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(jīng)職業(yè)學(xué)院，江西 九江 332000; 2.華東交通大學(xué)，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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。地基在承受建筑上層結(jié)構(gòu)的附加荷載后會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致地基表面下沉，即產(chǎn)生沉降[1]。若建筑上層結(jié)構(gòu)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(dǎo)致建筑使用壽命縮短，同時也會嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性[2]。城市化的推進(jìn)使得城市用地愈發(fā)緊張，因此，高層建筑數(shù)量越來越多[3]。對地基沉降進(jìn)行觀測并計算其沉降量，根據(jù)測算結(jié)果提出相應(yīng)控制對策是保證建筑安全的有效手段，該領(lǐng)域的研究也引起了相關(guān)人員的重點(diǎn)關(guān)注。

葉觀寶[4]等人依據(jù)廣義的Gibson地基模型，綜合考量地基參數(shù)在深度變化下產(chǎn)生的非均質(zhì)特性，對大規(guī)模荷載下的地基中心點(diǎn)豎向位移解析進(jìn)行計算，通過解析分析大規(guī)模荷載下的地基沉降量。章紅兵[5]等人利用相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)對基坑開挖導(dǎo)致的墻后土變形進(jìn)行分析，融合建筑物變形響應(yīng)設(shè)計了考慮空間效應(yīng)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(yù)測計算中，通過小波變換把地基沉降的實際測量序列重構(gòu)成趨勢與隨機(jī)兩種時間序列，同時分別利用PSO-LSSVM、ARMA對兩個子序列實行預(yù)測，并在最后對預(yù)測值進(jìn)行求和計算。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，為更好地解決建筑地基沉降計算與控制等相關(guān)問題，本研究提出基于Duncan-Chang本構(gòu)模型[7]的高層建筑物地基沉降測量方法，并提出相關(guān)控制測量。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)和創(chuàng)新內(nèi)容如下：綜合考慮基點(diǎn)選取及分布、地基沉降監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸和管理等內(nèi)容，利用WSN技術(shù)構(gòu)建建筑地基沉降監(jiān)測系統(tǒng)，為沉降測量計算及高效控制奠定基礎(chǔ)。引入Duncan-Chang本構(gòu)模型，根據(jù)監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)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(tài)監(jiān)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(chǔ)上，利用WSN技術(shù)構(gòu)建建筑物地基沉降實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)主要包括以下4部分：建筑傳感器節(jié)點(diǎn)分布模塊、傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、通信模塊和上位機(jī)監(jiān)測模塊。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要對地基沉降位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時將數(shù)據(jù)打包傳送到協(xié)調(diào)器的串口位置，然后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)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(jìn)行解析，之后傳輸并存儲到數(shù)據(jù)庫中。上位機(jī)監(jiān)測模塊能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)信息的管控、歷史信息檢索、數(shù)據(jù)曲線可視化展示以及動態(tài)預(yù)警等。如圖1所示為監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

圖1 地基沉降實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

在建筑地基沉降實時動態(tài)監(jiān)測過程中，定義當(dāng)監(jiān)測誤差控制在50 mm之內(nèi)時沉降測量是有效的。因此，系統(tǒng)采用準(zhǔn)確度為0.1 mm的位移傳感器，其運(yùn)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(xiàn)一系列變化，以此使電壓也產(chǎn)生變化，通過電壓變化值推測位移量。測量環(huán)境如圖2所示。

圖2 測量環(huán)境示意圖

使用鋼筋混凝土設(shè)計成圓柱支柱基點(diǎn)，并在基點(diǎn)處向下挖3 m。三角形支架安裝并固定在墻體沉降監(jiān)測位置，位移傳感器一端固定基點(diǎn)上，另一端和三角擋板相接觸。其中，A、B、C三點(diǎn)為電壓監(jiān)測點(diǎn)，A點(diǎn)是監(jiān)視、控制和調(diào)整電壓的母線，即電壓中樞點(diǎn)；B點(diǎn)為輸出電壓參考點(diǎn)；C點(diǎn)為接地點(diǎn)，一旦地基出現(xiàn)沉降，墻體也會隨之向下產(chǎn)生位移，三角擋板和傳感器會產(chǎn)生擠壓情況，此時傳感器被壓縮，A點(diǎn)和B點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)間的電壓會產(chǎn)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(guān)數(shù)據(jù)。

在沉降監(jiān)測點(diǎn)相應(yīng)位置設(shè)置位移傳感器，并在建筑周圍設(shè)置多個位移傳感監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)平面分布情況如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)平面分布情況

建筑地基沉降信息數(shù)據(jù)采集模塊由高精確性的位移傳感器以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個位移傳感器主要用于上級節(jié)點(diǎn)通信，同時對建筑地基沉降的實時位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并完成打包傳送。路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)中繼監(jiān)測點(diǎn)信息數(shù)據(jù)，從而保障所有監(jiān)測點(diǎn)在整個通信范圍內(nèi)均能夠高效將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器位置[8]。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)將所有ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息匯聚起來，同時實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的開啟或者關(guān)閉。

上位機(jī)軟件采用的是B/S模式，具備的最大優(yōu)勢是能夠在協(xié)調(diào)器的網(wǎng)關(guān)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和實時動態(tài)監(jiān)測，同時能夠利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查詢位移信息數(shù)據(jù)以及預(yù)警情況。協(xié)調(diào)器和系統(tǒng)上位機(jī)間的通信利用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。通信網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)流進(jìn)行檢測，并實時接收來源于串口的數(shù)據(jù)流量包，同時解析數(shù)據(jù)，再將其保存到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。一旦存在傳感器位移超限的情況，則將超限信息數(shù)據(jù)保存到預(yù)警信息表?？蛻舳丝衫没ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)瀏覽查看系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)和曲線圖以及建筑預(yù)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(guān)數(shù)據(jù)，引入Duncan-Chang本構(gòu)模型，結(jié)合分層總和法實現(xiàn)對沉降的具體測量。

