沉降监测中的误差分析及控制方法
摘要：沉降观测在高层建筑物的施工、 竣工验收及竣工后的监测等过程中， 具有安全预报、科学评价及检验施工质量三方面的功能。文章主要概述了影响高层建筑物沉降观测精度的因素，介绍了在实际施工中如何控制好各个因素以便提高沉降观测精度。
关键词：沉降观测 影响因素 误差分析
绪言：沉降观测在高层建筑物的施工、竣工验收及竣工后的监测等过程中，具有安全预报、科学评价及检验施工质量三方面的功能。通过查阅资料和现场实践经验，对高层建筑沉降观测的影响因素归大致归纳为七个方面。通过对沉降观测影响因素的了解，可以及时避免不利因素，监测出合格的沉降观测资料，为勘察设计提供有用的观测参数，保证建筑物的正常使用寿命和建筑物的安全。
一、仪器误差
1、仪器校正后的残余误差
仪器校正后，还存在I角校正残余误差；仪器长期使用或受震动影响，使望远镜视准轴与水准管轴不平行，这种误差属于系统误差，误差大小同仪器与水准尺的距离成正比。这种误差的控制方法是：将仪器尽量安置在前、后视距离相等的地方，这样就可以消除或减弱此项误差的影响。
2、水准尺误差
由于水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等影响，水准尺必须经过检验才能使用[2]。
2.1尺的接头误差的影响，控制方法可以通过在水准测段内用同一根尺子，并把测段站数目布设成偶数站。
2.2尺的零点误差的影响，控制方法可以通过在一个水准测段内，两根水准尺交替轮换使用，即在本测站用作后视尺，下测站则用为前视尺，并把测段站数目布设成偶数，则在高差中相互抵消。标尺的零点差可在一水准段中使测站为偶数的方法予以消除。
二、观测误差
1、人员本身
观测人员必须熟悉测量学的基本理论知识，熟练掌握水准仪器的操作规程，并且针对不同的工程特点、具体情况能采用不同的观测方法和观测程序，对观测过程中出现的问题能及时分析出原因，能正确的运用误差理论进行水准网平差计算。由于每个人使用仪器和读数的习惯不一样，如果变换观测人员，就容易引起仪器操作误差和读数误差。控制方法：在每次观测时，保证人员固定不动，减小观测误差(偶然误差)，这对提高沉降观测精度也有一定的作用。
2、视差影响
当存在视差时，尺像不与十字丝平面重合，观测时眼睛所在的位置不同，读出的数也不同，因此，产生读数误差。减弱视差的控制方法是：在每次读数前，要仔细进行物镜对光，消除视差。
3、水准尺倾斜影响
水准尺如果是向视线的左右倾斜，观测时可以通过望远镜十字丝很容易被察觉并纠正过来。但是，如果水准尺的倾斜方向与视线方向一致，则不容易被察觉。水准尺前后倾斜总是使尺上读数增大。它对读数的影响与尺的倾斜角和尺上读数的大小即视线距地面的高度有关。尺的倾斜角越大，对读数的影响就越大；尺上读数越大，对读数的影响就越大[3]。
在一观测段A—B中，令后视读数为a，前视读数为b。若后视水准尺倾斜（前或后），前视水准尺不倾斜，根据
+a-b得出：前视点的高程值减小；若前、后水准尺都倾斜（前或后）那么前视点高程值的增量=︱△a-△b︱。现在以第一种情况为例分析如下：
如图1-1所示，所产生的读数误差为▽η1=a1-a=a1-a1 cosγ=a1（1-cosγ）。
图1-1
表1-1 尺子读数及倾角与观测读数的关系
从上表1-1可以看出，即使水准尺读数很小、倾角很小时，尺子倾斜误差的影响也是不可忽视的。一般水准尺倾斜角度较大时，立尺员才能能发现。这样，观测误差就很大，不能满足精度指标。
