賈斌，田偉，王磊，董曉峰，馬聯(lián)濤，徐鵬

(西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

1 引 言

城市建筑中的高層建筑物由于體形大、高度高、形狀多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得其在施工過程中會伴隨著一個長時間序列的沉降過程，目前高層建筑物的沉降觀測已成為工程建設(shè)必須進行的工作［1］?，F(xiàn)行規(guī)范中采用最后100 d的容許沉降量和沉降速率作為穩(wěn)定控制指標(biāo)，給出了適用于我國大部分地區(qū)的沉降控制值，但考慮到不同地區(qū)地基土的壓縮性能不同，且相應(yīng)的工程地質(zhì)條件也不同，因此，探尋適合某一區(qū)域的高層建筑物穩(wěn)定沉降控制值成為一項勢在必行的工作。

西安地處典型的濕陷性黃土地區(qū)，黃土層厚度大，呈松散、多孔結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在一定壓力下，尤其是受水浸濕后，土體結(jié)構(gòu)會迅速破壞并產(chǎn)生顯著附加下沉［2］，對建筑物帶來不同程度的危害。本文利用西安地區(qū)2004年～2013年的沉降觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合不同城區(qū)位置的黃土特性，分析了城南、城北、城東、城西4 個大范圍內(nèi)高層建筑物的長期沉降特性，并采用指數(shù)函數(shù)模型預(yù)測了研究區(qū)內(nèi)建筑物的穩(wěn)定沉降量，根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果探求了高層建筑物主體的沉降量控制值，為濕陷性黃土地區(qū)建筑物沉降穩(wěn)定控制值的確定提供了理論依據(jù)和參考。

2 西安地區(qū)高層建筑物長期沉降特性分析

為研究西安濕陷黃土地區(qū)高層建筑物的長期沉降特性，從已有觀測數(shù)據(jù)中篩選200 幢具有區(qū)域特點的已有建筑進行西安地區(qū)高層建筑物長期沉降發(fā)展特性的分析，這些高層建筑物均地處典型的地質(zhì)條件場地內(nèi)，能夠表征該區(qū)域內(nèi)的整體沉降特性，共包括城南60 幢、城北48 幢、城東49 幢、城西43 幢高層建筑物，其中43 幢為10 層～12 層建筑物，65 幢為13 層～25層建筑物，92 幢為26 層～35 層建筑物。

2.1 西安地區(qū)工程地質(zhì)概況

西安城南地區(qū)以黃土梁洼地貌為主，西北部有部分沖積平原三級階地，其下分布有中、粗砂與粉質(zhì)黏土層;城北區(qū)域地處渭河的沖洪積平原，地貌包括渭河一級階地和二級階地，由于渭河一級階地的黃土為非自重濕陷性黃土，濕陷等級為一級，對工程建設(shè)的危害性較小，而渭河二級階地為自重濕陷性區(qū)，自重濕陷量δ為7.9 cm～33.76 cm，屬于濕陷較嚴重區(qū)域;城東地處浐、灞河沖洪積平原，地貌包括了一級階地、二級階地、三級階地，堆積物由晚更新世黃土和砂卵礫石構(gòu)成，其中二級階地主要分布于浐河?xùn)|岸，為自重濕陷性黃土，三級階地分布在浐河?xùn)|西兩岸，西岸西至幸福路，東岸東至紡織城紡正街，包括自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土，為較為嚴重的濕陷區(qū)域;城西區(qū)域主要為皂河的沖洪積平原，包括了皂河二、三級階地和渭河的三級階地，黃土層厚約10 m左右，二、三級階地既有非自重濕陷性黃土，也有自重濕陷性黃土，自重濕陷量δ 為9.03 cm～17.57 cm，濕陷下界深度約12 m［3］。

2.2 長期沉降特性

綜合分析四大城區(qū)場地內(nèi)地質(zhì)條件的特殊性，結(jié)合高層建筑物的沉降觀測數(shù)據(jù)，不同城區(qū)場地上高層建筑物典型沉降發(fā)展曲線如圖1 所示。

