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赤鱼追波

建筑日记

 
 
 

日志

 
 

建筑物变形观测  

2015-09-08 12:52:18|  分类: 工程施工 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、变形观测概述

1、建筑物变形观测及意义
    建筑物在施工和营运过程中,由于地质条件和土壤性质的不同,地下水位和大气温度的变化,建筑物荷载和外力作用等影响,导致建筑物随时间发生的垂直升降、水平位移、挠曲、倾斜、裂缝等,统称为变形。用测量仪器定期测定建筑物的变形及其发展情况,称为变形观测。
    各种工程建筑物在其施工和使用过程中,都会产生一定的变形,当这种变形在一定限度内时可认为属正常现象,但超过了一定的范围就会影响其正常使用并危及建筑物自身及人身的安全,因此需要对施丁中的重要建筑物和已发现变形的建筑物进行变形观测,掌握其变形量、变形发展趋势和规律,以便一旦发现不利的变形可以及时采取措施,以确保施工安全和建筑物的安全,同时也为今后更合理的设计提供资料。
    由于建筑物破坏性变形危害巨大,变形观测的作用逐步为人们了解和重视,因此在建筑立法方面也赋予其一定的地位,建设部已制定颁布了中华人们共和同行业标准《建筑变形测量规范》(JGJ/T8--97),并自1998年6月1日起施行。目前国内许多大中城市已经提出要求和做出决定:新建的高层、超高层,重要的建筑物必须进行变形观测,否则不予验收。同时要求,把变形观测资料作为工程验收依据和技术档案之一,呈报和归档。
    2、变形观测的特点
    1)观测精度高
    由于变形观测的结果育接关系到建筑物的安全,影响对变形原因和变形规律的正确分析,观测必须具有较高的精度。变形观测的精度要求,取决于该工程建筑物预计允许变形值的大小和进行观测的目的。一般来讲,如果变形观测是为了确保建筑物的安全,则测量精度应小于允许变形值的1/10-1/20;如果是为了研究变形的过程,则观测精度还应更高。
    2)重复观测量大
    建筑物由于各种原因产生的变形都具有时间效应,计算变形量最基本的方法是计算建筑物上同一点在不同时间的坐标差和高程差。这就要求变形观测必须依一定的时间周期进行重复观测。重复观测的频率取决于观测的目的、预计的变形量大小和变形速率。通常要求观测的次数,既能反映出变化的过程,又不遗漏变化的时刻。
    3)数据处理严密
    建筑物的变形一般都较小,甚至与观测精度处在同一个数量级;同时,重复观测的数据量较大。要从大量数据中精确提取变形信息,必须采用严密的数据处理方法。数据处理的过程也是进行变形分析和预报的过程
    3、变形观测的内容
    所谓变形观测是对建筑物以及地基变形(包括水平位移、沉降、倾斜、挠度、裂缝等)进行的测量工作。建筑物的变形应从基础施工开始,在整个施工阶段按规定进行定期的变形观测,直到建成之后的一定使用阶段,如有必要应延续到变形趋于稳定为止。
    4、变形观测常规方法
    包括精密水准测量、三角高程测量、三角(边)测量、导线测量、交会法等。测量仪器主要有经纬仪、水准仪、电磁波测距仪以及全站仪等。这类方法的测量精度高,应用灵活,适用于不同变形体和不同的工作环境。

二、建筑物沉降观测

1、建筑物沉降原因
    在荷载影响下,建筑基础下土层的压缩是逐步实现的,因此,基础的沉降量亦是逐渐增加的。一般认为,建筑在砂土类土层上的建筑物,其沉降在施工期间已完成大部分;而建筑在粘土类土层上的建筑物,其沉降在施工期间只完成了一部分。
    对于砂性土层上的建筑,基础的沉降过程可分为四个阶段:第一阶段是在施工期间,随着地基上荷载的增加,沉降速度很大,年沉降量达20-70mm;到第二阶段,沉降速度就显著地变慢,年沉降量大约为20mm;第三阶段为平稳下沉阶段,其速度大约为每年1-2mm ;第四阶段沉降曲线几乎是水平的,也就是说到了沉降停止的阶段。相反,粘性土地基上的建筑物,其沉降会有一个快速发展——逐渐收敛的缓慢过程。因此,变形监测应贯串整个兴建工程建筑物的全过程,即建筑之前、之中及运营期间。
    2、高程基准点和沉降观测点的设置
    (1)基准点布设
     1)点位稳固,在沉降变形区以外;
     2)不宜过远,通常一站能引测到观测点;
     3)每个工地设置2~3个,以便检核;
     4)一般需要与国家水准点联测,获得绝对高程;
     5)冻土地区应埋深至冻土线以下0.5米处。
    (2)、观测点布设
     1)建筑物的四角、大转角处及沿外墙每10~15m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)宽度大于等于15m或小于15m而地质复杂以及膨胀土地区的建筑物承重内隔墙中部设内墙点,在室内地面中心及四周设地面点。
     5)邻近堆置重物处、受振动有显著影响的部位及基础下的暗沟处。
     6)框架结构建筑物的每个或部分柱基上或沿纵横轴线设点。
     7)片筏基础、箱型基础底板或接近基础的结构部分之四角处及其中部位置。
     8)重型设备基础和动力设备基础的四角、基础型式或埋深改变处以及地质条件变化处两侧。
     9)电视塔、烟囱、水塔、油罐、炼油塔、高炉等高耸构筑物,沿周边在与基础轴线相交的对称位置上布点,点数不少于4个。

