高层建筑沉降观测数据处理与分析新方法

摘 要：为了保障建筑的安全性，需要对高层建筑的变形进行观测。在高层建筑建设全生命周期内，主要包括施工准备期、施工期以及运营期，沉降观测对于高层建筑的安全性以及稳定性都有着重要的作用。沉降观测作为高层建筑精度以及质量的保障，已经成为施工过程中必要的进行的项目。本文首先介绍了高层建筑水准测量的具体原理，然后提出了沉降观测的数据处理和分析的新方法。

关键词：高层建筑；沉降观测；水准测量；数据处理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.082

0 引言

随着土地资源与人口矛盾逐渐加深，高层建筑规模越来越大。为了保障高层建筑的安全性，对其进行变形观测是非常必要的。建筑变形观测主要包括倾斜观测、水平位移观测以及水平位移观测等。

在沉降观测过程中，观测数据的误差处理方式，一般都是通过观测前采取一定的对策来避免系统误差的产生，然后通过工作人员的经验去对粗差进行剔除，再进行平差计算。从实际案例中不合理的现象开始，使用误差的可区分性理论来考虑系统误差、偶然误差以及粗差模型，对于观测数据的处理思想见下图1，通过过渡处理能够体现出更好的沉降规律，对最终的沉降量进行正确的预测，能够对建筑设计以及施工进行科学合理的指导，这种方法较为直观以及形象。

1 沉降观测原理与方法

（1） 建筑物沉降的原因。1）施工误差。在高层建筑施工中，由于施工误差的存在，会使得荷载以及预应力分布不均，这种现象较为常见。

2）高层建筑的合理变形。高层建筑的施工以及运营过程中，都存在由于其自身结构造成的荷载分布不均的现象，这种现象的存在会使得高层建筑发生变形。

3）外部因素。在高層建筑建设的过程中，因为荷载不断的增加使得地基土被不断的压实，体积逐渐减小就造成了沉降变形。

（2） 沉降观测原理。在变形观测中使用最多的就是沉降观测，沉降观测具体来讲就是针对观测点实行持续的垂直位移的观测，按照项目具体的特征阶段性的得出观测的结果，作为项目实施的可靠程度的判断依据。

在变形观测中沉降变形尤为重要，其实际在操作较为简便，但是对于精度的要求相对较高，不仅仅能够反映沉降量，还能够经过推断得出高层建筑的倾斜挠度以及水平构件的挠度。在高层建筑从施工开始的生命周期内，沉降一直存在，沉降作为一种变形在一定限值内属于正常现象，但是如果超过整个限值，就会对高层建筑的安全造成影响。

（3） 沉降观测方法.沉降观测的方法有很多，在具体观测过程中需要根据工程的具体特点来选择合适的方法，常用的主要包括：水准测量方法、地面沉降监测站、GPS技术、数字摄影测量方法以及三角高层测量方法。

2 高层建筑沉降观测实例

（1）工程概况。某工程占地面积：67854平方米；层数：25；设计用途：住；结构：框架剪力墙；地基类型：桩基础。

（2）观测点的布设和观测。1）观测点的布设。沉降观测点的设置在该工程的四角以及大转角，除此之外还有该工程外墙的十到二十米处，还有高低建筑、沉降缝的两侧、纵横墙的交界处以及基柱上。而地质较为复杂的工程，需要在承重内墙内设置观测点。

按照该工程的结构以及基础的实际特点，需要在该工程设置十二个沉降观测点，具体见图2 。

2）沉降观测。对该工程进行沉降观测所使用的仪器是DINI03 电子水准仪及相应的铟瓦水准尺和尺垫，观测的精度选择二级，观测的路线从基准点开始的闭合环。

3）沉降观测的周期。在该高层建筑施工阶段，对3#楼观测频率为每三层一次，封顶之后观测频率为没两到三个月观测一次，在该高层建筑的主题竣工验收之后沉降达到标准之后可以停止观测。

3 沉降观测数据综合分析

（1）各种不合理现象的原因分析与解决方法。1）观测点在观测周期内沉降速度变化见图3，折线在第一次观测之后就出现了回升的现象。出现这种回升现象的原因主要包括两个方面：第一，第一次观测精度不高；第二，可能由于施工区内降水发生改变造成的。如果是由于第一次观测精度不高造成的，那么折线回升小于5毫米时，需要对第一观测的标高进行调整，回升大于5毫米，此次观测作废，然后将第二次观测作为首次来分析。如果是由于降水变化属于正常现象。

