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1、鐵 道 建筑2011 年第 8 期Railway Engineering89文章編號: 1003-1995( 2011) 08-0089-04沉降觀測在高層建筑物糾傾工程中的應用張小兵，王楨，程曉偉( 中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州730000)摘要: 為了揭示沉降觀測在建筑物糾傾過程中能夠提供的變形信息和所起到的重要作用，本文對建筑物糾傾工程中沉降觀測的布置方法、觀測周期、觀測時間以及觀測數據的解讀等進行了詳細的分析和探討。通過沉降觀測結果來指導建筑物糾傾調整糾傾措施和糾傾方向、控制回傾速率等，可以有效保證建筑物回傾過程的“平緩、安全、線性”，直至達到糾傾目標。關鍵詞: 高層建筑物 沉降觀2、測 糾傾中圖分類號: TU753文獻標識碼: B建筑物糾傾是一項技術難度大、影響因素多的技術密集型工作，有人稱之為“繡花工程 ”，建筑物的回傾實質是基礎各個部分的沉降在不斷調整的一個動態過程。在我國，建筑物糾傾技術起步較晚，但二十多年來，經過科研人員和工程技術人員的努力，成功完成了大量的工程實踐，積累了豐富的實戰經驗。然而由于建筑物的多樣性及場地條件的復雜性，采用的糾傾方法也各有不同，至今此類技術仍然主要是以土力學與彈塑性力學理論為基礎，以經驗為依托，以某些成功的相似案例為借鑒，來指導工程實踐，但至今尚未形成系統的理論和科學的工藝。在目前這種技術水平下進行精確的科學計算還存在一定的難度，這就使3、信息化施工顯得尤為重要。對于建筑物糾傾工程，目前采用的監測手段多是從其它領域借鑒過來的方法，如傾斜觀測、沉降觀測等，但是建筑物糾傾有它自己的特點風險高、難度大、對信息的依賴程度強等，這就對監測數據的精度和監測周期提出了更高的要求。雖然現在已經認識到糾傾監測的重要性，也有不少文獻對糾傾工程的監測方法以及精度等問題進行了探討，但是大多仍然停留在個別工程實踐基礎上，極少針對糾傾工程的特點進行系統的分析和研究。監測周期不當、監測數據精度不高、分析處理不到位等問題仍然普遍存在，致使建筑物糾傾過程難度增加、糾傾精度低、糾傾效果不理想。1 工程實例青海師范大學 3 # 住宅樓為鋼筋混凝土框架剪力收稿日期: 4、2011-03-02; 修回日期: 2011-05-16作者簡介: 張小兵( 1983 ) ，男，河南南陽人，助理工程師，碩士。墻結構，地上 30 層，地下 1 層，高 97. 0 m，總重量約300 000 kN，建筑面積 15 896 m2 ; 采用梁板式筏形基礎，基礎埋深 8. 2 m，進入強風化泥巖層 0. 3 m; 抗震設防烈度為七度。2007 年 7 月，青海師大 3 # 樓主體結構封頂后不久，地基便發生不均勻沉降，大樓整體朝北東方向傾斜，此后，差異沉降和傾斜變形與日俱增，截止 2008 年7 月 25 日，大樓朝北方向的傾斜率達 2. 66，朝東方向的傾斜率達 1. 82，大樓頂5、端的最大偏移量達到254. 0 mm，并仍在持續發展惡化，大樓危如壘卵，糾傾加固工程勢在必行。青海師范大學 3 # 樓糾傾加固工程于 2008 年 8 月 24 日正式開工，于 2009 月 1 月 6 日達到糾傾目標，并于同年 8 月份入住，至止目前大樓處于良好的使用狀態。2 糾傾加固措施由于 3 # 樓主體高度 97. 0 m，設計荷載約 300 000 kN，基礎為梁板式筏形基礎，埋深 8. 2 m，如果采用抬升法糾傾，考慮到筏板的剛度，至少需要 250 臺千斤頂，而且需要相當大的施工空間，顯然不可行，因而只能采用迫降法糾傾。經過中鐵西北科學研究院有關技術人員的研究和專家認證，最終確定了6、“豎井內放射狀水平掏土為主，錨索調壓為輔”的綜合糾傾方案。