沉降和位移观测

沉降和位移观测（精选6篇）

沉降和位移观测 篇1

0 前言

随着社会的不断进步, 物质文明的极大提高, 建筑设计、施工技术水平的日臻成熟完善, 新型材料的不断运用, 同时, 为提高城市中心区土地资源的利用率, 高层及超高层建筑物越来越多。为了保证建构物的正常使用寿命和建筑物的安全性, 并为以后的勘察设计、施工提供可靠的资料及相应的沉降参数, 建筑物沉降观测的必要性和重要性愈加明显。

1 沉降观测的国家规范要求

根据国家规范, 对于工业与民用建筑物、构筑物、建筑场地、地基基础、水坝等必须进行相关的变形测量, 并且必须在工程设计时对变形测量就要统筹安排, 施工开始即进行变形测量。

变形测量有两层概念:包括垂直位移测量、水平位移测量。垂直位移测量即是通常所说的建筑物沉降观测。本文根据本人的工程实践经验, 主要谈谈高层建筑中沉降观测的一些问题方法供各位同仁探讨。

现行规范也规定, 高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。特别在高层建筑施工过程中运用沉降观测加强过程监控, 指导合理的施工工序, 预防在施工过程中出现不均匀沉降, 及时反馈信息为勘察设计、施工部门提供详尽的一手资料, 避免因沉降原因造成建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝, 从而造成巨大的经济损失。

根据建筑物的特性和建设、设计单位的要求选择合理的沉降观测精度的等级尤其重要。一般没有特除要求的情况下, 一般性的高层建构筑物施工过程中, 采用二等水准测量的观测方法就能满足沉降观测要求。国家规范对变形测量的等级划分及精度有如下要求:应该符合表1规定:

其中沉降观测是垂直方向的位移测量, 对于目前的超高层建筑越来越多的情况下, 如何进行沉降位移测量显得由为重要, 规范对垂直方向的位移监测网也做了技术方面的要求, 如表2:

注:①变形点的高层中误差和点位中误差, 系相对于最近基准点而言;②当水平位移变形测量用坐标向量表示时, 向量中误差为表中相应等级点位中位移的1/√2;③垂直位移的测量, 可视需要按变形点的高层中误差或相邻变形点高差中误差确定测量等级。

注:n为测段的测站数。

2 沉降观测的发展

在60年～70年代工业与民用建筑方面由于没有大量的高层建筑或者大型的厂房, 只是一些低矮的砖混结构, 对建筑的沉降观测没有特别的要求, 亦或要求不是很严格, 只是施工单位在施工过程中进行一些简单的沉降观测, 要求的测量精度也不是很高, 进入80年代随着高层建筑及大型厂房的出现, 为了保证建筑物的正常使用寿命和安全性, 并为勘察设计、施工提供可靠的资料及相应的沉降参数, 对建筑的变形进行测量越来越有必要, 建筑物沉降观测的必要性和重要性愈加明显, 对于沉降观测的要求也越来越高, 而且各个地方政府相继出台相关的法规, 设计阶段就必须导入变形测量要求, 而且必须在工程建设过程中需要强制执行, 特别是建筑物的沉降观测。为确保建筑工程主体结构, 使在施工和使用期间沉降变形得到有效控制, 提高建筑工程的整体质量水平, 制订了《加强建筑工程变形观测控制的规定》, 且规定:

(1) 凡需进行变形观测控制的工程, 其勘察单位必须在岩土勘探报告中提出相关意见与建议;设计单位必须在施工图中提出观测控制的要求和说明。

(2) 凡需进行变形控制的工程, 建设单位必须在工程开工前委托沉降观测单位签订观测合同, 并由观测单位制定出观测方案后, 方可报请开工。沉降观测单位指有沉降变形观测资质并与地基基础处理、主体结构施工无关的具有相应资质的检测单位。

3 沉降观测的基本方法

(1) 首先必须建立沉降观测监测网, 布设成闭合环、结点或附合水准路线等形式。

(2) 沉降观测采用环形闭合法或往返闭合法进行控制。

(3) 根据工程的特点布局、现场的环境条件制订测量施测方案, 由城市精密导线点提供的水准控制点引入, 根据工程的测量施测方案和布网原则的要求建立水准控制网。

4 对沉降观测测量仪器的精度要求

(1) 所使用的仪器必须有产品合格证、定期的年检报告和检定证书。

(2) 智能全站仪精度要求

1) 智能全站仪测角精度X:X≤2″。

2) 测距精度X:有棱镜X≤2 mm+2ppmD。

3) 测距精度X:无棱镜X≤3 mm+2ppmD。

(3) 精密数字水准仪精度要求:

1) 精密数字水准仪精度X:-0.3 mm/km≤X≤+0.3 mm/km (铟钢尺) 用于控制点的高程引测、复验控制标高、沉降观测基准引测、沉降观测。

2) 精密数字水准仪精度X:-0.9 mm/km≤X≤+0.9 mm/km (铟钢尺) 用于重要部位高程测量、钢结构高程测量、验测、复测标高。

(4) GPS接收机精度要求:

1) GPS接收机精度X:静态平面X≤5 mm+0.5ppmD, 用于上部高层部位轴线投测的校核。

2) GPS接收机精度X:动态平面X≤5 mm+0.5ppmD, 用于实时监测, 高层重要部位的校核纠错、变形监测、校核。

(5) 普通水准仪精度要求X:-1.5 mm/km≤X≤+1.5 mm/km。

(6) 电子经纬仪测角精度要求X:X≤2″。

(7) 激光铅直仪精度要求:

1) 激光铅直仪精度X:X≤1/200000 (用于重要轴线的竖向投测) 。

2) 激光铅直仪精度X:X≤1/40000 (用于一般轴线的竖向投测) 。

(8) 所使用的相关材料及预埋件必须符合相关的规范及政府规定要求。

5 沉降观测点的布设要求

5.1 基准点的布设

(1) 每个工程至少有3个稳固可靠的点作为基准点, 目前比较重要的建筑物的沉降观测基准点一般需要点位必须立于稳固的持力层上, 即中、微风化岩上, 故此, 通常会用钻机钻孔, 达到持力层后, 孔内埋于Ф50的镀锌钢管, 并且灌高强度砂浆, 露出地面的部分根据各个城市的规定, 使用统一编号的铁件并且进行标识。

(2) 由于设计往往只对建筑物本身的观测点布置有所要求, 而对基准点的位置没有要求, 故此, 基准点的埋设点必须在测量方案内体现, 并且通过相关部门批准, 并且注明与建筑物的距离。

