高層建筑物地基沉降測量及有效控制方法研究

楊義剛，羅偉兵

(1.江西財經職業學院，江西 九江 332000; 2.華東交通大學，江西 南昌 330013)

0 引 言

建筑的使用壽命以及建筑安全在很大程度上取決于建筑結構的穩定性。地基在承受建筑上層結構的附加荷載后會產生變形，導致地基表面下沉，即產生沉降[1]。若建筑上層結構載荷較大或地基軟土層厚度不均勻，極有可能造成地基的大幅度沉降。地基沉降會導致建筑使用壽命縮短，同時也會嚴重影響建筑結構的穩定性和安全性[2]。城市化的推進使得城市用地愈發緊張，因此，高層建筑數量越來越多[3]。對地基沉降進行觀測并計算其沉降量，根據測算結果提出相應控制對策是保證建筑安全的有效手段，該領域的研究也引起了相關人員的重點關注。

葉觀寶[4]等人依據廣義的Gibson地基模型，綜合考量地基參數在深度變化下產生的非均質特性，對大規模荷載下的地基中心點豎向位移解析進行計算，通過解析分析大規模荷載下的地基沉降量。章紅兵[5]等人利用相關統計數據對基坑開挖導致的墻后土變形進行分析，融合建筑物變形響應設計了考慮空間效應下的建筑物沉降計算方法。曹凈[6]等人將小波變換和PSO-LSSVM及ARMA模型引入至建筑物地基沉降預測計算中，通過小波變換把地基沉降的實際測量序列重構成趨勢與隨機兩種時間序列，同時分別利用PSO-LSSVM、ARMA對兩個子序列實行預測，并在最后對預測值進行求和計算。

在現有研究的基礎上，為更好地解決建筑地基沉降計算與控制等相關問題，本研究提出基于Duncan-Chang本構模型[7]的高層建筑物地基沉降測量方法，并提出相關控制測量。本研究的創新點和創新內容如下：綜合考慮基點選取及分布、地基沉降監測、監測數據傳輸和管理等內容，利用WSN技術構建建筑地基沉降監測系統，為沉降測量計算及高效控制奠定基礎。引入Duncan-Chang本構模型，根據監測采集到的數據實現建筑地基沉降測量，并提出控制方案。

1 地基沉降測量及有效控制

1.1 建筑物地基沉降實時動態監測

在融合高層建筑物的地基沉降基本需求與短距離通信特征的基礎上，利用WSN技術構建建筑物地基沉降實時動態監測系統。檢測系統主要包括以下4部分：建筑傳感器節點分布模塊、傳感網絡模塊、通信模塊和上位機監測模塊。其中，傳感器網絡主要對地基沉降位移數據進行采集，同時將數據打包傳送到協調器的串口位置，然后傳輸到上位機模塊。串口通信的中間件能夠識別信息有效與否，并對其中有效且可利用的信息進行解析，之后傳輸并存儲到數據庫中。上位機監測模塊能夠實現遠程節點信息的管控、歷史信息檢索、數據曲線可視化展示以及動態預警等。如圖1所示為監測系統的整體架構。

圖1 地基沉降實時動態監測系統整體架構

在建筑地基沉降實時動態監測過程中，定義當監測誤差控制在50 mm之內時沉降測量是有效的。因此，系統采用準確度為0.1 mm的位移傳感器，其運行原理為：在因位移造成傳感器被壓縮的過程中，纏繞電阻絲的電阻出現一系列變化，以此使電壓也產生變化，通過電壓變化值推測位移量。測量環境如圖2所示。

圖2 測量環境示意圖

使用鋼筋混凝土設計成圓柱支柱基點，并在基點處向下挖3 m。三角形支架安裝并固定在墻體沉降監測位置，位移傳感器一端固定基點上，另一端和三角擋板相接觸。其中，A、B、C三點為電壓監測點，A點是監視、控制和調整電壓的母線，即電壓中樞點；B點為輸出電壓參考點；C點為接地點，一旦地基出現沉降，墻體也會隨之向下產生位移，三角擋板和傳感器會產生擠壓情況，此時傳感器被壓縮，A點和B點、B點和C點間的電壓會產生一定變化，分別測量A-B段、B-C段的電壓變化值，從而得到地基沉降相關數據。

