西安湿陷性黄土地区高层建筑物沉降分析与稳定控制值研究

贾斌，田伟，王磊，董晓峰，马联涛，徐鹏

(西安市勘察测绘院，陕西 西安 710054)

1 引 言

城市建筑中的高层建筑物由于体形大、高度高、形状多样且结构复杂，使得其在施工过程中会伴随着一个长时间序列的沉降过程，目前高层建筑物的沉降观测已成为工程建设必须进行的工作［1］。现行规范中采用最后100 d的容许沉降量和沉降速率作为稳定控制指标，给出了适用于我国大部分地区的沉降控制值，但考虑到不同地区地基土的压缩性能不同，且相应的工程地质条件也不同，因此，探寻适合某一区域的高层建筑物稳定沉降控制值成为一项势在必行的工作。

西安地处典型的湿陷性黄土地区，黄土层厚度大，呈松散、多孔结构状态，在一定压力下，尤其是受水浸湿后，土体结构会迅速破坏并产生显著附加下沉［2］，对建筑物带来不同程度的危害。本文利用西安地区2004年～2013年的沉降观测数据，结合不同城区位置的黄土特性，分析了城南、城北、城东、城西4 个大范围内高层建筑物的长期沉降特性，并采用指数函数模型预测了研究区内建筑物的稳定沉降量，根据统计分析结果探求了高层建筑物主体的沉降量控制值，为湿陷性黄土地区建筑物沉降稳定控制值的确定提供了理论依据和参考。

2 西安地区高层建筑物长期沉降特性分析

为研究西安湿陷黄土地区高层建筑物的长期沉降特性，从已有观测数据中筛选200 幢具有区域特点的已有建筑进行西安地区高层建筑物长期沉降发展特性的分析，这些高层建筑物均地处典型的地质条件场地内，能够表征该区域内的整体沉降特性，共包括城南60 幢、城北48 幢、城东49 幢、城西43 幢高层建筑物，其中43 幢为10 层～12 层建筑物，65 幢为13 层～25层建筑物，92 幢为26 层～35 层建筑物。

2.1 西安地区工程地质概况

西安城南地区以黄土梁洼地貌为主，西北部有部分冲积平原三级阶地，其下分布有中、粗砂与粉质黏土层;城北区域地处渭河的冲洪积平原，地貌包括渭河一级阶地和二级阶地，由于渭河一级阶地的黄土为非自重湿陷性黄土，湿陷等级为一级，对工程建设的危害性较小，而渭河二级阶地为自重湿陷性区，自重湿陷量δ为7.9 cm～33.76 cm，属于湿陷较严重区域;城东地处浐、灞河冲洪积平原，地貌包括了一级阶地、二级阶地、三级阶地，堆积物由晚更新世黄土和砂卵砾石构成，其中二级阶地主要分布于浐河东岸，为自重湿陷性黄土，三级阶地分布在浐河东西两岸，西岸西至幸福路，东岸东至纺织城纺正街，包括自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土，为较为严重的湿陷区域;城西区域主要为皂河的冲洪积平原，包括了皂河二、三级阶地和渭河的三级阶地，黄土层厚约10 m左右，二、三级阶地既有非自重湿陷性黄土，也有自重湿陷性黄土，自重湿陷量δ 为9.03 cm～17.57 cm，湿陷下界深度约12 m［3］。

2.2 长期沉降特性

综合分析四大城区场地内地质条件的特殊性，结合高层建筑物的沉降观测数据，不同城区场地上高层建筑物典型沉降发展曲线如图1 所示。

图1 西安湿陷性黄土地区高层建筑物长期沉降发展曲线

从图1 中可以看出，城南区域内的高层建筑物最大累积沉降量为 20.5 mm，最小累积沉降量为9.5 mm，最大、最小与正常累积沉降量曲线较为接近，整体表现无显著差异，位于该地区的高层建筑物主体沉降整体平缓，无较大的下沉出现;城北区域内的高层建筑物累积沉降量位于21.4 mm～6.6 mm之间，最大、最小与正常累积沉降量曲线整体走向趋势相同，但不同的地质条件使得该区域范围内的高层建筑物沉降量表现出较为显著的差异;城东区域内高层建筑物的最大累积沉降量为25.97 mm，最小累积沉降量为9.16 mm，区域内累积沉降量的正常水平处于12.5 mm左右，整体沉降差异小，累积沉降量均处于较大的下沉水平;城西区域内高层建筑物的沉降量较大，但相互的差异较为均匀，从图中可以看出，最大的累积沉降量达到了28.0 mm，最小累积沉降量为5.5 mm，整个区域的正常沉降量大约为13.0 mm左右，属于较严重的湿陷区域。

