地基基礎(chǔ)沉降觀測方法綜述

摘要：通過對地基基礎(chǔ)的沉降觀測可及時(shí)掌握沉降大小及其變化規(guī)律，很多工程均設(shè)置了沉降觀測。不同的觀測方法適用的工程條件不同，本文對目前常用的表層沉降、深層沉降和斷面沉降觀測方法進(jìn)行了全面的總結(jié).

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)沉降;表層沉降;深層沉降;斷面沉降

一、前言

地基在建筑物荷載作用下都會(huì)產(chǎn)生沉降，如果地基沉降，尤其是差異沉降，超出建筑物允許范圍，輕則影響建筑物的正常使用，重則導(dǎo)致房屋開裂傾斜、路基沉陷、堤壩坍塌等。為了及時(shí)了解地基在建筑物荷載作用下的沉降以及沉降變化趨勢，以便提前采取有效措施，防止事故的發(fā)生，很多工程都需要設(shè)置沉降觀測。如果工程建在軟土地基上，則要進(jìn)行預(yù)壓加固來消除地基沉降，加固過程中也必須進(jìn)行沉降觀測，以便及時(shí)分析地基的加固程度，確定是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求再進(jìn)行卸載。一些現(xiàn)場試驗(yàn)，如靜載試樁、復(fù)合地基載荷試驗(yàn)等，也需要獲得沉降觀測結(jié)果，才能根據(jù)曲線確定承載力。通過沉降觀測可積累經(jīng)驗(yàn)資料，反算地基變形參數(shù)，為今后的工程設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。

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(jīng)過多年的發(fā)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于不同的工程地質(zhì)條件。為了便于交流，本文對現(xiàn)行沉降觀測方法及儀器進(jìn)行總結(jié)，以供參考。

二、表層沉降觀測

很多工程只要求觀測地基表層沉降或建筑物在地表以上某點(diǎn)的沉降，這些沉降統(tǒng)稱為表層沉降。表層沉降觀測方法按觀測手段不同可分為多種：

1、幾何水準(zhǔn)觀測

對于實(shí)測沉降范圍很小、觀測精度要求較高的試驗(yàn)工程，例如靜力試樁、地基載荷試驗(yàn)等，一般采用架設(shè)觀測粱，利用百分表直接進(jìn)行沉降觀測，精度可達(dá)0.01mm。

對于視野開闊、測量精度要求不高的建筑物地基沉降，如軟基加固、公路路基、橋墩等，可以采用設(shè)置臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，觀測精度為±1.0mm。

對于一些難以采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測且對沉降精度要求較低的海上工程，可以采用GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行觀測，精度可控制在±5cm范圍內(nèi)，然后采用曲線擬合法消除沉降的正常波動(dòng)。

2、靜力水準(zhǔn)觀測

即利用連通器水平面相同的原理進(jìn)行沉降觀測的方法，按觀測手段的不同可分為傳統(tǒng)法和改進(jìn)法。

①傳統(tǒng)法

傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)觀測一般有以下3種：

目視法靜力水準(zhǔn)裝置。通過讀取兩點(diǎn)的液面刻度值，取得測點(diǎn)高程的變化再計(jì)算沉降，觀測精度可達(dá)到±1mm;

接觸法靜力水準(zhǔn)裝置。儀器掛在觀測點(diǎn)上，接通電源，按指揮鈕，測針向下移至水面自動(dòng)停止，即可讀取液面高程，再計(jì)算沉降，精度可達(dá)到±0.1mm;

接觸法組合式靜力水準(zhǔn)遙測裝置。按測高儀自動(dòng)加水，水面超過溢水口后

停止加水，依次接通各測點(diǎn)的線路，由測高儀讀取各測點(diǎn)靜止水面高程，即可進(jìn)行多點(diǎn)沉降觀測，精度可達(dá)到±0.1mm。傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)觀測方法原理簡單、淺顯易懂，用于室內(nèi)試驗(yàn)觀測比較容易，用于實(shí)際工程觀測時(shí)，由于現(xiàn)場條件復(fù)雜、天氣變化異常，實(shí)際操作比較困難，一般較少使用。

②改進(jìn)法

為了能使靜力水準(zhǔn)觀測法方便地應(yīng)用于實(shí)際工程沉降觀測，目前已有3種改進(jìn)的做法，一種是在連通器中安裝帶有弦式傳感器的圓柱狀浮筒。測點(diǎn)沉降會(huì)引起容器內(nèi)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(diǎn)的沉降。

隨著高精度壓力傳感器研制成功并投入使用，另一種改進(jìn)的做法是采用大量程、高精度的振弦式壓力傳感器測量測點(diǎn)相對基準(zhǔn)液面的液體壓強(qiáng)的變化，從而得出測點(diǎn)的垂直沉降量。如美國基康生產(chǎn)的NA-S1型多點(diǎn)異高靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)。

