城市民用高層建筑沉降監(jiān)測研究

劉 莉，李 敏

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030006；2.山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，太原 030001)

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市民用高層建筑的竣工面積逐年攀升，部分地區(qū)的城中村改造措施更加快了這一進(jìn)程。民用建筑在施工和后期使用過程中，受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、氣候、外載荷等因素影響，建筑基礎(chǔ)會(huì)隨時(shí)間推移而出現(xiàn)不同程度的下沉、傾斜、彎曲等復(fù)雜變形。正常情況下，通過正規(guī)施工程序完成的建筑物變形會(huì)在國家或地區(qū)規(guī)范所規(guī)定的范圍內(nèi)變化，不會(huì)影響其正常使用。但由于現(xiàn)代民用高層建筑的穩(wěn)定性涉及更加廣泛的人身安全，因此有必要在施工期和特定使用期內(nèi)，通過具備一定精度的觀測手段對以上變形進(jìn)行定期跟蹤觀測，以掌握建筑變形情況和發(fā)展趨勢，當(dāng)建筑變形程度或變形速率出現(xiàn)異常時(shí)，可及時(shí)對建筑的安全性和使用性能進(jìn)行評估，確保施工安全和使用者的人身安全[1-3]。另外，監(jiān)測數(shù)據(jù)還可為當(dāng)?shù)鼗蛲愋徒ㄖ脑O(shè)計(jì)、施工提供重要信息參考。鑒于此，本文將對城市民用建筑的沉降監(jiān)測過程進(jìn)行研究。

1 沉降監(jiān)測方法及原理

沉降監(jiān)測的常見方法包括水準(zhǔn)測量法、沉降板法、GPS監(jiān)測法等，根據(jù)被監(jiān)測對象面積、地質(zhì)條件的不同要求，在城市民用建筑監(jiān)測中常用水準(zhǔn)測量法進(jìn)行觀測。

水準(zhǔn)測量法是指通過測量被測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高度差來確定被測點(diǎn)的沉降量的方法，而所選的基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)處于高程穩(wěn)定位置[4,5]。如圖1所示，其測量原理是利用高精度水準(zhǔn)儀獲得一條水平視線，然后通過水準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡分別讀取兩端測量點(diǎn)上所豎立水準(zhǔn)尺的讀數(shù)，最后再用已知點(diǎn)的高程計(jì)算未知點(diǎn)的高程值。

圖1 水準(zhǔn)儀測量原理圖

Fig.1 the measuring principle of the level

圖1中，a、b分別為觀測所得的后視讀數(shù)和前視讀數(shù)，則A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的高程差HAB=HB-HA=a-B.若HA為已知高程點(diǎn)，則被測點(diǎn)高程HB=HA+(a-b).若已知高程點(diǎn)與被測點(diǎn)距離較遠(yuǎn)或高程差太大時(shí)，則可在兩者之間增設(shè)用于數(shù)值傳遞的轉(zhuǎn)點(diǎn)。

通過以上方法，可對建筑物各處觀測點(diǎn)的沉降值進(jìn)行高精度的連續(xù)跟蹤觀測，以掌握其沉降量、沉降速率及變化趨勢。

2 沉降監(jiān)測實(shí)施過程

沉降監(jiān)測過程的實(shí)施一般包括基準(zhǔn)點(diǎn)及觀測點(diǎn)布設(shè)、觀測儀器選擇、數(shù)據(jù)觀測等，各部分之間應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，以保證要求精度。本文將以太原城區(qū)北部某棟高層住宅為研究對象，對其施工和使用期限內(nèi)的沉降狀況進(jìn)行分析，該樓地下1層，地面以上23層，剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，抗不均勻沉降能力較好。

2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)及觀測點(diǎn)布設(shè)

