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摘要：本文笔者根据自身多年工作经验，结合沉降观测工作的实际具体情况，简要阐述了高层建筑物沉降观测技术及方法。
关键词：沉降观测；变形观测；精度；外业施测
1、沉降观测的特点
1.1重复观测
重复观测的周期取决于变形量的大小、速度，以及观测的目的。
1.2精度高
相比其他测量工作，变形观测精度要求高，典型的精度是1mm或相对精度10ppm。
1.3需要综合应用多种测量方法
各种测量方法都有其优缺点，要根据工程的特点和变形量的要求，合理选用观测方法。
1.4 数据处理要求更加严密
一般情况下变形体的变形量比较小，重复观测又形成大量的观测数据，因此要有效地反应出真实的变形信息，就应采用严密的数据处理方法。
2、变形观测前观测精度及观测周期的设计
建筑物变形观测的精度与频率的确定，应根据观测的目的和要求以及建筑物具体的情况来确定，在满足精度的前提下，尽量做到高效、省时、省工、省力。
2.1变形观测的精度
根据观测的目的来确定观测精度。为确保建筑物的安全及后期的使用，则其观测的中误差不应超过其变形允许值的1/20（《建筑变形测量规范》JGJ8-2007，以下简称《建筑变形测量规范》）。以科研为目的的变形观测，观测精度要求更高。
高层建筑物整体倾斜度α的允许值为0.002～0.003。倾斜度：0.003。
倾斜度：
式中：SA，SB为倾斜方向上A，B两点的沉降量（mm）。
允许差异沉降量：
式中：α为建筑物整体倾斜度；ΔS为基础两端点的沉降差即差异沉降量（m）；L为基础两端点的水平距离（m）。
只要算出允许差异沉降量，根据实际观测中误差应为允许值ΔS的1/20～1/10的原则，就可以估算出差异沉降量的观测中误差，确定出任一测定点的高程中误差，从而确定出本工程的沉降观测精度。例如：某大楼总高80m，基础宽15m，取倾斜度α=0.002，则差异沉降量为ΔS=αL=30mm。取差异沉降量的观测中误差取1/20ΔS，即：mΔs=30/20=1.5mm。
2.2 沉降观测的周期
根据《建筑变形测量规范》规定：待基准点、观测点埋好稳固后，即可进行首次观测；以后的施工期每增加1～5层观测一次，施工中若暂停工，在停工时及重新开工时应各观测一次，停工期间可每隔2～3个月观测一次；建筑物封顶后，第一年每隔3个月观测一次，第二年每半年观测一次，第三年后每年观测一次，直到稳定为止；若最后所测各点的沉降速率小于0.01mm/d，说明基础沉降已趋稳定，即可停止观测。观测中如突然发生大量沉降、严重不均沉降或较大裂缝等异常情况，应增加观测次数。
3、外业施测
3.1准备工作
使用精密水准仪配合铟钢水准尺进行观测。观测人员由具专业职称的工程师施测，为保证观测精度，在观测过程中应使沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点点位要稳定；所用仪器设备要稳定；观测人员要稳定；观测时的环境条件基本一致；观测路线、镜位、程序和方法要稳定。
尽量减少观测误差的不稳定性，确保观测结果具有统一的趋向性，保证复测结果与首次观测结果可比性更一致，使所观测的沉降量更真实。
3.2基准点及沉降观测点的布设
基准点是检验和直接测定观测点的依据，要求其点位在整个观测过程中保持相对稳定，且离开被测建筑物有一定的距离，具体位置应根据现场情况确定。为了便于校核、验证基准点的稳定性，基準点布设不少于3个。
如果基准点离测建筑物较远使变形观测不方便时，宜设置工作基点，工作基点可选择浅埋式。所布设基准点之间的距离可根据观测路线长度进行估算。按二等水准观测，水准视线长≤30m，单位权中误差μ取0.3mm，路线的权P=1/n，则路线的长度L=n●60，往返观测最弱点的偶然中误差允许mh=0.5mm。
由公式：
得：
n≈11
因水准观测为偶数站，所以应取小于11的最大偶数n=10，即基准点的间距不应超过600m为宜。
沉降观测点是固定在拟测建筑物上的测量标志，其位置应确保施工期及竣工后一定期内能顺利进行观测，并能正确反映建筑物的的沉降情况，一般布置在建筑的四角、大转角处及延外墙柱基上。通常情况是建筑物图纸上有专门的沉降观测点布置图。
某工程的基准点及沉降观测点的布设如图1所示。图中：SH为附近国家水准点；A，B，C，D点为设置的基准点。
