高層建筑物沉降監(jiān)測及規(guī)律分析

姜洲 袁興明 靳合波

(1.濟南市勘察測繪研究院 山東濟南 250101; 2.山東工業(yè)職業(yè)學院 建筑與信息工程系 山東淄博 256414; 3.青島理工大學管理工程系 山東臨沂 273400)

0 引言

隨著社會發(fā)展和科技的進步，我國大部分城市已經(jīng)由常規(guī)建設轉向了高速建設，城市建設對土地的需求量越來越大，城市地鐵、城際鐵路、科教文衛(wèi)用地等，造成土地缺口太大的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象導致了城市建筑物由傳統(tǒng)的多層建筑物逐漸地被高層和超高層建筑物所替代。建筑物高度不斷的升高，建筑物自身以及周邊環(huán)境等各種因素必然會引起建筑物的變形，沉降變形就是典型的一個案例[1-4]。

我國近幾年城市測量規(guī)范規(guī)定，各種高層和重要建筑物都要進行沉降觀測，特別是高層建筑和超高層建筑物的過程監(jiān)測，即在施工階段隨著建筑物層數(shù)的增多所進行的沉降觀測[5-6]。本文主要對濟南某高層建筑物從施工階段到運營管理階段進行了連續(xù)20期的沉降觀測，通過分析沉降觀測數(shù)據(jù)，得出了建筑物隨著荷載的變化所產(chǎn)生的的沉降規(guī)律，在建筑物施工完成1年之后建筑物沉降趨于穩(wěn)定。

1 沉降監(jiān)測方法

受甲方的委托，承擔了濟南CBD寫字樓2號樓的沉降觀測工作。自2015年5月14日進行了第一次觀測，基本按照每兩層觀測一次，2016年7月28日封頂，其后至竣工觀測6次，共進行了20次觀測，大樓沉降趨于穩(wěn)定，完成了雙方協(xié)議規(guī)定的工作內(nèi)容。該大樓基礎為擴展基礎，主題結構形式為框架-剪力墻結構，根據(jù)有關規(guī)定及甲方要求，對該工程進行了沉降觀測及分析工作，以便監(jiān)測工程施工階段中的沉降變化及其規(guī)律，掌握不均勻沉降變化的狀態(tài)，這對工程建筑的施工質(zhì)量監(jiān)測、竣工驗收和使用安全有重要意義[5-6]。

(1)基準點設置和工作基點設置，根據(jù)建筑物變形規(guī)范要求，在建筑物周圍布設基準點和工作基點，工作基點定期觀測。該觀測總共布設了4個基準點和2個工作基點，基準點由BM01-BM04 4個點組成，基準點采用混凝土樁埋設在CBD外側，主要控制整個CBD區(qū)域的建筑物，工作基點為BM05、BM06布設在2號樓周圍，采用鉆孔埋設鋼管。首先利用國家級水準點，采用閉合水準路線推算出基準點和工作基點的高程數(shù)據(jù)，再利用工作基點對監(jiān)測點進行高程獲取，定期檢查工作基點是否出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。

基準點的穩(wěn)定是沉降觀測工作中最重要的因素。在沉降觀測之前、過程中和之后，對4個基準點進行了4次高精度觀測，4個基準點相互驗證。在觀測過程中，若發(fā)現(xiàn)基準點形變，則根據(jù)設計精度要求進行加測，選擇最穩(wěn)定的點作為沉降觀測起算點。具體的水準工作基點檢核網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)如圖1所示。

圖1 水準基點和工作基點檢核路線圖

(2)監(jiān)測點設置，根據(jù)建筑物設計和甲方的要求，并兼顧大樓結構特點，沉降監(jiān)測點主要選擇在建筑物的四周和重要的承重部位、沉降縫、后澆帶兩側等特征位置處。結合設計要求，重點考慮大樓基礎的地質(zhì)條件等因素，選取了12個沉降監(jiān)測點，具體的監(jiān)測點為JC01、JC02、JC03、JC04、JC05、JC06、JC07、JC08、JC09、JC10、JC11、JC12，如圖2所示。在基礎完成后，在便于觀測的位置預埋鋼板，設置永久性沉降觀測點，埋件高度大約在自然地面以上200mm～500mm,正上方2.5m范圍內(nèi)沒有突出物，便于安置水準標尺，施工拆模剔出預埋件后，焊接沉降觀測專用標志，標志由螺母、保護栓和測桿組成。安裝時，將螺母與建筑物基礎緊固在一起，測量時旋上測桿，測量完畢旋下測桿，旋上保護栓，并進行第一次沉降觀測。

圖2 監(jiān)測點布設圖

(3)根據(jù)設計要求，沉降監(jiān)測點高差中誤差m≤±1.0mm，沉降觀測采用徠卡DN03電子水準儀，按照一等水準測量要求進行數(shù)據(jù)獲取。為了提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量采用了“三多、四固法”，即多個閉合環(huán)觀測要求，多次觀測取平均值，多個角度分析沉降原因，固定人員儀器、路線環(huán)境(時間、溫度)、程序方法和路線。