在沉降監測點相應位置設置位移傳感器，并在建筑周圍設置多個位移傳感監測點。監測點平面分布情況如圖3所示。

圖3 監測點平面分布情況

建筑地基沉降信息數據采集模塊由高精確性的位移傳感器以及ZigBee網絡設備構成。其中，ZigBee網絡中各個位移傳感器主要用于上級節點通信，同時對建筑地基沉降的實時位移數據進行采集并完成打包傳送。路由節點主要負責中繼監測點信息數據，從而保障所有監測點在整個通信范圍內均能夠高效將數據發送至協調器位置[8]。協調器主要負責將所有ZigBee網絡數據信息匯聚起來，同時實現網絡的開啟或者關閉。

上位機軟件采用的是B/S模式，具備的最大優勢是能夠在協調器的網關中實現數據存儲和實時動態監測，同時能夠利用網絡遠程查詢位移信息數據以及預警情況。協調器和系統上位機間的通信利用網關實現。通信網關對數據流進行檢測，并實時接收來源于串口的數據流量包，同時解析數據，再將其保存到相應數據庫。一旦存在傳感器位移超限的情況，則將超限信息數據保存到預警信息表?？蛻舳丝衫没ヂ摼W絡瀏覽查看系統實測數據和曲線圖以及建筑預警情況。

1.2 地基沉降測量

利用上述得到的建筑地基沉降相關數據，引入Duncan-Chang本構模型，結合分層總和法實現對沉降的具體測量。

Duncan-Chang本構模型是一種依據Kondner三軸應力和應變之間關聯性曲線所構建出的本構模型，其表達式如下：

式中：D——本構模型表達式；

σ、ε——軸向應力、應變；

v——土體圍壓；

m、n——應力和應變之間關系曲線擬合參數。

其計算過程如下：

式中：E——土體初始節點變形模量；

μ——土體泊松比。

假設r代表土體破壞比，即破壞偏應力σ和極限偏應力μσ之間的比值，取值一般為0.75～1。由此能夠獲得式(3)：

式中：c——土體的粘聚力；

φ——內摩擦角度。

由于Duncan-Chang本構模型僅考慮了偏應力影響下的沉降量，因此，還需要考慮靜水壓力導致的地基變形，則有：

式中：s——第i分層的豎向變形；

這兩個參數分別采用胡克定律及Duncan-Chang本構模型計算獲得。

因地基中不同壓縮層在附加的應力影響下會出現不同變形量，因此需要得到初始的變形模量值。在自重應力影響下，獲取鉛直方向的主應力最大值f和水平方向主應力最小值f′，則第i壓縮分層的初始地應力計算過程如下：

式中：γk和dk——第k層土體重度值與厚度值；

g——豎直自重應力均值；

p——水平側壓力均值；

?——靜止土的壓力系數。

其表達式為：

在此基礎上，以解決因土體非線性下力學參數變化的影響為目的，結合分層總和理念實現建筑地基沉降計算分析[9-10]。詳細過程如下：

將第i層土體的附加應力劃分成mi級進行加載，假設Δσ、Δβ分別代表第i層土第j級附加的體積應力與附加偏應力的增量，則有：

令δ代表第i層土體在Δσ下生成的豎向變形，根據增量胡克定律可得到：

其中z代表附加的變形模量。由此，聯立式(4)，結合迭代的方式得到下式：

綜上，利用Duncan-Chang本構模型可得到高層建筑物地基沉降量。

1.3 高層建筑地基沉降控制對策

與普通建筑相比，高層建筑的質量大、基礎深，建筑施工技術也會相對更為復雜[11-12]。因此，在高層建筑的地基沉降問題上更應予以重視。在高層建筑物地基沉降控制方面，現提出如下對策：

