高層建筑沉降觀測與數(shù)據(jù)分析

陳 士 林

(山西潞安工程有限公司，山西 長治　046102)

1　沉降觀測的由來和意義

自改革開放后，中國的經(jīng)濟(jì)保持了近30年的經(jīng)濟(jì)騰飛，建筑技術(shù)方面也取得了巨大的進(jìn)步，高樓大廈的高度和數(shù)量，也在一定的方面體現(xiàn)了一個國家、一個省份、一個地區(qū)甚至一個企業(yè)的強(qiáng)大，再加上國家關(guān)于住宅用地和商務(wù)用地的緊縮政策，在中國大地上，不可避免的出現(xiàn)了高層和超高層建筑的興起。

對于高層建筑，安全性和穩(wěn)定性絕對是第一考慮因素，其中主要包含兩個方面：一是基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，二是結(jié)構(gòu)的安全性。而基礎(chǔ)的穩(wěn)定性取決于上部荷載與基礎(chǔ)設(shè)計荷載的相互影響，也受到地下水位和持力層的影響，上述的影響因素，不論哪一種出現(xiàn)了問題，首先出現(xiàn)的問題就是基礎(chǔ)變形或者地基變形，對于建筑物的直接影響就是建筑物整體沉降或者不均勻沉降，甚至出現(xiàn)位移。

如何有效的進(jìn)行建筑物沉降觀測和數(shù)據(jù)分析，是當(dāng)前沉降觀測與分析的主要課題，也是保證高層建筑基礎(chǔ)安全的前提和預(yù)防措施。在此，針對建筑物的沉降觀測辦法與數(shù)據(jù)分析進(jìn)行主要的闡述和分析。

沉降觀測主要分為施工階段和竣工移交階段。

沉降觀測的意義是：1)檢測和預(yù)防建筑物基礎(chǔ)安全的重要指標(biāo)；2)能夠及時反映出建筑在施工過程中和使用中建筑的沉降變化與速率，依據(jù)沉降數(shù)據(jù)，分析沉降的合理性和非合理性；3)在施工荷載加載完成后，為建筑物的整體穩(wěn)定性和安全性提供數(shù)據(jù)支撐。

2　沉降觀測方法與數(shù)據(jù)分析

2.1　建筑物沉降的種類和原因

1)均勻沉降(合理變形)：隨著施工層數(shù)的增加和施工荷載的不斷加大，地基和基礎(chǔ)被不斷壓縮和擠壓，建筑物整體均勻沉降，且基本是不可避免的，這也是建筑物沉降的主要原因，也是合理的沉降。

2)變形沉降(不合理變形)：建筑物沉降不均勻，出現(xiàn)墻體裂縫、建筑物傾斜、地面塌陷或者翹起等導(dǎo)致建筑物外形改變或損傷；主要原因有：施工時，荷載加載不均勻，導(dǎo)致建筑物某一側(cè)沉降過大；上部設(shè)計荷載不均勻?qū)е碌某两禂?shù)據(jù)偏差過大；基礎(chǔ)與地基受損，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載力發(fā)生改變，引起的建筑物不均勻沉降；地質(zhì)條件變化，導(dǎo)致持力層土質(zhì)發(fā)生變化，基礎(chǔ)承載力發(fā)生變化導(dǎo)致的建筑物沉降不均勻或者位移；基礎(chǔ)或地基設(shè)計缺陷，導(dǎo)致的承載力不足發(fā)生的不均勻沉降。

3)數(shù)據(jù)上的變化沉降：指的就是數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正常的數(shù)據(jù)變化；主要是指：測量時存在的誤差或者失誤；沉降觀測點和基準(zhǔn)點被擾動。至于屬于合理變形或者不合理變形，需要后期反復(fù)核定。

2.2　沉降觀測原理

沉降觀測(亦稱沉陷觀測)是變形觀測中最重要也是最常見的觀測手段，是指對沉降觀測點進(jìn)行持續(xù)的垂直沉降觀測，根據(jù)時間間隔和荷載增加等因素得出沉降數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析建筑物變形的可靠程度。

變形觀測中沉降觀測極為重要。沉降觀測中沉降數(shù)據(jù)必須精準(zhǔn)、觀測點必須固定牢靠，沉降數(shù)據(jù)提供沉降數(shù)量，根據(jù)不同部位的沉降數(shù)量和統(tǒng)一時間段的不同部位的沉降量，沉降觀測人員要具備數(shù)據(jù)分析的能力，至少要得出沉降變化是否在允許范圍內(nèi)、是否出現(xiàn)不均勻沉降、沉降速率是否過大等一系列的沉降指標(biāo)。