(3) 保证由建筑物周围城市高程控制网引测, 然后建立建筑物的二级高程控制网。

(4) 埋设点离建筑物距离以5 m～30 m为宜。

(5) 各基准点要设在建筑物开挖、地面沉降和震动区范围之外。

(6) 基准点的保护措施要做好, 不被碰撞。

(7) 埋好点后附图报请相关单位验收后方可使用。

5.2 变形观测点的布设

(1) 布设点能够反映建筑物、构筑物变形特征和变形明显的部位。

(2) 标志应稳固、明显、结构合理, 不影响建筑物、构筑物的美观和使用。

(3) 点位应避开障碍物, 便于观测和长期保存。

(4) 与设计要求相一致。

(5) 建筑物四角或沿外墙每10 m～15 m处或每隔2根～3根柱基上。

(6) 裂缝或沉降缝或伸缩缝的两侧。

(7) 新旧建筑物或高低建筑物以及纵横墙的交接处。

6 沉降观测的施测方法

(1) 建立水准控制网:

根据城市精密导线点、工程的测量施测方案和布网原则的要求建立水准控制网。必须保证在场区内任何地方架设仪器至少后视到两个观测点, 并且场区内各观测点构成闭合图形, 以便闭合检校;根据工程特点, 建立合理的水准控制网, 与基准点联测, 平差计算出各水准点的高程。

(2) 建立固定的观测路线:

由场区水准控制网, 依据沉降观测点的埋设要求或图纸设计的沉降观测点布点图, 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作好标记桩, 保证各次观测均沿统一路线。

(3) 沉降观测时间频率要求:

根据编制的工程施测方案及确定的观测周期, 首次观测应在观测点稳固后及时进行。一般高层建筑物有地下结构, 首次观测应自基础开始, 在基础的纵横轴线上或者基础边按设计好的位置埋设沉降临时观测点, 等临时观测点稳固好, 进行首次观测;首次观测的沉降观测点高程值是以后各次观测用以比较的基础, 其精度要求非常高, 施测时一般用N2或N3级精密水准仪, 并且要求每个观测点首次高程应在同期观测两次后决定;随着结构每升高一层, 临时观测点移上一层并进行观测直到±0.00再按规定埋设永久观测点, 为便于观测一般可将永久观测点设于﹢0.50 mm。然后每施工一层3天后进行复测一次, 直至竣工;对于超高层建筑塔楼每升高三层观测一次;在装饰阶段每月观测一次;整栋楼竣工后:竣工当年每三个月观测一次;竣工第二年半年观测一次;竣工第三年一年观测一次, 直至沉降稳定。

(4) 沉降观测时需要坚持的“五定”原则

1) 沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点, 点位要稳定。

2) 所用仪器、设备要固定。

3) 观测人员要固定。

4) 观测时的环境条件基本一致。

5) 观测路线、镜位、程序和方法要固定。

以上措施在客观上能够尽量减少观测误差的不定性, 使所测的结果具有统一趋向性, 保证各次复测结果与首次观测的结果可比性更一致, 使所观测的沉降量更真实。

(5) 观测中的注意事项

1) 严格按测量规范的要求施测。

2) 前后视观测最好用同一水平尺。

3) 观测时要避免阳光直射, 且各观测环境基本一致。

4) 成像清晰、稳定时再读数。

5) 随时观测, 随时检核计算, 观测时-次完成。

6) 在雨季前后要联测, 检查水准点的标高是否有变动。

7) 将各次所观测沉降情况及时反馈有关部门, 当建筑物每天 (24h) 连续沉降量超过1mm时应停止施工, 会同有关部门采取应急措施。

(6) 各项观测指标要求如下:

1) 往返较差、附和或环线闭合差:△h=∑a-∑b≤l√n, n表示测站数 (或△h=∑a-∑b≤1.0√L, L表示观测路线距离) 。

2) 前后视距:≤30 m。

3) 前后视距差:≤1.0 m。

4) 前后视距累积差:≤3.0 m。

5) 沉降观测点相对于后视点的高差容差:≤1.0 mm。

6) 水准仪的精度不低于N2级别。

7 沉降观测的成果汇总

(1) 高层建筑沉降观测点相对于后视高差测定的允许偏差为±1mm, 即仪器在每一测站观测完前视各点, 再回视后视点, 两次读数之差不得超过1mm。

(2) 成果整理时, 首先检查手薄中的数据和计算是否正确, 观测限差是否符合要求, 精度是否合格。

(3) 将各次观测记录整理检查无误后, 进行误差分配, 进行平差计算, 求出各次每个观测点的高程值, 然后将观测值列入观测成果表中, 计算相邻两次观测之间的沉降量, 从而确定出沉降量, 并且注明观测日期及荷重情况。

(4) 某个观测点的每周期沉降量:△cN=HI-H (I-1) , 其中N表示某个观测点, I表示观测周期数 (I=1, 2, 3……) 且HN=N点的累计沉降量:△C=∑△cN;

(5) 为便于清楚表明沉降、时间、荷重之间的相互关系, 要绘制每一观测点的时间与沉降量的关系曲线及时间与荷重的关系曲线, 如图一所示:以沉降量为纵轴、时间为横轴、根据每次观测日期和每次下降量 (隆起量) 按比例画出各点, 然后将各点连接, 并且在在曲线一端注明观测点号;以荷重为纵轴、时间为横轴、根据每次观测日期和每次下降量 (隆起量) 按比例画出各点, 然后将各点连接;两种关系曲线可以画在同一图上, 可以清楚的表明每个观测点在一定时间内, 所受到的荷重及沉降量。

8 沉降观测通常遇到的问题

(1) 曲线在首次观测后发生回升现象:

第二次观测出现回升, 至第三次以后, 观测曲线又逐渐下降, 一般是由于初测精度不高, 如果回升超过5 mm, 应将第一次的成果作废, 若回升5 mm内, 第二次与第一次调整标高一致。

(2) 曲线在中间某点突然回升:

一般是水准点或者观测点被移动所致, 而且是被移高所致, 才会出现回升。如果水准点被移动, 则不能再用, 如果是观测点, 则需要另行设点。

(3) 曲线自某点起渐渐回升:

一般是水准点下沉所致, 由于水准点埋设不当, 产生自然下沉, 当建筑物初期时沉降量大于水准点的下沉量, 曲线不会回升, 当建筑物后期时沉降趋于稳定, 而水准点继续下沉, 则曲线会渐渐回升, 此时应该仔细追查原因, 如果与水准点下沉有关, 则要与高级水准点符合测量, 确定下沉量。

(4) 曲线的波浪起伏现象:

一般出现在观测的后期, 由于初期沉降量较大, 下沉值大于测量误差, 但后期, 下沉已经很微, 测量误差在曲线上就会体现;应该根据整个情况进行分析, 自某点起, 将波浪线改为水平线。

(5) 曲线中断现象:

由于沉降观测开始埋设在基础面上, 在浇灌混凝土后没有埋设新点或者观测点被损毁, 后来的观测点标高不一致使得曲线中断;为使曲线连接起来, 可以按照估求出未做观测期间的沉降量。

9 结语

(1) 在高层建筑沉降观测中由于建设单位在工程开工后没有及时确定观测单位等各方面的原因, 在地下室施工阶段没有进行沉降观测, 或者观测中期由于观测单位不及时、现场环境阻碍等没有及时的进行相关的观测, 使得观测成果不能准确的反映建筑的沉降状况, 所以作为工程建设的业主一定要加强沉降观测的管理, 不仅要及时的确定观测单位, 而且要监督观测单位的行为, 不能够流于形式。

