城市民用高层建筑沉降监测研究

刘 莉，李 敏

(1.山西职业技术学院，太原 030006；2.山西省城乡规划设计研究院，太原 030001)

随着我国城镇化水平的不断提高，城市民用高层建筑的竣工面积逐年攀升，部分地区的城中村改造措施更加快了这一进程。民用建筑在施工和后期使用过程中，受当地地质条件、气候、外载荷等因素影响，建筑基础会随时间推移而出现不同程度的下沉、倾斜、弯曲等复杂变形。正常情况下，通过正规施工程序完成的建筑物变形会在国家或地区规范所规定的范围内变化，不会影响其正常使用。但由于现代民用高层建筑的稳定性涉及更加广泛的人身安全，因此有必要在施工期和特定使用期内，通过具备一定精度的观测手段对以上变形进行定期跟踪观测，以掌握建筑变形情况和发展趋势，当建筑变形程度或变形速率出现异常时，可及时对建筑的安全性和使用性能进行评估，确保施工安全和使用者的人身安全[1-3]。另外，监测数据还可为当地或同类型建筑的设计、施工提供重要信息参考。鉴于此，本文将对城市民用建筑的沉降监测过程进行研究。

1 沉降监测方法及原理

沉降监测的常见方法包括水准测量法、沉降板法、GPS监测法等，根据被监测对象面积、地质条件的不同要求，在城市民用建筑监测中常用水准测量法进行观测。

水准测量法是指通过测量被测点与基准点之间的高度差来确定被测点的沉降量的方法，而所选的基准点应处于高程稳定位置[4,5]。如图1所示，其测量原理是利用高精度水准仪获得一条水平视线，然后通过水准仪望远镜分别读取两端测量点上所竖立水准尺的读数，最后再用已知点的高程计算未知点的高程值。

图1 水准仪测量原理图

Fig.1 the measuring principle of the level

图1中，a、b分别为观测所得的后视读数和前视读数，则A点和B点之间的高程差HAB=HB-HA=a-B.若HA为已知高程点，则被测点高程HB=HA+(a-b).若已知高程点与被测点距离较远或高程差太大时，则可在两者之间增设用于数值传递的转点。

通过以上方法，可对建筑物各处观测点的沉降值进行高精度的连续跟踪观测，以掌握其沉降量、沉降速率及变化趋势。

2 沉降监测实施过程

沉降监测过程的实施一般包括基准点及观测点布设、观测仪器选择、数据观测等，各部分之间应统筹兼顾，以保证要求精度。本文将以太原城区北部某栋高层住宅为研究对象，对其施工和使用期限内的沉降状况进行分析，该楼地下1层，地面以上23层，剪力墙结构，筏板基础，抗不均匀沉降能力较好。

2.1 基准点及观测点布设

一般工程项目应至少选择3处地质条件稳固的高程测量基准点，可布置成闭合环，且在施工场地任何位置架设水准仪时，可至少将其中两点作为后视点，方便进行闭合差精度检验。基准点选择有多种途径，根据实际条件，一般采用施工单位提供的水准控制点或自己建立独立水准点，各水准点的连线构成项目的水准控制网。为保证监测精度，基准点应设置在沉降影响区、施工振动区、基坑开挖区以外的沉降稳定区域，但与被监测建筑物距离不宜太远，以80-100 m为宜。水准点的基石埋深一般大于1.5 m，埋设标志方便寻找，且需加盖保护装置，本项目中基准点采用浅埋钢管水准标石，如图2(a)所示。

观测点位置和数量的选择应能够全面反映被测建筑的沉降特点，因此应结合建筑结构、地质条件、测量要求等进行观测点的布设。一般情况下，可沿建筑外墙周边每隔10-30 m设置一处观测点，并在地基转角、伸缩缝及其余地质变化较大位置进行单独设置。考虑到民用高层建筑的美观性，在墙体外设置的观测点标志尽量选择隐藏式，如图2(b)所示，底座与墙体焊接或嵌入式连接，堵头用于在不进行观测时对底座螺孔进行保护，水准测量时，将堵头拧下，拧入测量头，然后悬挂或放置标尺进行测量。

