西安濕陷性黃土地區高層建筑物沉降分析與穩定控制值研究

賈斌，田偉，王磊，董曉峰，馬聯濤，徐鵬

(西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

1 引 言

城市建筑中的高層建筑物由于體形大、高度高、形狀多樣且結構復雜，使得其在施工過程中會伴隨著一個長時間序列的沉降過程，目前高層建筑物的沉降觀測已成為工程建設必須進行的工作［1］。現行規范中采用最后100 d的容許沉降量和沉降速率作為穩定控制指標，給出了適用于我國大部分地區的沉降控制值，但考慮到不同地區地基土的壓縮性能不同，且相應的工程地質條件也不同，因此，探尋適合某一區域的高層建筑物穩定沉降控制值成為一項勢在必行的工作。

西安地處典型的濕陷性黃土地區，黃土層厚度大，呈松散、多孔結構狀態，在一定壓力下，尤其是受水浸濕后，土體結構會迅速破壞并產生顯著附加下沉［2］，對建筑物帶來不同程度的危害。本文利用西安地區2004年～2013年的沉降觀測數據，結合不同城區位置的黃土特性，分析了城南、城北、城東、城西4 個大范圍內高層建筑物的長期沉降特性，并采用指數函數模型預測了研究區內建筑物的穩定沉降量，根據統計分析結果探求了高層建筑物主體的沉降量控制值，為濕陷性黃土地區建筑物沉降穩定控制值的確定提供了理論依據和參考。

2 西安地區高層建筑物長期沉降特性分析

為研究西安濕陷黃土地區高層建筑物的長期沉降特性，從已有觀測數據中篩選200 幢具有區域特點的已有建筑進行西安地區高層建筑物長期沉降發展特性的分析，這些高層建筑物均地處典型的地質條件場地內，能夠表征該區域內的整體沉降特性，共包括城南60 幢、城北48 幢、城東49 幢、城西43 幢高層建筑物，其中43 幢為10 層～12 層建筑物，65 幢為13 層～25層建筑物，92 幢為26 層～35 層建筑物。

2.1 西安地區工程地質概況

西安城南地區以黃土梁洼地貌為主，西北部有部分沖積平原三級階地，其下分布有中、粗砂與粉質黏土層;城北區域地處渭河的沖洪積平原，地貌包括渭河一級階地和二級階地，由于渭河一級階地的黃土為非自重濕陷性黃土，濕陷等級為一級，對工程建設的危害性較小，而渭河二級階地為自重濕陷性區，自重濕陷量δ為7.9 cm～33.76 cm，屬于濕陷較嚴重區域;城東地處浐、灞河沖洪積平原，地貌包括了一級階地、二級階地、三級階地，堆積物由晚更新世黃土和砂卵礫石構成，其中二級階地主要分布于浐河東岸，為自重濕陷性黃土，三級階地分布在浐河東西兩岸，西岸西至幸福路，東岸東至紡織城紡正街，包括自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土，為較為嚴重的濕陷區域;城西區域主要為皂河的沖洪積平原，包括了皂河二、三級階地和渭河的三級階地，黃土層厚約10 m左右，二、三級階地既有非自重濕陷性黃土，也有自重濕陷性黃土，自重濕陷量δ 為9.03 cm～17.57 cm，濕陷下界深度約12 m［3］。

2.2 長期沉降特性

綜合分析四大城區場地內地質條件的特殊性，結合高層建筑物的沉降觀測數據，不同城區場地上高層建筑物典型沉降發展曲線如圖1 所示。

圖1 西安濕陷性黃土地區高層建筑物長期沉降發展曲線

從圖1 中可以看出，城南區域內的高層建筑物最大累積沉降量為 20.5 mm，最小累積沉降量為9.5 mm，最大、最小與正常累積沉降量曲線較為接近，整體表現無顯著差異，位于該地區的高層建筑物主體沉降整體平緩，無較大的下沉出現;城北區域內的高層建筑物累積沉降量位于21.4 mm～6.6 mm之間，最大、最小與正常累積沉降量曲線整體走向趨勢相同，但不同的地質條件使得該區域范圍內的高層建筑物沉降量表現出較為顯著的差異;城東區域內高層建筑物的最大累積沉降量為25.97 mm，最小累積沉降量為9.16 mm，區域內累積沉降量的正常水平處于12.5 mm左右，整體沉降差異小，累積沉降量均處于較大的下沉水平;城西區域內高層建筑物的沉降量較大，但相互的差異較為均勻，從圖中可以看出，最大的累積沉降量達到了28.0 mm，最小累積沉降量為5.5 mm，整個區域的正常沉降量大約為13.0 mm左右，屬于較嚴重的濕陷區域。