(2) 高层建筑沉降观测中对地下室施工阶段的沉降观测没有足够的重视, 往往成为沉降观测的误区;

(3) 现代高层建筑随着社会生产和科学技术的进一步发展, 先进的仪器的广泛应用, 测量精度的越来越高, 沉降观测的技术必定会越来越成熟, 为设计、施工提供更加可靠的资料及相应的沉降参数。

承台沉降观测的方法和存在的问题 篇2

对于承台或墩身来说, 沉降观测不可漏测, 观测点需从承台开始布设并观测。据设计院提供的资料, 如仅在承台布设观测点, 从而将影响变形的整体分析。因此, 应从基础施工时就开始, 以获取基础和上部结构的沉降量。

2测区概况

测区为石武客运专线 (河南段) 工程9标段, 里程范围为DK101+350-DK1020+225正线工程, 位于信阳至豫鄂省界之间, 主要通过黄淮冲积平原区, 局部为剥蚀丘陵、岗地及风成地貌。线路长度9.875正线公里, 桥梁长为7.2km、路基长为2.675km, 其中三特大桥6677.9m、震雷山1# 大桥和震雷山2# 大桥各210.04m, 剩余均为路基。测区的丘陵岗地、降雨和地表植被都给施工带来很大不便。

3沉降观测方法及数据处理

3.1建立水准控制网

根据工程的特点布局、现场的环境条件制订测量施测方案, 由建设单位提供的水准控制点 (或城市精密导线点) 根据工程的测量施测方案和布网原则的要求建立水准控制网。要求:a.一般是每6个承台布设一个水准点, 水准点的间距不大于200米。b.在场区内任何地方架设仪器至少后视到两个水准点, 并且场区内各水准点构成闭合图形, 以便闭合检校。c.各水准点要设在承台开挖、地面沉降和震动区范围之外, 水准点的埋深要符合二等水准测量的要求 (大于1.5米) 根据工程特点, 建立合理的水准控制网, 与基准点联测, 平差计算出各水准点的高程。

3.2工作基点的水准测量方法

沉降观测点的高程测量可采用从邻近基准点直接测至工作基点的支路线法, 也可采用从邻近基准点测至工作基点, 再闭合至邻近另一基准点的附合水准路线法。本标段地势平坦, 基准点和工作基点之间高差不是很大, 在固定的基准点间采用支路线法观测就能满足精度要求。

3.2.1支路线法:1当工作基点距引测基准点较近、且高差也相近时, 可一次置镜测得工作基点与基准点间高差。为避免单次测量可能产生的错误, 应变换仪器高双次置镜观测, 双次置镜测得的高差值≤0.7mm时, 取两次测量高差值的平均值作为最终值;当双次置镜测得的高差值 >0.7mm时, 应重测, 直至满足要求。2当工作基点距引测基准点较远、高差较大, 无法一次置镜测得工作基点与基准点间的高差时, 可做两次置镜测量。为避免单路线测量可能产生的错误, 应采取往返测测量方式。当往返测的高差差值≤1.0mm时, 取其平均值作为最终高差值;当往返测的高差值 >1.0mm时, 应重测, 直至满足要求。

3.3沉降观测

3.3.1根据编制的工程施测方案及确定的观测周期, 首次观测应在观测点安稳固后及时进行。首次观测的沉降观测点高程值是以后各次观测用以比较的基础, 其精度要求非常高, 施测时一般用DS05或DS1级精密水准仪, 并且要求每个观测点首次高程应在同期观测两次后决定。

3.3.2沉降观测程序也采用的是二等水准测量的观测程序:

二等水准测量按往返测进行。往返测的观测程序为:1照准后视水准尺, 按测量键;2照准前视水准尺, 按测量键;3照准前视水准尺, 按测量键;4照准后视水准尺, 按测量键。

以上程序, 简称为“后前前后”, 最后以偶数站结束。沉降观测路线图如图1。

3.4建立固定的观测路线

由场区水准控制网, 依据沉降观测点的埋设要求或图纸设计的沉降观测点布点图, 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作好标记桩, 保证各次观测均沿统一路线。

3.5将各次观测记录整理检查无误后, 进行平差计算, 求出各次每个观测点的高程值。从而确定出每周期沉降量、累积沉降量和沉降速率。

某个观测点的每周期沉降量:△c=Hn-Hn-1, 累积沉降量△C= 上次累积沉降量△C+ 本次沉降量△c, n表示第n次周期。

3.6统计表汇总

3.6.1根据各观测周期平差计算的沉降量, 列统计表, 进行汇总。

3.6.2绘制各观测点的下沉曲线。首先建立下沉曲线坐标, 横坐标为时间坐标, 纵坐标为各沉降观测周期的沉降量。

将统计表中各观测点对应的观测周期所测得沉降量画于坐标中, 并将相应的荷载值也画于坐标中, 连线, 就得到对应于荷载值的沉降曲线。

例:本标段138-141承台, 采用的水准点为M12、M463-9, 现作沉降曲线图如图2。

3.6.3根据沉降量统计表和沉降曲线图, 我们可以预测承台的沉降趋势, 将承台的沉降情况及时的反馈到有关主管部门, 正确地指导施工。特别座在沉陷性较大的地基上承台的不均匀沉降的观测显得更为重要。

利用沉降曲线还可以计算出因地基不均匀沉降引起的承台倾斜度:

q=△Ca-△Cb/Lab, △Ca, △Cb分别为a, b点的总沉降量, Lab为a, b的距离。

对沉降观测的成果分析, 我们还可以找出同一地区类似结构形式建筑物影响其沉降的主要因素, 指导施工单位编好施工组织设计正确指导施工大有裨益, 同样也为勘察设计单位提供宝贵的一手资料, 设计出更完善的施工图纸。

4观测中的注意事项

4.1严格按测量规范的要求施测。

4.2前后视观测最好用同一水平尺。

4.3各次观测必须按照固定的观测路线进行。

4.4观测时要避免阳光直射, 且各观测环境基本一致。

4.5成像清晰、稳定时再读数。

4.6在雨季前后要联测, 检查工作基点的标高是否有变动。

5需探讨的两个问题

5.1确定承台沉降观测精度的合理性。由于现行规范对施工单位施工过程的沉降观测要求不明朗, 这对施工单位在承台沉降观测精度选择随意性较大, 但是精度的高低直接关系到沉降观测成败。对沉降观测精度选择既不能太高也不能太低, 要合理适宜, 适合工程特性的需要。既不造成无谓的浪费也要保证观测结果的准确性。这样, 本人认为承台首次观测过程中适用精密仪器的设备 (高级水准仪、铟合金尺等) 在±0.00以上部分按二等以上水准测量方法, 采用放大率倍数较大的DS05或DS1水准仪进行观测, 也可以测出较理想的结果。

5.2在沉降观测过程中, 沉降量与时问关系曲线不是单边下行光滑曲线, 而是起伏状现象。这就分析原因, 进行修正:

1曲线在首次观测后即发生回升现象, 在第二次观测出现回升, 而以后各次观测又逐渐下降。

产生原因:首次观测成果存在较大误差所引起的。

处理方法:提高测量精度, 认真施测, 或进行两次观测, 以资比较, 确保首次观测成果可靠。

2曲线在中间某点突然回升。

产生原因:水准点或观测点被碰动所致, 使得水准点碰动后标高低于碰前标高, 观测点碰后高于碰前。

处理方法:取相邻另一观测点的相同期间沉降量作为被碰观测点之沉降量。

3曲线自某点起渐渐回升

产生原因:一般是水准点下沉所致。

处理方法:与高级水准点符合测量, 确定水准点下沉值。

4曲线的波浪起伏现象

产生原因:一般是测量误差所造成的。

处理方法:提高测量精度等级, 并适当地延长观测的间隔时间。

参考文献

[1]吴福成.沉降观测中常见问题原因分析及处理.

