高層建筑沉降觀測研究與分析

張 勇 朱永祥 李 西

(滁州職業(yè)技術(shù)學院土木工程系 安徽滁州 239000)

國家統(tǒng)計局最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2017年末，城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎?城鎮(zhèn)化率)為58.52%，比上年末提高1.17個百分點[1]。隨著城市化進程的快速發(fā)展，城市土地資源也愈發(fā)緊張，為了合理利用資源，城市高層建筑的日益增多就變的順理成章。城市化過程必然對原有地形、水文等自然環(huán)境造成影響，進而增加了勘察設(shè)計、施工、運營使用過程中對沉降觀測的控制難度。為了保證建筑物的安全施工和使用，減少經(jīng)濟損失，對高層建筑進行沉降觀測顯得尤其重要。特別是在土質(zhì)偏軟的地區(qū)，往往采取基礎(chǔ)深埋，深基坑的開挖、樁基對周圍土體的擠壓，都會引起地基和周圍建筑物的變形。綜上所述，從建筑物開始建設(shè)到建成運營這段時間內(nèi)，隨著建筑物荷載的增加，通過沉降觀測數(shù)據(jù)，分析預(yù)測沉降趨勢，對后續(xù)施工提供參考，是保證建筑質(zhì)量安全的關(guān)鍵。

1 工程概況

該工程為某市某小區(qū)一棟高層住宅，樓建筑面積19 158m2，地上28層，地下1層，總高度82.7m，地基采用筏板基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)類型為框架——剪力墻結(jié)構(gòu)。文章簡要介紹利用精密水準測量進行沉降觀測實例。

2 沉降觀測網(wǎng)布設(shè)

沉降觀測實質(zhì)就是在建筑物建設(shè)過程中建立沉降觀測點(高程未知點)，以一定的觀測周期根據(jù)工作基點(高程已知點)采用一定的水準路線和觀測精度測量得到沉降觀測點的高程并建立與之對應(yīng)的時間關(guān)系，從而分析沉降的尺度和影響為施工提供決策。

該工程沉降觀測網(wǎng)的布設(shè)采用三級制：

(1)基準點。基準點是沉降觀測的水準基點，為保證水準基點的穩(wěn)定，應(yīng)至少遠離施工區(qū)域100米，設(shè)于地質(zhì)穩(wěn)定易保持處。每個獨立觀測網(wǎng)內(nèi)應(yīng)保證不少于3個水準基點。

(2)工作基點。為方便觀測作業(yè)，在施工區(qū)域附近(距建筑物30m外)，不受日常施工干擾且能長期保持穩(wěn)定處埋設(shè)兩個工作基點，以便就近與建筑物的沉降觀測點構(gòu)成一個水準閉合環(huán)。工作基點還應(yīng)定期與水準基點聯(lián)測以便校核其數(shù)據(jù)精度。

(3)沉降觀測點。沉降觀測點是反映建筑物沉降量的依據(jù)，應(yīng)設(shè)立在能夠反映建筑物變形特征的位置。

該工程中沉降觀測網(wǎng)布設(shè)如圖1所示。本工程在遠離施工區(qū)域的穩(wěn)定處布設(shè)了3個基準點(BM1、BM2、BM3)，基準點在建筑施工過程中2月復(fù)測1次，施工結(jié)束后每半年復(fù)測1次。由于基準點與所測建筑物距離較遠，為方便觀測設(shè)立了2個工作基點(GZ1、GZ2)，并在建筑物主體四角及大轉(zhuǎn)角處的基礎(chǔ)水平面上埋設(shè)8個沉降觀測點(GC1-GC8)。每期沉降觀測作業(yè)開始時，先將工作基點與基準點進行聯(lián)測，再利用其中一個工作基點(GZ1)與沉降觀測點構(gòu)成閉合環(huán)進行水準測量觀測。

圖1 沉降觀測網(wǎng)布設(shè)示意圖

3 沉降觀測原則及方法

3.1 沉降觀測的“五定”原則

“五定”即沉降觀測依據(jù)的基準點、工作基點和被觀測物的沉降觀測點要穩(wěn)定；所用儀器、設(shè)備要固定而且性能要穩(wěn)定；觀測人員要盡量固定；觀測時的環(huán)境條件應(yīng)大體一致；觀測路線、鏡位、程序和方法要固定。遵守以上原則，在客觀上能盡量減少不確定性的觀測誤差，從而保證了觀測結(jié)果的準確性，使各次觀測結(jié)果與首次觀測的結(jié)果更有可比性，所觀測的沉降量更可靠[2]。

