沉降測量在高層建筑物變形測量中的應(yīng)用

林金標(biāo) 陳志里

福建省地質(zhì)測繪院 福建 福州 350011

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城鎮(zhèn)土地資源供需緊張，為應(yīng)對(duì)這種用地緊張局面，各大城市都在發(fā)展高層建筑，高層建筑可以提高土地資源利用效率，緩解城市用地緊張的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市有限土地資源的充分利用。但是少數(shù)高層建筑物也會(huì)存在安全隱患，地基四周出現(xiàn)沉降不均勻的不安全問題，影響高層建筑物的正常使用，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致高層建筑物出現(xiàn)變形，給高層建筑物的使用造成安全隱患，因此，對(duì)高層建筑物進(jìn)行沉降測量是十分必要的，若發(fā)現(xiàn)沉降變化值超過變形允許值，就要及時(shí)采取必要措施加以防范。下面就高層建筑物變形測量的相關(guān)概念，沉降測量的重要性、主要方法進(jìn)行具體闡述。

1 變形測量概念

變形測量根據(jù)監(jiān)測對(duì)象的不同可分建筑工程、全球性、區(qū)域等三類變形測量，是對(duì)監(jiān)測對(duì)象的水平位移、垂直位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測對(duì)象在發(fā)展過程中也可能會(huì)出現(xiàn)位移或者變形等現(xiàn)象。①建筑工程變形測量是對(duì)建筑物或構(gòu)筑物的場地、地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境受荷載作用下產(chǎn)生的形狀或位置變化進(jìn)行觀測，并對(duì)觀測結(jié)果進(jìn)行處理、表達(dá)和分析的工作[1]，分為沉降和位移兩大類：沉降指豎向的變形，包括下沉和上升，而位移為除沉降外其他變形的統(tǒng)稱，包括水平位移、傾斜、撓度、裂縫、收斂變形、風(fēng)振變形和日照變形等。根據(jù)對(duì)監(jiān)測點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)值變化大小來判斷建筑物是否出現(xiàn)了位移或者變形問題；②全球性變形測量是對(duì)地球自轉(zhuǎn)、地殼變形、潮汐變化等各種自然現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測；③區(qū)域變形測量是對(duì)區(qū)域范圍地球表面出現(xiàn)的沉降或變形狀況開展監(jiān)測工作。

變形測量內(nèi)容主要有水平位移、垂直位移、傾斜、彎曲、裂縫、扭轉(zhuǎn)等方面，還有應(yīng)力、氣壓、溫度、水位等也要納入監(jiān)測內(nèi)容。導(dǎo)致高層建筑物變形主要原因：①水文工程地質(zhì)等條件出現(xiàn)重大變化；②建筑物的結(jié)構(gòu)、荷載等自身產(chǎn)生的影響；③勘測設(shè)計(jì)階段、施工過程等出現(xiàn)瑕疵或不足因素，這些因素都會(huì)增大建筑物發(fā)生變形的概率[2]。通過對(duì)建筑物水平位移觀測的變化值，可以掌握建筑物在水平方向上的變化趨勢，通過對(duì)建筑物垂直位移觀測的變化值，可以掌握建筑物在垂直位移上的變化趨勢，為全面掌握了解建筑物水平位移、垂直位移的變化情況，靜態(tài)測量、動(dòng)態(tài)監(jiān)測都要開展，靜態(tài)測量是周期性測量，動(dòng)態(tài)監(jiān)測是連續(xù)性監(jiān)測。

2 沉降測量重要性

高層建筑物出現(xiàn)的沉降是地基、基礎(chǔ)和上層結(jié)構(gòu)共同作用下的結(jié)果，為保證高層建筑物的正常使用，并為勘察、設(shè)計(jì)、施工等部門提供相應(yīng)的沉降測量數(shù)據(jù)，對(duì)高層建筑物開展沉降測量的必要性和重要性愈加突出，沉降測量就是為了全面了解掌握高層建筑物的沉降變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高層建筑物發(fā)生不利的沉降現(xiàn)象，以便采取科學(xué)有效措施，減少風(fēng)險(xiǎn)隱患，確保建筑物正常使用。

2.1 及時(shí)發(fā)現(xiàn)高層建筑物地基變形問題

層數(shù)不太多的建筑物往往采用天然地基或人工地基，若不注意沉降驗(yàn)算及不對(duì)淺層的軟弱土層進(jìn)行處理的，這類建筑物建成后會(huì)發(fā)生較大沉降現(xiàn)象，可能引起嚴(yán)重的基礎(chǔ)沉降問題，甚至因不均勻沉降造成房屋開裂、傾斜。在軟土地區(qū)建造高層或小高層建筑需要采用樁基礎(chǔ)，一是因地基承載力不夠，需要采用樁基礎(chǔ)將上部結(jié)構(gòu)荷載傳到深層土，二是因地基土?xí)a(chǎn)生比較大的下沉，采用樁基礎(chǔ)來減弱因地基土發(fā)生下沉而引起高層建筑物沉降[3]。高層建筑物所有荷載全部由地基承擔(dān)，這就要求地基要有較高的承載能力，還需要地基的沉降量保持相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)地基進(jìn)行沉降測量，可以全面地掌握了解高層建筑物的沉降情況，通過沉降測量數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑物地基的變形趨勢。