總的看來，由于西安濕陷性黃土特性在城區不同位置的作用不盡相同，分別具有其獨特的地質構造條件，使得不同城區位置場地上高層建筑物的長期沉降發展曲線差別較大。以最大累積沉降量為對比，參照不同區域的濕陷等級，結合200 多幢高層建筑物的沉降觀測數據，可以得到如下結論:從總體來看，西安城區西北方向的大白楊、小白楊一帶，城北的龍首村至張家堡范圍內以及城東幸福路、紡織城和浐灞河等區域為濕陷性較為嚴重的區域，高層建筑物沉降較大，不同城區的累積沉降量大小排序為:城西＞城東＞城北＞城南。

3 穩定沉降量分析與預測

3.1 預測模型選擇

大量實測資料表明，建筑物在接近完工及完工后一段時間內，沉降量與時間呈現出緩慢變化，可認為是非線性函數關系，一般近似于雙曲線或指數曲線關系［4］。從兩種數學模型對實測資料的模擬情況看，一般情況下兩種方法所得的經驗公式均方差較小，而且相互接近，都能滿足沉降計算的精度要求。但從推算的最終沉降看，雙曲線模型推算的值偏大，指數曲線在最初一段和實際相差較大。從沉降產生和發展的機理角度看，雙曲線模型并不能解釋其本質的原因，而指數曲線能夠反映流變學的物理特性，當實測沉降曲線歷時很長時，用指數曲線推算更接近實際情況［5］。

當沉降曲線為指數函數時，沉降量與時間的函數關系可表達為:

式中，S 為最終穩定沉降量;St為任意時間t 的沉降量;t 為觀測時間;m 為沉降系數;e 為自然對數之底(2.7183)。

為解算S 和m，可對式(1)求微分，化為線性關系式:

即可解出沉降系數m 和穩定沉降量S。

3.2 穩定沉降量預測

參照上述指數函數法，對西安地區其他高層建筑物進行相應的穩定沉降量估算，得出如表1 所示結果。

西安地區典型高層建筑物穩定沉降量預測值 表1

從表1 中可以看出，不同城區場地不同建筑物層數情況下的最終穩定沉降量存在顯著差異。從城區位置分析，城南區域最大的穩定沉降量預測值為34.08 mm，最小的沉降量為13.63 mm，平均穩定沉降量為22.58 mm;城北區域的穩定沉降量預測值則位于14.22 mm～40.62 mm，整體沉降量跨度較大;城東區域的穩定沉降量預測值介于21.99 mm～33.68 mm之間，整體沉降量較大;城西區域的穩定沉降量預測值最大為34.15mm，最小為12.91 mm，平均穩定沉降量為24.87 mm。

從不同層高分析，西安濕陷性黃土地區層高介于10 層～12 層的典型高層建筑物穩定沉降量的預測值為13.63 mm～33.68 mm，平均穩定沉降量達到了22.64 mm;13 層～25 層建筑物的穩定沉降量最大值為29.72 mm，最小值為12.91 mm，整體沉降水平較為平均，無大幅度差異;26 層～35 層建筑物的穩定沉降量預測值則位于18.18 mm～40.62 mm，沉降量的最大值與最小值均位于城北區域，差異顯著，這主要與其典型的黃土地質條件相關。

總體看來，城南區域10 層～12 層建筑物的穩定沉降量較為均一，無顯著差異;城北區域26 層～35 層建筑物的沉降量差異較大;城東區域的高層建筑物穩定沉降量較為集中，整體均處于沉降量大的水平(均大于20 mm);城西區域26～35 層建筑物的穩定沉降量均大于30 mm，屬于沉降較為嚴重的場地。

此外，觀測數據表明，高層建筑物在竣工至最終沉降穩定期間，雖然沉降速率較為緩慢，但持續時間遠遠大于建筑物的建設時間，其后期的累積沉降量往往具有較大數值，使得穩定沉降量較竣工時又增加了將近30%，這可能是由于使用過程中建筑物自身以外的荷載在不斷增加，在一定程度上造成了建筑物沉降速率低、持續時間長的緩慢沉降狀態。

3.3 建筑物階段沉降量分析

根據高層建筑物沉降的發展特性，結合工程施工進度，可以將建筑物的沉降－時間曲線劃分為以下幾個時間節點:①建筑物竣工階段，即建造完工時，建筑物大部分荷載施加已經完成;②竣工1 a后，所有荷載施加基本完成;③竣工2 a時段，荷載已不增加;④穩定時期。把各個階段的沉降量與最終沉降量作一比較，就可以得到各階段沉降所占的比例，即沉降完成情況［6］。表2 給出了西安不同城區場地內高層建筑物各階段的實測沉降量。

