高层建筑物地基沉降监测与分析*

钱思众，樊育豪

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安710054)

0 引言

沉降监测与控制是公路工程、铁道工程、隧道工程以及工民建工程中确保施工安全与工程质量的重要手段［1－4］。近年来，城市中高层建筑日益增多。高层建筑在施工期间，随主体荷载的增加，势必造成主体不规则下沉，其局部不均匀沉降可能导致建筑物发生倾斜或裂缝［5－6］。为了确保建筑物的正常施工、安全性及正常使用寿命，对高层建筑进行沉降监测和变形趋势预测具有重要意义。定期对高层建筑进行沉降监测，对监测成果进行预测分析，及时发现和查明引起差异沉降的原因，加强施工过程监控，进行合理的施工工序指导，不仅可以确保建筑物的正常施工及安全使用，还可以为以后的勘察设计、建筑设计和施工提供可靠资料。

宋静辉［7］(2008)对某高层建筑的沉降监测结果进行研究表明，认为沉降观测是建筑物在施工和使用过程中不可或缺的工作，也是技术资料中不可缺少的内容，它不仅关系到建筑质量，而且关系到建筑物的安全，为建筑物以后的安全运营提供了可靠的依据，高层建筑物沉降监测是一个包括时间、观测点、沉降观测资料在内的延续性过程，永久性基准点的设立对于建筑物今后长期观测的可靠性非常重要。张建雄等［8］(2007)应用二级水准测量方法定期对某高层建筑进行沉降监测，对监测成果进行了细致分析，并用灰色系统理论对沉降趋势进行了预测。其监测和预测结果表明，所建高层建筑沉降规律正常、稳定性良好，从而为类似条件下的高层建筑的安全施工与管理提供了重要参考依据。龙永清等［9］(2007年)通过对建筑物的沉降数据综合分析，认为高层建筑物施工期间的下沉是必然的，桩基基础高层建筑物的监测数据分析可以采用线性回归模型、时间序列模型、灰色系统模型预测，灰土地基基础高层建筑物监测数据分析更适合选用时间序列模型。同时认为:对沉降监测的数据进行几何分析必不可少。韩正等［10］(2009年)结合某大厦沉降观测的工作实践，介绍了沉降观测的步骤，利用ArcView生成等沉降等值曲线图，给施工提供了准确翔实的沉降数据。

文中结合某高层住宅的沉降监测实践，在简要阐述工程概况的基础上，叙述了相关工程的监测要求和监测方法，具体阐述了沉降监测、分析和预测的过程，对沉降结果进行了几何分析并绘制了沉降等值线图，同时利用Origin8.0对不同观测点沉降量随时间的变化关系进行了多项式拟合并开展相关预测［11－14］。结果表明，不均匀沉降变化小于规范允许的变形值，沉降速率受施工速度与场地降水影响较大。沉降变形特征符合一般高层建筑的沉降规律。该工程沉降监测的设计方案可行、监测方法正确。为类似条件下的高层建筑的安全施工与管理提供了参考依据。

1 工程概况与监测要求

1.1 工程概况

位于西安市雁塔路北段的某高层建筑物科研楼，占地面积44.0 m ×21.0 m，地上 22 层，地下 2层，建筑物高度74.8 m，采用剪力墙结构，地基处理均采用钻孔灌注桩。建筑物场地的东侧和南侧均与街道相连;北侧有多层建筑物与之相邻，西侧紧邻随后开工的高层建筑物(图1)。

建设场地为拆除原有低矮建筑而重建，故场地较平坦，相对高差约1.4 m.地貌单元属黄土梁洼区的黄土洼地。上覆地层主要为上更新统的黄土、古土壤，下伏地层主要为中更新统的粉质粘土和砂土，各土层的厚度变化、重度及地基承载力特征值等参数见表1.

表1 场地地层主要物理力学指标Tab.1 Main physical mechanical index for insitu stratra

图1 科研楼平面位置图Fig.1 Plane location of a scientific research buildin

场地地下水水位埋深6.5～8.3 m，属潜水类型，水位年变化幅度为1.0～2.0 m.设计基坑深度9.7～12.0 m，所以在基坑开挖及桩基施工前，对场地进行了降水。

1.2 沉降监测方法

沉降监测使用威特NA2型自动安平精密水准仪和刻有基辅分划的铟钢水准标尺进行。沉降监测高程控制网在沉降影响区域外设3个基准点，组成基准网。基准点按照二级水准测量的要求进行作业。根据相关规范要求，观测点在2栋高层建筑的大转角及沿外墙每10～15 m或每隔2～3根柱基础上布设［10］。本次监测共布置6个观测点，具体位置见图1.观测点用三等水准测量方法进行沉降监测数据采集。作业中遵从三等水准测量精度要求。

沉降监测均在建筑物基础底部施工完成后开始，每增高1层观测一次;封顶后，每3个月观测一次，直至最后100 d的沉降速率小于0.01～0.04 mm/d，可认为已进入稳定阶段［4］。本次沉降观测从2008年6月3日至2012年5月10日，历时4 a，共进行了30次。

2 沉降计算与监测成果分析

2.1 沉降值计算与对比

监测前，采用单向压缩分层总和法［11］对拟监测建筑的群桩沉降进行了计算，分层总和法预测最终沉降量40～52 mm.同时采用类比法，参考西安同类场地相似工程的桩基沉降观测资料，推算其最终沉降量预测不超过30 mm［12］。监测结果表明:本次沉降监测最终累计下沉降量为15.4～16.4 mm，平均15.73 mm.实际沉降量远小于分层总和法和类比法计算值。