該方法具有長期穩(wěn)定性好、測點(diǎn)可隨意增減、數(shù)據(jù)可遙控或自測等特點(diǎn)，觀測精度可達(dá)±1mm。廣泛地應(yīng)用于水電站、大壩等大型建筑物的沉降觀測。

除了采用壓力傳感器外，還有采用孔隙水壓力傳感器觀測防波堤沉降的。如海南三亞某防波堤沉降觀測，測點(diǎn)處的水深達(dá)30～34m，沉降是根據(jù)測點(diǎn)前后兩次水壓力變化推算的;又如某港北大防波堤沉降是通過采用孔隙水壓力傳感器觀測堤下海底面與堤外不動(dòng)點(diǎn)之間的壓力差推算的。

3、不動(dòng)桿法

目前采用該法進(jìn)行土體深層（分層）沉降觀測的只有滑動(dòng)電阻式分層沉降儀，其原理與表層沉降類似，即在觀測點(diǎn)位置鉆孔埋入剛度較大的不動(dòng)桿，桿下端插入硬層（gt;40mm），上端引出地面，所不同的是將沉降儀直接下放到鉆孔預(yù)定高程，然后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。

當(dāng)觀測點(diǎn)附近設(shè)置參考點(diǎn)比較困難時(shí)，沉降可采用埋入不動(dòng)桿法進(jìn)行觀測。該方法是在觀測點(diǎn)位置鉆孔，埋入帶套管的不動(dòng)桿，桿下端插入硬層（N大于40），上端引出地面（或海底面），沉降盤及測量裝置套在不動(dòng)桿上，沉降盤與不動(dòng)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(jìn)行觀測。根據(jù)沉降測量方法的不同，又有目測法、滑動(dòng)電阻式和磁感應(yīng)式。

①目測法

在不動(dòng)桿上做好標(biāo)尺，直接讀出沉降盤與標(biāo)尺之間的相對垂直位移。該法精度可達(dá)±1mm，適合于陸上回填、堆載預(yù)壓等引起的地基表層沉降。

②滑動(dòng)電阻式

該測量裝置是將不動(dòng)桿與沉降盤的機(jī)械變位轉(zhuǎn)換成電阻值，通過導(dǎo)線引出進(jìn)行觀測，精度可達(dá)到±0.1mm。不同型號(hào)的沉降儀量程不同，選型時(shí)應(yīng)估計(jì)可能出現(xiàn)的最大沉降。

③磁感應(yīng)式

該測量裝置是將不動(dòng)桿與沉降盤的機(jī)械變位轉(zhuǎn)換成磁編碼，通過導(dǎo)線引出進(jìn)行觀測，精度可達(dá)到±1.0mm。

三、深層（分層）沉降觀測

為了準(zhǔn)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筑物荷載對地基各土層的影響，有時(shí)需要對土體深層（分層）沉降進(jìn)行觀測。土體深層（分層）沉降有6種觀測方法：

1、深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀

深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀有兩種做法，一種是采用鉆機(jī)在預(yù)定位置上鉆孔，孔內(nèi)放置帶有小沉降盤的測桿，用套管保護(hù)引出地面，在地面上用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，測量精度可達(dá)土1.0mm;另一種是采用鉆機(jī)在預(yù)定位置上鉆孔，鉆孔內(nèi)加護(hù)管保護(hù)，防止塌陷，孔底壓人磁錘式回彈標(biāo)，觀測時(shí)用毫米刻度的專用鋼尺由磁鐵吸住孔底回彈標(biāo)，引出地面用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測。

深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀適合于硬土層，但一個(gè)鉆孔只能布置一個(gè)深標(biāo)點(diǎn)，若干個(gè)測點(diǎn)則需要若干個(gè)鉆孔，如果是軟基，一般采用磁環(huán)式沉降儀。

2、磁環(huán)式沉降儀

磁環(huán)式沉降儀由磁環(huán)、導(dǎo)管、測頭三部分組成。根據(jù)測點(diǎn)高程將磁環(huán)連同爪子一起套在導(dǎo)管相應(yīng)的位置上，鉆孔至預(yù)定高程再沉放導(dǎo)管，然后打開爪子以保證磁環(huán)與土體同步變形。測孔做好后用帶有長度標(biāo)記的測頭進(jìn)行觀測，觀測精度可達(dá)12mm。

