沉降監(jiān)測(cè)中的誤差分析及控制方法

摘要：沉降觀測(cè)在高層建筑物的施工、 竣工驗(yàn)收及竣工后的監(jiān)測(cè)等過程中， 具有安全預(yù)報(bào)、科學(xué)評(píng)價(jià)及檢驗(yàn)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(cè)精度的因素，介紹了在實(shí)際施工中如何控制好各個(gè)因素以便提高沉降觀測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：沉降觀測(cè) 影響因素 誤差分析

緒言：沉降觀測(cè)在高層建筑物的施工、竣工驗(yàn)收及竣工后的監(jiān)測(cè)等過程中，具有安全預(yù)報(bào)、科學(xué)評(píng)價(jià)及檢驗(yàn)施工質(zhì)量三方面的功能。通過查閱資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高層建筑沉降觀測(cè)的影響因素歸大致歸納為七個(gè)方面。通過對(duì)沉降觀測(cè)影響因素的了解，可以及時(shí)避免不利因素，監(jiān)測(cè)出合格的沉降觀測(cè)資料，為勘察設(shè)計(jì)提供有用的觀測(cè)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(zhǎng)期使用或受震動(dòng)影響，使望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)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(zhǔn)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(xiàng)誤差的影響。
2、水準(zhǔn)尺誤差
由于水準(zhǔn)尺刻劃不準(zhǔn)確，尺長(zhǎng)變化、彎曲等影響，水準(zhǔn)尺必須經(jīng)過檢驗(yàn)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(zhǔn)測(cè)段內(nèi)用同一根尺子，并把測(cè)段站數(shù)目布設(shè)成偶數(shù)站。
2.2尺的零點(diǎn)誤差的影響，控制方法可以通過在一個(gè)水準(zhǔn)測(cè)段內(nèi)，兩根水準(zhǔn)尺交替輪換使用，即在本測(cè)站用作后視尺，下測(cè)站則用為前視尺，并把測(cè)段站數(shù)目布設(shè)成偶數(shù)，則在高差中相互抵消。標(biāo)尺的零點(diǎn)差可在一水準(zhǔn)段中使測(cè)站為偶數(shù)的方法予以消除。

二、觀測(cè)誤差
1、人員本身
觀測(cè)人員必須熟悉測(cè)量學(xué)的基本理論知識(shí)，熟練掌握水準(zhǔn)儀器的操作規(guī)程，并且針對(duì)不同的工程特點(diǎn)、具體情況能采用不同的觀測(cè)方法和觀測(cè)程序，對(duì)觀測(cè)過程中出現(xiàn)的問題能及時(shí)分析出原因，能正確的運(yùn)用誤差理論進(jìn)行水準(zhǔn)網(wǎng)平差計(jì)算。由于每個(gè)人使用儀器和讀數(shù)的習(xí)慣不一樣，如果變換觀測(cè)人員，就容易引起儀器操作誤差和讀數(shù)誤差�？刂品椒ǎ涸诿看斡^測(cè)時(shí)，保證人員固定不動(dòng)，減小觀測(cè)誤差(偶然誤差)，這對(duì)提高沉降觀測(cè)精度也有一定的作用。
2、視差影響
當(dāng)存在視差時(shí)，尺像不與十字絲平面重合，觀測(cè)時(shí)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(xì)進(jìn)行物鏡對(duì)光，消除視差。
3、水準(zhǔn)尺傾斜影響
水準(zhǔn)尺如果是向視線的左右傾斜，觀測(cè)時(shí)可以通過望遠(yuǎn)鏡十字絲很容易被察覺并糾正過來。但是，如果水準(zhǔn)尺的傾斜方向與視線方向一致，則不容易被察覺。水準(zhǔn)尺前后傾斜總是使尺上讀數(shù)增大。它對(duì)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(guān)。尺的傾斜角越大，對(duì)讀數(shù)的影響就越大；尺上讀數(shù)越大，對(duì)讀數(shù)的影響就越大[3]。
在一觀測(cè)段A—B中，令后視讀數(shù)為a，前視讀數(shù)為b。若后視水準(zhǔn)尺傾斜（前或后），前視水準(zhǔn)尺不傾斜，根據(jù)=+a-b得出：前視點(diǎn)的高程值增大；若后視水準(zhǔn)尺不傾斜，前視水準(zhǔn)尺傾斜（前或后），根據(jù)=+a-b得出：前視點(diǎn)的高程值減��；若前、后水準(zhǔn)尺都傾斜（前或后）那么前視點(diǎn)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(cè)讀數(shù)的關(guān)系