总的看来，由于西安湿陷性黄土特性在城区不同位置的作用不尽相同，分别具有其独特的地质构造条件，使得不同城区位置场地上高层建筑物的长期沉降发展曲线差别较大。以最大累积沉降量为对比，参照不同区域的湿陷等级，结合200 多幢高层建筑物的沉降观测数据，可以得到如下结论:从总体来看，西安城区西北方向的大白杨、小白杨一带，城北的龙首村至张家堡范围内以及城东幸福路、纺织城和浐灞河等区域为湿陷性较为严重的区域，高层建筑物沉降较大，不同城区的累积沉降量大小排序为:城西＞城东＞城北＞城南。

3 稳定沉降量分析与预测

3.1 预测模型选择

大量实测资料表明，建筑物在接近完工及完工后一段时间内，沉降量与时间呈现出缓慢变化，可认为是非线性函数关系，一般近似于双曲线或指数曲线关系［4］。从两种数学模型对实测资料的模拟情况看，一般情况下两种方法所得的经验公式均方差较小，而且相互接近，都能满足沉降计算的精度要求。但从推算的最终沉降看，双曲线模型推算的值偏大，指数曲线在最初一段和实际相差较大。从沉降产生和发展的机理角度看，双曲线模型并不能解释其本质的原因，而指数曲线能够反映流变学的物理特性，当实测沉降曲线历时很长时，用指数曲线推算更接近实际情况［5］。

当沉降曲线为指数函数时，沉降量与时间的函数关系可表达为:

式中，S 为最终稳定沉降量;St为任意时间t 的沉降量;t 为观测时间;m 为沉降系数;e 为自然对数之底(2.7183)。

为解算S 和m，可对式(1)求微分，化为线性关系式:

即可解出沉降系数m 和稳定沉降量S。

3.2 稳定沉降量预测

参照上述指数函数法，对西安地区其他高层建筑物进行相应的稳定沉降量估算，得出如表1 所示结果。

西安地区典型高层建筑物稳定沉降量预测值 表1

从表1 中可以看出，不同城区场地不同建筑物层数情况下的最终稳定沉降量存在显著差异。从城区位置分析，城南区域最大的稳定沉降量预测值为34.08 mm，最小的沉降量为13.63 mm，平均稳定沉降量为22.58 mm;城北区域的稳定沉降量预测值则位于14.22 mm～40.62 mm，整体沉降量跨度较大;城东区域的稳定沉降量预测值介于21.99 mm～33.68 mm之间，整体沉降量较大;城西区域的稳定沉降量预测值最大为34.15mm，最小为12.91 mm，平均稳定沉降量为24.87 mm。

从不同层高分析，西安湿陷性黄土地区层高介于10 层～12 层的典型高层建筑物稳定沉降量的预测值为13.63 mm～33.68 mm，平均稳定沉降量达到了22.64 mm;13 层～25 层建筑物的稳定沉降量最大值为29.72 mm，最小值为12.91 mm，整体沉降水平较为平均，无大幅度差异;26 层～35 层建筑物的稳定沉降量预测值则位于18.18 mm～40.62 mm，沉降量的最大值与最小值均位于城北区域，差异显著，这主要与其典型的黄土地质条件相关。

总体看来，城南区域10 层～12 层建筑物的稳定沉降量较为均一，无显著差异;城北区域26 层～35 层建筑物的沉降量差异较大;城东区域的高层建筑物稳定沉降量较为集中，整体均处于沉降量大的水平(均大于20 mm);城西区域26～35 层建筑物的稳定沉降量均大于30 mm，属于沉降较为严重的场地。

此外，观测数据表明，高层建筑物在竣工至最终沉降稳定期间，虽然沉降速率较为缓慢，但持续时间远远大于建筑物的建设时间，其后期的累积沉降量往往具有较大数值，使得稳定沉降量较竣工时又增加了将近30%，这可能是由于使用过程中建筑物自身以外的荷载在不断增加，在一定程度上造成了建筑物沉降速率低、持续时间长的缓慢沉降状态。

3.3 建筑物阶段沉降量分析

根据高层建筑物沉降的发展特性，结合工程施工进度，可以将建筑物的沉降－时间曲线划分为以下几个时间节点:①建筑物竣工阶段，即建造完工时，建筑物大部分荷载施加已经完成;②竣工1 a后，所有荷载施加基本完成;③竣工2 a时段，荷载已不增加;④稳定时期。把各个阶段的沉降量与最终沉降量作一比较，就可以得到各阶段沉降所占的比例，即沉降完成情况［6］。表2 给出了西安不同城区场地内高层建筑物各阶段的实测沉降量。

