簡介
地基在建築物荷載作用下都會產生沉降, 如果地基沉降, 尤其是差異沉降, 超出建築物允許範圍, 輕則影響建築物的正常使用, 重則導致房屋開裂傾斜、路基沉陷、堤壩坍塌等。為了及時了解地基在建築物荷載作用下的沉降以及沉降變化趨勢, 以便提前採取有效措施, 防止事故的發生,很多工程都需要設定沉降觀測。如果工程建在軟土地基上,則要進行預壓加固來消除地基沉降, 加固過程中也必須進行沉降觀測, 以便及時分析地基的加固程度,確定是否達到設計要求再進行卸載。一些現場試驗, 如靜載試樁、複合地基載荷試驗等, 也需要獲得沉降觀測結果, 才能根據p～ s曲線確定承載力。通過沉降觀測可積累經驗資料,反算地基變形參數, 為今後的工程設計計算提供依據。
沉降觀測按部位可分為表層沉降觀測、深層(分層) 沉降觀測和斷面沉降觀測。經過多年的發展,沉降觀測方法不斷完善, 觀測儀器類型也越來越多,但不同的觀測方法和觀測儀器適用於不同的工程地質條件 。
表層沉降觀測
很多工程只要求觀測地基表層沉降或建築物在地表以上某點的沉降,這些沉降統稱為表層沉降。表層沉降觀測方法按觀測手段不同可分為如下3種:
幾何水準觀測
對於實測沉降範圍很小、觀測精度要求較高的試驗工程,例如靜力試樁、地基載荷試驗等,一般採用架設觀測梁,利用百分表直接進行沉降觀測, 精度可達0. 01mm。
對於視野開闊、測量精度要求不高的建築物地基沉降,如軟基加固、公路路基、橋墩等,可以採用設定臨時基準點,利用水準儀進行觀測, 觀測精度為± 1. 0mm。
對於一些難以採用水準儀進行觀測且對沉降精度要求較低的海上工程, 可以採用GPS全球定位系統進行沉降觀測。測量精度受天氣影響較大,如在相同天氣情況下進行觀測,精度可控制在± 5cm範圍內, 然後採用曲線擬合法消除沉降的正常波動。
靜力水準觀測
即利用連通器水平面相同的原理進行沉降觀測的方法, 按觀測手段的不同可分為傳統法和改進法。
1. 傳統法
傳統的靜力水準觀測一般有以下3種:
(1) 目視法靜力水準裝置。通過讀取兩點的液面刻度值, 取得測點高程的變化, 再計算沉降, 觀測精度可達到± 1mm;
(2) 接觸法靜力水準裝置。儀器掛在觀測點上, 接通電源, 按指揮鈕, 測針向下移至水面自動停止,即可讀取液面高程,再計算沉降,精度可達到± 0. 1mm;
(3) 接觸法組合式靜力水準遙測裝置。按測高儀自動加水, 水面超過溢水口後停止加水,依次接通各測點的線路, 由測高儀讀取各測點靜止水面高程,即可進行多點沉降觀測, 精度可達到± 0. 1mm。
傳統的靜力水準觀測方法原理簡單、淺顯易懂,用於室內試驗觀測比較容易,用於實際工程觀測時,由於現場條件複雜、天氣變化異常, 實際操作比較困難, 一般較少使用。
2.改進法
為了能使靜力水準觀測法方便地套用於實際工程沉降觀測, 目前已有3種改進的做法,一種是在連通器中安裝帶有弦式感測器的圓柱狀浮筒。測點沉降會引起容器內液面明顯的升高與降低, 液面的變化將改變懸掛鋼弦的張力和共振頻率, 通過測得的頻率差即可推算出測點的沉降。
隨著高精度壓力感測器研製成功並投入使用, 另一種改進的做法是採用大量程、高精度的振弦式壓力感測器測量測點相對基準液面的液體壓強的變化, 從而得出測點的垂直沉降量。如美國基康生產的NA-S1型多點異高靜力水準系統。該方法具有長期穩定性好、測點可隨意增減、數據可遙控或自測等特點, 觀測精度可達± 1mm。廣泛地套用於水電站、大壩等大型建築物的沉降觀測。
除了採用壓力感測器外, 還有採用孔隙水壓力感測器觀測防波堤沉降的。如海南三亞某防波堤沉降觀測,測點處的水深達30～ 34m, 沉降是根據測點前後兩次水壓力變化推算的; 又如某港北大防波堤沉降是通過採用孔隙水壓力感測器觀測堤下海底面與堤外不動點之間的壓力差推算的。
不動桿法
當觀測點附近設定參考點比較困難時, 沉降可採用埋入不動桿法進行觀測。該方法是在觀測點位置鑽孔,埋入帶套管的不動桿, 桿下端插入硬層( N 大於40) , 上端引出地面(或海底面) , 沉降盤及測量裝置套在不動桿上, 沉降盤與不動桿的垂直位移即為沉降盤處的沉降, 垂直變位通過測量裝置進行觀測。根據沉降測量方法的不同, 又有目測法、滑動電阻式和磁感應式。
① 目測法