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

三、外界條件的影響
1、儀器下沉
儀器下沉是指由于測(cè)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(shí)，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(cè)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(jiān)硬的地面處，并將腳架踏實(shí)。
3、加快觀測(cè)速度，盡量縮短前視讀數(shù)與后視讀數(shù)間的時(shí)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(shí)間內(nèi)，在轉(zhuǎn)點(diǎn)發(fā)生尺墊下沉，將會(huì)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�？刂瞥邏|下沉影響的的方法是：
1、將轉(zhuǎn)點(diǎn)設(shè)在比較堅(jiān)硬的地方。
2、在特殊情況下，轉(zhuǎn)點(diǎn)要設(shè)在土質(zhì)松軟的地方，則必須放置尺墊，并將其踩實(shí)，以防止水準(zhǔn)尺在觀測(cè)過程中下沉；同時(shí)在土質(zhì)很松軟的地方，踩實(shí)后不要立即進(jìn)行觀測(cè)，要等一會(huì)兒，防止踏實(shí)的土松軟反彈。
3、地球曲率的影響
用水準(zhǔn)測(cè)量的方法求地面兩點(diǎn)間的高差，借助了水準(zhǔn)儀所提供的水平視線。兩點(diǎn)間高差應(yīng)該是分別通過這兩點(diǎn)水準(zhǔn)面間的垂直距離，但水準(zhǔn)面是一個(gè)曲面，水平視線相當(dāng)于水準(zhǔn)儀所在水準(zhǔn)面的切線。因此 用水平視線代替大地水準(zhǔn)面地尺上讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生水準(zhǔn)面曲率誤差C。如下圖1-2所示，，根據(jù)水準(zhǔn)儀水平視線讀得A、B水準(zhǔn)尺上讀數(shù)為a、b，通過水準(zhǔn)儀的水準(zhǔn)面與兩水準(zhǔn)尺相交點(diǎn)所刻劃的讀數(shù)為a1、b1，那么A、B兩點(diǎn)間的高差為：
=a1-b1=（a-aa1）-（b-bb1） （4-1）
儀器至A、B兩點(diǎn)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(dāng)儀器到兩水準(zhǔn)尺的距離和相等時(shí)，A、B兩點(diǎn)尺上的讀數(shù)a和b求得的高差=a-b可消除水準(zhǔn)面曲率誤差的影響。
地球半徑R=6371Km，當(dāng)D=80m時(shí)，Δh=0.53㎜；當(dāng)D=60m時(shí)，Δh=0.28㎜；當(dāng)D=40m時(shí)，Δh=0.12㎜；當(dāng)D=20m時(shí)，Δh=0.03㎜；地球曲率對(duì)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(duì)高差的影響的方法是：將儀器安置在前、后視點(diǎn)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(duì)水準(zhǔn)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(yīng)小于0.3m，因?yàn)橐暰�離地面越近，折射越大。2、選擇有利的時(shí)間。一天之中，上午10點(diǎn)至下午4點(diǎn)這段時(shí)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(cè)時(shí)，尺像會(huì)有跳動(dòng)，影響讀數(shù)，應(yīng)避開這段時(shí)間，陰天、有微風(fēng)的天氣可全天觀測(cè)。3、基本保證前視水準(zhǔn)尺和后視水準(zhǔn)尺到測(cè)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(duì)儀器的影響
溫度會(huì)引起儀器的部件漲縮，因此可能引起視準(zhǔn)軸的構(gòu)件（物鏡，十字絲和調(diào)焦鏡）相對(duì)位置的變化，或者引起視準(zhǔn)軸相對(duì)與水準(zhǔn)管軸位置的變化。光學(xué)測(cè)量?jī)x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(cè)量結(jié)果的誤差增大。不均勻的溫度對(duì)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(cè)量，觀測(cè)時(shí)應(yīng)注意撐傘遮陽。2、在數(shù)據(jù)處理時(shí)要加上溫差改正系數(shù)。