高层建筑物的沉降观测和数据处理 篇3

1 沉降起因

高层建筑物沉降的原因,就建筑物自身而言,其构筑形态所造成荷载分布不均衡,使得建筑物发生变形,这种形变往往随着时间的推移而趋于稳定,沉降变成了“静态的”或“最终的”,这种形变常常小于允许值,在施工过程中,由于施工误差而造成荷载分布和预计分布不符,从而造成建筑物变形,这些变形对于局部而言是很小的,随着荷载不断的增加,考虑从下部到上部的累积变形间的相互影响时,它是建筑物达到危险形变的一个重要因素。

另外,由于建筑物的重量会使基础上的土壤被压实,引起建筑物沉降;此外,基础的地质构造不均匀,季节性和周期性的温度和地下水变化以及受风力引起的摆动等外部因素,往往也会产生建筑物的沉降现象。

2 沉降观测方法及精度要求的确定

一般来说,高层建筑物的沉降观测多采用精密水准测量、液体静力水准测量、微水准测量、三角测量和地面摄影测量等方法。大型和高层建筑的沉降观测的内容主要是测定建、构筑物均匀沉陷和不均匀沉陷,包括地面沉降观测和建筑物沉降观测。对于高层建筑物沉降观测的任务,是周期性的对观测点进行重复观测,求得其在两个观测周期间的高程变化量。

高层建筑物沉降观测的精度确定是指观测中误差的确定,绝对沉降[1](如沉降量、平均沉降量等)的观测中误差,对于特高精度要求的工程可按地基条件,结合经验与分析具体确定;对于其他精度要求的工程,可按低、中、高压缩性地基土的类别,分别选±0.5 mm,±1.0 mm,±2.5 mm。

沉降观测周期的确定,根据多年的实践经验,高层建筑物的施工出了地面后,即到了零高度后,每增长两层要观测一次,直至封顶。施工过程中如暂时停工,在停工及重新开工时应各观测一次。停工期间,可每隔2个月～3个月观测一次。封顶后的第一年观测3次～4次,第二年观测2次～3次,第三年开始每年观测1次,直至稳定停止。如果发生沉降异常,应酌情增加观测次数[1]。

3 沉降观测实践

本文的重点是结合常德某集团公司综合楼的观测实践来论述沉降观测的施工过程与方法。

3.1 此次沉降水准点的基准点布设

1)设置的水准点牢固、能够长期保存、便于利用;

2)温度变化对于水准点的影响较小;

3)远离加固群楼基础而进行打桩对水准点影响的区域。

因此,我们根据建筑平面图、地层结构和建筑场地实际条件与建筑施工单位有关人员商讨基准点的布设,使布设的基准点合理分布在监测的建、构筑物周围,除万不得已时,避免将全部水准点设置在被监测的建、构筑物的一侧。由于高层建筑施工场地一般都很小,基准点埋设地点又不能距被监测的高层建筑物太远,一般在50 m左右。基准点的观测精度要求较高,在其埋设的一段时期后沉降点稳定,严格测取其高程,在每次对监测点观测前都要对水准点进行检验。

3.2 监测点布设

对于常德某集团公司综合楼监测点布设(见图1),在严格遵守规范要求的情况下,我们主要考虑在以下关键位置布设监测点:

1)建筑物的四角、大转角处及沿外墙每10 m～15 m处或每隔2根～3根柱基。

2)建筑物裂缝和沉降缝两侧、基础埋深相差悬殊处、人工地基与天然地基接壤处、不同结构的分界处及填挖方分界处。

3)框架结构建筑物的每个或部分柱基上或沿纵横线上设点。

3.3 沉降观测的原则

沉降观测自始至终要遵循“五定”原则:所谓“五定”,即通常所说的沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点点位要稳定;所用仪器、设备要稳定;观测人员要稳定;观测时的环境条件基本一致;观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上措施在客观上尽量减少观测误差的不定性,使所测的结果具有统一的趋向性,保证各次复测结果与首次观测的结果可比性更一致,使所观测的沉降量更真实。

4 沉降分析

在各次观测记录整理检查无误后,进行平差计算,求出各次每个观测点的高程值。先在建筑沉降分析系统中建立一个工程文件,然后把各次的高程值输入到对应的工程文件中,从而确定出沉降量并统计表汇总,同时计算出建筑物平均沉降量、平均沉降速率、各沉降点位沉降速率、基础相对倾斜、相对弯曲和沉降点最大差异沉降量等重要数据,并且自动生成各沉降点沉降量的展开图及其各期沉降点沉降过程线(见图2,图3)。

5 结语

本文通过对高层建筑物变形成因的讨论,结合对“常德某集团公司综合楼”的沉降观测施工实践的论述,并采用建筑沉降分析系统,实现了沉降分析自动化,沉降观测报告准确快捷,达到了检验监测的目的。

参考文献

沉降和位移观测 篇4

施工测量贯穿于施工的始终,随着施工的进展,还应对一些大型、高层或特殊建(构)筑物进行变形监测,作为鉴定工程质量和验证工程设计、施工是否合理的依据。变形监测作为建筑施工中一项十分重要的测量任务,直接影响施工项目质量及安全。

变形监测分为:位移、沉降、倾斜、挠度、裂缝监测。建筑物施工阶段的变形观测主要指沉降观测(这里包含了不均匀沉降和倾斜)。按GB 50026-93工程测量规范规定在建筑物沉降影响范围外埋设至少3个坚固的水准基点。基准点应埋在与邻近建筑物的距离不得小于建筑物基础深度的1.5倍～2.0倍,最好控制在离建筑物50 m～100 m范围内。在实际中既要考虑反映监测对象的变形特征,又便于应用仪器进行观测,还要有利于测点的保护。