图1 基准点及沉降观测点布设图
3.3 沉降观测的施测
3.3.1基准点的观测
每次观测前首先联测基准点，按环形闭合网施测计算闭合差，计算各点改正数，用以验证基准点的稳定性。在大型工程中为了确保基准点的更加稳定性，要求基准点必须与较近的国家水准点进行联测，从而得到沉降观测点在国家统一高程系统中的高程值。
3.3.2 沉降点的观测
沉降点的观测是以基准点为起始点，按二等水准观测精度要求单向观测，形成环形闭合网，观测中尽量选用固定测站，逐点观测，计算环线闭合差并根据测站数进行评查，准确计算出各点高程。相邻两次观测的高程差，即为该点的沉降量。
4、沉降观测数据的处理
沉降观测数据处理的方法多种多样，但大多数的高层建筑的沉降观测数据处理还是应用基本的处理方法达到工程监测的目的。下面用一实例介绍数据处理过程。
4.1列表汇总
检查沉降观测记录进行平差计算，得出各次每个观测点的高程值，确定出沉降量Δt。 Δt=hn（i）-hn（i-1）（4）
式中：i表示观测周期数（i=1，2，3……），且h1=h0，累积沉降量Δt=ΣΔt（n），n表示观测点号。
4.2时间—荷载—沉降关系分析
根据各次观测的平均沉降量和相应的荷载量绘制出时间—荷载—沉降关系曲线图（如图2所示），横坐标为时间坐标，纵坐标上半部为荷载值，下半部为各沉降观测周期的沉降量。
本工程沉降观测时已建至地上2层，前期数据缺乏。由沉降观测成果表可以获得各次观测的每点平均沉降量与沉降趋势、总沉降趋势每点平均沉降速度和发展趋势，并制作相应沉降趋势表（见表1）。如表1所示，表中的箭头表示相应的沉降趋势或发展趋势“↓”代表下降，“→”表示平缓，“↑”表示上升。
由时间—荷载—沉降关系曲线图和部分次数沉降趋势表看出，该建筑物平均沉降量随着时间的推移和荷载的增加基本呈现正比例关系。沉降曲线在2010年8月间有一个小的起伏，从成果表观测数据中也可看出在此时间段内该建筑物有反弹现象。原因是在此期间该工程大部分项目暂时停工，导致建筑物产生小幅反弹。
随着荷载的不断增加，沉降量也在不断增加；在主体结构完工后出现小幅反弹，反应回弹量上的数值也较小，这种现象应属正常。从整体上看曲线光滑平缓，说明沉降量比例均匀，同时在观测过程中，没有出现大的起伏，时间—荷载—沉降关系曲线图适时地反映了该建筑物的沉降过程，说明观测成果可靠。纵观整个建筑物的沉降观测值，建筑物的沉降趋于平稳，是安全可靠的。
4.3变形分析
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。
变形分析就是从变形成果中分析相邻两个或多个观测周期、相同观测点有无明显变化。要求对观测数据要合理处理，观测值中不应含有超限误差，系统误差要减弱到最小；合理处理随机误差，正确区分测量误差与变形信息；观测成果的处理应建立在统一的基准上；合理估计观测成果精度，正确评定成果质量。
根据上述事例也可从基础相对倾斜值上分析建筑物的安全性，利用全部沉降点累积沉降量绘制出各点累积沉降量柱状图（如图3所示）。
图3 各点累积沉降量柱状图
由柱状图可以看出建筑物最大沉降在6号点，其沉降量为16.11mm，最小沉降在4号点，其沉降量为13.08，最大点和最小点间的差异沉降量为3.03mm。根据建筑工程行业标准《建筑变形测量规范》，基础相对倾斜值α即两点间差异沉降量与两点水平距离的比值，即：
式中：α为相对倾斜值；SA，SB为倾斜段两端点沉降观测点A，B的沉降量（mm）；L为A，B两点间的水平距离（mm）。根据高层建筑物整体倾斜α的允许值为0.002～0.003，多层倾斜α的允许值为0.003的规定：建筑物倾斜值α≤0.002时，建筑物运营正常；當α=0.003时为发出警报的临界点；倾斜达到明显可见的程度时倾斜值大约为0.004；当α≥0.008时建筑物开始遭到破坏。上述实例根据观测成果计算得出：
由计算结果看出，数值较小，对建筑物不会造成影响。
5、结语
沉降观测在建筑物施工、竣工验收以及竣工后的监测等过程中，具有安全预报、科学评价及检验施工质量等的职能。通过现场监测数据的反馈信息，可以对施工过程等问题起到预报作用，及时做出较合理的技术决策和现场的应变决定。
参考文献：
[1]建筑综合勘察研究设计院（主编）.JGJ8-2007建筑变形测量规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.
