高层建筑物地基沉降测量及有效控制方法研究

杨义刚，罗伟兵

(1.江西财经职业学院，江西 九江 332000; 2.华东交通大学，江西 南昌 330013)

0 引 言

建筑的使用寿命以及建筑安全在很大程度上取决于建筑结构的稳定性。地基在承受建筑上层结构的附加荷载后会产生变形，导致地基表面下沉，即产生沉降[1]。若建筑上层结构载荷较大或地基软土层厚度不均匀，极有可能造成地基的大幅度沉降。地基沉降会导致建筑使用寿命缩短，同时也会严重影响建筑结构的稳定性和安全性[2]。城市化的推进使得城市用地愈发紧张，因此，高层建筑数量越来越多[3]。对地基沉降进行观测并计算其沉降量，根据测算结果提出相应控制对策是保证建筑安全的有效手段，该领域的研究也引起了相关人员的重点关注。

叶观宝[4]等人依据广义的Gibson地基模型，综合考量地基参数在深度变化下产生的非均质特性，对大规模荷载下的地基中心点竖向位移解析进行计算，通过解析分析大规模荷载下的地基沉降量。章红兵[5]等人利用相关统计数据对基坑开挖导致的墙后土变形进行分析，融合建筑物变形响应设计了考虑空间效应下的建筑物沉降计算方法。曹净[6]等人将小波变换和PSO-LSSVM及ARMA模型引入至建筑物地基沉降预测计算中，通过小波变换把地基沉降的实际测量序列重构成趋势与随机两种时间序列，同时分别利用PSO-LSSVM、ARMA对两个子序列实行预测，并在最后对预测值进行求和计算。

在现有研究的基础上，为更好地解决建筑地基沉降计算与控制等相关问题，本研究提出基于Duncan-Chang本构模型[7]的高层建筑物地基沉降测量方法，并提出相关控制测量。本研究的创新点和创新内容如下：综合考虑基点选取及分布、地基沉降监测、监测数据传输和管理等内容，利用WSN技术构建建筑地基沉降监测系统，为沉降测量计算及高效控制奠定基础。引入Duncan-Chang本构模型，根据监测采集到的数据实现建筑地基沉降测量，并提出控制方案。

1 地基沉降测量及有效控制

1.1 建筑物地基沉降实时动态监测

在融合高层建筑物的地基沉降基本需求与短距离通信特征的基础上，利用WSN技术构建建筑物地基沉降实时动态监测系统。检测系统主要包括以下4部分：建筑传感器节点分布模块、传感网络模块、通信模块和上位机监测模块。其中，传感器网络主要对地基沉降位移数据进行采集，同时将数据打包传送到协调器的串口位置，然后传输到上位机模块。串口通信的中间件能够识别信息有效与否，并对其中有效且可利用的信息进行解析，之后传输并存储到数据库中。上位机监测模块能够实现远程节点信息的管控、历史信息检索、数据曲线可视化展示以及动态预警等。如图1所示为监测系统的整体架构。

图1 地基沉降实时动态监测系统整体架构

在建筑地基沉降实时动态监测过程中，定义当监测误差控制在50 mm之内时沉降测量是有效的。因此，系统采用准确度为0.1 mm的位移传感器，其运行原理为：在因位移造成传感器被压缩的过程中，缠绕电阻丝的电阻出现一系列变化，以此使电压也产生变化，通过电压变化值推测位移量。测量环境如图2所示。

图2 测量环境示意图

使用钢筋混凝土设计成圆柱支柱基点，并在基点处向下挖3 m。三角形支架安装并固定在墙体沉降监测位置，位移传感器一端固定基点上，另一端和三角挡板相接触。其中，A、B、C三点为电压监测点，A点是监视、控制和调整电压的母线，即电压中枢点；B点为输出电压参考点；C点为接地点，一旦地基出现沉降，墙体也会随之向下产生位移，三角挡板和传感器会产生挤压情况，此时传感器被压缩，A点和B点、B点和C点间的电压会产生一定变化，分别测量A-B段、B-C段的电压变化值，从而得到地基沉降相关数据。