2.2 減少高層建筑物風(fēng)險(xiǎn)隱患

高層建筑地基承載力是受基礎(chǔ)和上層結(jié)構(gòu)共同作用的，要加強(qiáng)重視影響地基承載力的因素。建筑工程設(shè)計(jì)時(shí)，在計(jì)算高層建筑物地基承載力必須對(duì)各方面的影響因素要進(jìn)行全面考慮，若地基承載力的設(shè)計(jì)值與地基的實(shí)際承載力出現(xiàn)偏差，則會(huì)直接影響高層建筑物施工時(shí)發(fā)生不均勻沉降的概率就會(huì)進(jìn)一步增大，使高層建筑物出現(xiàn)一些破壞性問題，增大高層建筑物在使用過程中的風(fēng)險(xiǎn)隱患，通過沉降測量可以有效發(fā)現(xiàn)這一風(fēng)險(xiǎn)隱患，有利于減少高層建筑物的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2.3 減少自然環(huán)境影響程度

除地基條件會(huì)導(dǎo)致高層建筑物發(fā)生沉降問題外，土壤溫度、濕度、地下水位等因素的變化也會(huì)引起高層建筑物發(fā)生沉降情況，在不受到這些因素影響下，高層建筑物的受力是處在一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，若高層建筑物附近的地下水被過度抽取，會(huì)導(dǎo)致地下水位明顯降低，高層建筑物容易發(fā)生不均勻沉降問題，因此，高層建筑物受到自然因素的變化對(duì)其影響也是較大的，會(huì)導(dǎo)致高層建筑物發(fā)生沉降情況[4]。

此外,降水、風(fēng)化、太陽輻射等惡劣天氣，這些因素也會(huì)對(duì)建筑物外表造成一定影響，引起高層建筑物發(fā)生變形現(xiàn)象。通過對(duì)高層建筑物進(jìn)行沉降測量，掌握高層建筑物的變形情況，以便采取科學(xué)技術(shù)手段減少自然環(huán)境的影響程度。

3 沉降測量方法

高層建筑物變形測量中，沉降測量的應(yīng)用則是較為廣泛。建筑物變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，通過沉降測量幫助我們掌握高層建筑物監(jiān)測點(diǎn)的變化情況，將測量所得數(shù)據(jù)作為依據(jù)，并開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析工作。沉降測量工作中主要采用水準(zhǔn)測量、GNSS測量等方法，但具體也要根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的測量方法。

3.1 水準(zhǔn)測量

水準(zhǔn)測量是沉降觀測中常用的測量方法。在高層建筑物的沉降測量中，采用水準(zhǔn)測量方法可以消除大氣折射引起的誤差，可以非常準(zhǔn)確地測出垂直位移結(jié)果，為使沉降測量結(jié)果能真實(shí)反映建筑物的變化值，作業(yè)人員要嚴(yán)格執(zhí)行變形監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和作業(yè)流程。

3.2 GNSS測量

隨著GNSS測量技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS測量技術(shù)在測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在各行各業(yè)中扮演著十分重要的角色。GNSS測量可以實(shí)現(xiàn)全球定位導(dǎo)航測量，在高層建筑物的沉降測量中，GNSS測量技術(shù)發(fā)揮了重要作用，可以對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行全天候高精度的測量，GNSS測量具有覆蓋面積廣、精確高、操作簡便、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，GNSS測量技術(shù)可以提高對(duì)高層建筑物沉降測量的準(zhǔn)確性，簡化了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程。

4 水準(zhǔn)測量應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

工程位于福州市區(qū)某廣場，現(xiàn)對(duì)該小區(qū)7#住宅樓進(jìn)行沉降觀測，寬14.5m，長52.0m，地面17層，地下1層，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為乙級(jí)。

4.2 技術(shù)依據(jù)

（1）《工程測量規(guī)范》 GB 50026-2007

（2）《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》GB/T 12897-2006

（3）《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ 8-2016)

4.3 技術(shù)要求

水準(zhǔn)測量等級(jí)：根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》(J G J 8-2016)的要求，本項(xiàng)目采用二等水準(zhǔn)精度要求進(jìn)行沉降觀測，測站高差中誤差為0.5mm。

高程基準(zhǔn)：采用1985高程基準(zhǔn)。

儀器設(shè)備：根據(jù)本項(xiàng)目工程建筑物沉降觀測的精度要求，外業(yè)觀測采用徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀、因瓦條碼標(biāo)尺，所用儀器均經(jīng)儀器檢定部門檢定合格，且在有效期內(nèi)。

