摘要：本文主要概述了高层建筑物沉降的原因，监测点的选择、监测次数的要求、观测精度、监测方法和技术要求以及监测成果的分析整理，重点介绍了其监测成果的分析，最后指出沉降监测中常见的几个问题及解决方法。
关键词：高层建筑物；沉降监测；沉降结果分析
中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：
1概述
随着社会的不断进步，物质文明的极大提高及建筑设计、施工技术水平的日臻成熟完善，特别是近几年我国经济的快速发展，在一些经济比较发达的大中城市，土地资源越来越紧张，其有限性与人口增长之间的矛盾日益突出，为解决这一矛盾，高层及超高层建(构)筑物越来越多。高层建筑在施工过程中以及竣工后，由于受到诸如基础变形，上部荷重，工程地质条件及外界扰动等多因素影响，使建筑物产生沉降、倾斜、甚至倒塌[1][2]。因此，为了保证高层建筑物的正常使用寿命和安全，各施工单位或建设单位都会采取一定的手段，对正在施工中或竣工后的建筑物进行变形观测，并为高层建筑物施工和运营管理提供可靠的资料及相应的沉降参数，高层建筑物沉降观测的必要性和重要性愈加明显。
沉降观测和沉降规律分析研究是沉降工作不可缺少的两个工作阶段。观测是对工程状态进行数据采集，规律分析研究是对所采集的数据进行整理、归纳和研究，是观测工作的重要组成部分。观测的真正价值在于能起到工程安全监测和工程状态说明或预测的作用，及时采取相应措施，保证工程顺利进行，并由此提出工程评价，指导工程施工。因此观测分析应及时进行，否则就失去观测意义。
2建筑物沉降观测的意义及技术要求
引起建筑物沉降的因素很多，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、地基的塑性变形、地下水位季节性和周期性的变化、建筑物本身的荷重、建筑物的结构及动荷载的作用，引起基础及其四周地形变形。这种变形在一定限度内应视为正常的现象，但如果超过了一定的限度，则会导致建筑物结构变形或开裂，影响其正常使用，严重的还会危及建筑物的安全。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；而建筑在黏土类土层上的建筑物，其沉降在施工期间只完成了一部分。建筑物产生沉降后一定要对其沉降量值进行分析，建筑物正常的沉降，是循着从缓慢—活跃—缓慢—稳定的过程[3]。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。
2.1基准点、工作基点和变形观测点的选择
沉降观测点大致可分为基准点、工作基点和变形观测点。基准点必须坚固稳定，为了对水准点进行相互校核，基准点的数目应当不少于3个，以组成水准网。工作基点可以根据观测的需要进行布设。按照《建筑变形测量规范》的要求，水准基准点与邻近建筑物的距离应大于建筑物基础最大宽度的2倍，埋深应大于邻近建筑物基础的深度；工作基点与邻近建筑物的距离应为建筑物基础深度的1.5～2.0倍，且周围无施工建设，可结合工地情况在实地设定。观测点的布设是沉降观测的基础，应遵循的原则是:从整体到局部，所布点位能够从总体上控制建筑物的沉降特性；先设计后实施，先在图纸上设计，然后再修改、确定。变形观测点的位置宜设在观测数据容易反馈的部位，即能够反映出变形体变形特征的位置。
2.2沉降监测频率的要求
变形观测频率的选择应根据工程性质、工程进度和基础荷重增加来确定。高层建筑在基础施工阶段变形观测应在较大荷重增加前后进行监测。一般情况下民用建筑施工期间可每加高1～5层观测1次；建筑物使用阶段第一年观测3～4次，第二年观测2～3次，第三年后每年1 次。当建筑物沉降速度达到0.01～0.04mm/d 即视为稳定。同时，也应根据工程具体情况调节观测频率，如遇地面荷重突然增加、长时间连续降雨等一些对高层建筑有重大影响的情况。也可以根据观测时得出的变形速度确定下一步的观测频率。
2.3沉降观测精度的要求
