地基基础沉降观测方法综述

　　一、前言

 

　　地基在建筑物荷载作用下都会产生沉降，如果地基沉降，尤其是差异沉降，超出建筑物允许范围，轻则影响建筑物的正常使用，重则导致房屋开裂倾斜、路基沉陷、堤坝坍塌等。为了及时了解地基在建筑物荷载作用下的沉降以及沉降变化趋势，以便提前采取有效措施，防止事故的发生，很多工程都需要设置沉降观测。如果工程建在软土地基上，则要进行预压加固来消除地基沉降，加固过程中也必须进行沉降观测，以便及时分析地基的加固程度，确定是否达到设计要求再进行卸载。一些现场试验，如静载试桩、复合地基载荷试验等，也需要获得沉降观测结果，才能根据曲线确定承载力。通过沉降观测可积累经验资料，反算地基变形参数，为今后的工程设计计算提供依据。

 

　　沉降观测按部位可分为表层沉降观测、深层（分层）沉降观测和断面沉降观测。经过多年的发展，沉降观测方法不断完善，观测仪器类型也越来越多，但不同的观测方法和观测仪器适用于不同的工程地质条件。为了便于交流，本文对现行沉降观测方法及仪器进行总结，以供参考。

 

　　二、表层沉降观测

 

　　很多工程只要求观测地基表层沉降或建筑物在地表以上某点的沉降，这些沉降统称为表层沉降。表层沉降观测方法按观测手段不同可分为多种：

 

　　1、几何水准观测

 

　　对于实测沉降范围很小、观测精度要求较高的试验工程，例如静力试桩、地基载荷试验等，一般采用架设观测粱，利用百分表直接进行沉降观测，精度可达0.01mm。

 

　　对于视野开阔、测量精度要求不高的建筑物地基沉降，如软基加固、公路路基、桥墩等，可以采用设置临时基准点，利用水准仪进行观测，观测精度为±1.0mm。

 

　　对于一些难以采用水准仪进行观测且对沉降精度要求较低的海上工程，可以采用GPS全球定位系统进行沉降观测。测量精度受天气影响较大，如在相同天气情况下进行观测，精度可控制在±5cm范围内，然后采用曲线拟合法消除沉降的正常波动。

 

　　2、静力水准观测

 

　　即利用连通器水平面相同的原理进行沉降观测的方法，按观测手段的不同可分为传统法和改进法。

 

　　①传统法

 

　　传统的静力水准观测一般有以下3种：

 

　　目视法静力水准装置。通过读取两点的液面刻度值，取得测点高程的变化再计算沉降，观测精度可达到±1mm；

 

　　接触法静力水准装置。仪器挂在观测点上，接通电源，按指挥钮，测针向下移至水面自动停止，即可读取液面高程，再计算沉降，精度可达到±0.1mm；

 

　　接触法组合式静力水准遥测装置。按测高仪自动加水，水面超过溢水口后

 

　　停止加水，依次接通各测点的线路，由测高仪读取各测点静止水面高程，即可进行多点沉降观测，精度可达到±0.1mm。传统的静力水准观测方法原理简单、浅显易懂，用于室内试验观测比较容易，用于实际工程观测时，由于现场条件复杂、天气变化异常，实际操作比较困难，一般较少使用。

 

　　②改进法

 

　　为了能使静力水准观测法方便地应用于实际工程沉降观测，目前已有3种改进的做法，一种是在连通器中安装带有弦式传感器的圆柱状浮筒。测点沉降会引起容器内液面明显的升高与降低，液面的变化将改变悬挂钢弦的张力和共振频率，通过测得的频率差即可推算出测点的沉降。

 

　　随着高精度压力传感器研制成功并投入使用，另一种改进的做法是采用大量程、高精度的振弦式压力传感器测量测点相对基准液面的液体压强的变化，从而得出测点的垂直沉降量。如美国基康生产的NA-S1型多点异高静力水准系统。

 

　　该方法具有长期稳定性好、测点可随意增减、数据可遥控或自测等特点，观测精度可达±1mm。广泛地应用于水电站、大坝等大型建筑物的沉降观测。

 

　　除了采用压力传感器外，还有采用孔隙水压力传感器观测防波堤沉降的。如海南三亚某防波堤沉降观测，测点处的水深达30～34m，沉降是根据测点前后两次水压力变化推算的；又如某港北大防波堤沉降是通过采用孔隙水压力传感器观测堤下海底面与堤外不动点之间的压力差推算的。

 

　　3、不动杆法

 

　　目前采用该法进行土体深层（分层）沉降观测的只有滑动电阻式分层沉降仪，其原理与表层沉降类似，即在观测点位置钻孔埋入刚度较大的不动杆，杆下端插入硬层（>40mm），上端引出地面，所不同的是将沉降仪直接下放到钻孔预定高程，然后通过油压装置打开爪子伸入土中，以保证沉降仪与土同步沉降。