控制方法：1、在水准测量中，要认真立尺，使尺处于铅垂位置，尺上有圆水准气泡的应使气泡居中。2、可使用摇尺法，即读数时尺底置于点上，尺的上部在视线方向前后慢慢摇动，读取最小的读数。当地面坡度较大时，尤其应注意将尺子扶直，并应限制尺的最大读数，最重要的是在转点位置。3、尺子上加装圆水准气泡。
三、外界条件的影响
1、仪器下沉
仪器下沉是指由于测站处的土质松软使仪器发生下沉，视线降低，从而使得前视读数减小，算得的高差增大，引起高差误差。减弱仪器下沉误差的影响可以有以下三中方法：
1、采用双面尺法或变更仪器高法时，第一次是读后视读数再读前视读数，而第二次则先读前视读数再读后视读数。即“后、前、前、后”的观测程序。这样的两次高差的平均值即可消除或减弱仪器下沉的影响。
2、尽可能将仪器安置在坚硬的地面处，并将脚架踏实。
3、加快观测速度，尽量缩短前视读数与后视读数间的时间差。
2、尺垫下沉
如果仪器在搬到下一站尚未读后视读数的一段时间内，在转点发生尺垫下沉，将会使下一站后视读数增大，算得的高差也增大，从而引起高差误差。控制尺垫下沉影响的的方法是：
1、将转点设在比较坚硬的地方。
2、在特殊情况下，转点要设在土质松软的地方，则必须放置尺垫，并将其踩实，以防止水准尺在观测过程中下沉；同时在土质很松软的地方，踩实后不要立即进行观测，要等一会儿，防止踏实的土松软反弹。
3、地球曲率的影响
用水准测量的方法求地面两点间的高差，借助了水准仪所提供的水平视线。两点间高差应该是分别通过这两点水准面间的垂直距离，但水准面是一个曲面，水平视线相当于水准仪所在水准面的切线。因此 用水平视线代替大地水准面地尺上读数会产生水准面曲率误差C。如下图1-2所示，，根据水准仪水平视线读得A、B水准尺上读数为a、b，通过水准仪的水准面与两水准尺相交点所刻划的读数为a1、b1，那么A、B两点间的高差为：
=a1-b1=（a-aa1）-（b-bb1） （4-1）
仪器至A、B两点间的距离分别为
则：
aa1= 
则
（4-2）
则 C=（4-3）
当仪器到两水准尺的距离相等时，A、B两点尺上的读数a和b求得的高差=a-b可消除水准面曲率误差的影响。
地球半径R=6371Km，当D=80m时，Δh=0.53㎜；当D=60m时，Δh=0.28㎜；当D=40m时，Δh=0.12㎜；当D=20m时，Δh=0.03㎜；地球曲率对高差的影响，即使是很短的距离内也必须考虑。要控制地球曲率对高差的影响的方法是：将仪器安置在前、后视点大致等距的地方。
图1-2 地球曲率影响
4、大气折光的影响
一般由于大气折光，视线并非是水平，而是一条曲线，曲线的曲率半径为地球半径的7倍，其折光量的大小对水准读数产生的影响为
折光影响与地球曲率影响之和为
（4-4）
控制方法：1、保持视线距离地面的角度不应小于0.3m，因为视线离地面越近，折射越大。2、选择有利的时间。一天之中，上午10点至下午4点这段时间大气比较稳定，便于消除大气折光的影响，但在中午前后观测时，尺像会有跳动，影响读数，应避开这段时间，阴天、有微风的天气可全天观测。3、基本保证前视水准尺和后视水准尺到测站的距离相等，这样就可以消除大气折光在高差中的影响[1]。
5、温度对仪器的影响
温度会引起仪器的部件涨缩，因此可能引起视准轴的构件（物镜，十字丝和调焦镜）相对位置的变化，或者引起视准轴相对与水准管轴位置的变化。光学测量仪器是精密仪器，不大的位移量可能使轴线产生几秒偏差，从而使测量结果的误差增大。不均匀的温度对仪器的性能的影响尤为较大。
控制方法：1、尽量选在温度均匀适宜的情况下测量，观测时应注意撑伞遮阳。2、在数据处理时要加上温差改正系数。
四、观测时间的影响