(4)沉降數(shù)據(jù)計算。某點的期沉降量為，本次觀測的高程與前一次觀測高程之差；累計沉降量為整個建筑物沉降數(shù)值，本次觀測的高程與首次觀測高程之差；沉降速度主要分期沉降速度和累計沉降速度，主針對期沉降量和累計沉降量平均每天的沉降數(shù)值，反映出建筑物沉降的快慢。

2 數(shù)據(jù)分析

為從整體上進行科學合理地分析該工程的沉降變形情況，本文對所布設的每個沉降觀測點的20期觀測資料，進行了本期沉降量和總沉降量的沉降分析，得到沉降曲線圖。分析過程有沉降曲線圖，各監(jiān)測點的累計沉降量，封頂前和封頂后的沉降曲線圖以及沉降速率[3-4]。具體的分析結果如下。

(1)各監(jiān)測點沉降量計算表如表1～表2所示。

表1 監(jiān)測點累計沉降量

表2 封頂前和封頂后沉降量和沉降速度

(2)沉降分析

通過20期觀測資料分析可以看出，各監(jiān)測點的本期沉降量數(shù)值表現(xiàn)為“+”或“-”，總體以負值為主(即下沉)；表現(xiàn)為極小數(shù)值的“+”和“-”反映出觀測值所隱含的誤差情況，較大數(shù)值的“-”反映出大樓各監(jiān)測點的沉降，較大數(shù)值的“+”反映大樓沉降過程中的群樁效應或雨后地下水位的上升。

通過對濟南CBD寫字樓2號樓的沉降觀測工作，觀測時間一年零九個月，共觀測了20期數(shù)據(jù)，包括14期施工階段數(shù)據(jù)和6期運營管理階段數(shù)據(jù)。通過分析表1可以得出2號樓建筑物最大沉降點處于JC04點，沉降量為12.9mm，最小沉降點出現(xiàn)在JC09處，沉降量6.5mm，12個監(jiān)測點平均沉降量8.8mm。分析表2得出各監(jiān)測點封頂前的沉降量與沉降速率都大于封頂之后的數(shù)據(jù)，建筑物在封頂之后荷載達到了最大數(shù)值，后期的沉降量越來越小，除了JC01監(jiān)測點外，其他11個點封頂后沉降速率都小于0.01mm/d，可以確定建筑物已經(jīng)趨向于穩(wěn)定。根據(jù)《工業(yè)與民用建筑地基基礎設計規(guī)范》編制說明中提及，沉降穩(wěn)定控制指標為0.04 mm/d，表明大樓地基及地基處理得很好。所有監(jiān)測點的沉降量反映了總體點位沉降趨勢，符合高層建筑物沉降的基本規(guī)律。

分析圖3～圖4可以得出建筑物整體沉降量相對較小，并且整體呈沉降一致性，在封頂后慢慢趨于穩(wěn)定。分析圖5～圖6可以得出，該建筑物沉降速率較大的點集中在JC04、JC07兩個點，分析封頂前和封頂后兩階段沉降情況，可以得出雖然最大沉降點在JC04點，但是封頂前最大沉降速率是JC07點，可能與周邊地質(zhì)有一定關系，JC04和JC01兩點在封頂后沉降量相對較大。

圖3 監(jiān)測點沉降曲線圖

圖4 各監(jiān)測點累計沉降量

圖5 各階段沉降量分析圖

圖6 封頂前和封頂后沉降速率分析圖

(3)整體建筑物沉降分析

通過分析以上圖表可以得出，該樓地基受到地面建筑物載荷時，地基開始壓縮，沉降曲線圖中看出各監(jiān)測點的沉降量隨荷載的增加而下降，每兩層觀測一次，荷載增加快，沉降速度加快，沉降直線下降，封頂后，沉降速度變慢，下沉曲線變緩。

通過分析建筑物地質(zhì)和季節(jié)情況，大樓沉降的總趨勢除隨季節(jié)變化，凍土層深度變化對大樓地基產(chǎn)生影響出現(xiàn)少量抬升外，大部分是隨時間增加的函數(shù)。開始沉降速度緩慢均勻，封底時沉降速度最大，而后逐漸變小。大樓封頂后一段時間內(nèi)沉降量較小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結論

(1)通過分析可以得出，該建筑物最大沉降量12.9mm，出現(xiàn)在JC04點處；最小沉降量6.5mm，出現(xiàn)在JC09點處，平均沉降量8.8mm。經(jīng)過一年半的沉降監(jiān)測，經(jīng)歷了施工階段、運營管理階段，該建筑物沉降量相對較小。

(2)通過分析沉降量和沉降速率曲線可得出，該建筑物沉降速率較大的點集中在JC04、JC07兩個點，分析封頂前和封頂后兩階段沉降情況，可以得出雖然最大沉降點在JC04點，但是封頂前最大沉降速率是JC07點，可能與周邊地質(zhì)有一定關系，JC04和JC01兩點在封頂后沉降量相對較大。

(3)除了JC01點在封頂之后沉降速率是0.012mm/d，其他點都小于0.010mm/d。根據(jù)《工業(yè)與民用建筑地基基礎設計規(guī)范》編制說明中提及，沉降穩(wěn)定控制指標為0.04 mm/d，所以大樓沉降趨于穩(wěn)定。

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