沉降观测在高层建筑物纠倾工程中的应用

张小兵，王 桢，程晓伟

(中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

建筑物纠倾是一项技术难度大、影响因素多的技术密集型工作，有人称之为“绣花工程”，建筑物的回倾实质是基础各个部分的沉降在不断调整的一个动态过程。在我国，建筑物纠倾技术起步较晚，但二十多年来，经过科研人员和工程技术人员的努力，成功完成了大量的工程实践，积累了丰富的实战经验。然而由于建筑物的多样性及场地条件的复杂性，采用的纠倾方法也各有不同，至今此类技术仍然主要是以土力学与弹塑性力学理论为基础，以经验为依托，以某些成功的相似案例为借鉴，来指导工程实践，但至今尚未形成系统的理论和科学的工艺。在目前这种技术水平下进行精确的科学计算还存在一定的难度，这就使信息化施工显得尤为重要。

对于建筑物纠倾工程，目前采用的监测手段多是从其它领域借鉴过来的方法，如倾斜观测、沉降观测等，但是建筑物纠倾有它自己的特点——风险高、难度大、对信息的依赖程度强等，这就对监测数据的精度和监测周期提出了更高的要求。虽然现在已经认识到纠倾监测的重要性，也有不少文献对纠倾工程的监测方法以及精度等问题进行了探讨，但是大多仍然停留在个别工程实践基础上，极少针对纠倾工程的特点进行系统的分析和研究。监测周期不当、监测数据精度不高、分析处理不到位等问题仍然普遍存在，致使建筑物纠倾过程难度增加、纠倾精度低、纠倾效果不理想。

1 工程实例

青海师范大学3#住宅楼为钢筋混凝土框架剪力墙结构，地上 30层，地下 1层，高97.0 m，总重量约300 000 kN，建筑面积15 896 m2;采用梁板式筏形基础，基础埋深－8.2 m，进入强风化泥岩层0.3 m;抗震设防烈度为七度。

2007年7月，青海师大3#楼主体结构封顶后不久，地基便发生不均匀沉降，大楼整体朝北东方向倾斜，此后，差异沉降和倾斜变形与日俱增，截止2008年7月25日，大楼朝北方向的倾斜率达2.66‰，朝东方向的倾斜率达1.82‰，大楼顶端的最大偏移量达到254.0 mm，并仍在持续发展恶化，大楼危如垒卵，纠倾加固工程势在必行。青海师范大学3#楼纠倾加固工程于2008年8月24日正式开工，于2009月1月6日达到纠倾目标，并于同年8月份入住，至止目前大楼处于良好的使用状态。

2 纠倾加固措施

由于3#楼主体高度97.0 m，设计荷载约300 000 kN，基础为梁板式筏形基础，埋深 －8.2 m，如果采用抬升法纠倾，考虑到筏板的刚度，至少需要250台千斤顶，而且需要相当大的施工空间，显然不可行，因而只能采用迫降法纠倾。

经过中铁西北科学研究院有关技术人员的研究和专家认证，最终确定了“竖井内放射状水平掏土为主，锚索调压为辅”的综合纠倾方案。具体纠倾措施为:

1)在大楼迫降区的筏板外缘设置5个竖井，作为通道和作业面，在基础下强风化泥岩层进行放射状水平掏土，以削减基底受力面积，增大基底应力，促进该侧地基下沉(见图1)。

2)在竖井里暴露出的(0.7 m×1.5 m)筏板上，每井设置2根锚索，锚索深入中风化泥岩11 m，锚索由5根φs15.2高强度低松弛钢绞线组成，锚索与千斤顶组成反力系统，在掏土量达到一定程度以后，以锚索的抗拔力作为反力，利用千斤顶对筏板加压，从而增加大楼西南侧的地基沉降量，最终实现纠倾目标。

图1 师大3#楼纠倾加固工程平面布置(单位:kPa)

3 沉降观测方案

3.1 纠倾工程对沉降观测的要求

1)沉降观测点布置原则及方法。在纠倾工程中，沉降观测点的设置一般要求呈纵横向对称分布，为能准确反映出倾斜建筑物的回倾情况以及便于数据的整理分析，沉降观测点要埋设在最能反映建筑物变形特征之处。而且观测点之间的距离不能过大，特别是建筑物在平面投影上的凹凸部分以及受力较为集中的部位都要设置沉降点，以便更好地掌握建筑物的变形特征、分析建筑物的变形发展趋势，为纠倾措施的调整提供依据。特别要注意沉降观测点在工后观测阶段不被破坏或掩盖。

3．1 不同地区鼓室异常图形检出率不同 本次声导抗筛查异常图型率达19．57%，而昆明地区2005年调查声阻抗鼓室异常图为14．64%［8］。沈阳地区与昆明相比，鼓室异常图型发生率稍高，可能与沈阳地处北方地区，气候偏于寒冷、干燥，室内外温差较大，春季儿童易患上呼吸道感染而影响中耳功能有关。

