建筑物地基沉降的規(guī)律與特征分析
——基于多個(gè)著名建筑物與城市地面出現(xiàn)的沉降為案例

張振海

（上海新榮陽投資控股集團(tuán)，上海 200082）

0 引 言

地基沉降與變形是整個(gè)地基基礎(chǔ)工程中眾多難題之一，至今尚未完全解決此問題。特別是中國的地基工程方面，在設(shè)計(jì)的根源方面就存在一些缺陷，對(duì)沉降方面的重視程度不足（相比更重視承載力的方面），此問題是基于歷史的原因，在新中國成立后，于1954年引進(jìn)了前蘇聯(lián)地基規(guī)范《天然地基設(shè)計(jì)暫行規(guī)范》（規(guī)結(jié)7-54），此規(guī)范對(duì)后期中國地基設(shè)計(jì)方面影響巨大。由于此規(guī)范不考慮地基的沉降控制，因此對(duì)此后的中國地基工程在設(shè)計(jì)方面的演變與發(fā)展產(chǎn)生了許多負(fù)面的影響[1]。

（1）公式表達(dá)

地基沉降主要發(fā)生在土壤結(jié)構(gòu)中，其沉降一般分為3個(gè)部分：瞬始沉降、固結(jié)沉降和蠕變沉降，用公式（1）表達(dá)為：

式中：Sd為瞬始沉降，系第一階段的土壤剪切應(yīng)變形成；Sc為固結(jié)沉降，系第二階段的土壤孔隙水在排出后及消散的過程中其骨架產(chǎn)生變形而形成；Ss為蠕變沉降，系第三階段的孔隙水在消散后及其骨架本身的蠕動(dòng)變化而形成。

（2）3個(gè)階段

3個(gè)部分的沉降按其發(fā)生的時(shí)間順序，可以劃分為3個(gè)階段：第一階段表現(xiàn)的主要形式為瞬始沉降（固結(jié)與蠕變也同時(shí)發(fā)生，即3種沉降同時(shí)發(fā)生），時(shí)間發(fā)生在建設(shè)開始至建設(shè)完成，約在2年期間內(nèi)完成（占總沉降量約60%左右）。第二階段表現(xiàn)的主要形式為固結(jié)沉降（蠕變也同時(shí)發(fā)生，即兩種沉降同時(shí)發(fā)生），時(shí)間發(fā)生在建設(shè)完工后 1～5年之間。第三階段表現(xiàn)的形式為蠕變沉降（固結(jié)也同時(shí)發(fā)生，即兩種沉降同時(shí)發(fā)生），時(shí)間發(fā)生在建設(shè)完工5年后，最長時(shí)間可達(dá)千年。如意大利的比薩斜塔，從 1173年建設(shè)開始至 2001年糾偏的加固完成；又如中國的虎丘斜塔，從959年建設(shè)開始至1981年糾偏時(shí)加固完成，此兩個(gè)著名的建筑物在大約千年的時(shí)間內(nèi)，沉降的現(xiàn)象仍在持續(xù)。根據(jù)3個(gè)階段的沉降規(guī)律，又表現(xiàn)出不同的特征，具體如表1所示。

表1 沉降的分類階段與特征Table 1 Classification stage and characteristics of settlement

（3）完成時(shí)間

到目前為止，基于以下4個(gè)方面為依據(jù)，地基沉降的科學(xué)研究尚未發(fā)現(xiàn)有效的證據(jù)或者試驗(yàn)可以得出明確的沉降完成時(shí)間。

a）抽取樣本。根據(jù)上海市抽取33幢建筑物為樣本，按其沉降觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，此33幢建筑物在建成10年后的沉降速度為2.5～3.0 mm/年，沒有明顯跡象表明沉降已停止[2]。

b）維也納固結(jié)試驗(yàn)。維也納工業(yè)大學(xué)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，為了研究土體蠕變變形的持續(xù)時(shí)間，從1971年開始經(jīng)過42年的加載至2013年，土體變形仍在繼續(xù)發(fā)展，這種變形只會(huì)減速而不會(huì)停止，即形成“維也納固結(jié)試驗(yàn)沉降曲線”[3]。

c）著名建筑物案例與統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)一些著名建筑物沉降的累計(jì)量，從幾年到千年的時(shí)間中，沒有明確顯示沉降完成的時(shí)間，詳見表2所示。

