沉降監(jiān)測中的誤差分析及控制方法

沉降監(jiān)測中的誤差分析及控制方法

摘要：沉降觀測在高層建筑物的施工、 竣工驗收及竣工后的監(jiān)測等過程中， 具有安全預報、科學評價及檢驗施工質(zhì)量三方面的功能。文章主要概述了影響高層建筑物沉降觀測精度的因素，介紹了在實際施工中如何控制好各個因素以便提高沉降觀測精度。

關鍵詞：沉降觀測 影響因素 誤差分析

緒言：沉降觀測在高層建筑物的施工、竣工驗收及竣工后的監(jiān)測等過程中，具有安全預報、科學評價及檢驗施工質(zhì)量三方面的功能。通過查閱資料和現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，對高層建筑沉降觀測的影響因素歸大致歸納為七個方面。通過對沉降觀測影響因素的了解，可以及時避免不利因素，監(jiān)測出合格的沉降觀測資料，為勘察設計提供有用的觀測參數(shù)，保證建筑物的正常使用壽命和建筑物的安全。

一、儀器誤差
1、儀器校正后的殘余誤差
儀器校正后，還存在I角校正殘余誤差；儀器長期使用或受震動影響，使望遠鏡視準軸與水準管軸不平行，這種誤差屬于系統(tǒng)誤差，誤差大小同儀器與水準尺的距離成正比。這種誤差的控制方法是：將儀器盡量安置在前、后視距離相等的地方，這樣就可以消除或減弱此項誤差的影響。
2、水準尺誤差
由于水準尺刻劃不準確，尺長變化、彎曲等影響，水準尺必須經(jīng)過檢驗才能使用[2]。
2.1尺的接頭誤差的影響，控制方法可以通過在水準測段內(nèi)用同一根尺子，并把測段站數(shù)目布設成偶數(shù)站。
2.2尺的零點誤差的影響，控制方法可以通過在一個水準測段內(nèi)，兩根水準尺交替輪換使用，即在本測站用作后視尺，下測站則用為前視尺，并把測段站數(shù)目布設成偶數(shù)，則在高差中相互抵消。標尺的零點差可在一水準段中使測站為偶數(shù)的方法予以消除。

二、觀測誤差
1、人員本身
觀測人員必須熟悉測量學的基本理論知識，熟練掌握水準儀器的操作規(guī)程，并且針對不同的工程特點、具體情況能采用不同的觀測方法和觀測程序，對觀測過程中出現(xiàn)的問題能及時分析出原因，能正確的運用誤差理論進行水準網(wǎng)平差計算。由于每個人使用儀器和讀數(shù)的習慣不一樣，如果變換觀測人員，就容易引起儀器操作誤差和讀數(shù)誤差。控制方法：在每次觀測時，保證人員固定不動，減小觀測誤差(偶然誤差)，這對提高沉降觀測精度也有一定的作用。
2、視差影響
當存在視差時，尺像不與十字絲平面重合，觀測時眼睛所在的位置不同，讀出的數(shù)也不同，因此，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。減弱視差的控制方法是：在每次讀數(shù)前，要仔細進行物鏡對光，消除視差。
3、水準尺傾斜影響
水準尺如果是向視線的左右傾斜，觀測時可以通過望遠鏡十字絲很容易被察覺并糾正過來。但是，如果水準尺的傾斜方向與視線方向一致，則不容易被察覺。水準尺前后傾斜總是使尺上讀數(shù)增大。它對讀數(shù)的影響與尺的傾斜角和尺上讀數(shù)的大小即視線距地面的高度有關。尺的傾斜角越大，對讀數(shù)的影響就越大；尺上讀數(shù)越大，對讀數(shù)的影響就越大[3]。
在一觀測段A—B中，令后視讀數(shù)為a，前視讀數(shù)為b。若后視水準尺傾斜（前或后），前視水準尺不傾斜，根據(jù)=+a-b得出：前視點的高程值增大；若后視水準尺不傾斜，前視水準尺傾斜（前或后），根據(jù)=+a-b得出：前視點的高程值減�。蝗羟�、后水準尺都傾斜（前或后）那么前視點高程值的增量=︱△a-△b︱�，F(xiàn)在以第一種情況為例分析如下：
如圖1-1所示，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差為▽η1=a1-a=a1-a1 cosγ=a1（1-cosγ）。

圖1-1

表1-1 尺子讀數(shù)及傾角與觀測讀數(shù)的關系

從上表1-1可以看出，即使水準尺讀數(shù)很小、傾角很小時，尺子傾斜誤差的影響也是不可忽視的。一般水準尺傾斜角度較大時，立尺員才能能發(fā)現(xiàn)。這樣，觀測誤差就很大，不能滿足精度指標。
控制方法：1、在水準測量中，要認真立尺，使尺處于鉛垂位置，尺上有圓水準氣泡的應使氣泡居中。2、可使用搖尺法，即讀數(shù)時尺底置于點上，尺的上部在視線方向前后慢慢搖動，讀取最小的讀數(shù)。當?shù)孛嫫露容^大時，尤其應注意將尺子扶直，并應限制尺的最大讀數(shù)，最重要的是在轉(zhuǎn)點位置。3、尺子上加裝圓水準氣泡。