沉降观测的精度要求，取决于建筑物允许变形值的大小和观测的目的。由于建筑物的种类很多，工程的复杂程度不同，观测的周期不一样，所以对沉降观测的精度要求定出统一的规定是十分困难的。一般每次测量闭合环闭合差限差为0.3nmm,其中n为测站数，高层建筑基础的倾斜限差为0.002即沉降点之间的沉降差与其距离比值≤0.002。按照我国《建筑变形测量规范》的要求，对建筑物沉降观测的精度要求应控制在建筑物允许变形值的1/10～1/20之间。
2.4沉降观测的方法和技术要求
高层建筑的沉降监测，通常使用精密水准仪配合铟钢尺来施测，在观测之前应当对使用的水准仪和水准尺进行检校。在水准仪的检校中，应当对影响精度最大的i角误差进行重点检查，要求i角小于15秒。在施测的过程中应当严格遵循国家二等水准测量的各项技术要求，将各观测点布设成闭合环或附和水准路线联测到水准基点上。对于每次观测成果实行两次控制法，第一次在现场观测完立即计算闭合差，如超限，则由现场技术人员评审分析，该返工的立即返工。如原因出于仪器问题，则要在仪器校准后再返工，直至闭合差在限差内再按测站平差，算出每点高程。第二次控制，将每点高程录入成果表内，如发现本次点位沉降量参差不齐，且与以往反映的规律不符，在评审后，进行第二次测量，并在现场调查观测点位是否被碰动或破坏，并作好记录。且每次将观测成果及时整理、归档，并将其最新数据反映于曲线图上。
沉降监测是一项较长期的系统观测工作，为了提高测量的精度，保证观测成果的正确性，在观测过程中应做到四个固定:(1) 固定人员进行观测和整理成果；(2) 固定使用的水准仪和水准尺；(3) 使用固定的水准点；(4) 按照固定的日期、测量方法和测量路线进行观测。同时为了正确地分析变形的原因，观测时还应当记录荷重变化和气象情况。
3成果分析
除了取得现场观测的第一手资料外，还必须对观测资料进行整理与分析，并编制变形分析报告。对观测资料沉降观测成果整理包括资料处理、安全性分析和变形趋势预报分析三部分。
3.1 资料处理
资料处理主要是分析原始实测资料的可靠性与消除实测值的误差。具体的工作内容有： (1)校核各项原始记录，检查每次沉降量和累计沉降时计算是否正确，精度是否合格，误差分配是否合理；(2)计算和统计每个沉降观测点的沉降量和累计沉降量；(3)计算沉降观测点的平均沉降值、平均沉降速度、相对倾斜等；(4)计算所有沉降观测点的平均沉降速度；(5)根据观测的高程计算观测之间的沉降量，填入沉降观测成果表中，绘制各监测点沉降变形曲线及所有监测点的平均沉降曲线和建筑物变形分布图。在此基础上，利用绘出每一观测点的时间与沉降量、时间与荷载的关系曲线及沉降点布置图等沉降曲线图等，结合观测过程中的各种因素对观测成果进行分析，总结出建筑物变形过程、变形规律、变形原因等，找出变形值与引起变形的内在原因和规律，为今后高层建筑物的建设提供完备的基础资料。
沉降量与时间关系曲线很重要，要通过对它的分析来选择合适的变形模型。经过大量工程的沉降观测工作经验表明，每测次都要及时绘制沉降量与时间曲线，因为从中经常会发现一些问题，例如：
(1) 曲线在中间某点突然回升。这种情况极有可能是水准点被碰动或者观测点被碰动。如果是水准点被碰动，就改用其它水准点观测，并对基准网进行复核。复核后若是观测点被碰动，如果观测点已活动则另埋新点；若碰动后点位还很牢靠，可继续使用，另选结构、荷载及地质条件都相同的邻近一观测点，取该点在同一时期内的沉降量作为被碰点的沉降量。
(2) 曲线自某点渐渐回升上扬。原因有可能是水准点下沉。预防措施是埋设水准点时应保证其点位的稳定性。纠正错误的方法是复核基准网，算出水准点的下沉量，改正观测点的高程值。
(3) 曲线波浪起伏。这在沉降观测的后期经常出现，可能是建筑物的沉降趋于稳定，测量误差大于沉降量。可以对测量数据进行分析，从某一次观测开始，将曲线改为水平线。
3.2安全性分析
其主要功能是对修正后的观测值寻找变形规律，进而利用这一规律对建筑物的变形原因做出解释并发出变形预报，初步判断并对建筑物变形异常值发出警报，即对建筑物的安全做出判断[4]。