表2 著名建筑物沉降統(tǒng)計(jì)表Table 2 Settlement statistics of famous buildings

d）城市地面案例。不但建筑物具有沉降的特征，城市的地面也發(fā)生類似的情況而且無明確的沉降結(jié)束時(shí)間。如雅加達(dá)與新奧爾良，其地面由原來高于海平面至目前已低于海平面，如表3所示。

表3 一些城市沉降統(tǒng)計(jì)表Table 3 Settlement statistics of some cities

1 計(jì)算沉降的方法

1.1 4種計(jì)算方法

歸納現(xiàn)行中國國內(nèi)地基沉降的計(jì)算方法主要有4種：彈性理論法、壓縮模量（或工程實(shí)用）法、經(jīng)驗(yàn)法（或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法）、數(shù)值計(jì)算法[4]。其中前3種方法為常用類型，而第4種方法由于計(jì)算的復(fù)雜性以及模型的不準(zhǔn)確性，導(dǎo)致其使用受到限制，但此類型在理論分析上較為精確，因此用于理論論證上具有優(yōu)勢(shì)。4個(gè)類型中又分為各自的子類型，并各具特色，如表4所示。

表4 現(xiàn)行地基基礎(chǔ)沉降計(jì)算的方法分類Table 4 Classification of current foundation settlement calculation methods

表4是歸納與總結(jié)近代以來多種國內(nèi)外計(jì)算的方法，其中最具有代表性的方法有分層沉降總和計(jì)算法與樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算法，闡述如下：

（1）分層沉降總和計(jì)算法。此方法運(yùn)用較廣泛，其物理意義簡單明了，同時(shí)計(jì)算參數(shù)也容易獲得，因此在工程界廣泛使用。根據(jù)e-p曲線，各層土的壓縮量公式為：s=(e1i-e2i/1+e1i)Hi。式中：e1i為第i層壓縮前對(duì)應(yīng)的孔隙比；e2i為第i層壓縮后對(duì)應(yīng)的孔隙比；Hi為第i層土壤的厚度。

（2）樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算法。樁基沉降的常用方法有兩種：一是布辛尼斯克實(shí)體基礎(chǔ)法，將全部荷載集中作用在樁尖平面上，以樁尖平面為半無限元表面，與淺基礎(chǔ)一樣用分層總和法計(jì)算，樁尖平面以上中的應(yīng)力與應(yīng)變和樁土的相互作用全部忽略不計(jì)；二是明德林法，將每根樁的荷載分為端阻力與側(cè)阻力，根據(jù)荷載或者統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定所占的比值，將端阻力假定沿樁身矩形分布或三角形分布，將逐根樁的應(yīng)力疊加，算出地基中的附加應(yīng)力，再利用分層總和法計(jì)算樁基沉降。

1.2 計(jì)算結(jié)果誤差的原因

地基沉降計(jì)算的結(jié)果，不論采用任何一種類型的計(jì)算方法，在目前階段尚不能達(dá)到完全準(zhǔn)確，都存在著一定程度的誤差，形成的主要原因有兩個(gè)：

（1）偏面性。以最常用與最初研究形成的彈性理論與壓縮模量兩種方法為例，其參數(shù)只能反映土壤體積壓縮產(chǎn)生的變化，而不能反映土壤的剪切變化，因而需要進(jìn)行擴(kuò)大性的修正，擴(kuò)大的系數(shù)為1.1～1.4倍，這樣才能彌補(bǔ)由于剪切變化產(chǎn)生的沉降部分的數(shù)量。