前采用的導(dǎo)管有兩種，一種是可壓縮軟管，直徑為20mm左右，土層沉降時(shí)軟管被壓縮，磁環(huán)連同軟管一起沉降;另一種是硬管，直徑為40mm左右，磁環(huán)與爪子固定在一起但可以在管上自由滑動(dòng)。磁環(huán)式沉降儀的另一種改進(jìn)的做法是采用鐵環(huán)代替磁環(huán)，相應(yīng)的是將原來的鐵測頭改成磁測頭，可以降低一些成本。

分層沉降觀測點(diǎn)應(yīng)沿鉛垂線方向在各層土內(nèi)布設(shè)。點(diǎn)數(shù)與深度應(yīng)根據(jù)分層分布情況確定，原則上每一土層設(shè)一點(diǎn)，最淺的點(diǎn)位應(yīng)在基礎(chǔ)底下，最深的點(diǎn)位應(yīng)在超過壓縮層理論厚度處，或在壓縮性低的礫石或巖石層上。分層沉降儀由分層沉降管、磁環(huán)、波紋管和沉降儀組成。

3、不動(dòng)桿法

目前采用該法進(jìn)行土體深層（分層）沉降觀測的只有滑動(dòng)電阻式分層沉降儀，其原理與表層沉降類似，即在觀測點(diǎn)位置鉆孔埋人剛度較大的不動(dòng)桿，桿下端插入硬層（N大于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鉆孔預(yù)定高程，然后通過油壓裝置打開爪子伸人土中，以保證沉降儀與土同步沉降。

4、鉆探法一鉆芯實(shí)測法

根據(jù)采用的鉆探設(shè)備等，估算利用鉆探法觀測基沉降的誤差約為±20mm以內(nèi)。

其優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)能直觀地反應(yīng)出沉降值;節(jié)省了很多中間過程的工作量;根據(jù)鉆芯取樣還可反應(yīng)出層間填筑情況。缺點(diǎn)是鉆點(diǎn)量大，費(fèi)用較高。

5、深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀

深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀有兩種做法，一種是采用鉆機(jī)在預(yù)定位置上鉆孔，孔內(nèi)放置帶有小沉降盤的測桿，用套管保護(hù)引出地面，在地面上用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，測量精度可達(dá)±l.0mm;另一種是采用鉆機(jī)在預(yù)定位置上鉆孔，鉆孔內(nèi)加護(hù)管保護(hù)，防止塌陷，孔底壓人磁錘式回彈標(biāo)，觀測時(shí)用毫米刻度的專用鋼尺由磁鐵吸住孔底回彈標(biāo)，引出地面用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測。深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀適合于硬土層，但一個(gè)鉆孔只能布置一個(gè)深標(biāo)點(diǎn)，若干個(gè)測點(diǎn)則需要若干個(gè)鉆孔，如果是軟基，一般采用磁環(huán)式沉降儀。

6、串聯(lián)分層沉降計(jì)

對于軟土地基采用串聯(lián)分層沉降計(jì)精準(zhǔn)測量不同地質(zhì)層面的沉降，測量精度可以達(dá)±1mm，對于深厚軟基工程可配合連通液位精密沉降計(jì)使用，聯(lián)合測量深厚軟基的沉降值。對于一般土質(zhì)地基采用單點(diǎn)沉降計(jì)測量地基沉降。

四、斷面沉降測量

一些工程如公路路基、導(dǎo)堤等需要進(jìn)行沿寬度范圍內(nèi)的斷面沉降觀測。這類觀測按測點(diǎn)施測方式分為活動(dòng)式和固定式兩種。

1、固定式

海上工程如防波堤斷面，沉降觀測點(diǎn)在水下，很難采用活動(dòng)式沉降儀進(jìn)行觀測，這時(shí)需要沿?cái)嗝娌贾萌舾蓚€(gè)測點(diǎn)，利用不動(dòng)桿法進(jìn)行各點(diǎn)沉降觀測，各點(diǎn)沉降的連線即可得到斷面沉降。一種埋設(shè)定點(diǎn)測斜儀觀測斷面沉降，可有效地解決該問題。

當(dāng)沉降觀測點(diǎn)在水下，很難采用活動(dòng)式沉降儀進(jìn)行觀測，這時(shí)需要沿?cái)嗝娌贾萌舾蓚€(gè)測點(diǎn)，利用不動(dòng)桿法進(jìn)行各點(diǎn)沉降觀測，各點(diǎn)沉降的連線即可得到斷面沉降，而施工過程中很容易將不動(dòng)桿碰歪或撞壞。可采用以下方法解決此類問題：

①埋設(shè)定點(diǎn)測斜儀觀測斷面沉降。其原理是通過一種轉(zhuǎn)換裝置，利用測斜儀觀測沉降引起的斷面斜率變化，根據(jù)測斜儀測得的各點(diǎn)斜率，從斷面坡腳處理論零點(diǎn)開始，逐段推算沉降增量測點(diǎn)越多，沉降精度越高。