 

　　当观测点附近设置参考点比较困难时，沉降可采用埋入不动杆法进行观测。该方法是在观测点位置钻孔，埋入带套管的不动杆，杆下端插入硬层（N大于40），上端引出地面（或海底面），沉降盘及测量装置套在不动杆上，沉降盘与不动杆的垂直位移即为沉降盘处的沉降，垂直变位通过测量装置进行观测。根据沉降测量方法的不同，又有目测法、滑动电阻式和磁感应式。

 

　　①目测法

 

　　在不动杆上做好标尺，直接读出沉降盘与标尺之间的相对垂直位移。该法精度可达±1mm，适合于陆上回填、堆载预压等引起的地基表层沉降。

 

　　②滑动电阻式

 

　　该测量装置是将不动杆与沉降盘的机械变位转换成电阻值，通过导线引出进行观测，精度可达到±0.1mm。不同型号的沉降仪量程不同，选型时应估计可能出现的最大沉降。

 

　　③磁感应式

 

　　该测量装置是将不动杆与沉降盘的机械变位转换成磁编码，通过导线引出进行观测，精度可达到±1.0mm。

 

　　三、深层（分层）沉降观测

 

　　1、深标点水准仪

 

　　深标点水准仪有两种做法，一种是采用钻机在预定位置上钻孔，孔内放置带有小沉降盘的测杆，用套管保护引出地面，在地面上用水准仪进行观测，测量精度可达土1.0mm；另一种是采用钻机在预定位置上钻孔，钻孔内加护管保护，防止塌陷，孔底压人磁锤式回弹标，观测时用毫米刻度的专用钢尺由磁铁吸住孔底回弹标，引出地面用水准仪进行观测。

 

　　深标点水准仪适合于硬土层，但一个钻孔只能布置一个深标点，若干个测点则需要若干个钻孔，如果是软基，一般采用磁环式沉降仪。

 

　　2、磁环式沉降仪

 

　　磁环式沉降仪由磁环、导管、测头三部分组成。根据测点高程将磁环连同爪子一起套在导管相应的位置上，钻孔至预定高程再沉放导管，然后打开爪子以保证磁环与土体同步变形。测孔做好后用带有长度标记的测头进行观测，观测精度可达12mm。

 

　　前采用的导管有两种，一种是可压缩软管，直径为20mm左右，土层沉降时软管被压缩，磁环连同软管一起沉降；另一种是硬管，直径为40mm左右，磁环与爪子固定在一起但可以在管上自由滑动。磁环式沉降仪的另一种改进的做法是采用铁环代替磁环，相应的是将原来的铁测头改成磁测头，可以降低一些成本。

 

　　分层沉降观测点应沿铅垂线方向在各层土内布设。点数与深度应根据分层分布情况确定，原则上每一土层设一点，最浅的点位应在基础底下，最深的点位应在超过压缩层理论厚度处，或在压缩性低的砾石或岩石层上。分层沉降仪由分层沉降管、磁环、波纹管和沉降仪组成。

 

　　3、不动杆法

 

　　目前采用该法进行土体深层（分层）沉降观测的只有滑动电阻式分层沉降仪，其原理与表层沉降类似，即在观测点位置钻孔埋人刚度较大的不动杆，杆下端插入硬层（N大于40），上端引出地面（或海底面），所不同的是将沉降仪直接下放到钻孔预定高程，然后通过油压装置打开爪子伸人土中，以保证沉降仪与土同步沉降。

 

　　4、钻探法一钻芯实测法

 

　　根据采用的钻探设备等，估算利用钻探法观测基沉降的误差约为±20mm以内。

 

　　其优点：数据能直观地反应出沉降值；节省了很多中间过程的工作量；根据钻芯取样还可反应出层间填筑情况。缺点是钻点量大，费用较高。

 

　　5、深标点水准仪

 

　　深标点水准仪有两种做法，一种是采用钻机在预定位置上钻孔，孔内放置带有小沉降盘的测杆，用套管保护引出地面，在地面上用水准仪进行观测，测量精度可达±l.0mm；另一种是采用钻机在预定位置上钻孔，钻孔内加护管保护，防止塌陷，孔底压人磁锤式回弹标，观测时用毫米刻度的专用钢尺由磁铁吸住孔底回弹标，引出地面用水准仪进行观测。深标点水准仪适合于硬土层，但一个钻孔只能布置一个深标点，若干个测点则需要若干个钻孔，如果是软基，一般采用磁环式沉降仪。

 

　　6、串联分层沉降计

 

　　对于软土地基采用串联分层沉降计精准测量不同地质层面的沉降，测量精度可以达±1mm，对于深厚软基工程可配合连通液位精密沉降计使用，联合测量深厚软基的沉降值。对于一般土质地基采用单点沉降计测量地基沉降。