1)強化建筑框架整體剛度

在構筑高層建筑結構框架過程中，首先需設置好圈梁結構，在此基礎上設置好沉降縫，并對建筑物長高比進行高效控制，在額定范圍之內盡量減少建筑不均勻沉降量。

2)積極開展沉降監測

在設置建筑物地基沉降的監測點時，每間隔8～12 m就設置一個監測點，在建筑山墻的適當位置一定要設置監測點。一些超高層的建筑地基沉降監測點布局設置還需要征求相關單位的意見。

3)選用科學施工方案

在高層建筑施工過程中，需要按照實際施工圖的詳細要求和建筑行業相關標準開展對應工作。相關施工單位要做好相應的復查工作，特別要注意材料編寫的準確性，同時對材料進行分類歸檔，方便日后開展工程質量的檢查過工作[13-15]。

2 實驗結果與分析

為驗證所提的基于Duncan-Chang本構模型的高層建筑物地基沉降測量方法的有效性，利用實例測量對所提方法進行驗證。

選擇某市一高層建筑物作為實驗對象。該建筑物占地面積為44 m×21 m，整體為剪刀墻結構，在軟土地基的處理過程中使用的是鉆孔灌注樁。該建筑物的東側與南側都與街道相鄰，北側的多層建筑較多，西側和一即將開建的高層建筑相鄰。

該建筑場地是將原本的低矮建筑拆除之后重建的，因此場地比較平坦，其中地面的相對高差大致為1.4 m，且地貌隸屬黃土梁洼地。建筑建設的上覆地層主要包含黃土和古土壤，在下覆地層，主要是粉質黏土及砂土。

實驗中共設置6個監測點，在Matlab平臺上加載所提方法，監測并獲取建筑地基沉降的相關數據，通過與實際數值進行對比判斷所提方法測量結果的精確性。

如圖4所示為實驗建筑的沉降量等值線示意圖。其中，K1～K6分別為6個檢測點。分析圖4可知，沉降等值線分布形式以實驗建筑物的中間部分向兩邊逐漸展開，構成等沉降閉合形式的曲線，該等值線反應出了建筑基底應力的迭代所產生的沉降量最大，兩側相對較小。

圖4 實驗建筑的沉降量等值線示意圖

如圖5所示為地基沉降速率隨著時間的變化示意圖。沉降速率在建筑主體結構封頂過程中會達到最大值，在負荷加載完成之后變得越來越穩定，若不同監測位置沉降速率大致相同，表示建筑已經進入到了地基沉降穩定時期。

圖5 沉降速率隨著時間的變化示意圖

對比應用所提方法得到的建筑地基沉降計算值與實際沉降值之間的差距，計算兩者之間的擬合度。擬合度通過剩余平方和進行計算，數值越接近1，越能說明計算值與真實值之間的差距越小。擬合度計算過程如下：

式中：R——擬合度；

q——經計算得到的沉降值；

x——實際沉降值。

擬合度曲線如圖6所示。

圖6 計算結果準確性曲線

分析圖6可知，不同時間段內，基于Duncan-Chang本構模型的高層建筑物地基沉降測量方法的計算結果與實際沉降值間的擬合度始終接近1，證明兩者之間的擬合度較高，因此可以說明所提方法能夠有效對地基沉降進行計算。這是因為在所提方法中，建筑地基沉降信息數據采集模塊由高精確性的位移傳感器以及ZigBee網絡設備構成，可有效提升地基沉降測量計算過程中所用數據的精確性，在一定程度上提高了沉降計算精度。同時，所提方法在建筑地基沉降監測基礎上，利用Duncan-Chang本構模型和分層總和法相互結合，規范了修正表達式，使計算結果更加準確。

3 結束語

建筑地基沉降監測和控制始終是建筑行業的重點課題。針對高層建筑地基沉降監測，本研究提出基于Duncan-Chang本構模型的高層建筑物地基沉降測量及有效控制方法。設計并構建建筑地基沉降監測系統，結合Duncan-Chang本構模型與分層總和法對地基沉降進行計算，并提出了相應的控制策略。