1 点位的布设

根据水准基点与沉降观测点的布点原则以及现场踏勘的情况:1)水准基点应埋设在建筑物沉降影响范围之外,距沉降观测点20 m～100 m,且不受施工影响的地方,分析受到施工影响的大小与方式,可以考虑埋设在稳定建筑物的基岩上。为了互相检核,水准基点最少应布设三个。对于拟测工程规模较大者,基点要统一布设在建筑物周围,便于缩短水准路线,提高观测精度。2)沉降观测点应布设在最能反映建筑沉降的位置,比如民用建筑的四角点、中点、转角处;建筑物周边每隔10 m～20 m布置一个;沉降缝两侧等等。对于水准基点网的构建应根据《国家一、二等水准测量规范》和工程实际特点建立,且根据项目需要增设,以建立基点间的相互校核关系,提高校核基点的可靠性,呈等边三角形位置的校核基点,或者设置固定转点和固定测站,提高水准基点网监测的测量精度和测量数据的可靠性。

为了保证测量成果能保障施工的质量与安全,我们应该不断提高观测精度,减少观测误差。 因为水准基点网监测的主要目的是监测观测点的高程从而得到可靠的沉降数据,为了达到这个目的,监测精度仅仅满足适合于本工程的一或二等水准规范的要求是远远不够的;要成功有效地检验观测误差,应设法使水准网形成高一级的闭合环结构,并能分析这样的观测误差是由于测量引起或是由水准基点的稳定性引起。在检验水准网精度时,不能简单地依据一次检验的成果来对观测点的高程进行修正。必须结合多次检验成果,尽量运用统计学知识进行综合分析,对观测精度、成果的可靠性进行判别,根据分析报告做出高程修正的方案。也可以通过一定的数学方法对水准基点的稳定性进行检验,比如常用的平均间隙法。

2 沉降观测方法

采用几何水准测量方法,应尽量做到前后视线等距离,视线长度根据所选仪器精度而定,一般不得大于65 m,在同一观测站,不得两次调焦,镜位和转点均要稳定,水准仪要严格平整,不得使用塔尺,每次观测应符合“三同一固定”原则,即为:

1)采用相同的观测路线和观测方法。2)使用同一仪器和设备。3)相同的观测人员。4)在固定的环境和条件下工作。

在具体的实施过程中可根据实际情况采用两种测量方法,即:相邻临时水准点闭合法和直接测量法。测量时的精度要求满足本工程的沉降观测技术要求,一般采用Ⅱ级变形观测精度要求,各项指标见表1。

3 观测数据的成果整理

3.1 整理原始记录

每次观测结束后,应及时检查记录的数据和计算是否正确,精度是否合格,然后分配闭合差到高差改正数里,根据新的高差改正数推算各沉降观测点的高程。

3.2 计算沉降量

1)沉降观测量值的原有计算方法——视线高法。

水准测量的原理与计算方法:利用观测时水准仪所提供的水平视线,在后视与前视两测点位置竖立的水准标尺上获取读数,求得其高差,来确定前视测点的高程。因此水准测量量值的计算方法一般采用高差法:HB=HA+hAB(hAB=a-b)。当利用水平视线读数,可以在一测站能测出若干个前视点的读数时,比如线路测量跟施工放样时,水准测量量值的计算方法也可以采用视线高法:HB=Hi-b(Hi=HA+a)。建筑物的沉降观测就是在一测站能测出若干个前视点的读数,所以沉降观测量值的原有计算方法就是采用的视线高法。

2)沉降观测量值简化计算新法——时点差法。

建筑物沉降观测采用的是大地水准测量原理。沉降观测工作中的水准点,是假定在一定长的时间内不产生垂直位移变形,用于观测工作中参照的基准点。设置在建筑物上的沉降点就是参照基准点观测其产生的垂直变化,获得在此时段两点间的垂直间差。因此每一次沉降观测工作记录表上直接记录的数据与计算结果是在某一测量时段的某一观测站点,观测水准点上后视标尺的读数(a)与建筑物沉降点上前视标尺的读数(b),通过计算求得此时此站该沉降点与其水准点两点间读数的垂直间差(G=a-b),以下简称该沉降点之时点差。从该沉降点前一次观测的时点差和本次观测的时点差比较,即可求知本次观测的沉降量。采用时点差式的计算方法,本文称之为时点差法。时点差法中的上次时点差减去本次时点差即等于本次沉降观测的沉降量。时点差法减少了计算后视线高程的计算步骤。

在沉降观测工作中做好各观测点位的布置、测绘好点位分布图,是做好沉降观测工作的基础。因在沉降观测点位分布图上详细绘有观测站点、水准点、转测点、沉降观测点等的位置及编号、建筑物的方位图示、新建工程相邻建筑物况等应表达的信息量。这些信息量的录入,对时点差法的计算和后续沉降观测作业起到延续引导作用。沉降观测点位分布图同样是指导每次沉降观测逐站、逐点循序渐进,保证沉降观测读数、记数取值的精准度,减少沉降观测操作时产生作业粗差的控制图。

3.3 沉降曲线绘制及分析

由观测周期和沉降观测值得到沉降变形曲线,这是较为简单可行的常用数据分析方法,一般通过Excel表格建立沉降变形曲线。根据建筑物在土层和加固后地基上在荷载作用下和时间列序所组成的曲线,用数学方程进行拟合,逼近所建立起来的非线性沉降曲线是具有形象鲜明,概念清楚的工程语言。

建筑物的沉降过程是在多种因素综合影响下的复杂沉陷变化过程,难以进行具体的模型化描述。线性回归函数分析方法是一种实时性较好的数据处理方法。它是通过分析所观测的变形和外因之间的相关性,来建立荷载—变形之间关系的数据模型。此模型应用正确预报精度较高。

沉降模型一般为线性、圆(椭圆)、双曲、指数和对数五种,通过沉降曲线图形识读,确定五种模型当中的一种,然后试拟合,得到沉降曲线方程,最后确定为哪一种模型,这里我们以指数模型为例分析线性回归模型的应用原理。

假设试拟合后的沉降曲线方程为:U=β0e-β1/T。

其中,U为累计沉降值;T为时间;β0,β1均为系数。由U=β0e-β1/T两侧同取对数可得:lnu=lnβ0-β1/T,令,lnu=y,-1/T=x,lnβ0=c。

则此函数变形为:y=β1x+c。求沉降线性回归方程,最终得到数学模型,经过计算得到该回归模型函数的相关系数为Put,假设显著性水平为d,这里假设以自由度n-2=18,查出相关系数临界值表得Pd的值,如果Put>Pd,则证明回归模型相关性很强,反之则然。在后期沉降趋于稳定后,我们一般用预测结果与实测结果的差异平方和计算回归拟合度值:σ2=∑r${}_i^2$∕n-2,拟合度值很小且接近1,证明模型有效且显著。

实际当中我们经常通过对某一号点的对比确定适用于本工程的预测模型,除了线性回归模型,常常作为对比对象的有时间序列分析与灰色系统预测模型。通过对比的方法可以取得有效的预测模型。

灰色系统预测模型又经常作为一个很有效的模型出现在我们的沉降预测当中,很多次的结论我们发现虽然灰色系统预测模型比较复杂,但是它的精度又常常是最高的。

如果在观测过程中得到异常的沉降曲线,比如从曲线上看出沉降观测点在沉降中期突然高程上升,我们就要分析其产生的原因并采取相应的措施,保障施工的安全。除了关于时间—沉降量关系曲线,最基本的还有时间—荷载的沉降关系曲线,都反映了沉降过程是否渐趋稳定或已经稳定。最后根据数据编制报告。

摘要：阐述了沉降监测在点位布设、施工方法、数据整理过程中用到的典型方法,并对后期数据沉降量的计算所用时点差法和分析数据用的回归模型做了简单的阐述,以期指导实践。

关键词：沉降观测,视线高法,时点差,线性回归

参考文献

[1]李生平,陈伟清.建筑工程测量[M].武汉:武汉理工大学出版社,2008.