三、外界條件的影響
1、儀器下沉
儀器下沉是指由于測站處的土質(zhì)松軟使儀器發(fā)生下沉，視線降低，從而使得前視讀數(shù)減小，算得的高差增大，引起高差誤差。減弱儀器下沉誤差的影響可以有以下三中方法：
1、采用雙面尺法或變更儀器高法時，第一次是讀后視讀數(shù)再讀前視讀數(shù)，而第二次則先讀前視讀數(shù)再讀后視讀數(shù)。即“后、前、前、后”的觀測程序。這樣的兩次高差的平均值即可消除或減弱儀器下沉的影響。
2、盡可能將儀器安置在堅硬的地面處，并將腳架踏實。
3、加快觀測速度，盡量縮短前視讀數(shù)與后視讀數(shù)間的時間差。
2、尺墊下沉
如果儀器在搬到下一站尚未讀后視讀數(shù)的一段時間內(nèi)，在轉(zhuǎn)點發(fā)生尺墊下沉，將會使下一站后視讀數(shù)增大，算得的高差也增大，從而引起高差誤差。控制尺墊下沉影響的的方法是：
1、將轉(zhuǎn)點設在比較堅硬的地方。
2、在特殊情況下，轉(zhuǎn)點要設在土質(zhì)松軟的地方，則必須放置尺墊，并將其踩實，以防止水準尺在觀測過程中下沉；同時在土質(zhì)很松軟的地方，踩實后不要立即進行觀測，要等一會兒，防止踏實的土松軟反彈。
3、地球曲率的影響
用水準測量的方法求地面兩點間的高差，借助了水準儀所提供的水平視線。兩點間高差應該是分別通過這兩點水準面間的垂直距離，但水準面是一個曲面，水平視線相當于水準儀所在水準面的切線。因此 用水平視線代替大地水準面地尺上讀數(shù)會產(chǎn)生水準面曲率誤差C。如下圖1-2所示，，根據(jù)水準儀水平視線讀得A、B水準尺上讀數(shù)為a、b，通過水準儀的水準面與兩水準尺相交點所刻劃的讀數(shù)為a1、b1，那么A、B兩點間的高差為：
=a1-b1=（a-aa1）-（b-bb1） （4-1）
儀器至A、B兩點間的距離分別為和 則：
aa1= , bb1=

則=（a-aa1）-（b-bb1）= a-b - （4-2）
則 C=（4-3）

當儀器到兩水準尺的距離和相等時，A、B兩點尺上的讀數(shù)a和b求得的高差=a-b可消除水準面曲率誤差的影響。
地球半徑R=6371Km，當D=80m時，Δh=0.53㎜；當D=60m時，Δh=0.28㎜；當D=40m時，Δh=0.12㎜；當D=20m時，Δh=0.03㎜；地球曲率對高差的影響，即使是很短的距離內(nèi)也必須考慮。要控制地球曲率對高差的影響的方法是：將儀器安置在前、后視點大致等距的地方。

圖1-2 地球曲率影響
4、大氣折光的影響
一般由于大氣折光，視線并非是水平，而是一條曲線，曲線的曲率半徑為地球半徑的7倍，其折光量的大小對水準讀數(shù)產(chǎn)生的影響為
折光影響與地球曲率影響之和為
（4-4）
   控制方法：1、保持視線距離地面的角度不應小于0.3m，因為視線離地面越近，折射越大。2、選擇有利的時間。一天之中，上午10點至下午4點這段時間大氣比較穩(wěn)定，便于消除大氣折光的影響，但在中午前后觀測時，尺像會有跳動，影響讀數(shù)，應避開這段時間，陰天、有微風的天氣可全天觀測。3、基本保證前視水準尺和后視水準尺到測站的距離相等，這樣就可以消除大氣折光在高差中的影響[1]。
5、溫度對儀器的影響
溫度會引起儀器的部件漲縮，因此可能引起視準軸的構件（物鏡，十字絲和調(diào)焦鏡）相對位置的變化，或者引起視準軸相對與水準管軸位置的變化。光學測量儀器是精密儀器，不大的位移量可能使軸線產(chǎn)生幾秒偏差，從而使測量結(jié)果的誤差增大。不均勻的溫度對儀器的性能的影響尤為較大。
控制方法：1、盡量選在溫度均勻適宜的情況下測量，觀測時應注意撐傘遮陽。2、在數(shù)據(jù)處理時要加上溫差改正系數(shù)。