一般工程項(xiàng)目應(yīng)至少選擇3處地質(zhì)條件穩(wěn)固的高程測量基準(zhǔn)點(diǎn)，可布置成閉合環(huán)，且在施工場地任何位置架設(shè)水準(zhǔn)儀時(shí)，可至少將其中兩點(diǎn)作為后視點(diǎn)，方便進(jìn)行閉合差精度檢驗(yàn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)選擇有多種途徑，根據(jù)實(shí)際條件，一般采用施工單位提供的水準(zhǔn)控制點(diǎn)或自己建立獨(dú)立水準(zhǔn)點(diǎn)，各水準(zhǔn)點(diǎn)的連線構(gòu)成項(xiàng)目的水準(zhǔn)控制網(wǎng)。為保證監(jiān)測精度，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在沉降影響區(qū)、施工振動(dòng)區(qū)、基坑開挖區(qū)以外的沉降穩(wěn)定區(qū)域，但與被監(jiān)測建筑物距離不宜太遠(yuǎn)，以80-100 m為宜。水準(zhǔn)點(diǎn)的基石埋深一般大于1.5 m，埋設(shè)標(biāo)志方便尋找，且需加蓋保護(hù)裝置，本項(xiàng)目中基準(zhǔn)點(diǎn)采用淺埋鋼管水準(zhǔn)標(biāo)石，如圖2(a)所示。

觀測點(diǎn)位置和數(shù)量的選擇應(yīng)能夠全面反映被測建筑的沉降特點(diǎn)，因此應(yīng)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、測量要求等進(jìn)行觀測點(diǎn)的布設(shè)。一般情況下，可沿建筑外墻周邊每隔10-30 m設(shè)置一處觀測點(diǎn)，并在地基轉(zhuǎn)角、伸縮縫及其余地質(zhì)變化較大位置進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置?？紤]到民用高層建筑的美觀性，在墻體外設(shè)置的觀測點(diǎn)標(biāo)志盡量選擇隱藏式，如圖2(b)所示，底座與墻體焊接或嵌入式連接，堵頭用于在不進(jìn)行觀測時(shí)對底座螺孔進(jìn)行保護(hù)，水準(zhǔn)測量時(shí)，將堵頭擰下，擰入測量頭，然后懸掛或放置標(biāo)尺進(jìn)行測量。

本項(xiàng)目中，所選基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測點(diǎn)的布設(shè)情況如圖3所示。

(a) 基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)石

(b) 觀測點(diǎn)標(biāo)志

圖2 基準(zhǔn)點(diǎn)及觀測點(diǎn)標(biāo)志安裝示意圖

Fig.2 Base point and observation mark installation schematic

圖3 基準(zhǔn)點(diǎn)及觀測點(diǎn)布設(shè)圖

Fig.3 Base point and observation point layout

2.2 觀測儀器選擇

應(yīng)根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求的沉降觀測精度進(jìn)行儀器選擇，一般民用高層建筑試用二級沉降觀測，可配合使用國產(chǎn)精密水準(zhǔn)儀型號DS05或DS1，或進(jìn)口數(shù)字水準(zhǔn)儀等，標(biāo)尺選擇高精度銦瓦合金水準(zhǔn)尺。對于精度要求較低的三級、四級沉降觀測，可選用DS3型水準(zhǔn)儀。為保證觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，在不同時(shí)期的測量中，應(yīng)盡量選用相同的水準(zhǔn)儀和標(biāo)尺，同時(shí)還需做好儀器的定期檢測，降低測量誤差。本項(xiàng)目選用常州大地DA200自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀。

2.3 沉降數(shù)據(jù)觀測

在觀測標(biāo)志穩(wěn)定和觀測儀器選定后，可進(jìn)入沉降數(shù)據(jù)觀測階段。根據(jù)觀測方案對3處基準(zhǔn)點(diǎn)和8處觀測點(diǎn)組成的閉合線路進(jìn)行連續(xù)觀測和記錄。應(yīng)注意，第一次測量數(shù)據(jù)是沉降量計(jì)算的基礎(chǔ)，因此要求測量過程嚴(yán)格遵守測量規(guī)范，并保證獲得較高的測量精度。首次測量時(shí)，必須進(jìn)行往返兩次觀測，且站點(diǎn)數(shù)目均為偶數(shù)，前后位置標(biāo)尺也應(yīng)進(jìn)行換位。同一沉降點(diǎn)在往返兩次測量中的高程差值小于1 mm時(shí)，將兩次測量的平均值作為該沉降點(diǎn)的首測高程值，否則應(yīng)重新進(jìn)行觀測。除首次觀測進(jìn)行往返測量外，其余各次觀測均只進(jìn)行單向測量即可，但觀測數(shù)據(jù)要進(jìn)行閉合差檢驗(yàn)，當(dāng)閉合差小于允許值的一半時(shí)測得的高差中誤差才滿足規(guī)范要求。