[2]吴强明,郑南雄.建筑施工测量的精度控制[J].建材与装饰,2011(6):89-92.

[3]佘进,叶桂萍.陈村大坝水准基点网布设、校测及成果分析[J].大坝与安全,1999(4):111-112.

[4]熊辉林.浅析沉降观测方法在软土地基中的应用[J].科技风,2001(8):15-16.

[5]熊家清,彭雄.用“时点差法”简化沉降观测量值的计算[J].中国建筑科学,2003(9):221-223.

[6]张莉,陶小东.高层住宅楼沉降监测与研究[J].江苏建筑,2011(3):55-58.

沉降和位移观测 篇5

随着社会的不断进步, 物质文明的极大提高及建筑设计施工技术水平的日益完善, 施工测量及沉降观测技术在建筑中也增加了许多要求。

在现今的建筑领域里, 现在我们将对施工测量和沉降观测的应用进行分析, 对测量、沉降的要求进行研讨, 对测量、沉降的步骤进行整理, 并且对注意事项进行分析, 从而能使施工测量和沉降观测在建筑这方面有一定的完善, 避免因施工测量或沉降原因造成建筑物轴线偏差、主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝, 从而造成巨大的经济损失, 这种精确地施工测量、沉降测量可以准确地掌握建筑场地的土质情况, 及时发现异常沉降并适时作出处理, 为了保证建构物的正常使用寿命和建筑物的安全性, 建筑物沉降的测量尤为重要。

1 建筑中施工测量的运用

测量放线遵循“先整体后局部”的原则, 楼层测量放线先放控制轴线, 经检查确定无误后再放轴线、墙柱边线, 模板控制线及门窗洞口线, 高程测量从±0.00处利用检定的钢卷尺沿铅直线往上量距, 利用水准仪复核无误后再将此标高放样。施工测量是保证工程质量的重要组成部分, 因此, 在施工前必须建立一套严密的平面和主体结构施工的控制网络, 为整个建筑施工做好准备。

1.1 施工测量:

控制点放样采用极坐标法, 用全站仪进行测量、放线, 为便于复测, 控制点的布置均成直线型, 所有控制点必须设专人保护, 定期巡视, 并每月复测一次。

1.1.1 建筑物平面控制网建立

本工程平面控制网分两级布设, 一级为总平面控制网, 二级为建筑物轴线控制网。一级平面控制网的测设是以业主提供的测量基准点为依据, 我方测量人员使用经纬仪进行角度和距离测量, 一级平面控制网共测设10个控制点分别为P1~P10控制点, 二级控制网是依据一级平面总控制网, 采用直角坐标和极坐标法来测设各栋号建筑物的主轴线控制桩。

一级平面控制网测设完成后, 根据流水段划分和结构平面图上有关柱、墙体、洞口与轴线的详细位置关系来确定建筑物需要定位的主轴线, 然后以一级平面控制网为基准, 采用极坐标法和直角坐标法, 测设出建筑物主轴线的控制桩。

1.1.2 地下室施工轴线控制及放样线

(1) 建筑基础施工阶段按平面控制网, 用方向线法将轴线投测到工作面上。在建筑物四周基坑外并有一定的距离, 对房屋的纵、横向主轴线测设用木桩固定, 并在其轴线位置上钉入小元钉作为标记 (钉帽刷红油漆) 。木桩打入地下离地面10cm左右, 四周用砖砌保护, 上面加砼盖板, 并有明显的标记, 不得损坏。轴线控制点应远离基坑, 避免基础开挖过程中控制点移位。

(2) 人防地下车库基坑水准标高传递示意图, 自然地面标高约为-1.000m, 可直接测至基坑内底板挖土面。

人防地下车库基坑底标高测量示意图

1.2 基础施工轴线控制及放样线

1.2.1 建筑基础施工阶段接平面控制网, 用方向线法将轴线投测到工作面上。

在建筑物四周基坑外并有一定的距离, 对房屋的纵、横向主轴线测设用木桩固定, 并在其轴线位置上钉入小元钉作为标记 (钉帽刷红油漆) 。木桩打入地下离地面10cm左右, 四周用砖砌保护, 上面加砼盖板, 并有明显的标记, 不得损坏。轴线控制点应远离基础, 避免基础开挖过程中控制点移位。施工定位是整个建筑施工中一个重要部分, 投设完毕后对各条轴线进行复核, 无误后提请业主或监理进行验收签证。

1.2.2

高层住宅楼基础浅地下自行车库坑底标高, 施工采用悬吊钢尺法将标高导入护坡坡脚处控制桩上, 且四周不低于四点 (每个方向不低于一点) , 校核无误后方可引测至其他控制标高点, 标高差应在规范之内。

1.3±0.000以上结构阶施工放线: (内控法施工测量)

1.3.1 上部结构测量放线采用投测法, 垂直传递采用铅垂仪直接引测, 在轴线延伸段处采用投测法, 将首层轴线控制线交点投射至二层面, 在二层楼面用方向线法放出轴线控制线以及各条轴线。

1.3.2 在首层结构面轴线控制线交点位置上预留埋铁, 在浇筑±0.00粱板砼时, 在相应的控制点的位置上埋200×200的钢板, 厚度为5mm的埋件, 当混凝土达到一定的强度后, 从控制点引测至预埋铁件上, 在预埋铁件控制点位置做好十字刻痕, 以作为垂直引测控制点。以上各楼层面在相同部位的控制点预留200×200的洞口 (钢筋尽量不要切断) , 采用激光经纬仪向上引测至各层轴线控制线交点, 中间不设过度点, 每层直接从控制点引测即可。

1.3.3 为了有效的控制建筑物的施工质量, 所有外墙柱上的轴线都要随建筑物的上升而引测, 在结构施工过程中, 随时可以检查建筑物的垂直度、标高等。

1.3.4 上部结构轴线控制垂直测量示意图:

2 建筑施工中沉降观测的应用

2.1 沉降原因分析

建筑物的沉降原因分析通过对建筑沉降的研究, 建筑物发生沉降的原因是复杂的, 既有外部的因素, 也有其内在的因素, 可能是一种原因, 也可能是由多种原因共同造成的。总体归结起来造成建筑物沉降的原因主要有设计、勘察、施工、规划、使用、自然灾害等因素。