四、觀測時間的影響
建筑物的沉降觀測時間有嚴格的限制條件，特別是首次觀測必須按規(guī)范要求、按時進行觀測。若不能得不到原始數(shù)據(jù)，或首次觀測數(shù)據(jù)有誤差，那么整個觀測就了觀測意義。施工各階段的復測，應該根據(jù)工程的性質(zhì)、進度、以及地基土質(zhì)情況、基礎荷重增加情況等定時進行，不能漏測或補測，以保證得到準確的沉降觀測數(shù)據(jù)建筑物沉降的真實情況和變形規(guī)律。若觀測周期不規(guī)律，從誤差理論角度上分析，觀測成果不能準確反映沉降曲線的細部變化[3]。
沉降觀測必須嚴格按照觀測周期準時進行。一般建筑可在基礎完工后或地下室砌完后開始觀測，大型、高層建筑，可在基礎墊層或基礎底部完成后開始觀測。建筑物每增高1 層觀測一次，如果遇到特殊情況如：1、施工過程中如果暫時停工，在停工時及重新開工時應各觀測一次。停工期間，可每隔 2 ～3 個月觀測一次。2、基礎附近地面荷重突然增加、遇到大暴雨時、周圍大量挖土方時都要及時進行觀測。雨季前后要聯(lián)測，檢查水準點的標高是否有變動。隨著時間的進展，沉降量也隨之增加。當高層建筑物竣工后任需要進行沉降觀測，觀測周期一般每月觀測一次，如果沉降速度減緩，可改為2～3個月觀測一次，直至沉降穩(wěn)定為止。

五、水準點的影響
水準點的影響有以下4個方面：1、如果水準點頂端處理不善，如頂端擱置面不平、粗糙，則每次標尺擱放情況就會不同，導致觀測結(jié)果偏差大。2、如果水準點材料的鋼度不夠，則材料容易變形，導致每次觀測時的標準不一樣，導致結(jié)果偏差大。3、如果觀測前未校驗水準點，如果出現(xiàn)沉降變化，用變化了的水準點作為觀測依據(jù)，結(jié)果自然偏差大。4、基準點保護不好，如基準點內(nèi)有雜物且沒有及時清理，觀測的依據(jù)被破壞了，導致觀測結(jié)果出現(xiàn)偏差。
控制方法：布設專用的水準點，為便于相互檢查、核對，至少應設置 3 個或 3 個以上水準點，埋設地點必須穩(wěn)定，避免受施工機具、車輛碰壓以及雜物影響。為便于觀測，水準點離被測建筑物不宜太遠，一般在 50 ～ 100m 范圍內(nèi)。為防止冰凍影響，水準點應埋設在冰凍線以下 0.5m 處，水準點頂部都要蓋保護。

六、觀測點的影響
如果觀測點的點位、數(shù)量設置不合理，會影響沉降觀測精度。因此觀測點的點位和數(shù)量應該根據(jù)建筑物的結(jié)構特點、荷重、基礎形式和工程地質(zhì)條件來設置，所選擇的點位能顯示建筑物的沉降情況。一般情況下，可沿房屋四周每隔 15 ～ 30m 設一個觀測點，在建筑物的基礎轉(zhuǎn)角處、沉降縫或伸縮縫的兩側(cè)、新舊建筑物的基礎連接處和地質(zhì)條件變化的地方，都應該布設觀測點。一般常用的觀測點是利用直徑 20mm 的鋼筋，一端彎成 90°角，一端彎成燕尾形埋入墻內(nèi)用長120mm的角鋼，在一端焊一鉚釘頭，另一端埋入墻內(nèi)。

七、觀測路線的因素
如果沒有制定合理的觀測路線，將會導致觀測路線、儀器支設位置、觀測距離不同，直接影響了觀測結(jié)果的準確性和精度。如果每次的觀測路線隨意，那么隨著測角度的不同，將會產(chǎn)生很大的誤差[3]。
控制方法：在實際的沉降監(jiān)測中，建立合理的觀測路線，根據(jù)沉降觀測點的埋設要求或圖紙設計的沉降觀測點布置圖，確定沉降觀測點的位置。在控制點與沉降觀測點之間建立固定的觀測路線，并在架設儀器站點與轉(zhuǎn)點處做好標記樁，保證各觀測均沿統(tǒng)一路線施測。

結(jié)論：隨著社會的發(fā)展，人均用地的日益減少，人們對高層建筑的需求越來越大，保證高層建筑物正常施工和功能安全的責任刻不容緩。技術人員只有保證了高層建筑物沉降觀測第一手資料的準確性、精確性，才能在施工、竣工驗收及竣工后，更科學的檢驗施工質(zhì)量。而且采用全站儀在固定測站及鏡高的情況下，通過三角高程的方法來代替幾何水準進行沉降觀測，可以減少勞動強度，但能否滿足精度要求，是值得在今后提高高層建筑沉降觀測精度中加以研究的問題。