（2）擾動(dòng)性。土壤參數(shù)均來自取樣后送達(dá)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，必然存在從原始現(xiàn)場(chǎng)到實(shí)驗(yàn)室樣本的擾動(dòng)，而土壤擾動(dòng)后產(chǎn)生力學(xué)性能變小，因而需要進(jìn)行縮小性的修正，縮小的系數(shù)為0.2～1.0倍，這樣才能減小由于擾動(dòng)造成的沉降部分量。

2 地基沉降與時(shí)間的相關(guān)性

2.1 定性分析

按表1所述，瞬時(shí)沉降是在約2年的時(shí)間內(nèi)完成，并且此部分沉降的數(shù)量往往占到總沉降量的大部分比率，約為60%左右。其后的固結(jié)沉降速度放慢，在約 2～5年的時(shí)間內(nèi)完成。最后則是蠕變沉降，此過程非常漫長，達(dá)幾十年或上百年，甚至上千年。

地基沉降與時(shí)間呈非線性的正相關(guān)性?？傮w的規(guī)律是先快后慢，反映在坐標(biāo)軸（時(shí)間為橫軸，沉降為縱軸）第一象限內(nèi)為向上凸起曲線，起點(diǎn)位于坐標(biāo)軸零點(diǎn)，終端無限接近于某一個(gè)與水平軸平行的一條直線或到達(dá)此直線。

2.2 定量分析

雖然無法精確計(jì)算地基沉降與時(shí)間之間的關(guān)系，但可以按經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行兩者之間關(guān)系的定量計(jì)算，如雙曲線式的計(jì)算方法與對(duì)數(shù)曲線式的計(jì)算方法，可以表示它們之間的數(shù)量相關(guān)性，如下所述：

（1）用雙曲線式的計(jì)算方法，其公式表達(dá)為：st=(t?(a+t))s。式中：st為在時(shí)間t（從施工期一半起算）時(shí)的實(shí)測(cè)沉降量；s為待定的地基最終沉降量；a為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

（2）用指數(shù)（對(duì)數(shù)）曲線式的計(jì)算方法，其公式表達(dá)為：st=(1?e-at)s。式中：e為自然對(duì)數(shù)的底；a為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。利用實(shí)測(cè)的s-t曲線后段資料，可求得地基最終沉降量s值，并可推算任意時(shí)間t時(shí)的沉降量st。

3 沉降的弊端與有效利用

3.1 沉降的弊端

建筑物或者地面的沉降一般產(chǎn)生負(fù)面的影響，往往會(huì)產(chǎn)生建筑物功能的喪失，甚至擴(kuò)大到對(duì)城市范圍內(nèi)的不良影響，闡述如下：

（1）對(duì)建筑物的影響。建筑物沉降產(chǎn)生的影響，總體是以負(fù)面為主。建筑物直接受力在土壤上或軟土地基上，既使是承載力滿足荷載的要求，但如果沉降超出正常范圍，也會(huì)產(chǎn)生一些不良的影響，如建筑物凹陷低于周圍地面、墻體開裂、結(jié)構(gòu)受到破壞、甚至?xí)?dǎo)致建筑物倒塌。

以上海展覽中心為例。從1954年（建造時(shí)點(diǎn)）—2000年（測(cè)量時(shí)點(diǎn)），共46年期間內(nèi)沉降量達(dá)到1.9 m，嚴(yán)重影響建筑物的正常使用。又如比薩斜塔、虎丘斜塔則面臨倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，而加拿大特朗斯康谷倉群則是直接倒塌。

（2）對(duì)城市的影響。沉降不但影響建筑物，甚至影響到更大的城市范圍，如中國上海城區(qū)、中國天津城區(qū)、美國新奧爾良市區(qū)、墨西哥城等城區(qū)則是由于沉降的原因造成一些不利的因素，特別是印尼雅加達(dá)市則面臨著首都被迫遷移的問題。