3.2 沉降觀測方法

該沉降觀測采用執(zhí)行《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ8—2016)，按一等水準測量的要求進行施測[3]。水準觀測時的要求見表1，水準觀測的限差見表2。

表1 水準觀測的視線長度、前后視距和視線高度(m)

表2 水準觀測限差(m)

4 觀測作業(yè)及數(shù)據(jù)處理分析

4.1 儀器

采用Trimble DiNi03精密電子水準儀及配套2m銦鋼條碼尺。

4.2 觀測周期

(1)基準點觀測。水準基點、工作基點構(gòu)成一個閉合環(huán)，嚴格按國家一等水準測量要求進行觀測，確定工作基點的高程。

(2)沉降觀測點觀測。采用1個工作基點與沉降觀測點構(gòu)成一個閉合環(huán)，按國家一等水準測量要求進行觀測。觀測周期為：在基礎(chǔ)工程完工(出水平面)后作第一次觀測，以后每二層觀測1次，竣工時觀測1次。主體結(jié)構(gòu)封頂后每1個月1次，竣工后每季度1次，竣工1年后每半年1次。

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

(1)數(shù)據(jù)處理。沉降變形觀測最早應(yīng)用于水壩，從20世紀60年代開始逐漸運用數(shù)學模型系統(tǒng)地處理分析變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。建筑物沉降監(jiān)測與預(yù)報模型是很豐富的，目前研究運用較為成熟的理論體系有回歸模型、濾波模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、數(shù)據(jù)系列模型等[4]。選擇適合對應(yīng)施工工程的模型則需要考慮諸多復(fù)雜的因素：自然因素、自身因素和人為因素[5]，費時費力。在實際工程實踐中，更多的運用平差軟件處理原始觀測數(shù)據(jù)，計算出各沉降點的高程值，及沉降量、沉降速度等，進而分析沉降規(guī)律及是否滿足規(guī)范要求。

該工程沉降數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表格3，為了形象直觀的表達和利于進一步的分析，在表3基礎(chǔ)上繪出建筑物沉降曲線圖(見圖2)及各點沉降累計值柱狀圖(見圖3)。

表3 各觀測點沉降觀測成果表(mm)

圖2 建筑物沉降曲線圖

圖3 各觀測點沉降累計值柱形圖

(2)數(shù)據(jù)分析。從圖2可以看出，伴隨著建筑物的開工，建筑物開始下沉。首次觀測后曲線并沒有發(fā)生回升現(xiàn)象，表明首次觀測精度較高。從第5-11次觀測數(shù)據(jù)表明建筑物隨著荷載的增加，下沉較快。整個曲線沒有出現(xiàn)異常點，表明工作基點和觀測點比較穩(wěn)定，滿足沉降觀測中穩(wěn)定性的需要。在施工過程中，沉降比較均勻，竣工后平均日沉降量小于0.02mm/d，說明沉降已趨于穩(wěn)定。另外，需要指出的是，差異沉降對建筑質(zhì)量安全的危害遠大于均勻沉降的危害，在進行的17次觀測成果中，沉降觀測點中最大沉降量為14.6mm(GC4)，最小沉降量為10.5mm(GC5)，平均累計下沉量為12.26mm，最大差異沉降值為4.1mm。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)：60m

其中，hmn為m點與n點之間沉降差，△Lmn為m點與n點之間水平距離。取代表性的GC3和GC5計算其傾斜值為0.0003，滿足規(guī)范要求。通過計算該高層建筑的沉降量及傾斜均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

采用高精度水準測量手段對城市高層住宅進行沉降觀測，方法可行且精度有保證，滿足國家最新的規(guī)范要求。在測量的過程中，定期進行基準點和工作基點的穩(wěn)定性分析可提高監(jiān)測精度。最后，測量誤差存在的客觀性，要求觀測觀測人員在盡量避免不利的外界環(huán)境因素下，保持監(jiān)測的專注性，同時將每次監(jiān)測成果及時匯總反饋給有關(guān)部門，確保建筑物在施工和使用中的安全。