2)观测时间、周期及人员要求。倾斜建筑物的沉降观测受时间和观测人员的严格限制，要专人定时定点进行，不得漏测或补测，否则就得不到真实连续的数据，也就无法指导下一步纠倾工作的开展。从事观测的工作人员应受过专业培训和熟练掌握设备仪器，具有较强的数据整理分析能力和高度责任感。只有这样，才能及时、准确地掌握建筑物的沉降变形情况及发展规律。

3)数据的整理分析。沉降观测数据要及时整理和计算，原始数据要真实可靠，记录计算要符合施工测量规范的要求，按照依据正确、严谨有序、有效的原则进行整理计算。特别是要及时绘制出“点位—沉降量曲线”“时间—沉降量曲线”“时间—倾斜率曲线”，为信息化施工提供保障。

3.2 师大3#楼的沉降观测方案

师大3#楼纠倾工程中，在充分利用大楼原设置的8个沉降观测点的基础上，又在紧临掏土竖井位置的基础迫降区短边增加了1个观测点(E4')、长边增加了2个观测点(E5'、E7')，以便根据沉降观测数据绘制各边沉降曲线图，分析掏土引起的筏板变位是否线性，水准观测点平面布置见图2。

图2 水准观测点平面布置

本工程采用了高精度Ni004水准仪，由专人负责定时定期监测大楼各个部位的沉降变形。水准观测主要分为三个阶段，①掏土纠倾准备阶段，3 d观测1次;②掏土纠倾阶段，1 d至少1次(若出现变位异常，应缩短观测周期);③纠倾完成后三个月内，一周1次，之后一个月1次;其间根据观测数据的变化以及施工的需要，观测周期应作适当调整。观测时间定为上午九点钟，并应根据温度变化适当延迟，以增加观测数据的可比性，观测结果应及时反馈，便于指导下一步的工作顺利开展。

4 沉降观测结果分析及应用

在建筑物纠倾工程中，沉降观测的方法主要是水准观测，有时也采取其它的一些辅助观测手段，如液体水准观测、百分表观测、位移计观测等。由于水准观测操作简单、数据直观、而且精度较高，因此在纠倾工程中最为常用。通过沉降观测(以下只介绍水准观测)主要可以得到三个方面的信息:①沉降量及沉降差，即目前各观测点的沉降值及沉降差;②沉降速率，即观测点在某一时段的平均下沉量;③基础的变位，即建筑物是否呈线性回倾。

图3是根据师大3#楼2008年8月24日的沉降观测结果所绘制的“点位—沉降量”曲线图，从图中可以反映出，E1点的沉降量大，E5点的沉降量最小，最大沉降差达到91.1 mm，基础向东北方向倾斜;根据8个角点的沉降量，可以得到基础各边的沉降差，与对应点之间的距离之比即得到基础各边的倾斜率，从而可以对基础的不均匀沉降程度做出评价，图3中数据显示，东边倾斜率为2.55‰，西边倾斜率为2.53‰，北边倾斜率为1.72‰，南边倾斜率为1.71‰，东西两边的倾斜率均已超出《建筑物地基基础设计规范》的规定值2.5‰，东西方向的倾斜仍在规范允许的范围之内。同时可以从图3中看出，东西两边的倾斜率大小基本相同，南北两边的倾斜率也基本相同，而且各边观测点的变位基本构成线性，说明建筑物基础的沉降基本呈线性状态，没有发生扭曲变形。

图3 各测点—沉降量曲线(单位:mm)

因此，通过“点位—沉降量”曲线图，既可以对建筑物基础的倾斜程度做出评价，又可以对建筑物基础的变位是否线性做出判断，从而为纠倾过程中干扰作用的施加提供依据。

如图4是根据师大3#楼的沉降观测结果绘制的“时间—沉降量”曲线，它是沉降监测结果中最为重要的一种分析方法。对于“时间—沉降量”曲线，应注意分析以下8个方面的内容:

1)对于单点沉降曲线，理论上应该是由陡逐渐变缓，沉降变形随着时间的发展趋于稳定，中间过程中出现小的波动是可能的，波动范围应在测量误差范围之内，如果超出了测量误差，则说明测量有误。

2)沉降变形是负值，是累积变形量，一般情况下，沉降量应该逐渐增大，如出现沉降值减小，应属异常，可能是水准点变化或测量错误所致，应进行分析检查或重测。

3)曲线归一化后任意一点的斜率即是该点在对应时间点上的沉降速率，任意两点间的斜率即是该两点对应的时间段内的平均沉降速率，曲线越陡，说明沉降速率越大;曲线越缓，说明沉降速率越小。

4)对于多点观测曲线，如果认为基础刚度足够大，不会发生变形，则变形曲线之间应符合一定的规律，即对边的沉降差应相等(允许有测量误差存在)，如图4中1号观测点与4号观测点的沉降差等于5号观测点与8号观测点的沉降差;同理，1、8观测点的沉降差应等于4、5观测点的沉降差;如果沉降差不相等，则应仔细检查，确定是基础产生了变形还是测量错误。