关键词：沉降观测；变形观测；精度；外业施测
1、沉降观测的特点
1.1重复观测
重复观测的周期取决于变形量的大小、速度，以及观测的目的。
1.2精度高
相比其他测量工作，变形观测精度要求高，典型的精度是1mm或相对精度10ppm。
1.3需要综合应用多种测量方法
各种测量方法都有其优缺点，要根据工程的特点和变形量的要求，合理选用观测方法。
1.4 数据处理要求更加严密
一般情况下变形体的变形量比较小，重复观测又形成大量的观测数据，因此要有效地反应出真实的变形信息，就应采用严密的数据处理方法。
2、变形观测前观测精度及观测周期的设计
建筑物变形观测的精度与频率的确定，应根据观测的目的和要求以及建筑物具体的情况来确定，在满足精度的前提下，尽量做到高效、省时、省工、省力。
2.1变形观测的精度
根据观测的目的来确定观测精度。为确保建筑物的安全及后期的使用，则其观测的中误差不应超过其变形允许值的1/20（《建筑变形测量规范》JGJ8-2007，以下简称《建筑变形测量规范》）。以科研为目的的变形观测，观测精度要求更高。
高层建筑物整体倾斜度α的允许值为0.002～0.003。倾斜度：0.003。
倾斜度：
式中：SA，SB为倾斜方向上A，B两点的沉降量（mm）。
允许差异沉降量：
式中：α为建筑物整体倾斜度；ΔS为基础两端点的沉降差即差异沉降量（m）；L为基础两端点的水平距离（m）。
只要算出允许差异沉降量，根据实际观测中误差应为允许值ΔS的1/20～1/10的原则，就可以估算出差异沉降量的观测中误差，确定出任一测定点的高程中误差，从而确定出本工程的沉降观测精度。例如：某大楼总高80m，基础宽15m，取倾斜度α=0.002，则差异沉降量为ΔS=αL=30mm。取差异沉降量的观测中误差取1/20ΔS，即：mΔs=30/20=1.5mm。
2.2 沉降观测的周期
根据《建筑变形测量规范》规定：待基准点、观测点埋好稳固后，即可进行首次观测；以后的施工期每增加1～5层观测一次，施工中若暂停工，在停工时及重新开工时应各观测一次，停工期间可每隔2～3个月观测一次；建筑物封顶后，第一年每隔3个月观测一次，第二年每半年观测一次，第三年后每年观测一次，直到稳定为止；若最后所测各点的沉降速率小于0.01mm/d，说明基础沉降已趋稳定，即可停止观测。观测中如突然发生大量沉降、严重不均沉降或较大裂缝等异常情况，应增加观测次数。
3、外业施测
3.1准备工作
使用精密水准仪配合铟钢水准尺进行观测。观测人员由具专业职称的工程师施测，为保证观测精度，在观测过程中应使沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点点位要稳定；所用仪器设备要稳定；观测人员要稳定；观测时的环境条件基本一致；观测路线、镜位、程序和方法要稳定。
尽量减少观测误差的不稳定性，确保观测结果具有统一的趋向性，保证复测结果与首次观测结果可比性更一致，使所观测的沉降量更真实。
3.2基准点及沉降观测点的布设
基准点是检验和直接测定观测点的依据，要求其点位在整个观测过程中保持相对稳定，且离开被测建筑物有一定的距离，具体位置应根据现场情况确定。为了便于校核、验证基准点的稳定性，基準点布设不少于3个。
如果基准点离测建筑物较远使变形观测不方便时，宜设置工作基点，工作基点可选择浅埋式。所布设基准点之间的距离可根据观测路线长度进行估算。按二等水准观测，水准视线长≤30m，单位权中误差μ取0.3mm，路线的权P=1/n，则路线的长度L=n●60，往返观测最弱点的偶然中误差允许mh=0.5mm。
由公式：
得：
n≈11
因水准观测为偶数站，所以应取小于11的最大偶数n=10，即基准点的间距不应超过600m为宜。
沉降观测点是固定在拟测建筑物上的测量标志，其位置应确保施工期及竣工后一定期内能顺利进行观测，并能正确反映建筑物的的沉降情况，一般布置在建筑的四角、大转角处及延外墙柱基上。通常情况是建筑物图纸上有专门的沉降观测点布置图。
某工程的基准点及沉降观测点的布设如图1所示。图中：SH为附近国家水准点；A，B，C，D点为设置的基准点。
图1 基准点及沉降观测点布设图
3.3 沉降观测的施测
3.3.1基准点的观测