圖1 西安濕陷性黃土地區(qū)高層建筑物長期沉降發(fā)展曲線

從圖1 中可以看出，城南區(qū)域內(nèi)的高層建筑物最大累積沉降量為 20.5 mm，最小累積沉降量為9.5 mm，最大、最小與正常累積沉降量曲線較為接近，整體表現(xiàn)無顯著差異，位于該地區(qū)的高層建筑物主體沉降整體平緩，無較大的下沉出現(xiàn);城北區(qū)域內(nèi)的高層建筑物累積沉降量位于21.4 mm～6.6 mm之間，最大、最小與正常累積沉降量曲線整體走向趨勢相同，但不同的地質(zhì)條件使得該區(qū)域范圍內(nèi)的高層建筑物沉降量表現(xiàn)出較為顯著的差異;城東區(qū)域內(nèi)高層建筑物的最大累積沉降量為25.97 mm，最小累積沉降量為9.16 mm，區(qū)域內(nèi)累積沉降量的正常水平處于12.5 mm左右，整體沉降差異小，累積沉降量均處于較大的下沉水平;城西區(qū)域內(nèi)高層建筑物的沉降量較大，但相互的差異較為均勻，從圖中可以看出，最大的累積沉降量達到了28.0 mm，最小累積沉降量為5.5 mm，整個區(qū)域的正常沉降量大約為13.0 mm左右，屬于較嚴重的濕陷區(qū)域。

總的看來，由于西安濕陷性黃土特性在城區(qū)不同位置的作用不盡相同，分別具有其獨特的地質(zhì)構(gòu)造條件，使得不同城區(qū)位置場地上高層建筑物的長期沉降發(fā)展曲線差別較大。以最大累積沉降量為對比，參照不同區(qū)域的濕陷等級，結(jié)合200 多幢高層建筑物的沉降觀測數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論:從總體來看，西安城區(qū)西北方向的大白楊、小白楊一帶，城北的龍首村至張家堡范圍內(nèi)以及城東幸福路、紡織城和浐灞河等區(qū)域為濕陷性較為嚴重的區(qū)域，高層建筑物沉降較大，不同城區(qū)的累積沉降量大小排序為:城西＞城東＞城北＞城南。

3 穩(wěn)定沉降量分析與預(yù)測

3.1 預(yù)測模型選擇

大量實測資料表明，建筑物在接近完工及完工后一段時間內(nèi)，沉降量與時間呈現(xiàn)出緩慢變化，可認為是非線性函數(shù)關(guān)系，一般近似于雙曲線或指數(shù)曲線關(guān)系［4］。從兩種數(shù)學(xué)模型對實測資料的模擬情況看，一般情況下兩種方法所得的經(jīng)驗公式均方差較小，而且相互接近，都能滿足沉降計算的精度要求。但從推算的最終沉降看，雙曲線模型推算的值偏大，指數(shù)曲線在最初一段和實際相差較大。從沉降產(chǎn)生和發(fā)展的機理角度看，雙曲線模型并不能解釋其本質(zhì)的原因，而指數(shù)曲線能夠反映流變學(xué)的物理特性，當(dāng)實測沉降曲線歷時很長時，用指數(shù)曲線推算更接近實際情況［5］。

當(dāng)沉降曲線為指數(shù)函數(shù)時，沉降量與時間的函數(shù)關(guān)系可表達為:

式中，S 為最終穩(wěn)定沉降量;St為任意時間t 的沉降量;t 為觀測時間;m 為沉降系數(shù);e 為自然對數(shù)之底(2.7183)。

為解算S 和m，可對式(1)求微分，化為線性關(guān)系式:

即可解出沉降系數(shù)m 和穩(wěn)定沉降量S。

3.2 穩(wěn)定沉降量預(yù)測

參照上述指數(shù)函數(shù)法，對西安地區(qū)其他高層建筑物進行相應(yīng)的穩(wěn)定沉降量估算，得出如表1 所示結(jié)果。

西安地區(qū)典型高層建筑物穩(wěn)定沉降量預(yù)測值 表1

從表1 中可以看出，不同城區(qū)場地不同建筑物層數(shù)情況下的最終穩(wěn)定沉降量存在顯著差異。從城區(qū)位置分析，城南區(qū)域最大的穩(wěn)定沉降量預(yù)測值為34.08 mm，最小的沉降量為13.63 mm，平均穩(wěn)定沉降量為22.58 mm;城北區(qū)域的穩(wěn)定沉降量預(yù)測值則位于14.22 mm～40.62 mm，整體沉降量跨度較大;城東區(qū)域的穩(wěn)定沉降量預(yù)測值介于21.99 mm～33.68 mm之間，整體沉降量較大;城西區(qū)域的穩(wěn)定沉降量預(yù)測值最大為34.15mm，最小為12.91 mm，平均穩(wěn)定沉降量為24.87 mm。