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

五、水準(zhǔn)點(diǎn)的影響
水準(zhǔn)點(diǎn)的影響有以下4個(gè)方面：1、如果水準(zhǔn)點(diǎn)頂端處理不善，如頂端擱置面不平、粗糙，則每次標(biāo)尺擱放情況就會(huì)不同，導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果偏差大。2、如果水準(zhǔn)點(diǎn)材料的鋼度不夠，則材料容易變形，導(dǎo)致每次觀測(cè)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，導(dǎo)致結(jié)果偏差大。3、如果觀測(cè)前未校驗(yàn)水準(zhǔn)點(diǎn)，如果出現(xiàn)沉降變化，用變化了的水準(zhǔn)點(diǎn)作為觀測(cè)依據(jù)，結(jié)果自然偏差大。4、基準(zhǔn)點(diǎn)保護(hù)不好，如基準(zhǔn)點(diǎn)內(nèi)有雜物且沒有及時(shí)清理，觀測(cè)的依據(jù)被破壞了，導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差。
控制方法：布設(shè)專用的水準(zhǔn)點(diǎn)，為便于相互檢查、核對(duì)，至少應(yīng)設(shè)置 3 個(gè)或 3 個(gè)以上水準(zhǔn)點(diǎn)，埋設(shè)地點(diǎn)必須穩(wěn)定，避免受施工機(jī)具、車輛碰壓以及雜物影響。為便于觀測(cè)，水準(zhǔn)點(diǎn)離被測(cè)建筑物不宜太遠(yuǎn)，一般在 50 ～ 100m 范圍內(nèi)。為防止冰凍影響，水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在冰凍線以下 0.5m 處，水準(zhǔn)點(diǎn)頂部都要蓋保護(hù)。

六、觀測(cè)點(diǎn)的影響
如果觀測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位、數(shù)量設(shè)置不合理，會(huì)影響沉降觀測(cè)精度。因此觀測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位和數(shù)量應(yīng)該根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷重、基礎(chǔ)形式和工程地質(zhì)條件來設(shè)置，所選擇的點(diǎn)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(shè)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在建筑物的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角處、沉降縫或伸縮縫的兩側(cè)、新舊建筑物的基礎(chǔ)連接處和地質(zhì)條件變化的地方，都應(yīng)該布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。一般常用的觀測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)120mm的角鋼，在一端焊一鉚釘頭，另一端埋入墻內(nèi)。

七、觀測(cè)路線的因素
如果沒有制定合理的觀測(cè)路線，將會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)路線、儀器支設(shè)位置、觀測(cè)距離不同，直接影響了觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。如果每次的觀測(cè)路線隨意，那么隨著測(cè)角度的不同，將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差[3]。
控制方法：在實(shí)際的沉降監(jiān)測(cè)中，建立合理的觀測(cè)路線，根據(jù)沉降觀測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)要求或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的沉降觀測(cè)點(diǎn)布置圖，確定沉降觀測(cè)點(diǎn)的位置。在控制點(diǎn)與沉降觀測(cè)點(diǎn)之間建立固定的觀測(cè)路線，并在架設(shè)儀器站點(diǎn)與轉(zhuǎn)點(diǎn)處做好標(biāo)記樁，保證各觀測(cè)均沿統(tǒng)一路線施測(cè)。

結(jié)論：隨著社會(huì)的發(fā)展，人均用地的日益減少，人們對(duì)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(zé)任刻不容緩。技術(shù)人員只有保證了高層建筑物沉降觀測(cè)第一手資料的準(zhǔn)確性、精確性，才能在施工、竣工驗(yàn)收及竣工后，更科學(xué)的檢驗(yàn)施工質(zhì)量。而且采用全站儀在固定測(cè)站及鏡高的情況下，通過三角高程的方法來代替幾何水準(zhǔn)進(jìn)行沉降觀測(cè)，可以減少勞動(dòng)強(qiáng)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(cè)精度中加以研究的問題。