每次观测前首先联测基准点，按环形闭合网施测计算闭合差，计算各点改正数，用以验证基准点的稳定性。在大型工程中为了确保基准点的更加稳定性，要求基准点必须与较近的国家水准点进行联测，从而得到沉降观测点在国家统一高程系统中的高程值。
3.3.2 沉降点的观测
沉降点的观测是以基准点为起始点，按二等水准观测精度要求单向观测，形成环形闭合网，观测中尽量选用固定测站，逐点观测，计算环线闭合差并根据测站数进行评查，准确计算出各点高程。相邻两次观测的高程差，即为该点的沉降量。
4、沉降观测数据的处理
沉降观测数据处理的方法多种多样，但大多数的高层建筑的沉降观测数据处理还是应用基本的处理方法达到工程监测的目的。下面用一实例介绍数据处理过程。
4.1列表汇总
检查沉降观测记录进行平差计算，得出各次每个观测点的高程值，确定出沉降量Δt。 Δt=hn（i）-hn（i-1）（4）
式中：i表示观测周期数（i=1，2，3……），且h1=h0，累积沉降量Δt=ΣΔt（n），n表示观测点号。
4.2时间—荷载—沉降关系分析
根据各次观测的平均沉降量和相应的荷载量绘制出时间—荷载—沉降关系曲线图（如图2所示），横坐标为时间坐标，纵坐标上半部为荷载值，下半部为各沉降观测周期的沉降量。
本工程沉降观测时已建至地上2层，前期数据缺乏。由沉降观测成果表可以获得各次观测的每点平均沉降量与沉降趋势、总沉降趋势每点平均沉降速度和发展趋势，并制作相应沉降趋势表（见表1）。如表1所示，表中的箭头表示相应的沉降趋势或发展趋势“↓”代表下降，“→”表示平缓，“↑”表示上升。
由时间—荷载—沉降关系曲线图和部分次数沉降趋势表看出，该建筑物平均沉降量随着时间的推移和荷载的增加基本呈现正比例关系。沉降曲线在2010年8月间有一个小的起伏，从成果表观测数据中也可看出在此时间段内该建筑物有反弹现象。原因是在此期间该工程大部分项目暂时停工，导致建筑物产生小幅反弹。
随着荷载的不断增加，沉降量也在不断增加；在主体结构完工后出现小幅反弹，反应回弹量上的数值也较小，这种现象应属正常。从整体上看曲线光滑平缓，说明沉降量比例均匀，同时在观测过程中，没有出现大的起伏，时间—荷载—沉降关系曲线图适时地反映了该建筑物的沉降过程，说明观测成果可靠。纵观整个建筑物的沉降观测值，建筑物的沉降趋于平稳，是安全可靠的。
4.3变形分析
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。
变形分析就是从变形成果中分析相邻两个或多个观测周期、相同观测点有无明显变化。要求对观测数据要合理处理，观测值中不应含有超限误差，系统误差要减弱到最小；合理处理随机误差，正确区分测量误差与变形信息；观测成果的处理应建立在统一的基准上；合理估计观测成果精度，正确评定成果质量。
根据上述事例也可从基础相对倾斜值上分析建筑物的安全性，利用全部沉降点累积沉降量绘制出各点累积沉降量柱状图（如图3所示）。
图3 各点累积沉降量柱状图
由柱状图可以看出建筑物最大沉降在6号点，其沉降量为16.11mm，最小沉降在4号点，其沉降量为13.08，最大点和最小点间的差异沉降量为3.03mm。根据建筑工程行业标准《建筑变形测量规范》，基础相对倾斜值α即两点间差异沉降量与两点水平距离的比值，即：
式中：α为相对倾斜值；SA，SB为倾斜段两端点沉降观测点A，B的沉降量（mm）；L为A，B两点间的水平距离（mm）。根据高层建筑物整体倾斜α的允许值为0.002～0.003，多层倾斜α的允许值为0.003的规定：建筑物倾斜值α≤0.002时，建筑物运营正常；當α=0.003时为发出警报的临界点；倾斜达到明显可见的程度时倾斜值大约为0.004；当α≥0.008时建筑物开始遭到破坏。上述实例根据观测成果计算得出：
由计算结果看出，数值较小，对建筑物不会造成影响。
5、结语
沉降观测在建筑物施工、竣工验收以及竣工后的监测等过程中，具有安全预报、科学评价及检验施工质量等的职能。通过现场监测数据的反馈信息，可以对施工过程等问题起到预报作用，及时做出较合理的技术决策和现场的应变决定。
参考文献：
[1]建筑综合勘察研究设计院（主编）.JGJ8-2007建筑变形测量规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.