2.3　沉降觀測方法

當(dāng)前的沉降觀測方法有很多種，一般都采用水準(zhǔn)測量方法，操作相對簡單，且適宜大多數(shù)的技術(shù)人員進(jìn)行觀測，數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，隨著沉降技術(shù)的發(fā)展，另外還有三角高程測量方法、數(shù)字?jǐn)z影測量方法、GPS方法等。

2.4　高層建筑沉降觀測實例

2.4.1工程概況

長治能化基地建設(shè)寫字樓項目，建筑面積約4萬m2，建筑結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)。設(shè)計單位為上海誠建設(shè)計院，建筑施工單位為山西潞安工程有限公司；結(jié)構(gòu)為22層，高度98 m。

2.4.2觀測點的布設(shè)和觀測

1)觀測點的布設(shè)。

根據(jù)規(guī)范要求建筑物的轉(zhuǎn)角及建筑物的外墻每15 m處布設(shè)沉降觀測點。根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)特點，在建筑物轉(zhuǎn)角和外墻上均勻布設(shè)6個沉降觀測點，觀測點距離室外地坪高度為500 mm，觀測點為可拆卸的鋼螺栓隱蔽觀測設(shè)施,采用后埋式(較為常見的埋設(shè)方式)。

2)沉降觀測。

采用水準(zhǔn)儀及相應(yīng)的水準(zhǔn)尺和尺墊按照二級水準(zhǔn)觀測精度，從基準(zhǔn)點開始組成閉合進(jìn)行觀測。

3)沉降觀測的時間間隔與方式。

在施工過程中每增加3層框架觀測1次，竣工后每3個月觀測1次，直到沉降數(shù)據(jù)達(dá)到《建筑變形測量規(guī)程》規(guī)定的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，停止觀測。

4)數(shù)據(jù)分析(表1為沉降量匯總表和圖1為數(shù)據(jù)曲線變化圖)。

表1　沉降觀測點與沉降量匯總表　mm

從表1中第1次～第10次的各個觀測點的沉降數(shù)據(jù)，說明建筑物發(fā)生了沉降，同時也可以看出隨著建筑物的逐漸修建過程中，雖然荷載在不斷加大，但是各個觀測點的沉降數(shù)據(jù)整體上卻是呈逐漸減小的趨勢，但仍然存在數(shù)據(jù)忽大忽小的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)分析如下：

正常曲線圖(C1,C2,C6)：從這三個曲線變化來看，沉降數(shù)據(jù)自初始觀測，沉降數(shù)據(jù)量呈逐漸減小，曲率變化也越來越小，說明隨著建筑物的荷載逐步增大，地基與基礎(chǔ)的壓力彈性越來越小，地基承載力逐漸趨向于穩(wěn)定，除非上部荷載超出設(shè)計承載力，否則沉降將越來越小，甚至不沉降，這是建筑物安全性和穩(wěn)定性的重要依據(jù)。

曲線前期突然回升(C4第二次測量)的原因分析：一可能是初次測量精度不高、數(shù)據(jù)錯誤或測量時存在誤差；二可能是施工區(qū)內(nèi)降水積水過多，導(dǎo)致基礎(chǔ)松軟；三就是基礎(chǔ)承載力嚴(yán)重出現(xiàn)失衡、承載力不足；如果是因為初測精度不高所引起的，曲線回升超過5 mm，應(yīng)將第一次觀測成果作廢，而采用第二次觀測成果作為首測成果，如曲線回升在5 mm之內(nèi)，則可調(diào)整初測標(biāo)高與第二次觀測標(biāo)高一致，如可能是第三種的情況，則應(yīng)立即停工，組織各參與單位進(jìn)行進(jìn)一步的研究和論證。

曲線后期起伏(C3和C5)：沉降數(shù)據(jù)在后期出現(xiàn)起伏的現(xiàn)象是沉降觀測過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種情況，多數(shù)是測量誤差引起的。之所以在前期起伏沒有出現(xiàn)或者不明顯，因為前期沉降量大于測量數(shù)據(jù)誤差的原因，到后期后，由于沉降量已經(jīng)非常小或已經(jīng)穩(wěn)定未繼續(xù)沉降，此時，測量誤差體現(xiàn)在曲線上就非常的明顯和突出。除非出現(xiàn)單次沉降數(shù)據(jù)非常大時，需要重復(fù)測量和具體分析外，一般情況下可以不用處理，只檢測總沉降量即可。