具體糾傾措施為:1) 在大樓迫降區的筏板外緣設置 5 個豎井，作為通道和作業面，在基礎下強風化泥巖層進行放射狀水平掏土，以削減基底受力面積，增大基底應力，促進該側地基下沉( 見圖 1) 。2) 在豎井里暴露出的( 0. 7 m 1. 5 m) 筏板上，每井設置 2 根錨索，錨索深入中風化泥巖 11 m，錨索由 590鐵道建筑August，2011根 s 15. 2 高強度低松弛鋼絞線組成，錨索與千斤頂組成反力系統，在掏土量達到一定程度以后，以錨索的抗拔力作為反力，利用千斤頂對筏板加壓，從而增加大樓西南側的地基沉降量，最終實現糾傾目標。圖7、 1師大 3 # 樓糾傾加固工程平面布置( 單位: kPa)3 沉降觀測方案3. 1 糾傾工程對沉降觀測的要求1) 沉降觀測點布置原則及方法。在糾傾工程中，沉降觀測點的設置一般要求呈縱橫向對稱分布，為能準確反映出傾斜建筑物的回傾情況以及便于數據的整理分析，沉降觀測點要埋設在最能反映建筑物變形特征之處。而且觀測點之間的距離不能過大，特別是建筑物在平面投影上的凹凸部分以及受力較為集中的部位都要設置沉降點，以便更好地掌握建筑物的變形特征、分析建筑物的變形發展趨勢，為糾傾措施的調整提供依據。特別要注意沉降觀測點在工后觀測階段不被破壞或掩蓋。2) 觀測時間、周期及人員要求。傾斜建筑物的沉降觀測受時間和觀8、測人員的嚴格限制，要專人定時定點進行，不得漏測或補測，否則就得不到真實連續的數據，也就無法指導下一步糾傾工作的開展。從事觀測的工作人員應受過專業培訓和熟練掌握設備儀器，具有較強的數據整理分析能力和高度責任感。只有這樣，才能及時、準確地掌握建筑物的沉降變形情況及發展規律。3) 數據的整理分析。沉降觀測數據要及時整理和計算，原始數據要真實可靠，記錄計算要符合施工測量規范的要求，按照依據正確、嚴謹有序、有效的原則進行整理計算。特別是要及時繪制出“點位沉降量曲線”“時間沉降量曲線”“時間傾斜率曲線 ”，為信息化施工提供保障。3. 2 師大 3# 樓的沉降觀測方案師大 3 # 樓糾傾工程中，在充分利用大9、樓原設置的8 個沉降觀測點的基礎上，又在緊臨掏土豎井位置的基礎迫降區短邊增加了 1 個觀測點 ( E4) 、長邊增加了 2 個觀測點 ( E5、E7) ，以便根據沉降觀測數據繪制各邊沉降曲線圖，分析掏土引起的筏板變位是否線性，水準觀測點平面布置見圖 2。圖 2水準觀測點平面布置本工程采用了高精度 Ni004 水準儀，由專人負責定時定期監測大樓各個部位的沉降變形。水準觀測主要分為三個階段，掏土糾傾準備階段，3 d 觀測 1 次; 掏土糾傾階段，1 d 至少 1 次 ( 若出現變位異常，應縮短觀測周期 ) ; 糾傾完成后三個月內，一周 1 次，之后一個月 1 次; 其間根據觀測數據的變化以及施工的10、需要，觀測周期應作適當調整。觀測時間定為上午九點鐘，并應根據溫度變化適當延遲，以增加觀測數據的可比性，觀測結果應及時反饋，便于指導下一步的工作順利開展。4 沉降觀測結果分析及應用在建筑物糾傾工程中，沉降觀測的方法主要是水準觀測，有時也采取其它的一些輔助觀測手段，如液體水準觀測、百分表觀測、位移計觀測等。由于水準觀測操作簡單、數據直觀、而且精度較高，因此在糾傾工程中最為常用。通過沉降觀測 ( 以下只介紹水準觀測 ) 主要可以得到三個方面的信息: 沉降量及沉降差，即目前各觀測點的沉降值及沉降差; 沉降速率，即觀測點在某一時段的平均下沉量; 基礎的變位，即建筑物是否呈線性回傾。圖 3 是根據師大 311、 # 樓 2008 年 8 月 24 日的沉降觀測結果所繪制的“點位沉降量 ”曲線圖，從圖中可以反映出，E1 點的沉降量大，E5 點的沉降量最小，最大沉降差達到 91. 1 mm，基礎向東北方向傾斜; 根據 8 個角點的沉降量，可以得到基礎各邊的沉降差，與對應點之間的距離之比即得到基礎各邊的傾斜率，從而可以對基礎的不均勻沉降程度做出評價，圖 3 中數據顯示，東邊傾斜率為 2. 