從不同層高分析，西安濕陷性黃土地區(qū)層高介于10 層～12 層的典型高層建筑物穩(wěn)定沉降量的預(yù)測值為13.63 mm～33.68 mm，平均穩(wěn)定沉降量達到了22.64 mm;13 層～25 層建筑物的穩(wěn)定沉降量最大值為29.72 mm，最小值為12.91 mm，整體沉降水平較為平均，無大幅度差異;26 層～35 層建筑物的穩(wěn)定沉降量預(yù)測值則位于18.18 mm～40.62 mm，沉降量的最大值與最小值均位于城北區(qū)域，差異顯著，這主要與其典型的黃土地質(zhì)條件相關(guān)。

總體看來，城南區(qū)域10 層～12 層建筑物的穩(wěn)定沉降量較為均一，無顯著差異;城北區(qū)域26 層～35 層建筑物的沉降量差異較大;城東區(qū)域的高層建筑物穩(wěn)定沉降量較為集中，整體均處于沉降量大的水平(均大于20 mm);城西區(qū)域26～35 層建筑物的穩(wěn)定沉降量均大于30 mm，屬于沉降較為嚴重的場地。

此外，觀測數(shù)據(jù)表明，高層建筑物在竣工至最終沉降穩(wěn)定期間，雖然沉降速率較為緩慢，但持續(xù)時間遠遠大于建筑物的建設(shè)時間，其后期的累積沉降量往往具有較大數(shù)值，使得穩(wěn)定沉降量較竣工時又增加了將近30%，這可能是由于使用過程中建筑物自身以外的荷載在不斷增加，在一定程度上造成了建筑物沉降速率低、持續(xù)時間長的緩慢沉降狀態(tài)。

3.3 建筑物階段沉降量分析

根據(jù)高層建筑物沉降的發(fā)展特性，結(jié)合工程施工進度，可以將建筑物的沉降－時間曲線劃分為以下幾個時間節(jié)點:①建筑物竣工階段，即建造完工時，建筑物大部分荷載施加已經(jīng)完成;②竣工1 a后，所有荷載施加基本完成;③竣工2 a時段，荷載已不增加;④穩(wěn)定時期。把各個階段的沉降量與最終沉降量作一比較，就可以得到各階段沉降所占的比例，即沉降完成情況［6］。表2 給出了西安不同城區(qū)場地內(nèi)高層建筑物各階段的實測沉降量。

不同城區(qū)場地內(nèi)高層建筑物各階段的實測沉降量 表2

表2 中各個階段沉降量和百分比的最大值、最小值和平均值分別是由該區(qū)域內(nèi)數(shù)幢典型高層建筑物的在不同施工階段的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的，分別代表了某一發(fā)展階段內(nèi)沉降量和沉降完成情況的極值和平均值，可以反映該區(qū)域內(nèi)高層建筑物沉降發(fā)展的普遍規(guī)律。表中的數(shù)據(jù)表明:建筑物竣工時，西安地區(qū)高層建筑物產(chǎn)生的平均沉降量為4.91 mm～9.70 mm，完成沉降已達41.9%～65.4%，其中以城北區(qū)域的累積沉降量和沉降完成比例最大;竣工1 a后，不同城區(qū)范圍內(nèi)高層建筑物的平均沉降量達到了7.83 mm～12.4 mm，此時的沉降量已完成54%～81.7%，城北區(qū)域仍然具有最大的累積平均沉降量和完成情況;竣工2a 后，城北區(qū)域的平均沉降量已達到12.94 mm，平均完成比例為87.8%，這一時期完成比例最大的為城南區(qū)域，其完成百分比達到了88.8%，平均沉降量則為11.55 mm;當(dāng)建筑物進入穩(wěn)定時期時，它們的平均沉降量為12.89 mm～15.44 mm，城西區(qū)域的最大沉降量已達到了29.61 mm，相對較小的城南區(qū)域最大沉降量也已達到22.67 mm。