Duncan-Chang本構(gòu)模型是一種依據(jù)Kondner三軸應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)聯(lián)性曲線所構(gòu)建出的本構(gòu)模型，其表達(dá)式如下：

式中：D——本構(gòu)模型表達(dá)式；

σ、ε——軸向應(yīng)力、應(yīng)變；

v——土體圍壓；

m、n——應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系曲線擬合參數(shù)。

其計算過程如下：

式中：E——土體初始節(jié)點(diǎn)變形模量；

μ——土體泊松比。

假設(shè)r代表土體破壞比，即破壞偏應(yīng)力σ和極限偏應(yīng)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(nèi)摩擦角度。

由于Duncan-Chang本構(gòu)模型僅考慮了偏應(yīng)力影響下的沉降量，因此，還需要考慮靜水壓力導(dǎo)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(shù)分別采用胡克定律及Duncan-Chang本構(gòu)模型計算獲得。

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

p——水平側(cè)壓力均值；

?——靜止土的壓力系數(shù)。

其表達(dá)式為：

在此基礎(chǔ)上，以解決因土體非線性下力學(xué)參數(shù)變化的影響為目的，結(jié)合分層總和理念實現(xiàn)建筑地基沉降計算分析[9-10]。詳細(xì)過程如下：

將第i層土體的附加應(yīng)力劃分成mi級進(jìn)行加載，假設(shè)Δσ、Δβ分別代表第i層土第j級附加的體積應(yīng)力與附加偏應(yīng)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(jù)增量胡克定律可得到：

其中z代表附加的變形模量。由此，聯(lián)立式(4)，結(jié)合迭代的方式得到下式：

綜上，利用Duncan-Chang本構(gòu)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(zhì)量大、基礎(chǔ)深，建筑施工技術(shù)也會相對更為復(fù)雜[11-12]。因此，在高層建筑的地基沉降問題上更應(yīng)予以重視。在高層建筑物地基沉降控制方面，現(xiàn)提出如下對策：

1)強(qiáng)化建筑框架整體剛度

在構(gòu)筑高層建筑結(jié)構(gòu)框架過程中，首先需設(shè)置好圈梁結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上設(shè)置好沉降縫，并對建筑物長高比進(jìn)行高效控制，在額定范圍之內(nèi)盡量減少建筑不均勻沉降量。

2)積極開展沉降監(jiān)測

在設(shè)置建筑物地基沉降的監(jiān)測點(diǎn)時，每間隔8～12 m就設(shè)置一個監(jiān)測點(diǎn)，在建筑山墻的適當(dāng)位置一定要設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。一些超高層的建筑地基沉降監(jiān)測點(diǎn)布局設(shè)置還需要征求相關(guān)單位的意見。

3)選用科學(xué)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(xì)要求和建筑行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展對應(yīng)工作。相關(guān)施工單位要做好相應(yīng)的復(fù)查工作，特別要注意材料編寫的準(zhǔn)確性，同時對材料進(jìn)行分類歸檔，方便日后開展工程質(zhì)量的檢查過工作[13-15]。

2 實驗結(jié)果與分析

為驗證所提的基于Duncan-Chang本構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)，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(cè)與南側(cè)都與街道相鄰，北側(cè)的多層建筑較多，西側(cè)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(shè)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(zhì)黏土及砂土。

實驗中共設(shè)置6個監(jiān)測點(diǎn)，在Matlab平臺上加載所提方法，監(jiān)測并獲取建筑地基沉降的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過與實際數(shù)值進(jìn)行對比判斷所提方法測量結(jié)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(diǎn)。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(gòu)成等沉降閉合形式的曲線，該等值線反應(yīng)出了建筑基底應(yīng)力的迭代所產(chǎn)生的沉降量最大，兩側(cè)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(jié)構(gòu)封頂過程中會達(dá)到最大值，在負(fù)荷加載完成之后變得越來越穩(wěn)定，若不同監(jiān)測位置沉降速率大致相同，表示建筑已經(jīng)進(jìn)入到了地基沉降穩(wěn)定時期。

圖5 沉降速率隨著時間的變化示意圖

對比應(yīng)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(jìn)行計算，數(shù)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(jīng)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(jié)果準(zhǔn)確性曲線

分析圖6可知，不同時間段內(nèi)，基于Duncan-Chang本構(gòu)模型的高層建筑物地基沉降測量方法的計算結(jié)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(jìn)行計算。這是因為在所提方法中，建筑地基沉降信息數(shù)據(jù)采集模塊由高精確性的位移傳感器以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，可有效提升地基沉降測量計算過程中所用數(shù)據(jù)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(jiān)測基礎(chǔ)上，利用Duncan-Chang本構(gòu)模型和分層總和法相互結(jié)合，規(guī)范了修正表達(dá)式，使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

建筑地基沉降監(jiān)測和控制始終是建筑行業(yè)的重點(diǎn)課題。針對高層建筑地基沉降監(jiān)測，本研究提出基于Duncan-Chang本構(gòu)模型的高層建筑物地基沉降測量及有效控制方法。設(shè)計并構(gòu)建建筑地基沉降監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合Duncan-Chang本構(gòu)模型與分層總和法對地基沉降進(jìn)行計算，并提出了相應(yīng)的控制策略。