另外，為保證觀測數(shù)據(jù)能較好地反映建筑物的沉降變化趨勢，應(yīng)對各次的觀測時(shí)間和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行制表確定，并嚴(yán)格遵守，不得隨意漏測或補(bǔ)測。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，施工期間，施工載荷對沉降影響明顯，因此可在每次加蓋樓層完成2-3天后進(jìn)行一次觀測，在每次停工和開工時(shí)進(jìn)行一次觀測；施工結(jié)束后，根據(jù)地質(zhì)條件和施工期間的沉降變化趨勢，制定復(fù)測時(shí)間表。對于一般民用建筑，當(dāng)計(jì)算沉降速度小于0.01-0.04 mm/d時(shí)，可認(rèn)為該建筑的沉降已進(jìn)入穩(wěn)定期。

3 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

3.1 沉降數(shù)據(jù)分析

歷次沉降觀測數(shù)據(jù)應(yīng)首先符合限差要求，在此基礎(chǔ)上，利用Excel等軟件進(jìn)行平差處理，提高紀(jì)錄數(shù)據(jù)可信度，然后記錄下每個(gè)測量點(diǎn)平差處理后的高程數(shù)值、該測量期的平均沉降量及累積沉降量。本文所研究項(xiàng)目從開始施工到交付使用3年期間，共計(jì)進(jìn)行沉降觀測18次，具體數(shù)據(jù)如圖4所示?？梢钥闯?，至2015年底，該高層建筑平均累積沉降量為28.5 mm，且施工過程中沉降值變化明顯，封頂前累積沉降量已達(dá)15.6 mm.同時(shí)，由圖可見，封頂前的曲線斜率逐漸增大，即樓體沉降速率隨著樓層的加高逐漸增大，這是因?yàn)殡S著樓層增高，地基載荷不斷加大，因此沉降速率也越大；封頂后，由于載荷不再變化，因此沉降速率明顯減小，樓體基礎(chǔ)趨于穩(wěn)定。查看封頂一年半后對應(yīng)沉降速率值僅為0.01 mm/d，認(rèn)為此時(shí)該樓體已進(jìn)入沉降穩(wěn)定期。

另外，各次觀測過程中，不同觀測點(diǎn)的沉降值差別較小，以上平均值可較好反映樓體沉降的總體趨勢。

圖4 沉降累積曲線圖

Fig.4 Settlement cumulative curve

3.2 沉降規(guī)律分析

高層建筑在施工和交付使用后的多次沉降觀測過程中，根據(jù)已有一定數(shù)據(jù)量進(jìn)行沉降規(guī)律分析，一方面可及時(shí)掌握不同階段的沉降發(fā)展趨勢，根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)沉降防護(hù)，并對工程質(zhì)量做出數(shù)據(jù)評價(jià)；另一方面，可對后期測量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，如出現(xiàn)較大偏差，可及時(shí)進(jìn)行復(fù)測。本項(xiàng)目分別對開工至封頂(約第236天)、封頂后1年到2年兩個(gè)時(shí)間段的沉降數(shù)據(jù)，利用Origin7.5進(jìn)行了曲線回歸分析，分別式(1)(2)所示，所得公式可為后期沉降監(jiān)測周期制定、沉降防護(hù)措施等提供重要數(shù)據(jù)參考。

開工至封頂：

Y沉降=0.28406+0.00831X+2.10795E-4X2

(1)

封頂后1年到2年：

Y沉降=22.81667+0.00583X

(2)

4 結(jié)論

針對城市民用高層建筑的沉降監(jiān)測問題，本文在對沉降監(jiān)測方法及原理、沉降監(jiān)測實(shí)施工程進(jìn)行充分研究基礎(chǔ)上，結(jié)合某高層建筑在施工和使用期內(nèi)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其沉降量和沉降速度等進(jìn)行了研究，并對沉降發(fā)展趨勢進(jìn)行了回歸分析，所得結(jié)論對于城市民用高層建筑的沉降監(jiān)測具有積極指導(dǎo)意義。