在不動桿上做好標尺, 直接讀出沉降盤與標尺之間的相對垂直位移。該法精度可達± 1mm, 適合於陸上回填、堆載預壓等引起的地基表層沉降。
② 滑動電阻式
該測量裝置是將不動桿與沉降盤的機械變位轉換成電阻值, 通過導線引出進行觀測, 精度可達到± 0. 1mm。不同型號的沉降儀量程不同,選型時應估計可能出現的最大沉降。
③ 磁感應式
該測量裝置是將不動桿與沉降盤的機械變位轉換成磁編碼, 通過導線引出進行觀測, 精度可達到± 1. 0mm。滑動電阻式和磁感應式均採用導線引出進行觀測, 對不便直接進入測點或不動桿引出地面後保護困難的沉降觀測比較適宜。滑動電阻式精度較高,但造價昂貴, 磁感應式精度較低, 但價格便宜, 可根據工程條件選用 。
深層(分層) 沉降觀測
為了準確掌握地基各土層在上部荷載作用下的變形特性以及相臨建築物荷載對地基各土層的影響, 有時需要對土體深層(分層) 沉降進行觀測。土體深層(分層) 沉降有3種觀測方法:
深標點水準儀
深標點水準儀有兩種做法, 一種是採用鑽機在預定位置上鑽孔, 孔內放置帶有小沉降盤的測桿,用套管保護引出地面, 在地面上用水準儀進行觀測, 測量精度可達± 1. 0m m;另一種是採用鑽機在預定位置上鑽孔,鑽孔內加護管保護, 防止塌陷, 孔底壓入磁錘式回彈標, 觀測時用毫米刻度的專用鋼尺由磁鐵吸住孔底回彈標, 引出地面用水準儀進行觀測。
深標點水準儀適合於硬土層, 但一個鑽孔只能布置一個深標點, 若干個測點則需要若干個鑽孔, 如果是軟基, 一般採用磁環式沉降儀。
磁環式沉降儀
磁環式沉降儀由磁環、導管、測頭三部分組成。根據測點高程將磁環連同爪子一起套在導管相應的位置上, 鑽孔至預定高程再沉放導管, 然後打開爪子以保證磁環與土體同步變形。測孔做好後用帶有長度標記的測頭進行觀測, 觀測精度可達1～ 2mm。
目前採用的導管有兩種, 一種是可壓縮軟管, 直徑為20m m左右, 土層沉降時軟管被壓縮, 磁環連同軟管一起沉降; 另一種是硬管, 直徑為40mm左右, 磁環與爪子固定在一起但可以在管上自由滑動。磁環式沉降儀的另一種改進的做法是採用鐵環代替磁環,相應的是將原來的鐵測頭改成磁測頭,可以降低一些成本。
不動桿法
目前採用該法進行土體深層(分層)沉降觀測的只有滑動電阻式分層沉降儀,其原理與表層沉降類似,即在觀測點位置鑽孔埋入剛度較大的不動桿,桿下端插入硬層( N 大於40) , 上端引出地面(或海底面) , 所不同的是將沉降儀直接下放到鑽孔預定高程, 然後通過油壓裝置打開爪子伸入土中, 以保證沉降儀與土同步沉降 。
斷面沉降測量
一些工程如公路路基、導堤等需要進行沿寬度範圍內的斷面沉降觀測。這類觀測按測點施測方式分為活動式和固定式兩種。
活動式沉降儀
沿斷面埋設軟管, 採用靜力水準法利用單點沉降探頭在軟管內的移動進行斷面沉降觀測。活動式沉降儀適用於公路路基斷面的沉降觀測。
固定式沉降儀
海上工程如防波堤斷面,沉降觀測點在水下,很難採用活動式沉降儀進行觀測, 這時需要沿斷面布置若干個測點,利用不動桿法進行各點沉降觀測, 各點沉降的連線即可得到斷面沉降。採用目測法, 施工過程中很容易將不動桿碰歪或撞壞; 採用日本滑動變阻式沉降儀, 費用昂貴。一種埋設定點測斜儀觀測斷面沉降, 可有效地解決該問題。其原理是通過一種轉換裝置,利用測斜儀觀測沉降引起的斷面斜率變化, 根據測斜儀測得的各點斜率, 從斷面坡腳處理論零點開始, 逐段推算沉降增量Δi( i= 1～ n ) , 按式( 1) 便可計算出各點沉降。測點越多, 沉降精度越高。
Si = Si- 1+ Δi= Si- 1+ Li×Wi ( S0= 0, i= 1～ n ) ( 1)
式中: Si 為i點沉降, m; Wi 為i 測頭實測傾斜率; Li 為兩點間距, m。
這種方法已成功地套用於某工程導堤斷面沉降觀測。
總結
(1) 應根據工程環境條件、地質條件的不同, 選用不同的觀測方法和觀測儀器。
(2)從實際使用情況分析, 磁環式沉降儀採用的爪子在軟土中效果尚可,在硬土中效果欠佳,日本滑動電阻式沉降儀油壓裝置將爪子打開插入土中,效果很好,值得國內廠家借鑑。
(3) 國外的沉降觀測儀器使用靈活方便, 精度較高, 但造價昂貴,一般工程難以接受,國內儀器生產廠家應儘可能研製造價低廉但性能基本相盡的觀測儀器 。