高層建筑物一般施工1.0 a～1.5 a就可竣工，竣工時沉降完成比例已達41.9%～65.4%，在竣工2 a后沉降已完成86.4%～88.8%。在以后的較長時間，高層建筑物進入沉降穩(wěn)定階段，沉降速率慢，完成最終沉降量一般需要2 a～5 a。

4 沉降量穩(wěn)定控制值計算

實際沉降觀測工作中，保障工程建設(shè)的安全性需要實時準確的觀測數(shù)據(jù)作為支撐，累積沉降量作為直觀反映建筑物沉降情況的動態(tài)指標(biāo)之一，能夠最大限度地給予工程參考價值。高層建筑物在基坑開挖－主體封頂－投入使用這一建設(shè)過程中，施工階段由于荷載不斷增加、各類影響因素復(fù)雜，使得竣工之前的沉降監(jiān)測成為最重要觀測階段，加之竣工后沉降觀測周期變長、實時性變差，難以反映建筑物的沉降動態(tài)。因此，竣工時的沉降量成為高層建筑物沉降觀測歷時中不可或缺的關(guān)鍵指標(biāo)，對竣工時的累積沉降量加以控制能夠保障建筑物的順利施工和安全使用。

在掌握西安濕陷性黃土地區(qū)不同城區(qū)場地內(nèi)高層建筑物的沉降完成情況后，結(jié)合上文通過指數(shù)函數(shù)法預(yù)測的建筑物最終穩(wěn)定沉降量(表1)，就可以得出高層建筑物在竣工時累積沉降量的控制值。從保證建筑物安全的角度出發(fā)，結(jié)合實際可操作性，并考慮到控制值的預(yù)警性，建筑物最終穩(wěn)定沉降量S 取最大值，而竣工時建筑物沉降的完成比例α 取65%，就可以得到西安濕陷性黃土地區(qū)高層建筑物竣工完成時的累積沉降量控制值S竣=S*0.65。表3 給出了不同層高建筑物的竣工累積沉降量的通用控制值。表中的穩(wěn)定沉降量是在剔除具有顯著差異的離散值之后得到的，且為能夠指導(dǎo)實際工作，將得到的竣工累積沉降量取整作為最終的沉降量控制值(竣工)。

西安地區(qū)高層建筑物累積沉降量控制值(竣工) 表3

5 結(jié) 語

本文通過分析近十年間的沉降觀測數(shù)據(jù)，得出了西安濕陷性黃土地區(qū)高層建筑物的長期沉降特性，探求了高層建筑物的穩(wěn)定沉降量，并初步得到了沉降量控制值(竣工)，取得了一些有益結(jié)論。

(1)西安不同城區(qū)位置場地內(nèi)地質(zhì)工程條件不盡相同，由此造成了不同區(qū)域高層建筑物的長期沉降發(fā)展特性差異較大，不同城區(qū)的累積沉降量大小排序為:城西＞城東＞城北＞城南。

(2)指數(shù)函數(shù)模型在高層建筑物最終穩(wěn)定沉降量預(yù)測方面具有良好效果，不同城區(qū)場地內(nèi)不同建筑物層數(shù)的最終穩(wěn)定沉降量存在顯著差異。

(3)高層建筑物竣工時，西安地區(qū)高層建筑物產(chǎn)生的平均沉降量為4.91 mm～9.70 mm，完成沉降已達41.9%～65.4%，竣工1 a后，沉降量已完成54%～81.7%，竣工2a 后沉降已完成86.4%～88.8%。

(4)以竣工完成時的累積沉降量為衡量指標(biāo)，得出西安濕陷性黃土地區(qū)高層建筑物的沉降量控制值S竣=S* 0.65，其中10 層～12 層、13 層～25 層、26 層～35 層的控制值分別為19.00 mm、20.00 mm和24.00 mm。

本文得出的結(jié)論基本上體現(xiàn)了西安全市范圍內(nèi)高層建筑物的沉降發(fā)展特性，為高層建筑物的勘察、設(shè)計和施工提供了一定的參考依據(jù)，也為濕陷性黃土地區(qū)建筑物沉降安全預(yù)警值的確定提供了理論依據(jù)。

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