2）经过观察看出曲线在后期的状态为波浪起伏状，这种状态是观测过程中经常遇到的，一般是由于测量存在误差而引起的。由于高层建筑测量误差小于下沉量造成曲线前期起伏不明显，而后期高层建筑的下沉已经逐渐趋于稳定，所以曲线形态表现为测量误差较大的现象。对于这种现象，需要按照整个情况来分析，选择合适的点，这点其之后的曲线视作水平线。

3）曲线在某一个点之后出现回升的现象，主要原因是水准点下沉，水准点表现为逐渐下沉，但是沉降量相对较小，而高层建筑初期的沉降量相对较大，所以当水准点小于高层建筑沉降量时，曲线没有回升的现象，随着高层建筑逐渐下沉稳定，曲线就会出现回升的现象。所以在高层建筑上埋设水准点时，应该保障其实际的稳定性。

4）曲线在中间某一点突然回升的现象，主要原因可能是水准点或者观测点被突然触碰，在水准点被触碰之后低于没有被触碰之间的标高，而观测点被触碰之后高于被触碰之间的标高，这种情况下就会造成突然回升的现象。一旦水准点或者观测点被触碰，就会对其外形造成损伤，这种损伤是极易被发现的，需要对其进行科学合理的处理，主要的处理方法为：取地质、荷载以及结构都相近的临近观测点的数据信息，作为被触碰的观测点的沉降数据。这种处理方法虽然不是该点的真正沉降数据，但是如果选择的观测点比较合理，沉降数据与实际情况就非常接近。

（2）过渡曲线的修匀。三点法具体见图4。

修匀的具体步骤：

（1）三点进行两两连接，求取AC和B垂直线的交点K。endprint

（2）在BK上求点I使得，B的修正位置就是I，

其中是每次观测权，。

（3）根据1、2、3点对点2进行修正，再通过2、3、4对点3进行修正，依次进行，进而得到最终的沉降实程曲线。

而经过修匀的沉降曲线是不是满足精度的要求，还需要经过进一步的验证才能够确定，具体验证步骤为：

（1）设的误差是，而其中k的取值为0和1之间的实数。

（2）将每一个点的参数和坐标都代入上式得到下式：

（3）根据上式对求方差之后得到因为k的取值范围是0到1之间的实数，所以。

因为对“三点法”修匀之后的沉降曲线进行了验证，通过修匀之后的沉降曲线对于偶然误差实现了有效的控制，满足精度的要求。所以通过上述验证，这种方法是能够达到较好的效果。

4 提出拟合函数模型

上述通过处理得到的沉降曲线就是一条相对科学的沉降曲线。因此，可以通过各种函数模型来将其进行拟合处理，得到一个与建筑沉降相适应的模型，对于科学研究以及沉降预测有一定的促进作用。

（1）对数模型：

其中：a、b以及都是需要擬合的参数。

对数模型是在太沙基一维渗透固结理论为前提而起初的。

（2）逻辑函数模型：

其中：a、b以及都是需要拟合的参数

逻辑函数模型作为统计学对于回归分析常用的模型，是在上述对数模型的基础上提出的。

（3）双曲线模型：

其中：a和b都是需要拟合的参数。

上述双曲线模型是根据实际的沉降曲线提出的经验模型。

上述三种拟合模型都是按照实际情况而提出的经验模型，具有一定的科学合理性。但是因为观测环境的复杂性以及过变形，在不同的环境背景下，随着地基条件的不同，使用的模型也可能是不一样的，这就需要通过更多的经验以及资料来进行更深层次的研究。

5 结束语

在高层建筑施工以及运营阶段，沉降观测都非常重要，通过对施工过程的监控，能够科学合理的对施工工序进行指导，避免不均匀沉降的现象出现，可以向相关的部分提供第一手的资料，防止由于沉降造成巨大的经济损失。

参考文献：

[1]陈小荣，雷劲松，卢学松等.高层建筑沉降观测数据处理与分析新方法[J].四川建筑科学研究，2009，35（03）：119-124.

作者简介：李思武（1990-），男，江西南昌人，本科，助工，研究方向：工程测量。endprint