3.2 有效利用

相反掌握了沉降的規(guī)律，也可以利用沉降進(jìn)行興利除弊。如中國延安新區(qū)挖土填溝與深圳蛇口填海是利用沉降的規(guī)律進(jìn)行地基的處理；又如墨西哥特斯科科湖地區(qū)公園，也是利用了沉降的原理，利用抽水降低水位形成一個(gè)湖泊基礎(chǔ)坑體（連續(xù)5年抽水，使地面下降4 m），而不是采用挖土的方式（后者的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者）[5]。

以中國延安新區(qū)為例。此新區(qū)挖了 33座山峰填入到相應(yīng)的溝壑中，其中最大填方深度達(dá)120 m，總土方量近1×108m3。從2012年4月份開始，通過“削山、填溝、造地、建城”，計(jì)劃用 10年時(shí)間，最終造出78.5 km2的新區(qū)建設(shè)面積，相當(dāng)于在城市周邊的山頭與溝壑地帶建造了一個(gè)兩倍于原有老城區(qū)的新城。它是目前中國濕陷性黃土地區(qū)最大的巖土工程，整個(gè)場(chǎng)區(qū)填方區(qū)與挖方區(qū)面積均等，且具有自重濕陷性。填方區(qū)與挖方區(qū)呈現(xiàn)“齒牙交錯(cuò)”的無規(guī)則帶型分布。采用的處理方法有換土墊層法、強(qiáng)夯法、灰土擠密樁法、預(yù)浸水或樁基礎(chǔ)等多種方法。目前新城建設(shè)后使用功能正常，說明利用沉降規(guī)律進(jìn)行建設(shè)是成功的。

4 防范超量沉降的方法

基于原狀土壤沉降數(shù)量大且不易控制的原因，可以進(jìn)行預(yù)留沉降落差量的被動(dòng)方法——按黏性土壓實(shí)系數(shù)K的取值0.90～0.95之間，防范沉降量的數(shù)值按計(jì)算或填土高度 0.5%～5%之間進(jìn)行預(yù)留（即將填土高度高出設(shè)計(jì)平面的數(shù)量值），則此高出部分，可以在沉降相對(duì)穩(wěn)定后，用于抵消沉降量，達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的平面[6]。

而更重要的則是需要預(yù)防為主的辦法，常用的方法有4個(gè)類型：采用預(yù)壓法、置換法、攪拌法、樁基礎(chǔ)等方法[7]，如表5所示。

表5 防范超量沉降的方法Table 5 Methods to prevent similar quality accidents

隨著建筑物高度的增長、荷載的加大，采用樁基礎(chǔ)可以增大荷載且同時(shí)控制沉降，起到了雙重功能的作用。特別是采用超長樁（L＞50 m）的超高層建筑，其基礎(chǔ)沉降一般都在0.06～0.1 m，沉降表現(xiàn)在（斷）平面上也比較均勻。實(shí)測(cè)的沉降量也比按規(guī)范規(guī)定計(jì)算出的沉降量數(shù)值小。如以上海金茂大廈為例，實(shí)測(cè)沉降量為0.082 m，而理論沉降計(jì)算值為0.085 m，兩者接近并且實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，控制的效果超級(jí)優(yōu)秀。

5 非均勻沉降的補(bǔ)救措施

既有建筑物由于沉降產(chǎn)生傾斜后常用糾正加固的方法，本文歸納為以下9個(gè)類型，并且在相關(guān)案例中進(jìn)行實(shí)踐性的應(yīng)用，如表6所述。

表6 糾偏建筑物常用的方法與其相關(guān)的機(jī)理Table 6 Common methods and related mechanisms of deviation correction of buildings

建筑產(chǎn)生傾斜后，需要對(duì)產(chǎn)生傾斜的原因進(jìn)行分析，以及選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行糾偏，總結(jié)得出需要因地制宜或多種方法綜合運(yùn)用，以著名的比薩斜塔與蘇州虎丘斜塔為案例，分析如下。