2.2 沉降监测成果分析

沉降量随时间变化的关系曲线如图2所示。从沉降曲线看，该建筑物的沉降变形可分为7个阶段。

第①阶段(2008年6月3日～2008年8月7日)主体施工从正负零至第5层，沉降曲线走势基本一致，沉降速率平均值0.01 mm/d，沉降速率较小。

第②阶段(2008年8月7日～2008年11月10日)主体施工从第5层至第17层，沉降速率从约开始的第①阶段的0.01 mm/d增大至0.07 mm/d后减缓至约0～03 mm/d.沉降速率变化的主要原因是施工进度不同所造成的竖直方向荷载施加速度的不同。

第③阶段(2008年11月10日～2008年12月8日)主体施工从第17层至主体封顶，沉降速率再次增至约0.07 mm/d，分析其原因:①是施工进度加快;②是该楼西侧的相邻施工建筑基坑开挖，并采用井点降水的方法降低地下水位，使地基饱和土中的空隙水渗透流出，从而减少了水对上部荷载的浮托应力，致使地基土固结变形，从而使得沉降量，沉降速率再次增大。

图2 时间—荷载—各点沉降量关系曲线图Fig.2 Relation curves of time-load-each point’s subsidence

第④阶段(2008年12月8日～2009年3月8日)主体封顶至住宅楼停止降水，沉降速率为－0.01 mm/d，产生回弹的原因是科研楼主体荷载不再增加的同时住宅楼桩基施工结束停止降水，地下水位上升，水的浮力再次起到作用，使地基上部荷载减小而产生回弹。

第⑤阶段(2009年3月8日～2009年9月16日)住宅楼停止降水至装修前，沉降速率0.01 mm/d，主体荷载不再增加，住宅楼降水结束，回弹停止，沉降在本阶段整体趋于稳定。

第⑥阶段(2009年9月16日～2010年5月26日)开始装修至装修结束，荷载增加约主体全部荷载的20%，使装修初期沉降速率加快 0.03 mm/d而随着加载完成沉降速率减小到0.01 mm/d，趋于稳定，分析其原因是荷载增加，改变了原有地基土的受力条件，进而沉降量、沉降速率初期均变化较大。当加载完成后，沉降速率趋于稳定。

第⑦阶段(2010年5月26日～2012年5月10日)装修结束至竣工验收，荷载不再增加，沉降速率0.002 mm/d，沉降量较小、速率较慢，建筑物沉降趋于稳定。

2.3 沉降等值线分析

为便于对比分析，根据各观测点的累计沉降量数值，做出2栋高层建筑物的沉降量等值线见图3.从图3可知，沉降等值线的展开是以建筑物中心向两侧渐次展开，形成等沉降闭合曲线，反应了基底应力迭加部分的沉降量最大，两侧较小，曲线展开形状与基础形状有关［6］。

2.4 沉降速率分析

沉降速率在主体结构封顶时达到最大值为0.076 mm/d，在加载完成后18个月趋于稳定(≤0.02 mm/d)，不同观测点的沉降速率基本一致，说明该建筑已进入沉降稳定阶段，达到设计及规范要求。沉降速率曲线的变化符合之前分析的结果，沉降速率历时变化曲线如图4所示。

图3 沉降量等值线图Fig.3 Isoline of subsidence

图4 沉降速率历时变化曲线图Fig.4 Change curve of subsidence rate with time

2.5 不均匀沉降

根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)第5.3.4条的规定，高层建筑的整体倾斜值不得大于2.5×10－3.利用沉降曲线计算出因地基不均匀沉降引起的建筑物倾斜值:q=(Hm－Hn)/Lmn，Hm、Hn分别为m，n点的总沉降量，Lmn为m，n点的距离。

表2 倾斜值计算结果表Tab.2 Computation results of tilt

由表2中数据可以看出，由不均匀沉降引起的倾斜值的最大值为2.4×10－5，在要求范围之内，且远小于规范要求。

3 沉降预测

利用数据处理分析软件Origin8.0对图2中不同观测点沉降量随时间的变化关系进行了多项式拟合，拟合结果如图5所示。

根据图5拟合所得公式可对监测的沉降量进行预测，利用拟合公式分别计算出相邻观测点K5及K6在对应观测时间时的的沉降量差值，其结果见表3.

图5 拟合结果图Fig.5 Fitting results

表3 沉降差计算结果表Tab.3 Computation results of subsidence difference

通过表3中预测结果可看出，在距监测结束近1年时间内，K5及K6两相邻观测点沉降量的差值始终保持在一段很小范围之内，从而可看出在这段时间内建筑物的沉降已基本趋于稳定，可说明本次高层建筑的沉降变形特征符合一般高层建筑的沉降规律。

4 结论

1 )根据对某高层建筑的沉降监测与分析，得到了较丰富而全面的沉降监测资料，为类似高层建筑的建设施工和安全管理提供了重要的参考依据。此次沉降监测的实践表明，该工程沉降监测的设计方案可行、监测方法正确。

2 )实测最终沉降量均小于计算值和经验值，不均匀沉降变化均小于规范允许的变形值，说明该建筑的桩基设计方案可行，施工质量可靠。

3 )监测结果表明，沉降阶段性明显。沉降速率受施工速度与场地降水影响较大，沉降速率在主体结构封顶时达到最大值为0.076 mm/d.封顶后，沉降逐渐趋于稳定，施工结束后，平均沉降基本处于稳定期。本次高层建筑的沉降变形特征符合一般高层建筑的沉降规律。

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