不同城区场地内高层建筑物各阶段的实测沉降量 表2

表2 中各个阶段沉降量和百分比的最大值、最小值和平均值分别是由该区域内数幢典型高层建筑物的在不同施工阶段的观测数据统计得出的，分别代表了某一发展阶段内沉降量和沉降完成情况的极值和平均值，可以反映该区域内高层建筑物沉降发展的普遍规律。表中的数据表明:建筑物竣工时，西安地区高层建筑物产生的平均沉降量为4.91 mm～9.70 mm，完成沉降已达41.9%～65.4%，其中以城北区域的累积沉降量和沉降完成比例最大;竣工1 a后，不同城区范围内高层建筑物的平均沉降量达到了7.83 mm～12.4 mm，此时的沉降量已完成54%～81.7%，城北区域仍然具有最大的累积平均沉降量和完成情况;竣工2a 后，城北区域的平均沉降量已达到12.94 mm，平均完成比例为87.8%，这一时期完成比例最大的为城南区域，其完成百分比达到了88.8%，平均沉降量则为11.55 mm;当建筑物进入稳定时期时，它们的平均沉降量为12.89 mm～15.44 mm，城西区域的最大沉降量已达到了29.61 mm，相对较小的城南区域最大沉降量也已达到22.67 mm。

高层建筑物一般施工1.0 a～1.5 a就可竣工，竣工时沉降完成比例已达41.9%～65.4%，在竣工2 a后沉降已完成86.4%～88.8%。在以后的较长时间，高层建筑物进入沉降稳定阶段，沉降速率慢，完成最终沉降量一般需要2 a～5 a。

4 沉降量稳定控制值计算

实际沉降观测工作中，保障工程建设的安全性需要实时准确的观测数据作为支撑，累积沉降量作为直观反映建筑物沉降情况的动态指标之一，能够最大限度地给予工程参考价值。高层建筑物在基坑开挖－主体封顶－投入使用这一建设过程中，施工阶段由于荷载不断增加、各类影响因素复杂，使得竣工之前的沉降监测成为最重要观测阶段，加之竣工后沉降观测周期变长、实时性变差，难以反映建筑物的沉降动态。因此，竣工时的沉降量成为高层建筑物沉降观测历时中不可或缺的关键指标，对竣工时的累积沉降量加以控制能够保障建筑物的顺利施工和安全使用。

在掌握西安湿陷性黄土地区不同城区场地内高层建筑物的沉降完成情况后，结合上文通过指数函数法预测的建筑物最终稳定沉降量(表1)，就可以得出高层建筑物在竣工时累积沉降量的控制值。从保证建筑物安全的角度出发，结合实际可操作性，并考虑到控制值的预警性，建筑物最终稳定沉降量S 取最大值，而竣工时建筑物沉降的完成比例α 取65%，就可以得到西安湿陷性黄土地区高层建筑物竣工完成时的累积沉降量控制值S竣=S*0.65。表3 给出了不同层高建筑物的竣工累积沉降量的通用控制值。表中的稳定沉降量是在剔除具有显著差异的离散值之后得到的，且为能够指导实际工作，将得到的竣工累积沉降量取整作为最终的沉降量控制值(竣工)。

西安地区高层建筑物累积沉降量控制值(竣工) 表3

5 结 语

本文通过分析近十年间的沉降观测数据，得出了西安湿陷性黄土地区高层建筑物的长期沉降特性，探求了高层建筑物的稳定沉降量，并初步得到了沉降量控制值(竣工)，取得了一些有益结论。

(1)西安不同城区位置场地内地质工程条件不尽相同，由此造成了不同区域高层建筑物的长期沉降发展特性差异较大，不同城区的累积沉降量大小排序为:城西＞城东＞城北＞城南。

(2)指数函数模型在高层建筑物最终稳定沉降量预测方面具有良好效果，不同城区场地内不同建筑物层数的最终稳定沉降量存在显著差异。

(3)高层建筑物竣工时，西安地区高层建筑物产生的平均沉降量为4.91 mm～9.70 mm，完成沉降已达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)以竣工完成时的累积沉降量为衡量指标，得出西安湿陷性黄土地区高层建筑物的沉降量控制值S竣=S* 0.65，其中10 层～12 层、13 层～25 层、26 层～35 层的控制值分别为19.00 mm、20.00 mm和24.00 mm。

本文得出的结论基本上体现了西安全市范围内高层建筑物的沉降发展特性，为高层建筑物的勘察、设计和施工提供了一定的参考依据，也为湿陷性黄土地区建筑物沉降安全预警值的确定提供了理论依据。

［1］朱治国，方伟，刘代芹等．高层建筑物沉降监测数据分析［J］．内陆地震，2011，25(4):360～365．

［2］张婉丽．湿陷性黄土的分类及其地基的处理方法［J］．山西建筑，2011，37(15):72～74．

［3］罗怡．西安地区高层建筑地基处理设计方案的优选［D］．长安大学硕士学位论文，2005．

［4］王鸿龙．高层建筑物沉降观测中稳定沉降量与稳定时间的计算［J］．地矿测绘，1999，4:17～19．

［5］马桂华，陈锦剑，王建华等．上海软土地区多层建筑物长期沉降特性［J］．岩土力学，2006，27(6):991～994．

［6］戴荣良，陈晖，喻云岩．上海高层建筑桩基土类型特性和沉降分析［J］．岩土工程学报，2001，23(5):627～630．