在沉降监测点相应位置设置位移传感器，并在建筑周围设置多个位移传感监测点。监测点平面分布情况如图3所示。

图3 监测点平面分布情况

建筑地基沉降信息数据采集模块由高精确性的位移传感器以及ZigBee网络设备构成。其中，ZigBee网络中各个位移传感器主要用于上级节点通信，同时对建筑地基沉降的实时位移数据进行采集并完成打包传送。路由节点主要负责中继监测点信息数据，从而保障所有监测点在整个通信范围内均能够高效将数据发送至协调器位置[8]。协调器主要负责将所有ZigBee网络数据信息汇聚起来，同时实现网络的开启或者关闭。

上位机软件采用的是B/S模式，具备的最大优势是能够在协调器的网关中实现数据存储和实时动态监测，同时能够利用网络远程查询位移信息数据以及预警情况。协调器和系统上位机间的通信利用网关实现。通信网关对数据流进行检测，并实时接收来源于串口的数据流量包，同时解析数据，再将其保存到相应数据库。一旦存在传感器位移超限的情况，则将超限信息数据保存到预警信息表。客户端可利用互联网络浏览查看系统实测数据和曲线图以及建筑预警情况。

1.2 地基沉降测量

利用上述得到的建筑地基沉降相关数据，引入Duncan-Chang本构模型，结合分层总和法实现对沉降的具体测量。

Duncan-Chang本构模型是一种依据Kondner三轴应力和应变之间关联性曲线所构建出的本构模型，其表达式如下：

式中：D——本构模型表达式；

σ、ε——轴向应力、应变；

v——土体围压；

m、n——应力和应变之间关系曲线拟合参数。

其计算过程如下：

式中：E——土体初始节点变形模量；

μ——土体泊松比。

假设r代表土体破坏比，即破坏偏应力σ和极限偏应力μσ之间的比值，取值一般为0.75～1。由此能够获得式(3)：

式中：c——土体的粘聚力；

φ——内摩擦角度。

由于Duncan-Chang本构模型仅考虑了偏应力影响下的沉降量，因此，还需要考虑静水压力导致的地基变形，则有：

式中：s——第i分层的竖向变形；

这两个参数分别采用胡克定律及Duncan-Chang本构模型计算获得。

因地基中不同压缩层在附加的应力影响下会出现不同变形量，因此需要得到初始的变形模量值。在自重应力影响下，获取铅直方向的主应力最大值f和水平方向主应力最小值f′，则第i压缩分层的初始地应力计算过程如下：

式中：γk和dk——第k层土体重度值与厚度值；

g——竖直自重应力均值；

p——水平侧压力均值；

∂——静止土的压力系数。

其表达式为：

在此基础上，以解决因土体非线性下力学参数变化的影响为目的，结合分层总和理念实现建筑地基沉降计算分析[9-10]。详细过程如下：

将第i层土体的附加应力划分成mi级进行加载，假设Δσ、Δβ分别代表第i层土第j级附加的体积应力与附加偏应力的增量，则有：

令δ代表第i层土体在Δσ下生成的竖向变形，根据增量胡克定律可得到：

其中z代表附加的变形模量。由此，联立式(4)，结合迭代的方式得到下式：

综上，利用Duncan-Chang本构模型可得到高层建筑物地基沉降量。

1.3 高层建筑地基沉降控制对策

与普通建筑相比，高层建筑的质量大、基础深，建筑施工技术也会相对更为复杂[11-12]。因此，在高层建筑的地基沉降问题上更应予以重视。在高层建筑物地基沉降控制方面，现提出如下对策：