建筑物的沉降观测时间有严格的限制条件，特别是首次观测必须按规范要求、按时进行观测。若不能得不到原始数据，或首次观测数据有误差，那么整个观测就了观测意义。施工各阶段的复测，应该根据工程的性质、进度、以及地基土质情况、基础荷重增加情况等定时进行，不能漏测或补测，以保证得到准确的沉降观测数据建筑物沉降的真实情况和变形规律。若观测周期不规律，从误差理论角度上分析，观测成果不能准确反映沉降曲线的细部变化[3]。
沉降观测必须严格按照观测周期准时进行。一般建筑可在基础完工后或地下室砌完后开始观测，大型、高层建筑，可在基础垫层或基础底部完成后开始观测。建筑物每增高1 层观测一次，如果遇到特殊情况如：1、施工过程中如果暂时停工，在停工时及重新开工时应各观测一次。停工期间，可每隔 2 ～3 个月观测一次。2、基础附近地面荷重突然增加、遇到大暴雨时、周围大量挖土方时都要及时进行观测。雨季前后要联测，检查水准点的标高是否有变动。随着时间的进展，沉降量也随之增加。当高层建筑物竣工后任需要进行沉降观测，观测周期一般每月观测一次，如果沉降速度减缓，可改为2～3个月观测一次，直至沉降稳定为止。
五、水准点的影响
水准点的影响有以下4个方面：1、如果水准点顶端处理不善，如顶端搁置面不平、粗糙，则每次标尺搁放情况就会不同，导致观测结果偏差大。2、如果水准点材料的钢度不够，则材料容易变形，导致每次观测时的标准不一样，导致结果偏差大。3、如果观测前未校验水准点，如果出现沉降变化，用变化了的水准点作为观测依据，结果自然偏差大。4、基准点保护不好，如基准点内有杂物且没有及时清理，观测的依据被破坏了，导致观测结果出现偏差。
控制方法：布设专用的水准点，为便于相互检查、核对，至少应设置 3 个或 3 个以上水准点，埋设地点必须稳定，避免受施工机具、车辆碰压以及杂物影响。为便于观测，水准点离被测建筑物不宜太远，一般在 50 ～ 100m 范围内。为防止冰冻影响，水准点应埋设在冰冻线以下 0.5m 处，水准点顶部都要盖保护。
六、观测点的影响
如果观测点的点位、数量设置不合理，会影响沉降观测精度。因此观测点的点位和数量应该根据建筑物的结构特点、荷重、基础形式和工程地质条件来设置，所选择的点位能显示建筑物的沉降情况。一般情况下，可沿房屋四周每隔 15 ～ 30m 设一个观测点，在建筑物的基础转角处、沉降缝或伸缩缝的两侧、新旧建筑物的基础连接处和地质条件变化的地方，都应该布设观测点。一般常用的观测点是利用直径 20mm 的钢筋，一端弯成 90°角，一端弯成燕尾形埋入墙内用长120mm的角钢，在一端焊一铆钉头，另一端埋入墙内。
七、观测路线的因素
如果没有制定合理的观测路线，将会导致观测路线、仪器支设位置、观测距离不同，直接影响了观测结果的准确性和精度。如果每次的观测路线随意，那么随着测角度的不同，将会产生很大的误差[3]。
控制方法：在实际的沉降监测中，建立合理的观测路线，根据沉降观测点的埋设要求或图纸设计的沉降观测点布置图，确定沉降观测点的位置。在控制点与沉降观测点之间建立固定的观测路线，并在架设仪器站点与转点处做好标记桩，保证各观测均沿统一路线施测。
结论：随着社会的发展，人均用地的日益减少，人们对高层建筑的需求越来越大，保证高层建筑物正常施工和功能安全的责任刻不容缓。技术人员只有保证了高层建筑物沉降观测第一手资料的准确性、精确性，才能在施工、竣工验收及竣工后，更科学的检验施工质量。而且采用全站仪在固定测站及镜高的情况下，通过三角高程的方法来代替几何水准进行沉降观测，可以减少劳动强度，但能否满足精度要求，是值得在今后提高高层建筑沉降观测精度中加以研究的问题。