55，西邊傾斜率為 2. 53，北邊傾斜率為 1. 72，南邊傾斜率為 1. 71，東西兩邊的傾斜率均已超出建筑物地基基礎設計規范的規定值2. 5，東西方向的傾斜仍在規范允許的范圍之內。同2011 年第 8 期沉降觀測在12、高層建筑物糾傾工程中的應用91時可以從圖 3 中看出，東西兩邊的傾斜率大小基本相同，南北兩邊的傾斜率也基本相同，而且各邊觀測點的變位基本構成線性，說明建筑物基礎的沉降基本呈線性狀態，沒有發生扭曲變形。圖 3各測點沉降量曲線( 單位: mm)因此，通過 “點位沉降量 ”曲線圖，既可以對建筑物基礎的傾斜程度做出評價，又可以對建筑物基礎的變位是否線性做出判斷，從而為糾傾過程中干擾作用的施加提供依據。如圖 4 是根據師大 3 # 樓的沉降觀測結果繪制的“時間沉降量”曲線，它是沉降監測結果中最為重要的一種分析方法。對于“時間沉降量 ”曲線，應注意分析以下 8 個方面的內容:1) 對于單點沉降曲線，理論上13、應該是由陡逐漸變緩，沉降變形隨著時間的發展趨于穩定，中間過程中出現小的波動是可能的，波動范圍應在測量誤差范圍之內，如果超出了測量誤差，則說明測量有誤。2) 沉降變形是負值，是累積變形量，一般情況下，沉降量應該逐漸增大，如出現沉降值減小，應屬異常，可能是水準點變化或測量錯誤所致，應進行分析檢查或重測。3) 曲線歸一化后任意一點的斜率即是該點在對應時間點上的沉降速率，任意兩點間的斜率即是該兩點對應的時間段內的平均沉降速率，曲線越陡，說明沉降速率越大; 曲線越緩，說明沉降速率越小。4 ) 對于多點觀測曲線，如果認為基礎剛度足夠大，不會發生變形，則變形曲線之間應符合一定的規律，即對邊的沉降差應相等 (14、 允許有測量誤差存在 ) ，如圖 4 中 1 號觀測點與 4 號觀測點的沉降差等于 5 號觀測點與 8 號觀測點的沉降差; 同理，1、8 觀測點的沉降差應等于 4、5 觀測點的沉降差; 如果沉降差不相等，則應仔細檢查，確定是基礎產生了變形還是測量錯誤。5) 多點觀測曲線間的距離大小代表地基的不均勻沉降程度，距離越小，說明地基的不均勻沉降越小;距離越大，說明地基的不均勻沉降越大，由曲線間距的變化趨勢可以判斷建筑物的地基變形發展方向。6) 如果測量時發現某些觀測點的沉降值減小，但對邊沉降差仍然相等，則屬于合理的抬升，在建筑物上部結構荷載較小時容易出現，荷載較大時則不易出現。如果對邊沉降差不相等，則15、應是異常情況，需要進行認真的檢查復核。7) 所有沉降曲線在 100 d 內的沉降量小于 1 4mm ( 不同的地區采用不同的數值 ) 時，則可判定建筑物地基的沉降已經處于穩定狀態。8) 兩點的沉降差除以兩點的間距即為傾斜率，兩平行邊的平均傾斜率可認為即是建筑物在該方向上的傾斜率。圖 4 中不同的“時間沉降量 ”曲線代表不同的觀測點對應位置大樓地基的變形特征，根據該曲線的整體變化趨勢，可以把師大 3 # 樓的基礎沉降分為 4 個階段進行分析，第一階段從 2007 年 4 月 10 日到 2007年 12 月 14 日，該階段的曲線較陡，為差異沉降的快速發展時期，這個階段，1 號觀測點的沉降發展最16、快，已接近 120 mm，而 5 號觀測點的沉降發展最慢，還不到40 mm，兩曲線之間的距離在逐漸增大; 第二階段從2007 年 12 月 15 日到 2008 年 10 月 15 日，該階段的曲線走勢較為平緩，沉降速率較小，為基礎不均勻沉降緩慢發展階段，8 個觀測點的沉降量最大不超過 30 mm，與前一時期相比可以認為基本上保持不變，但是各個圖 4時間沉降量曲線92鐵道建筑August，2011點的發展趨勢與前一時期完全相同，1 號觀測點與 5 觀測點之間的曲線間距仍在增大，兩個觀測點的沉降差已接近 100 mm，說明基礎的傾斜還在緩慢加劇; 第三階段從 2008 年 10 月 16 日到 17、2009 年 1 月 15 日，該階段的曲線斜率再次變陡，沉降速率再次增大，建筑物的基礎沉降加劇，與前兩個階段不同的是，1 號觀測點位置的地基變形相對較小，還不到 30 mm，而其它各觀測點的沉降都大于 1 號點的沉降量，而且 5 號點的沉降量最大，超過 60 mm，從而使建筑物基礎的不均勻沉降得到一定量的調整。