图1 观测点设置

3、沉降观测的时间、方法和精度要求
    (1)、观测周期与时间
    观测周期观测的时间和次数,应根据工程的性质、施工进度、地基地质情况及基础荷载的变化情况而定。
    1)当埋设的沉降观测点稳固后,在建筑物主体开工前,进行第一次观测。
    2)在建(构)筑物主体施工过程中,一般每盖1~2层观测一次。如中途停工时间较长,应在停工时和复工时进行观测。
    3)当发生大量沉降或严重裂缝时,应立即或几天一次连续观测。
    4)建筑物封顶或竣工后,一般每月观测一次,如果沉降速度减缓,可改为2~3个月观测一次,直至沉降稳定为止。
    (2)、观测方法
    观测时先后视水准基点,接着依次前视各沉降观测点,最后再次后视该水准基点,两次后视读数之差不应超过±1mm。另外,沉降观测的水准路线(从一个水准基点到另一个水准基点)应为闭合水准路线。
    (3)、精度要求
    沉降观测的精度应根据建筑物的性质而定。
    1)多层建筑物的沉降观测,可采用DS3水准仪,用普通水准测量的方法进行,其水准路线的闭合差不应超过mm(n测站数)。
    2)高层建筑物的沉降观测,则应采用DS1精密水准仪,用二等水准测量的方法进行,其水准路线的闭合差不应超过mm(n为测站数)。
    (4)、工作要求
    沉降观测是一项长期、连续的工作,为了保证观测成果的正确性,应尽可能做到四定,即固定观测人员,使用固定的水准仪和水准尺,使用固定的水准基点,按固定的实测路线和测站进行。
     1)沉降观测的成果整理
     ① 整理原始记录 每次观测结束后,应检查记录的数据和计算是否正确,精度是否合格,然后,调整高差闭合差,推算出各沉降观测点的高程,并填入"沉降观测表"中(表1)。
     ② 计算沉降量 计算内容和方法如下:
     1°计算各沉降观测点的本次沉降量:
    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
     2°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(表1)。

表1

 ③ 绘制沉降曲线 如图1所示为沉降曲线图,沉降曲线分为两部分,即时间与沉降量关系曲线和时间与荷载关系曲线。

图2 沉降曲线图

1°绘制时间与沉降量关系曲线 首先,以沉降量s为纵轴,以时间t为横轴,组成直角坐标系。然后,以每次累积沉降量为纵坐标,以每次观测日期为横坐标,标出沉降观测点的位置。最后,用曲线将标出的各点连接起来,并在曲线的一端注明沉降观测点号码,这样就绘制出了时间与沉降量关系曲线,如图2所示。
    2°绘制时间与荷载关系曲线 首先,以荷载为纵轴,以时间为横轴,组成直角坐标系。再根据每次观测时间和相应的荷载标出各点,将各点连接起来,即可绘制出时间与荷载关系曲线,如图2所示。

三、建筑物倾斜观测

建筑物由于地基的不均匀沉降将引起上部主体结构倾斜,对于高宽比很大的高耸建筑物而言,其倾斜变形较沉降变形更为明显,轻微倾斜将影响其美观及功能的正常使用,当倾斜过大时,将导致建筑物安全性降低甚至倒塌,因此,对该类建筑物则以倾斜变形为主。
    用测量仪器来测定建筑物的基础和主体结构倾斜变化的工作,称为倾斜观测。
    1、一般建筑物主体的倾斜观测
    建筑物主体的倾斜观测,应测定建筑物顶部观测点相对于底部观测点的偏移值,再根据建筑物的高度,计算建筑物主体的倾斜度,即

 式中 i——建筑物主体的倾斜度;
        ΔD——建筑物顶部观测点相对于底部观测点的偏移值(m);
          H——建筑物的高度(m);
          α——倾斜角(°)。
   由式可知,倾斜测量主要是测定建筑物主体的偏移值ΔD。偏移值ΔD的测定一般采用经纬仪投影法。具体观测方法如下:

图3? 一般建筑物的倾斜观测

(1)如图所示,将经纬仪安置在固定测站上,该测站到建筑物的距离,为建筑物高度的1.5倍以上。瞄准建筑物X墙面上部的观测点M,用盘左、盘右分中投点法,定出下部的观测点N。用同样的方法,在与X墙面垂直的Y墙面上定出上观测点P和下观测点Q。M、N和P、Q即为所设观测标志。
   (2)相隔一段时间后,在原固定测站上,安置经纬仪,分别瞄准上观测点M和P,用盘左、盘右分中投点法,得到N′和Q′。如果,N与N′、Q与Q′不重合,如图1所示,说明建筑物发生了倾斜。
   (3)用尺子,量出在X、Y墙面的偏移值ΔA、ΔB,然后用矢量相加的方法,计算出该建筑物的总偏移值ΔD,即:
    根据总偏移值ΔD和建筑物的高度H用式(1)即可计算出其倾斜度i。
    2、圆形建(构)筑物主体的倾斜观测
    对圆形建(构)筑物的倾斜观测,是在互相垂直的两个方向上,测定其顶部中心对底部中心的偏移值。具体观测方法如下:

图4 圆形建(构)筑物的倾斜观测

(1)如图4所示,在烟囱底部横放一根标尺,在标尺中垂线方向上,安置经纬仪,经纬仪到烟囱的距离为烟囱高度的1.5倍。
    (2)用望远镜将烟囱顶部边缘两点A、A′及底部边缘两点B、B′分别投到标尺上,得读数为y1、y1′及y2、y2′,如图2所示。烟囱顶部中心O对底部中心O′在y方向上的偏移值Δy为:

(3)用同样的方法,可测得在x方向上,顶部中心O的偏移值Δx为:

(4)用矢量相加的方法,计算出顶部中心O对底部中心O′的总偏移值ΔD,即

根据总偏移值ΔD和圆形建(构)筑物的高度H用式(2)即可计算出其倾斜度i。
    另外,亦可采用激光铅垂仪或悬吊锤球的方法,直接测定建(构)筑物的倾斜量。
    3、建筑物基础倾斜观测

建筑物的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沉降量差值Δh,如图5所示,在根据两点间的距离L,即可计算出基础的倾斜度:

对整体刚度较好的建筑物的倾斜观测,亦可采用基础沉降量差值,推算主体偏移值。如图6所示,用精密水准测量测定建筑物基础两端点的沉降量差值Δh,在根据建筑物的宽度L和高度H,推算出该建筑物主体的偏移值ΔD,即

四、建筑物位移观测

根据平面控制点测定建筑物的平面位置随时间而移动的大小及方向,称为位移观测。位移观测首先要在建筑物附近埋设测量控制点,再在建筑物上设置位移观测点。位移观测的方法有以下两种:
    1、角度前方交会法
    利用角度前方交会法,对观测点进行角度观测,计算观测点的坐标,利用两期之间的坐标差值,计算该点的水平位移量。
    2、基准线法
    某些建筑物只要求测定某特定方向上的位移量,如大坝在水压力方向上的位移量,这种情况可采用基准线法进行水平位移观测。

图7 基准线法观测水平位移

观测时,先在位移方向的垂直方向上建立一条基准线,如图7所示。A、B为控制点,P为观测点。只要定期测量观测点P与基准线AB的角度变化值Δβ,即可测定水平位移量,Δβ测量方法如下:

在A点安置经纬仪,第一次观测水平角∠BAP=β1,第二次观测水平角∠BAP′=β2,两次观测水平角的角值之差即Δβ:

其位移量可按下式计算:

 

3、构件的挠度观测
    建筑物的结构构件在施工和使用阶段随着荷载的增加会产生挠曲,挠曲的大小对建筑物结构构件受力状态的影响很大。因此,结构构件的挠度不应超过某一限值,否则将危及建筑物的安全。
    挠度观测时通过测量观测点的沉降量来进行的计算的。如图 所示,A,B,C是某构件同一轴线上的三个沉降观测点(A,C为支座处,B为跨中),测得其沉降量分别为△A,△B,△C,则该构件的跨中挠度为

五、建筑物的裂缝观测

当建筑物出现基础不均匀沉降、施工方法不当、设计有误等方面的问题时,都会使上部主体结构产生裂缝。为了分析裂缝产生的原因,以便采取正确的处理方法,除了要增加沉降观测外,还应立即进行裂缝观测。
为了观测裂缝的发展情况,要在裂缝处设置观测标志。对标志设置的基本要求是:当裂缝开裂时标志就能相应的开裂或变化,能正确反映建筑物裂缝发展的情况。下面介绍两种常用简便的裂缝观测方法。
    1、石膏板标志
    用厚10mm,宽约50~80mm的石膏板(长度视裂缝大小而定),固定在裂缝的两侧。当裂缝继续发展时,石膏板也随之开裂,从而观察裂缝继续发展的情况。
    2、白铁皮标志

图8 建筑物的裂缝观测

(1)如图8所示,用两块白铁皮,一片取150mm×150mm的正方形,固定在裂缝的一侧。
    (2)另一片为50mm×200mm的矩形,固定在裂缝的另一侧,使两块白铁皮的边缘相互平行,并使其中的一部分重叠。
    (3)在两块白铁皮的表面,涂上红色油漆。
    (4)如果裂缝继续发展,两块白铁皮将逐渐拉开,露出正方形上,原被覆盖没有油漆的部分,其宽度即为裂缝加大的宽度,可用尺子量出。

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