 

　　四、断面沉降测量

 

　　一些工程如公路路基、导堤等需要进行沿宽度范围内的断面沉降观测。这类观测按测点施测方式分为活动式和固定式两种。

 

　　1、固定式

 

　　海上工程如防波堤断面，沉降观测点在水下，很难采用活动式沉降仪进行观测，这时需要沿断面布置若干个测点，利用不动杆法进行各点沉降观测，各点沉降的连线即可得到断面沉降。一种埋设定点测斜仪观测断面沉降，可有效地解决该问题。

 

　　当沉降观测点在水下，很难采用活动式沉降仪进行观测，这时需要沿断面布置若干个测点，利用不动杆法进行各点沉降观测，各点沉降的连线即可得到断面沉降，而施工过程中很容易将不动杆碰歪或撞坏。可采用以下方法解决此类问题：

 

　　①埋设定点测斜仪观测断面沉降。其原理是通过一种转换装置，利用测斜仪观测沉降引起的断面斜率变化，根据测斜仪测得的各点斜率，从断面坡脚处理论零点开始，逐段推算沉降增量测点越多，沉降精度越高。

 

　　②地基剖面沉降可在路堤施工之前，沿路基横断面方向钻孔埋设多个单点沉降计，组成剖面沉降系统测量；也可以采用连通液位精密沉降计测量。

 

　　2、活动式

 

　　沿断面埋设软管，采用静力水准法利用单点沉降探头在软管内的移动进行断面沉降观测。典活动式沉降仪适用于公路路基断面的沉降观测。

 

　　①剖面沉降仪，由沉降管和二次测试仪器组成。沉降管为一般的PVC管，二次测试仪器由探头、注水管、注水架组成。其测试优点：一是能够测定任意一点的沉降值，甚至可以测试整个剖面的连续沉降曲线，配置自动记录仪即可实现；二是测试成本低。其缺点：一是精度比较低（大到厘米级的误差），若要提高精度，必须根据待测沉降的大小范围，配置若干不同灵敏度的探头，这将大大增加仪器的造价；另一缺点是测试操作比较复杂，整个系统携带不便，须由机械协助运输，测试时需取水和注水。

 

　　②水平测斜仪，与剖面沉降仪相似，由沉降管和二次测试仪器组成。不同的是无需注水系统，其沉降管是特制的PVC管。

 

　　其测试优点：精度高；操作方便；可得到整个剖面的沉降曲线，测点间距最小为0.5m；仪器一次性投资与剖面沉降仪接近。水平测斜仪的缺点主要是特制的PVC造价比较高，每米25元左右，约为普通PVC管的4倍。

 

　　五、其他方法

 

　　对于实测沉降范围很小、观测精度要求较高的试验工程，例如地基载荷试验，一般采用架设观测梁，利用百分表直接进行沉降观测，精度可达0.01mm。对于视野开阔、测量精度要求不高的地基沉降，如软基加固、公路路基、桥墩等，可以采用设置临时基准点，利用水准仪进行观测，观测精度为±1.0mm对于一些难以采用水准仪进行观测且对沉降精度要求较低的海上工程，可以采用GPS全球定位系统进行沉降观测。测量精度受天气影响较大，如在相同天气情况下进行观测，精度可控制在±5cm范围内，然后采用曲线拟合法消除沉降的正常波动。

 

　　六、结束语

 

　　1、应根据工程环境条件、地质条件的不同，选用不同的观测方法和观测仪器。从实际使用情况分析，许多观测设备可以改进其安装方法来提高其精度。

 

　　2、从实际使用情况分析，磁环式沉降仪采用的爪子在软土中效果尚可，在硬土中效果欠佳，日本滑动电阻式沉降仪油压装置将爪子打开插入土中，效果很好，值得国内厂家借鉴。

 

　　3、随着沉降观测研究的深入，新的仪器设备和精密度高的观测设备的出现，在提高了路基沉降观测的精度同时使得沉降观测的工作量大为减少，也降低了沉降观测的费用。国外的沉降观测仪器使用灵活方便，精度较高，但造价昂贵，一般工程难以接受，国内仪器生产厂家应尽可能研制造价低廉但性能基本相尽的观测仪器。

 

　　4、随着铁路、公路建设标准的提高，对路基的工后沉降要求越来越严，（高速铁路）最小工后沉降仅为20mm。并且由于沉降的监测施工干扰大、要求精度高、监测的时间长、资料的整理难等特点，传统的方法很难对路基进行沉降的评估。为了确保达到施工要求，沉降观测方法还有待进一步改善。

 

　　参考文献：

 

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　　[3]粱涛，文纪宏，拿荣广.钻探法观测路基沉降[J].辽宁交通科技，2002（8）