5.1 虎丘斜塔案例[8]

糾正或補(bǔ)救的措施分為4個(gè)部分：“圍、灌、蓋、換”，具體如下：

（1）塔周圍澆筑混凝土樁：在離塔外側(cè)約2.9 m開挖直徑為 1.4 m的孔洞，深約 3.7～10.68 m，控制樁深入到巖層不小于0.8 m。用鋼筋混凝土現(xiàn)澆 44根混凝土樁，樁與樁外側(cè)相切形成一個(gè)整體式籬笆樁墻體，上部配圈梁（寬1.4 m×高0.4 m），將樁連為一個(gè)整體。

（2）灌水泥漿：在圍樁范圍內(nèi)鉆161個(gè)孔（孔鉆入巖石內(nèi)0.1 m，平均深度比樁略淺），直徑為70與 90 mm 兩種，水泥灌漿的壓力控制在 0.2～0.3 MPa（在塔體近端處控制在0.15 MPa），灌漿量達(dá)26.64 m3，是鉆孔體積的4倍，在圍樁范圍內(nèi)形成一個(gè)整體的密實(shí)體。

（3）蓋鋼筋混凝土板：采用0.40～0.65 m變厚鋼筋混凝土板（在沉降大的一側(cè)采用0.65 m厚板，相反在另一側(cè)采用0.4 m薄板），蓋板起到上部加固與防水滲入的雙重功能。蓋板分為 33塊進(jìn)行開挖與跳花式施工，在塔身一側(cè)上環(huán)頂住塔身基礎(chǔ)，在圈梁一側(cè)鋼筋連接，目的是蓋板起到支撐與連接的作用。蓋板的排水坡度控制在37°。

（4）置換碎磚：將磚砌體的破碎部分進(jìn)行更換，原則是“修舊如舊、維持原狀”，即仍采用原塔身同樣顏色的青磚，強(qiáng)度需要達(dá)到20 MPa以上。目的是將破碎部分經(jīng)修繕后達(dá)到與原有磚筑體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求。

5.2 比薩斜塔案例[9]

糾正或補(bǔ)救的措施分為4個(gè)部分：方案、監(jiān)測(cè)、防范、施工，具體如下：

（1）方案：經(jīng)過8年之久的論證才最終選定糾偏方法：從斜塔的北側(cè)地基下抽出部分沙土，使斜塔的傾斜自然北移。

（2）監(jiān)測(cè)：共架設(shè)120部精密儀器，從各個(gè)角度和高度嚴(yán)密監(jiān)測(cè)斜塔的動(dòng)靜，從而提供數(shù)據(jù)用于方案與施工的決策。

（3）防范：為防止塔身發(fā)生意外變形或倒塌等情況，采用幾條鋼索環(huán)繞捆住斜塔的二層，向北拉住塔身（即傾斜的反方向）。

（4）施工：抽土采用41條抽土管深度插入20 m深的北側(cè)塔基地下進(jìn)行，經(jīng)過一段時(shí)間的抽土施工，到2001年6月傾斜角度回到安全范圍之內(nèi)，比薩斜塔的安全性重新得到保障，一個(gè)世紀(jì)的糾偏愿望終于得以實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié) 論

通過本文分析發(fā)現(xiàn)，地基的沉降到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)有明確完成的時(shí)間，只能是無限接近于某一個(gè)固定數(shù)值，并且隨著環(huán)境的變化仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展（可能是良性，也可能是惡性），因此需要在建設(shè)的設(shè)計(jì)與施工過程中進(jìn)行防范，充分利用其規(guī)律與特征，達(dá)到趨利避害的目的，防范沉降的發(fā)生是一個(gè)系統(tǒng)性的工程工作，宜從勘探、設(shè)計(jì)、施工、工藝、使用等全生命周期進(jìn)行綜合治理，才能達(dá)到防患于未然。