2.2 高层建筑沉降测量的必要性

为确保高层建筑物结构安全, 保证建筑物正常使用, 在建筑物的施工中加强高层建筑的测量工作是非常重要的, 应引起足够重视。建筑物的变形如果超过一定的限度就会影响到它的正常使用, 尤其是高层建筑沉降的测量技术研究均匀沉降, 会危及建筑物的安全。在工程施工和工程使用期间应进行严密沉降观测, 通过对观测数据研究和分析沉降原因及其发展的趋势, 及时采取措施, 以保障工程的施工和使用安全, 并通过对沉降观测数据的分析, 结合地质资料, 综合分析研究其地基沉降的规律, 对其稳定性进行了评价。

2.3 沉降观测的控制要点

2.3.1 沉降观测点的布设。

沉降观测点的布设, 应以能全面反映建筑物地基沉降特征并结合实际地质情况及建筑结构特点来确定, 沉降观测点设置原则为观测点本身应牢固、稳定, 确保点位安全, 能长期保存。

观测点上部必须为突出半球形状, 与柱或墙身有一定的距离, 避免物体碰撞, 并有保护装置。沉降观测点应设置在标高+0.300~0.500m处, 应在建筑物四角转角处以及中间每隔10m~20m的轴线上可观测的沿墙、柱上设置。

沉降观测点设置图

2.3.2 基准点的布设

考虑到整体沉降监测的需要, 采用布设统一的沉降监测网和局部一体化沉降监测方法。首先, 基准点宜选设在施工变形影响区域之外, 尽量避开松软地层和滑坡区, 避开地下各种管道设施。选择位置固定, 宜观测和保存的地方。其次, 基准点应在沉降观测前一个月进行埋设。再次, 基准点的保护措施要做好, 不被碰撞。最后, 点位应避开障碍物, 便于观测和长期保存。

2.3.3 高层建筑沉降的测量

观测点上能垂直置尺和良好的通视, 按照已制订的观测方案和观测周期实施沉降观测。对各点的初期观测, 宜观测两次, 以确保初期成果的准确性;施测时务必十分认真、细致, 要求每个观测点的高程数据应由两次观测后的平均值来确定。随结构每升高一层, 临时观测点上移一次并作一次观测、记录, 由于变形测量观测的点位是动态的, 与地形测量、工程控制测量等有较大的区别, 因而, 每期观测都必须保证外业观测数据是可靠与准确的, 且对于设备、人员的观测条件是相同的, 每期观测除应及时地检查测站各项限差, 将各次观测记录整理检查无误后, 进行平差计算, 求出各次每个观测点的高程值, 从而确定出沉降量。

3 总结

高层住宅小区在施工中通过对施工测量和沉降观测技术的研究与应用, 解决了不少建筑中的测量问题, 使建筑更准确的构建, 不至于出现漏洞, 在这个发展的社会里质量的高度决定着这项建筑的去留, 一个好的建筑会让建筑师们在建筑这方面有立足之地, 从而也可以在竞争中使我们的国家更加的健全, 使建筑更加的出色, 所以施工测量和沉降观测的成果是验证设计理论和检验施工质量的重要资料。

总之, 高层建筑进行全面的、系统的、长期的测量、观测掌握其规律, 发现异常, 及时分析原因, 并采取工程补救措施对于确保桩基高层建筑物在施工期间和投入使用后的安全具有非常重要的意义。相信随着现代高层建筑随着社会生产和科学技术的进一步发展, 先进的仪器的广泛应用, 测量精度的越来越高, 测量与沉降观测的技术必定会越来越成熟, 为设计、施工提供更加可靠的资料及相应的参数。

摘要：施工测量和沉降观测技术是对现场高层建筑物精确定位进行测量及确定其垂直位置随时间的变化特征。某小区由12栋高层及地下人防车库组成, 总建筑面积135784.5m2。该论文主要阐述施工测量、沉降观测技术在高层住宅与人防工程交叉施工中的运用, 施工测量涉及到全站仪、激光经纬仪、水准仪等多种仪器的配合实用, 它通过布设平面控制网、轴线定位、标高控制来完成的。沉降观测则采用精密沉降光测仪, 从而达到了沉降观测的高精度要求, 经过原因分析, 得出了沉降测量结果, 作出了具体、切实可行的技术方案, 确保工程质量。

沉降和位移观测 篇6

关键词：粒子沉降,南极中山站,VLF信号,相位变化

"自从人类进入航天时代以来, 日地关系的研究越来越重要了。太阳像一颗巨大的原子弹, 不停地向外辐射光、X射线、γ射线和带电粒子风。太阳表面有太阳黑子、太阳耀斑、冕洞等活动。当太阳耀斑突然爆发时, 太阳喷发的X射线和高能粒子流量突然暴增, 可能对在轨运行的卫星、太空飞船的仪器设备造成损坏, 重载计算机系统可能发生单粒子翻转 (SEU) 事件, 对太空中行走的航天员身体带来伤害, 甚至危及生命。据不完全统计, 约30%~40%的航天事故是由于太阳活动造成的。太阳风吹到地球附近时, 高能粒子被地球磁场捕获, 一般情况下注入到两极地区, 带来绚丽的极光。对极区的低电离层产生影响, 使低电离层的等效反射高度降低, 引起在地面和低电离层下缘之间地-电离层波导中的VLF信号传播异常。因此, 南极地区是观测高能粒子沉降的极为有利的地方。文献[1]研究了VLF信号在地-低电离层波导中的传播规律;文献[2]研究了VLF相位在极区的传播规律;文献[3]研究了南极中山站的电离层特征。本文观测并分析了在南极地区两次连续的特大粒子沉降对VLF信号传播造成的异常影响。

1 观测系统和传播路径

VLF信号在地球表面和低电离层之间的波导内传播, 通常用波导模的概念来解释, 一般比较复杂, 日出和日落时, 其相位有着特殊的变化规律[4,5]。近几十年来, 国内外大量的观测事实和研究分析表明, VLF信号的相位变化对电离层扰动十分敏感, 只要其传播路径有一部分处于日照面区, 就可观测到太阳耀斑爆发情况。若有两条以上观测路径, 在1 d24 h内的任何时刻都能观测到太阳的耀斑活动[6]。而太阳耀斑爆发喷射出的X射线、太阳质子事件、沉降粒子事件等都会引起电离层扰动。因此, 利用VLF传播相位变化既是监测X射线、太阳质子事件和沉降粒子的一种重要手段, 也是警报太阳质子事件和沉降粒子事件的一种有效方法[7]。

图1是我们的VLF信号观测系统框图。VLF信号由单鞭天线接入甚低频信号锁相接收机, 接收Omega甚低频无线电导航系统的VLF信号的相位, 信号的频率为10.2 k Hz, 铷原子频标提供精度优于1×10-11的5 MHz的正弦波, 作为接收机的本地频率标准, 记录仪记录VLF信号锁相接收机输出的相位信号。该系统的测相精度为±1μs。

