×尺带膨胀系数×(使用温度-零误差温度)

(2)

△2=(实测张力-标准张力)×实测距离÷(伸缩弹性力×尺带截面面积)

(3)

2.2精度分析

由式(1)可知，A、B两点的高差为

HAB=hA-(L1-L2+△1+△2)-hB

(4)

根据误差传播定律，A、B两点的估算高差中误差为：

(5)

其误差主要来源于水准仪读水准尺的误差、水准仪读钢尺误差和钢尺变形误差。肉眼通过水准仪估读钢尺的误差为 ±0.1 mm，即钢尺读数中误差mL1=mL2=±0.1 mm。水准仪的最小读数为 0.01 mm，其误差mhA、mhB相对于mL1、mL2可以忽略不计，即钢尺读数中误差ML1、ML2为 ±0.1 mm。钢尺的变形误差可以通过温度改正和拉力改正进行补偿。

3工程应用与结果分析

3.1研究对象

某超高层建筑物，设计高度 530 m，地下室设计5层，基坑深度 25 m，为了及时、准确地为工程建设提供沉降数据，监测地下室在自重及使用荷载的作用下各主要部位受力变形情况，委托方要求从基础施工完成后对地下室进行一级沉降观测。

3.2观测方案

地下室与地面高差大于25 m，采用常规水准测量方法难于实施，为了解决这一难题，将工作基点的高程引测到工作转点A之后，采用悬挂钢尺法将高程传递到基坑底部。为了确保传递的高程准确可靠，将A点的高程分别独立进行传递至地下室5层B1、B2，两点之间的高差通过电子水准仪联测检核。观测方案线路如图2所示。

为了确保传递结果稳定、准确，每次高程传递均采用同一把钢尺；水准仪与钢尺的观测距离应尽量靠近，以便读数准确；钢尺底部悬挂重锤应浸没于机油中，以确保钢尺垂直稳定。

3.3数据处理

整个数据处理过程分为三个部分，分别为地上工作转点联测部分、高程传递部分、地下室观测点联测部分，具体的处理过程如下：

(1)工作转点A点至工作基点测段：采用一级沉降观测方法进行往返测，工作转点A的高程取往返测高差平均值进行计算。

(2)高程传递部分：将工作转点A点的高程传递至地下室5层B1、B2两点，两点之间的高差通过电子水准仪联测，并设置B1、B2两点传递高差及水准仪观测高差的校核限差为 1 mm，当高差较差超限时，要求重新进行高程传递。

(3)地下室5层沉降观测点部分：以B1为起点串联各沉降观测点闭到B2，与工作转点A组成闭合环进行严密平差计算。

3.4传递结果

利用基坑支护横梁作为高程传递平台，分别将A点高程转递至地下室B1、B2两点。假定A点的高程为零，所采用的钢尺是经过检定的，钢尺的各项参数为：尺带膨胀系数为0.000 011 5，零误差温度为20°，标准张力为 50 N。悬挂钢尺传递过程中，需同时记录上下两处的观测温度和重锤的重量。为了方便计算，传递过程中采用与标准张力相当的重锤。传递结果如表1所示。

分析表1可知，在标准张力下进行高程传递计算简便，传递结果精确、稳定性高。

3.5实验结果

建筑物施工出地面后，在首层和地下室分别选择A、B两个固定点，利用楼梯间隙和地下室车道，分别采用悬挂钢尺法和变形测量一级水准测量方法，将A点的高程传递至地下室B点。对不同改正温度、不同张力下的高程传递进行实验，并与一级水准测量结果进行了对比，实验结果及对比数据分别如表2、表3和表4所示。

加入温度改正和张力改正后，悬挂钢尺法测量的10组数据与一级水准测量结果对比如表4所示。

由表2可以看出，温度改正对观测精度影响较大，改正温度的选择对观测结果有系统性的误差影响，特别是上下温度差较大时，选择合适的改正温度有利于提高悬挂钢尺法传递高程的精度；表3的数据表明，在温度相同的条件下，张力改正对观测结果影响巨大，与标准张力相差18.8 N时，张力改正达到 4.59 mm；分析表4可知，悬挂钢尺法传递高程加入温度改正和张力改正后的与一级沉降观测结果最大差值为 0.24 mm，均值与一级沉降观测结果较差为 0.05 mm，满足一级沉降精度要求。

4结语

本文简要介绍了悬挂钢尺法传递高程的基本原理，对其理论精度进行了分析，结合具体工程实例，对基于该方法的深基坑沉降观测方案、数据处理、传递结果及实验结果进行了深入分析研究，得到以下几点结论：

(1)悬挂钢尺法传递高程技术成熟、操作简单，加入温度改正和张力改正后，测量结果精确、稳定性高，能够满足一级沉降观测精度要求。但传递的高度受钢尺长度的限制，对场地条件有一定的要求；

(2)将地面高程独立两次传递到地下室，并用水准仪进行高差检核，满足设置限差要求后，联合上下两个测段水准测量数据进行严密平差计算，该数据处理方案合理、可行；

(3)温度改正和张力改正直接影响高程传递的精度，加入合适的温度及准确的张力改正有利于提高传递精度；

(4)改正温度的选择对悬挂钢尺法传递高程观测结果有系统性的误差影响，选择高程传递上下两处温度均值计算温度改正更加合理、可行。

参考文献

[1]JGJ8-2007. 建筑变形测量规范[S].

[2]岳建平，田林亚. 变形监测技术与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2007.

[3]李德思. 简易液体静力水准仪及其应用[J]. 测绘通报，1984(1).

[4]余晓波. 浅谈三角高程测量在建筑物沉降监测中的应用[J]. 测绘与空间地理信息，2012(9).

[5]房栓社，孔德超，王登杰等. 三维坐标法在深基坑变形监测中的应用[J]. 山东大学学报，2006(10).

[6]高绍伟，李长青，王得利. 静力水准测量在建筑物变形监测中的应用及精度分析[J]. 北京测绘，2015(3).

[7]姜韶，匡志威，张翠峰. 悬挂钢尺法在地铁高程联系测量中的应用[J]. 城市勘测，2014(3).

[8]王岩，岳建平，马保卫等. 三种高程传递方法的精度分析[J]. 北京测绘，2005(1).

[9]章书寿，华锡生. 工程测量[M]. 北京：水利水电出版社，1994.

The Application of Suspended Steel Tape in Settlement Observation of Deep Foundation Pit

Duan Peng1，Lan Zeying2

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.School of Management Guangdong University of Technology，Guangzhou 510520，China)

Key words：settlement survey；suspended steel tape；elevation transferring；accuracy analysis；deep foundation pit

Abstract：With more and more high-rise buildings，the elevation transmission of the deep foundation pit is an important problem to be solved in the settlement observation. Suspended steel tape because of its simple operation，accurate result and high reliability，has been widely used in engineering. Combined with practical engineering，this paper studies deeply on the suspended steel tape used in the settlement observation of deep foundation pit. Practice has proved that the suspended steel tape can meet the elevation transfer accuracy requirements of high level of settlement observation. Finally，it has a typical demonstration of the significance to the similar project.

文章编号：1672-8262(2016)03-137-04

中图分类号：P258，TU196

文献标识码：B

*收稿日期：2016—03—29

作者简介：段鹏(1980—)，男，硕士，工程师，现主要从事变形监测、规划测绘研究。

基金支持：国家自然科学基金青年科学基金项目(41301377)