1)强化建筑框架整体刚度

在构筑高层建筑结构框架过程中，首先需设置好圈梁结构，在此基础上设置好沉降缝，并对建筑物长高比进行高效控制，在额定范围之内尽量减少建筑不均匀沉降量。

2)积极开展沉降监测

在设置建筑物地基沉降的监测点时，每间隔8～12 m就设置一个监测点，在建筑山墙的适当位置一定要设置监测点。一些超高层的建筑地基沉降监测点布局设置还需要征求相关单位的意见。

3)选用科学施工方案

在高层建筑施工过程中，需要按照实际施工图的详细要求和建筑行业相关标准开展对应工作。相关施工单位要做好相应的复查工作，特别要注意材料编写的准确性，同时对材料进行分类归档，方便日后开展工程质量的检查过工作[13-15]。

2 实验结果与分析

为验证所提的基于Duncan-Chang本构模型的高层建筑物地基沉降测量方法的有效性，利用实例测量对所提方法进行验证。

选择某市一高层建筑物作为实验对象。该建筑物占地面积为44 m×21 m，整体为剪刀墙结构，在软土地基的处理过程中使用的是钻孔灌注桩。该建筑物的东侧与南侧都与街道相邻，北侧的多层建筑较多，西侧和一即将开建的高层建筑相邻。

该建筑场地是将原本的低矮建筑拆除之后重建的，因此场地比较平坦，其中地面的相对高差大致为1.4 m，且地貌隶属黄土梁洼地。建筑建设的上覆地层主要包含黄土和古土壤，在下覆地层，主要是粉质黏土及砂土。

实验中共设置6个监测点，在Matlab平台上加载所提方法，监测并获取建筑地基沉降的相关数据，通过与实际数值进行对比判断所提方法测量结果的精确性。

如图4所示为实验建筑的沉降量等值线示意图。其中，K1～K6分别为6个检测点。分析图4可知，沉降等值线分布形式以实验建筑物的中间部分向两边逐渐展开，构成等沉降闭合形式的曲线，该等值线反应出了建筑基底应力的迭代所产生的沉降量最大，两侧相对较小。

图4 实验建筑的沉降量等值线示意图

如图5所示为地基沉降速率随着时间的变化示意图。沉降速率在建筑主体结构封顶过程中会达到最大值，在负荷加载完成之后变得越来越稳定，若不同监测位置沉降速率大致相同，表示建筑已经进入到了地基沉降稳定时期。

图5 沉降速率随着时间的变化示意图

对比应用所提方法得到的建筑地基沉降计算值与实际沉降值之间的差距，计算两者之间的拟合度。拟合度通过剩余平方和进行计算，数值越接近1，越能说明计算值与真实值之间的差距越小。拟合度计算过程如下：

式中：R——拟合度；

q——经计算得到的沉降值；

x——实际沉降值。

拟合度曲线如图6所示。

图6 计算结果准确性曲线

分析图6可知，不同时间段内，基于Duncan-Chang本构模型的高层建筑物地基沉降测量方法的计算结果与实际沉降值间的拟合度始终接近1，证明两者之间的拟合度较高，因此可以说明所提方法能够有效对地基沉降进行计算。这是因为在所提方法中，建筑地基沉降信息数据采集模块由高精确性的位移传感器以及ZigBee网络设备构成，可有效提升地基沉降测量计算过程中所用数据的精确性，在一定程度上提高了沉降计算精度。同时，所提方法在建筑地基沉降监测基础上，利用Duncan-Chang本构模型和分层总和法相互结合，规范了修正表达式，使计算结果更加准确。

3 结束语

建筑地基沉降监测和控制始终是建筑行业的重点课题。针对高层建筑地基沉降监测，本研究提出基于Duncan-Chang本构模型的高层建筑物地基沉降测量及有效控制方法。设计并构建建筑地基沉降监测系统，结合Duncan-Chang本构模型与分层总和法对地基沉降进行计算，并提出了相应的控制策略。