②地基剖面沉降可在路堤施工之前，沿路基橫斷面方向鉆孔埋設(shè)多個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)，組成剖面沉降系統(tǒng)測量;也可以采用連通液位精密沉降計(jì)測量。

2、活動(dòng)式

沿?cái)嗝媛裨O(shè)軟管，采用靜力水準(zhǔn)法利用單點(diǎn)沉降探頭在軟管內(nèi)的移動(dòng)進(jìn)行斷面沉降觀測。典活動(dòng)式沉降儀適用于公路路基斷面的沉降觀測。

①剖面沉降儀，由沉降管和二次測試儀器組成。沉降管為一般的PVC管，二次測試儀器由探頭、注水管、注水架組成。其測試優(yōu)點(diǎn)：一是能夠測定任意一點(diǎn)的沉降值，甚至可以測試整個(gè)剖面的連續(xù)沉降曲線，配置自動(dòng)記錄儀即可實(shí)現(xiàn);二是測試成本低。其缺點(diǎn)：一是精度比較低（大到厘米級(jí)的誤差），若要提高精度，必須根據(jù)待測沉降的大小范圍，配置若干不同靈敏度的探頭，這將大大增加儀器的造價(jià);另一缺點(diǎn)是測試操作比較復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)攜帶不便，須由機(jī)械協(xié)助運(yùn)輸，測試時(shí)需取水和注水。

②水平測斜儀，與剖面沉降儀相似，由沉降管和二次測試儀器組成。不同的是無需注水系統(tǒng)，其沉降管是特制的PVC管。

其測試優(yōu)點(diǎn)：精度高;操作方便;可得到整個(gè)剖面的沉降曲線，測點(diǎn)間距最小為0.5m;儀器一次性投資與剖面沉降儀接近。水平測斜儀的缺點(diǎn)主要是特制的PVC造價(jià)比較高，每米25元左右，約為普通PVC管的4倍。

五、其他方法

對于實(shí)測沉降范圍很小、觀測精度要求較高的試驗(yàn)工程，例如地基載荷試驗(yàn)，一般采用架設(shè)觀測梁，利用百分表直接進(jìn)行沉降觀測，精度可達(dá)0.01mm。對于視野開闊、測量精度要求不高的地基沉降，如軟基加固、公路路基、橋墩等，可以采用設(shè)置臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，觀測精度為±1.0mm對于一些難以采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測且對沉降精度要求較低的海上工程，可以采用GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行觀測，精度可控制在±5cm范圍內(nèi)，然后采用曲線擬合法消除沉降的正常波動(dòng)。

六、結(jié)束語

1、應(yīng)根據(jù)工程環(huán)境條件、地質(zhì)條件的不同，選用不同的觀測方法和觀測儀器。從實(shí)際使用情況分析，許多觀測設(shè)備可以改進(jìn)其安裝方法來提高其精度。

2、從實(shí)際使用情況分析，磁環(huán)式沉降儀采用的爪子在軟土中效果尚可，在硬土中效果欠佳，日本滑動(dòng)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(nèi)廠家借鑒。

3、隨著沉降觀測研究的深入，新的儀器設(shè)備和精密度高的觀測設(shè)備的出現(xiàn)，在提高了路基沉降觀測的精度同時(shí)使得沉降觀測的工作量大為減少，也降低了沉降觀測的費(fèi)用。國外的沉降觀測儀器使用靈活方便，精度較高，但造價(jià)昂貴，一般工程難以接受，國內(nèi)儀器生產(chǎn)廠家應(yīng)盡可能研制造價(jià)低廉但性能基本相盡的觀測儀器。

4、隨著鐵路、公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，對路基的工后沉降要求越來越嚴(yán)，（高速鐵路）最小工后沉降僅為20mm。并且由于沉降的監(jiān)測施工干擾大、要求精度高、監(jiān)測的時(shí)間長、資料的整理難等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的方法很難對路基進(jìn)行沉降的評(píng)估。為了確保達(dá)到施工要求，沉降觀測方法還有待進(jìn)一步改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉堯軍，趙玉成，馮懷平.路基沉降監(jiān)測方法應(yīng)用研究[J].公路交通科技，2004（1）

[2]李敏，李粵南，林福林，劉成俊.新型軟基沉降測裝置的安設(shè)與維護(hù)[A].巖土鉆掘工 程實(shí)錄選輯[c]，2002（12）

[3]粱濤，文紀(jì)宏，拿榮廣.鉆探法觀測路基沉降[J].遼寧交通科技，2002（8）