從圖 4 上可以看出 1 號點與 5 號點曲線的間距明顯縮小，大約在 60 mm 左右，因而可以稱為不均勻沉降調整階段; 第四階段從 2009 年 1月 16 日到 2009 年 6 月 2 日，為工后沉降階段，該階段最大沉降差雖然有減小的趨勢，但基本上保持不變，而且各觀測點的沉降變形18、趨于穩定，平均沉降速率為1. 018 mm /d，可認為地基變形已經穩定。如圖 5 所示，是同一棟高層建筑的“時間傾斜率”曲線( 傾斜率由基礎沉降差反算得到 ) ，該曲線更為直接地反映出建筑物的傾斜程度以及建筑傾斜的發展趨勢。圖 5 時間傾斜率曲線圖 5 中明確顯示，從 2007 年 4 月 10 日到 2008 年10 月 15 日之間，大樓一直處于傾斜惡化狀態，盡管在2007 年 12 月 14 日之后大樓的傾斜變化率有所減小，即傾斜的發展速率有所減緩，但大樓的傾斜仍然在不斷加劇，而且已經超過了相關規范的限值; 自 2008 年10 月 15 日至 2009 年 1 月 15 日，由于人為19、的干預，大樓的傾斜率急劇下降，大樓傾斜程度急劇減小，大樓東西方向的傾斜率已經降低到 1. 3 以下，南北方向的傾斜率已降低到 1. 0 以下，都已遠遠低于規范的限值 2. 5，至此即可認為大樓已經處于“豎直 ”狀態;2009 年 1 月 15 日之后，大樓基本上趨于穩定狀態，至此可宣布該大樓的糾傾取得了圓滿成功。5 糾傾成果通過 2 次掏土和 4 次錨索循環加壓，青海師大 3 # 樓于 2009 年 1 月 5 日順利達到了預期糾傾目標，大樓的最大偏移量由糾傾前的 245 mm 回傾到了 125 mm，南北向的傾斜率由 2. 66降低到 0. 88，東西向的傾斜率由 1. 82降低到 1. 220、8( 見圖 5 ) ，并且整個糾傾過程中大樓基礎及上部結構構件沒有產生任何裂縫、損傷現象，糾傾成果十分理想。6 結論1) 建筑物糾傾是一項風險大、難度高、技術要求全面的系統工程，而監測又是指導建筑物糾傾措施調整的依據，也是決定糾傾工程成敗的一個重要因素，因而在建筑物糾傾工程中，必須做好監測工作。2) 對于建筑物糾傾工程，沒有及時、可靠、全面的監測數據作指導，任何糾傾措施的采取都是盲目的、危險的，而沉降觀測的精度為毫米級，能夠提供指導建筑物糾傾工程順利開展的信息要求。3) 在糾傾工程中，沉降觀測是一種主要的監測手段，它能夠全面反映建筑物各個部位的變形特征以及傾斜建筑物的回傾方向、回傾速率、剩余回21、傾量等信息。通過沉降觀測結果來指導建筑物糾傾，可有效保證傾斜建筑物“平穩、安全、線性”回傾。參考文獻1白迪謀 工程建筑物變形觀測與變形分析M 成都: 西南交通大學出版社，20022張磊，鄢權貴，楊先壽 用沉降監測結果指導建筑物的糾偏施工J 城市勘測，2008( 1) : 150-1533程曉偉 青海師大高層住宅樓糾傾加固技術的研究D 北京: 中國鐵道科學研究院，20094陳偉清 高聳建筑物傾斜觀測方法探討J 北京測繪，2002( 3) : 32-355唐業清 建筑物移位糾傾與增層改造M 北京: 中國建筑工業出版社，20086張正祿 工程測量學M 武漢: 武漢大學出版社，20057程軍 建筑物變形監測設計與實施J 海洋測繪，2005，25( 3) : 42-438鄭曉，劉勝群 深基坑工程變形特性及有限元分析J 鐵道建筑，2008( 5) : 89-91( 責任審編王天威)