曲線出現(xiàn)負(fù)向(沉降數(shù)據(jù)為負(fù)值)：產(chǎn)生這種現(xiàn)象有兩種原因：一是由于水準(zhǔn)點下沉所致，建筑物是處于下沉狀態(tài)的，但是有時水準(zhǔn)點也可能被人為或其他原因造成下沉，所以一個建筑物的水準(zhǔn)點，一般不得少于3個，且定位于不同的地點；當(dāng)水準(zhǔn)點沉降量大于建筑物沉降量時，數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)曲率負(fù)值(沉降數(shù)據(jù)為負(fù)值)，相對的反映出建筑物不降反提升了。二是建筑物不均勻沉降導(dǎo)致建筑物某一側(cè)翹起，翹起側(cè)的沉降量則為負(fù)值，曲線自然就出現(xiàn)反向，這種情況說明建筑物已經(jīng)出現(xiàn)傾斜，地基與基礎(chǔ)已經(jīng)變形和失控，存在極為嚴(yán)重的安全隱患和質(zhì)量問題。所以一旦出現(xiàn)反向曲線或觀測值為負(fù)值時，一定要嚴(yán)肅對待，立即通知各參建單位，工程暫停施工及使用，集體進(jìn)行沉降的二次復(fù)核與分析；具體做法：首先換一個距離較為遠(yuǎn)的水準(zhǔn)點進(jìn)行再次復(fù)核；其次核查另外的觀測點數(shù)據(jù)變化；最后復(fù)核原水準(zhǔn)點的當(dāng)前高程與定位高程的數(shù)據(jù)變化情況。采用另外的水準(zhǔn)點經(jīng)復(fù)核后，沉降數(shù)據(jù)正常，且另外觀測點的沉降量沒有出現(xiàn)巨大的變化，復(fù)核原水準(zhǔn)點高程，能證明水準(zhǔn)點確實發(fā)生沉降了，說明沉降數(shù)據(jù)曲線發(fā)生反向變化，確實是由水準(zhǔn)點沉降引起的。反之，水準(zhǔn)點變化較小，且建筑物其他觀測點也存在急劇的變大或負(fù)值，則說明建筑物的地基或者基礎(chǔ)已經(jīng)失控。

曲線在過程中突然回升：一般情況下是水準(zhǔn)點或觀測點被擾動所引起的，當(dāng)擾動后的水準(zhǔn)點高程低于之前的標(biāo)高和沉淀被觀測點擾動后的高程高于之前的標(biāo)高時，都會出現(xiàn)數(shù)據(jù)突然增大、曲線突然回升。發(fā)生這種情況，要仔細(xì)檢查被觀測點和水準(zhǔn)點，查看有無被擾動的痕跡，如沒有明顯的被擾動的痕跡，需要采用另外的水準(zhǔn)點進(jìn)行重新復(fù)核，進(jìn)行二次設(shè)置。

3　結(jié)語

結(jié)合實例的沉降觀測與數(shù)據(jù)分析，具體闡述了如何進(jìn)行沉降觀測和如何進(jìn)行沉降觀測的數(shù)據(jù)分析，依據(jù)數(shù)據(jù)曲線變化和數(shù)值，可以分析出建筑物地基與基礎(chǔ)的受控狀態(tài)，得出影響建筑物沉降的直接原因和影響因素，通過沉降觀測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)施工過程，預(yù)防出現(xiàn)不可彌補(bǔ)的繼續(xù)和后續(xù)損失，并為相關(guān)監(jiān)督與參與單位部門提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，也為業(yè)主對于建筑物的功能做出了使用限制和依據(jù)，必須依據(jù)設(shè)計功能使用，嚴(yán)禁私自改變建筑物的局部功能，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)局部荷載超出設(shè)計極限，造成不均勻沉降?？茖W(xué)的沉降觀測和數(shù)據(jù)分析，應(yīng)成為建筑物穩(wěn)定性和安全性評價的第一因素，只有基礎(chǔ)穩(wěn)定和安全了，才可以進(jìn)行上部工程的穩(wěn)定性和安全性的評價，全面熟悉的掌握沉降觀測方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]李景剛,阮志國,霍志華.高層建筑施工中的沉降觀測[J].科技咨詢導(dǎo)報,2006(8)：54-56.

[2]薛美琴,陳劍峰.淺談沉降觀測在高層建筑中的應(yīng)用[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究)，2007(36)：83.

[3]王成余,馬建良.沉降觀測監(jiān)測網(wǎng)的穩(wěn)定性分析[J].測繪通報，2010(12)：27.