5)多点观测曲线间的距离大小代表地基的不均匀沉降程度，距离越小，说明地基的不均匀沉降越小;距离越大，说明地基的不均匀沉降越大，由曲线间距的变化趋势可以判断建筑物的地基变形发展方向。

6)如果测量时发现某些观测点的沉降值减小，但对边沉降差仍然相等，则属于合理的抬升，在建筑物上部结构荷载较小时容易出现，荷载较大时则不易出现。如果对边沉降差不相等，则应是异常情况，需要进行认真的检查复核。

7)所有沉降曲线在100 d内的沉降量小于1～4 mm(不同的地区采用不同的数值)时，则可判定建筑物地基的沉降已经处于稳定状态。

8)两点的沉降差除以两点的间距即为倾斜率，两平行边的平均倾斜率可认为即是建筑物在该方向上的倾斜率。

图4 时间—沉降量曲线

图4中不同的“时间—沉降量”曲线代表不同的观测点对应位置大楼地基的变形特征，根据该曲线的整体变化趋势，可以把师大3#楼的基础沉降分为4个阶段进行分析，第一阶段从2007年4月10日到2007年12月14日，该阶段的曲线较陡，为差异沉降的快速发展时期，这个阶段，1号观测点的沉降发展最快，已接近120 mm，而5号观测点的沉降发展最慢，还不到40 mm，两曲线之间的距离在逐渐增大;第二阶段从2007年12月15日到2008年10月15日，该阶段的曲线走势较为平缓，沉降速率较小，为基础不均匀沉降缓慢发展阶段，8个观测点的沉降量最大不超过30 mm，与前一时期相比可以认为基本上保持不变，但是各个点的发展趋势与前一时期完全相同，1号观测点与5观测点之间的曲线间距仍在增大，两个观测点的沉降差已接近100 mm，说明基础的倾斜还在缓慢加剧;第三阶段从2008年10月16日到2009年1月15日，该阶段的曲线斜率再次变陡，沉降速率再次增大，建筑物的基础沉降加剧，与前两个阶段不同的是，1号观测点位置的地基变形相对较小，还不到30 mm，而其它各观测点的沉降都大于1号点的沉降量，而且5号点的沉降量最大，超过60 mm，从而使建筑物基础的不均匀沉降得到一定量的调整。从图4上可以看出1号点与5号点曲线的间距明显缩小，大约在60 mm左右，因而可以称为不均匀沉降调整阶段;第四阶段从2009年1月16日到2009年6月2日，为工后沉降阶段，该阶段最大沉降差虽然有减小的趋势，但基本上保持不变，而且各观测点的沉降变形趋于稳定，平均沉降速率为0.018 mm/d，可认为地基变形已经稳定。

如图5所示，是同一栋高层建筑的“时间—倾斜率”曲线(倾斜率由基础沉降差反算得到)，该曲线更为直接地反映出建筑物的倾斜程度以及建筑倾斜的发展趋势。

图5 时间—倾斜率曲线

图5中明确显示，从2007年4月10日到2008年10月15日之间，大楼一直处于倾斜恶化状态，尽管在2007年12月14日之后大楼的倾斜变化率有所减小，即倾斜的发展速率有所减缓，但大楼的倾斜仍然在不断加剧，而且已经超过了相关规范的限值;自2008年10月15日至2009年1月15日，由于人为的干预，大楼的倾斜率急剧下降，大楼倾斜程度急剧减小，大楼东西方向的倾斜率已经降低到1.3‰以下，南北方向的倾斜率已降低到1.0‰以下，都已远远低于规范的限值2.5‰，至此即可认为大楼已经处于“竖直”状态;2009年1月15日之后，大楼基本上趋于稳定状态，至此可宣布该大楼的纠倾取得了圆满成功。

5 纠倾成果

通过2次掏土和4次锚索循环加压，青海师大3#楼于2009年1月5日顺利达到了预期纠倾目标，大楼的最大偏移量由纠倾前的245 mm回倾到了125 mm，南北向的倾斜率由2.66‰降低到0.88‰，东西向的倾斜率由1.82‰降低到1.28‰(见图5)，并且整个纠倾过程中大楼基础及上部结构构件没有产生任何裂缝、损伤现象，纠倾成果十分理想。

6 结论

1)建筑物纠倾是一项风险大、难度高、技术要求全面的系统工程，而监测又是指导建筑物纠倾措施调整的依据，也是决定纠倾工程成败的一个重要因素，因而在建筑物纠倾工程中，必须做好监测工作。

2)对于建筑物纠倾工程，没有及时、可靠、全面的监测数据作指导，任何纠倾措施的采取都是盲目的、危险的，而沉降观测的精度为毫米级，能够提供指导建筑物纠倾工程顺利开展的信息要求。

3)在纠倾工程中，沉降观测是一种主要的监测手段，它能够全面反映建筑物各个部位的变形特征以及倾斜建筑物的回倾方向、回倾速率、剩余回倾量等信息。通过沉降观测结果来指导建筑物纠倾，可有效保证倾斜建筑物“平稳、安全、线性”回倾。

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