本项目中，所选基准点和观测点的布设情况如图3所示。

(a) 基准点标石

(b) 观测点标志

图2 基准点及观测点标志安装示意图

Fig.2 Base point and observation mark installation schematic

图3 基准点及观测点布设图

Fig.3 Base point and observation point layout

2.2 观测仪器选择

应根据施工设计要求的沉降观测精度进行仪器选择，一般民用高层建筑试用二级沉降观测，可配合使用国产精密水准仪型号DS05或DS1，或进口数字水准仪等，标尺选择高精度铟瓦合金水准尺。对于精度要求较低的三级、四级沉降观测，可选用DS3型水准仪。为保证观测数据的稳定可靠，在不同时期的测量中，应尽量选用相同的水准仪和标尺，同时还需做好仪器的定期检测，降低测量误差。本项目选用常州大地DA200自动安平水准仪。

2.3 沉降数据观测

在观测标志稳定和观测仪器选定后，可进入沉降数据观测阶段。根据观测方案对3处基准点和8处观测点组成的闭合线路进行连续观测和记录。应注意，第一次测量数据是沉降量计算的基础，因此要求测量过程严格遵守测量规范，并保证获得较高的测量精度。首次测量时，必须进行往返两次观测，且站点数目均为偶数，前后位置标尺也应进行换位。同一沉降点在往返两次测量中的高程差值小于1 mm时，将两次测量的平均值作为该沉降点的首测高程值，否则应重新进行观测。除首次观测进行往返测量外，其余各次观测均只进行单向测量即可，但观测数据要进行闭合差检验，当闭合差小于允许值的一半时测得的高差中误差才满足规范要求。

另外，为保证观测数据能较好地反映建筑物的沉降变化趋势，应对各次的观测时间和节点进行制表确定，并严格遵守，不得随意漏测或补测。根据以往经验，施工期间，施工载荷对沉降影响明显，因此可在每次加盖楼层完成2-3天后进行一次观测，在每次停工和开工时进行一次观测；施工结束后，根据地质条件和施工期间的沉降变化趋势，制定复测时间表。对于一般民用建筑，当计算沉降速度小于0.01-0.04 mm/d时，可认为该建筑的沉降已进入稳定期。

3 沉降监测数据处理

3.1 沉降数据分析

历次沉降观测数据应首先符合限差要求，在此基础上，利用Excel等软件进行平差处理，提高纪录数据可信度，然后记录下每个测量点平差处理后的高程数值、该测量期的平均沉降量及累积沉降量。本文所研究项目从开始施工到交付使用3年期间，共计进行沉降观测18次，具体数据如图4所示。可以看出，至2015年底，该高层建筑平均累积沉降量为28.5 mm，且施工过程中沉降值变化明显，封顶前累积沉降量已达15.6 mm.同时，由图可见，封顶前的曲线斜率逐渐增大，即楼体沉降速率随着楼层的加高逐渐增大，这是因为随着楼层增高，地基载荷不断加大，因此沉降速率也越大；封顶后，由于载荷不再变化，因此沉降速率明显减小，楼体基础趋于稳定。查看封顶一年半后对应沉降速率值仅为0.01 mm/d，认为此时该楼体已进入沉降稳定期。

另外，各次观测过程中，不同观测点的沉降值差别较小，以上平均值可较好反映楼体沉降的总体趋势。

图4 沉降累积曲线图

Fig.4 Settlement cumulative curve

3.2 沉降规律分析

高层建筑在施工和交付使用后的多次沉降观测过程中，根据已有一定数据量进行沉降规律分析，一方面可及时掌握不同阶段的沉降发展趋势，根据需要进行相应沉降防护，并对工程质量做出数据评价；另一方面，可对后期测量数据进行验证，如出现较大偏差，可及时进行复测。本项目分别对开工至封顶(约第236天)、封顶后1年到2年两个时间段的沉降数据，利用Origin7.5进行了曲线回归分析，分别式(1)(2)所示，所得公式可为后期沉降监测周期制定、沉降防护措施等提供重要数据参考。

开工至封顶：

Y沉降=0.28406+0.00831X+2.10795E-4X2

(1)

封顶后1年到2年：

Y沉降=22.81667+0.00583X

(2)

4 结论

针对城市民用高层建筑的沉降监测问题，本文在对沉降监测方法及原理、沉降监测实施工程进行充分研究基础上，结合某高层建筑在施工和使用期内的沉降监测数据，对其沉降量和沉降速度等进行了研究，并对沉降发展趋势进行了回归分析，所得结论对于城市民用高层建筑的沉降监测具有积极指导意义。