为了沉降分析的可靠性和可行性，沉降监测数据综合分析应注意以下两个主要原则[5]:是沉降点相邻两观测周期平差值的变化小于沉降观测中误差的2倍，即认为该点未发生沉降；二是根据观测数据变化时间上的持续性判别，即相邻两次观测数据相差甚微，并未超出极限误差范围，但数据的大小趋势却很明显，始终上升或下沉，则说明已发生变化。
(1) 利用变形预报
沉降观测测出4～5组数据后，利用灰色理论建立预测模型，计算出建筑物的预计沉降量。在以后的测次中，随时将实际观测的沉降量与预测的沉降量相比较，只要沉降量超过预测值过多，立即报警。
(2) 基础相对倾斜值
基础相对倾斜值即两点间差异沉降量与两点水平距离的比值，即
式中，——相对倾斜值；、 ——倾斜段两端沉降观测点A 、B 的沉降量(m) ； ——A 、B间的水平距离(m)。从大量的沉降数据分析和规范来看，对于高层和多层建筑物，当倾斜值α≤1/500 时，建筑物运营正常；当α= 1/300时为运营正常与否的临界点；倾斜达到明显可见的程度时倾斜值大致为1/250；当α= 1/150时，建筑结构开始遭到毁坏。后两种情况均要及时发出警报。
(3) 基础的挠度计算
计算出的挠度值要在设计的允许偏差之内，建筑物才能安全运营。
3.3变形趋势预报
确定建筑物沉降原因的方法有三种：统计分析法、确定函数法和二者的混合应用。统计方法主要包括回归分析法、德尔菲法、最小方差预测法、马尔柯夫预测法、趋势外推法等，它主要是基于时序分析和灰色理论建立预测模型，即利用实测资料，将沉降值作为随机量或灰色量建立数学监控模型。这种方法要想达到一定的精度，就要依靠大量的数据。其缺点是计算量大、新老数据等同对待，同时只注重过去数据的拟合，不注重外推，致使预测难度大。确定函数法主要是结合建筑物及其地基的实际工作状态，用有限元法计算荷载作用下的变形场，然后与实测值进行优化拟合，以求得调整参数，从而建立变形确定性模型。或者统计分析法和确定函数结合使用。利用建筑物施工开始、竣工至沉降稳定阶段的观测数据，采取以上3 种方法建立预测变形模型，为建设单位估求出建筑物沉降稳定以后的可能沉降值，作为以后建筑物运营期间安全监测的依据。
在实际应用中,为了更准确地预报变形情况,可及时更新数据,用最新的数据替换老的数据,保证观测数据信息意义,建立等维新息模型,对变形体进行预测。
4沉降监测过程中常见的几个问题
在沉降监测的过程中，由于外界条件、测量误差和建筑物本身的影响，经常出现测量的成果与实际情况相矛盾的现象，这些现象都可以在点位的沉降曲线上表示出来[6]。下面就在沉降监测的过程中常出现的几个问题和解决办法作一简单介绍。
4.1沉降曲线在首次观测后即发生回升现象
在第二次观测时即发现曲线上升,至第三次后,曲线又逐渐下降。发生此种现象,一般都是由于初测精度不高,而使观测成果存在较大误差所引起的。此时,如周期较短,可将第一次观测成果作废,而采用第二次观测成果作为首测成果。为避免发生此类现象,首次观测应适当提高测量精度,施测时一般用N2或N3级精密水准仪认真施测,并且要求每个观测点首次高程应在同期观测两次后决定,以资比较,确保首次观测成果可靠。
4.2在沉降观测的过程中水准基点或沉降观测点标志被破坏
高层建筑物的施工场地普遍较小，测量工作受施工的影响较大，个别单位和个人对观测点标志的保护工作不够重视，经常出现在监测过程中点位被破坏的现象。在各检测点的沉降曲线上反映为曲线在中间出现较大的下降和回升现象。如果是个别点位的曲线出现大的回升，产生的最大原因是观测点被破坏，这种情况在工程上比较多见，应当对所有的沉降观测点进行细致的检查，检查观测点的标志是否被损坏。如果被损坏，处理办法是重新埋设观测点，但是本次的沉降结果不参加累计沉降量的计算；也可以选择结构、荷重等条件都相同的相邻另一沉降观测点，取该点在同一时期内的沉降量，作为被破坏点的沉降量。如果大部分的观测点都出现较大幅度的回升，这样的结果是不符合建筑物的沉降规律的，产生的原因是水准基点可能产生了下沉。按照一般的规律，水准基点的下沉量是非常小的，正是由于施工或其它方面的原因对水准基点产生了损坏造成了基准点的下沉。这种问题的处理办法是重新施测水准基准网，重新计算出水准基点的高程;如果发现是水准基点埋设位置不合适造成点位容易被破坏，应当调整基准点的埋设位置，重新布设基准网。在这两种情况下，各沉降观测点的高程应当以新的基准点的高程来计算。此次监测点的沉降量以其它各点的平均沉降量为准或不参加累计沉降量的计算。