不同城區場地內高層建筑物各階段的實測沉降量 表2

表2 中各個階段沉降量和百分比的最大值、最小值和平均值分別是由該區域內數幢典型高層建筑物的在不同施工階段的觀測數據統計得出的，分別代表了某一發展階段內沉降量和沉降完成情況的極值和平均值，可以反映該區域內高層建筑物沉降發展的普遍規律。表中的數據表明:建筑物竣工時，西安地區高層建筑物產生的平均沉降量為4.91 mm～9.70 mm，完成沉降已達41.9%～65.4%，其中以城北區域的累積沉降量和沉降完成比例最大;竣工1 a后，不同城區范圍內高層建筑物的平均沉降量達到了7.83 mm～12.4 mm，此時的沉降量已完成54%～81.7%，城北區域仍然具有最大的累積平均沉降量和完成情況;竣工2a 后，城北區域的平均沉降量已達到12.94 mm，平均完成比例為87.8%，這一時期完成比例最大的為城南區域，其完成百分比達到了88.8%，平均沉降量則為11.55 mm;當建筑物進入穩定時期時，它們的平均沉降量為12.89 mm～15.44 mm，城西區域的最大沉降量已達到了29.61 mm，相對較小的城南區域最大沉降量也已達到22.67 mm。

高層建筑物一般施工1.0 a～1.5 a就可竣工，竣工時沉降完成比例已達41.9%～65.4%，在竣工2 a后沉降已完成86.4%～88.8%。在以后的較長時間，高層建筑物進入沉降穩定階段，沉降速率慢，完成最終沉降量一般需要2 a～5 a。

4 沉降量穩定控制值計算

實際沉降觀測工作中，保障工程建設的安全性需要實時準確的觀測數據作為支撐，累積沉降量作為直觀反映建筑物沉降情況的動態指標之一，能夠最大限度地給予工程參考價值。高層建筑物在基坑開挖－主體封頂－投入使用這一建設過程中，施工階段由于荷載不斷增加、各類影響因素復雜，使得竣工之前的沉降監測成為最重要觀測階段，加之竣工后沉降觀測周期變長、實時性變差，難以反映建筑物的沉降動態。因此，竣工時的沉降量成為高層建筑物沉降觀測歷時中不可或缺的關鍵指標，對竣工時的累積沉降量加以控制能夠保障建筑物的順利施工和安全使用。

在掌握西安濕陷性黃土地區不同城區場地內高層建筑物的沉降完成情況后，結合上文通過指數函數法預測的建筑物最終穩定沉降量(表1)，就可以得出高層建筑物在竣工時累積沉降量的控制值。從保證建筑物安全的角度出發，結合實際可操作性，并考慮到控制值的預警性，建筑物最終穩定沉降量S 取最大值，而竣工時建筑物沉降的完成比例α 取65%，就可以得到西安濕陷性黃土地區高層建筑物竣工完成時的累積沉降量控制值S竣=S*0.65。表3 給出了不同層高建筑物的竣工累積沉降量的通用控制值。表中的穩定沉降量是在剔除具有顯著差異的離散值之后得到的，且為能夠指導實際工作，將得到的竣工累積沉降量取整作為最終的沉降量控制值(竣工)。

西安地區高層建筑物累積沉降量控制值(竣工) 表3

5 結 語

本文通過分析近十年間的沉降觀測數據，得出了西安濕陷性黃土地區高層建筑物的長期沉降特性，探求了高層建筑物的穩定沉降量，并初步得到了沉降量控制值(竣工)，取得了一些有益結論。

(1)西安不同城區位置場地內地質工程條件不盡相同，由此造成了不同區域高層建筑物的長期沉降發展特性差異較大，不同城區的累積沉降量大小排序為:城西＞城東＞城北＞城南。

(2)指數函數模型在高層建筑物最終穩定沉降量預測方面具有良好效果，不同城區場地內不同建筑物層數的最終穩定沉降量存在顯著差異。

(3)高層建筑物竣工時，西安地區高層建筑物產生的平均沉降量為4.91 mm～9.70 mm，完成沉降已達41.9%～65.4%，竣工1 a后，沉降量已完成54%～81.7%，竣工2a 后沉降已完成86.4%～88.8%。

(4)以竣工完成時的累積沉降量為衡量指標，得出西安濕陷性黃土地區高層建筑物的沉降量控制值S竣=S* 0.65，其中10 層～12 層、13 層～25 層、26 層～35 層的控制值分別為19.00 mm、20.00 mm和24.00 mm。

本文得出的結論基本上體現了西安全市范圍內高層建筑物的沉降發展特性，為高層建筑物的勘察、設計和施工提供了一定的參考依據，也為濕陷性黃土地區建筑物沉降安全預警值的確定提供了理論依據。

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