图2是在南极中山站接收Omega导航系统G台 (38°29'S, 146°53'E) 的频率为10.2 k Hz的VLF信号的传播路径示意图。南极中山站的地理坐标: (69°22'24″S, 76°22'40″E) ;地磁坐标: (77.2°S, 120.5°E) ;不变磁纬约为75°S, L=13.9;地方时比世界时早5 h, LT≈UT+5;磁地方时比世界时早2h, MLT≈UT+2[8]。在58°S~75°S附近的环形带经常发生极光, 因此被称为极光带, 也即是南极地区的粒子沉降带。由图2可知, G台-中山站甚低频传播路径经过此极光带, 且距离南磁极点 (65°36'S, 139°24'E) 非常近。经过计算, G台至南极中山站的地球大圆路径的长度为5 314.6 km, 该路径有大约2 600 km处于南极光带之内。所以G台-中山站甚低频传播路径是观测粒子沉降的理想路径。

2 试验结果与分析讨论

1991-07-19 22:30 LT至1991-07-20 02:00 LT, 在南极中山站观察到了两次强的极光现象。伴随着这两次极光, VLF信号观测试验系统也记录下了这两次特大的粒子沉降事件。

图3是1991-07-19至1991-07-20 Omega系统G台-南极中山站10.2 k Hz VLF相位变化的原始记录曲线图;图4是利用计算机绘制出的模拟曲线。其中, 实线代表1991-07-19至1991-07-20 VLF相位变化曲线, 虚线代表1991-07-24至1991-07-25 G台-南极中山站10.2 k Hz VLF相位正常变化的对比曲线。

对比分析图4中两条曲线, 可以明显看到实线在1991-07-19 22:30 LT-23:20 LT之间和1991-07-20 01:10 LT-02:00 LT之间先后出现两次异常现象, 也就是说VLF信号相位在这期间发生两次异常超前现象, 峰值时间分别为23:00 LT和01:40 LT。根据地方时与世界时的关系, LT≈UT+5, 以及电离层扰动对VLF相位变化规律的影响, 我们推测在1991-07-19 17:30 UT-18:20 UT和20:10 UT-21:00UT南极地区正发生高能粒子沉降事件, 峰值大概出现在18:00 UT和20:40 UT附近, 而VLF信号未出现异常的时间段内, 高能粒子的流量将相对较低。

由图4中的对比曲线, 可清楚的计算出VLF信号在整个粒子沉降发生过程中的相位变化量Δφ。设正常情况下, VLF信号的相位速度为vp, 发生粒子沉降过程中, 其相位速度为Vp'。由波导模理论可知, 正常情况下, VLF信号相速度vp的计算公式为:

式中, vc表示光速, 约等于3×108m/s, h0为电离层的等效反射高度, 因本次观测正处夏季, 故约等于70 km, f代表VLF信号的频率, 为10.2 k Hz。

而相位变化量与相速度之间有如下关系:

因此, 可得发生粒子沉降时, VLF信号的相速度Vp'表达式为:

式中, d为G台至中山站的地球大圆路径长度, 约为5 314.6 km。

设电离层等效反射高度的变化量为Δh0, VLF相位弧度变化量为Δφ', 则由二者之间的关系式:

可得, 电离层等效反射高度的变化量Δh0与VLF信号的相位变化量Δφ之间的关系式为:

式中, d为G台至南极中山站的地球大圆半径长度, 约等于5 314.6 km, a表示地球半径, 约为6 369km, VLF信号的相位弧度变化量Δφ'与相位变化量Δφ之间的关系式为Δφ'=2πfΔφ, λ表示VLF信号的波长, 其与VLF信号频率之间的关系式为λ=vc/f。

因此, 由发生粒子沉降过程中VLF的相位变化量Δφ, 可进一步计算出相速度Vp'和电离层的等效反射高度Δh0。图5为NGDC发布的1991-07-19~1991-07-20 GOES卫星观测到的高能粒子流量曲线图。从图中可以看到, 1991-07-19高能粒子流量明显增加的时间段以及峰值出现的时间与我们的推断基本吻合, 其他时间则相对较平静。通过前后两次的对比表明, 高能粒子沉降事件发生时, VLF相位会相应出现异常超前现象, 当粒子沉降达到最大时, VLF相位的异常也相应达到了峰值。

3 结束语

以上观测与分析表明, 高能粒子沉降与VLF信号相位异常存在很好的相关性。高能粒子沉降会引起VLF信号传播的相位异常超前现象, 通过观测发生连续两次特大粒子沉降时VLF信号传播的相位变化情况, 能够判断出粒子沉降发生的时间范围与峰值时间。另外, 根据VLF信号的相位变化量, 可计算出粒子沉降事件发生时, VLF的相速度和电离层等效高度变化量, 进一步研究VLF信号相位超前幅度与太阳耀斑的级别之间的关系。如果二者之间同样具有很好的相关性, 则可以通过观测VLF信号的相位变化情况, 来判断太阳耀斑爆发的级别。由于在观测前对观测系统的校准还不够精确, 所以观测到的VLF信号相位异常的峰值时间与高能粒子流量的峰值时间还存在一定的误差, 这就需要多次观测高能粒子沉降时VLF信号的相位变化情况, 进一步做精确的研究和分析。

参考文献

[1] Kaiser A.B.VLF propagation over long paths.Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1967;29 (1) :73—85

[2] 王健, 陈恩平, 赵协中.甚低频横跨极区传播相位的观测与研究.电波科学学报, 2006;21 (3) :84—88Wang J, Chen E P, Zhao X Z.Observation and study on phase of very low frequency propagation over area.Chinese Journal of Radio Science, 2006;21 (3) :84—88

[3] 沈长寿, 资民筠, 王劲松, 等.南极中山站电离层的极区特征.地球物理学报, 2005;48 (1) :4—6Shen C S, Zi M J, Wang J S, et al.Features of the polar ionosphere over the Zhongshan station in Antarctic.Chinese Journal of geophysics, 2005;48 (1) :4—6

[4] Crombie D D.Further observations of sunrise and sunset fading of very low frequency signals.Radio Science, 1966;1 (1) :47—51

[5] 牛有田, 陈键锋, 郝好贞, 等.1997-03-09日全食的甚低频观测与分析.河南师范大学学报 (自然科学版) , 2009;37 (2) :70—72Niu, Y T, Chen J F, Hao H Z, et al.Observation and analysis of total solar eclipse of 1997 march 9 using VLF signal.Journal of Henan Normal University (Natural Science) , 2009;37 (02) :70—72

[6] 赵协中.太阳耀斑与粒子沉降对极区低电离层的影响.南极研究, 1992;4 (1) :36—41Zhao X Z.Influences of solar flare bursts and particles precipitations on the polar lower ionosphere.Antarctic Research, 1992;4 (1) :36—41

[7] 赵协中.利用VLF相位观测警报太阳事件.第九届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集, 2000:12Zhao X Z.Using VLF phase to observe and alert solar events.the 9th Annual of the Chinese Geophysical Society, 2000:12