4.3沉降曲线的后段出现波浪起伏现象
沉降曲线在后期呈现波浪起伏现象,此种现象在沉降观测中最常遇到。其原因并非建筑物下沉所致,而是测量误差所致。沉降曲线在前期波浪起伏之所以不突出,是因为沉降量大于测量误差之故；但到后期,由于建筑物下沉极微或已接近稳定,因此在曲线就出现测量误差比较突出的现象。处理这种现象时,应根据整个情况进行分析,决定自某点起,将波浪形曲线改为水平线。后期测量宜提高测量精度等级,并适当地延长观测的间隔时间。
5小结
建筑物的沉降观测是一门交叉学科，它处于工程测量学和土建工程学的边缘，涉及到测绘工程、工程地质、建筑工程、工程力学等方面的知识，所以应对其引起足够的重视。同时，由于施工条件和测量误差的影响，在沉降监测过程中经常会遇到这样或那样的问题，但只要我们严格按照测量的各项规范施测，遇到问题，努力找出解决问题的方法，就可以对建筑物的沉降过程进行严格的监测。
在高层建筑物沉降监测中，为了保证监测成果准确、可靠，达到精度要求，可以在观测手段上入手，采用精密水准仪及其配套的精密水准尺，定人、定仪器、定路线，运用精密几何水准测量方法，并结合工程实际情况，参照有关规范的技术要求施测；在数据处理上，采用现代测量数据处理技术，剔除粗差，保证计算的沉降量为实际沉降量；在变形分析与解释上，采用单点与整体相结合的办法，结合高层建筑工程地质、基础类型等，合理解释变形产生的原因，完全可以对建筑物的安全做出正确决策。从而为设计、施工、运营单位提供第一手准确资料，对指导施工单位进行工程施工起到了重要作用。
参考文献
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[7] JGJ 8-2007.建筑变形测量规范[S].
[8] GB50026-2007.工程测量规范[S].
Brief discussion of the subsidence monitoring of tall building
Jiangang Cheng
( Beijing Institute of Surveying and Mapping, Beijing 100038)
Abstract：This paper mainly summarized the reason for tall building subsidence, monitoring piont selection, requirement for monitoring numbers, observation accuracy, monitoring methods, technique requirements, analysis and arrangement of observation results. We laid special stress on the analysis of the observation results; finally, we put forward the common problems in subsidence monitoring and the resolvent for them.Key words: tall building, subsidence monitoring, analysis of the observation results
程剑刚（1980- ），男，汉族，湖北孝感人，工程师，主要从事工程测量及城市测绘工作。