觀測方法：根據(jù)《規(guī)范》要求，基準(zhǔn)點(diǎn)采用往返觀測法，監(jiān)測點(diǎn)采用單程觀測法。觀測順序：奇數(shù)站：后一前一前一后，偶數(shù)站：前一后一后一前。每天開始觀測前，需對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行i角值測定，i角值均應(yīng)小于15"。觀測前半小時(shí)，應(yīng)把水準(zhǔn)儀放于陰涼處，讓儀器溫度與外界氣溫基本接近后才開始作業(yè)。

沉降基準(zhǔn)點(diǎn)、沉降工作基點(diǎn)的布設(shè)及觀測：根據(jù)施工場地條件，布設(shè)4個(gè)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)、3沉降工作基點(diǎn)，便于后期開展沉降觀測，編號(hào)分別為E1～E4、F1～F3，沉降基準(zhǔn)點(diǎn)、沉降工作基點(diǎn)的制作、埋石符合《規(guī)范》要求，滿足沉降觀測的使用?；鶞?zhǔn)網(wǎng)的布網(wǎng)、觀測、計(jì)算均滿足二等水準(zhǔn)精度的要求，可以作為沉降監(jiān)測點(diǎn)的起算數(shù)據(jù)使用。

沉降監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)及觀測：根據(jù)施工現(xiàn)場情況，布設(shè)建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)12個(gè)，編號(hào)為7-1～7-12。沉降監(jiān)測點(diǎn)的制作、埋石符合《規(guī)范》的要求，滿足沉降觀測的需要。按照二等水準(zhǔn)精度測量要求，沉降監(jiān)測點(diǎn)與工作基點(diǎn)聯(lián)測，采用單程觀測，組成附合水準(zhǔn)路線進(jìn)行平差計(jì)算。

觀測周期（施工階段）：在建筑物1層澆注完后，埋設(shè)好沉降監(jiān)測標(biāo)志，并進(jìn)行首次測量，其它時(shí)段在建筑物每澆注2層測量1次，直至主體封頂為止，具體測量次數(shù)為：1層、3層、5層、7層、9層、11層、13層、15層、17層，共測量9次。

觀測周期（運(yùn)營階段）：在建筑物竣工后第一年每隔3個(gè)月測量1次，第二年每隔5個(gè)月測量1次，第三年后每年測量1次，直至建筑物沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)，共測量8次。若出現(xiàn)沉降不均勻嚴(yán)重問題，或裂縫迅速發(fā)展擴(kuò)大趨勢，要求每日或連續(xù)多日進(jìn)行測量。

本工程沉降觀測從2018年07月10日起，2021年11月02日結(jié)束，施工階段、竣工階段共測量17次。經(jīng)平差計(jì)算出各沉降監(jiān)測點(diǎn)的高程、累積沉降量、總沉降趨勢、平均沉降速度等（見表1），時(shí)間～荷載～沉降量曲線圖（見圖1）。

圖1 時(shí)間～荷載～沉降量曲線圖

表1 7#樓監(jiān)測點(diǎn)觀測累計(jì)沉降量統(tǒng)計(jì)表

通過以上累計(jì)沉降量統(tǒng)計(jì)表、時(shí)間～荷載～沉降量曲線圖，經(jīng)分析表明：

a.各監(jiān)測點(diǎn)沉降累計(jì)變化量均為下降，變化值范圍在-13.85mm～-21.17mm之間。

b.累計(jì)沉降差最大為7.32mm，最大傾斜度為0.14‰，小于《規(guī)范》規(guī)定傾斜度3‰限差。

c.最后百日的沉降觀測結(jié)果:日平均沉降量為0.002mm/d，滿足《規(guī)范》要求，即可判定該高層建筑物在施工階段逐步趨于穩(wěn)定。

d.平均沉降量在荷載不斷增加過程中，各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量也隨著發(fā)生變化，但到了2018年11月份后平均沉降量趨于平穩(wěn)，即可判定該高層建筑物在運(yùn)營階段趨于穩(wěn)定。

e.累計(jì)沉降量和下沉速度數(shù)值均比較小，各監(jiān)測點(diǎn)沉降量差值均在限差允許值之內(nèi)，未達(dá)到規(guī)定的預(yù)警值，已進(jìn)入穩(wěn)定安全狀態(tài)，該高層建筑物達(dá)到規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，無需繼續(xù)測量。

5 結(jié)語

綜上所述，高層建筑物的沉降測量已成為全社會(huì)必須關(guān)注的問題。高層建筑物在施工階段隨著荷載的增加對(duì)建筑物的基本穩(wěn)定產(chǎn)生影響，容易導(dǎo)致沉降不均勻問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致高層建筑物傾斜或裂縫現(xiàn)象，影響高層建筑物的建設(shè)和使用安全，因此，我們必須對(duì)高層建筑物進(jìn)行沉降測量，全面掌握了解高層建筑物的沉降情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高層建筑物存在的安全隱患，為消除安全隱患提供準(zhǔn)確、翔實(shí)的測量數(shù)據(jù)。