高层建筑基础不均匀沉降原因分析及对策探讨

夏国雄

关键词：建筑基础；不均匀沉降；控制

一．建筑地基基础不均匀沉降的危害及原因分析

无论是大大小小的建筑物，还是规模巨大的土木工程，它们都要座落在地球表面下一定深度的岩土地层上，而这一部分岩土地层在土力学及基础工程领域里通常统称为地基。因此本节从地基、建筑结构等方面来对基础不均匀沉降进行简要分析。

1.1地基的自然属性

一般情况下，建筑结构的承载层多为土层，不是单一的匀质材料而且存在着孔隙，这也使土体具有可压缩性。侧限压缩实验表明，随着外荷载的增加，土体孔隙比逐渐减小，其压缩性减小。这也是为什么建筑物不均匀沉降发展最为迅速的时期是竣工后半年到一年内的原因之一。带裙房的大底盘高层建筑由于主楼与裙房层数差异，两者之间柱底荷载相差越大，使得两者地基的压缩性产生差异，从而产生较大的沉降差，对房屋结构造成较大影响的例子比比皆是。土体的成型历史以及地下岩层特点对不均匀沉降也有很大影响。如姜晨光[3]等通过对20幢建筑的基础倾角及岩层倾角的原始数据，从刚性基础，联合基础，片筏基础进行了分析，认为岩层倾角与基础倾角有指数线性关系关系，即，随着岩层倾角的增加，基础倾角也会增大。拟建场地的相邻建筑打过桩，或一侧建过房、预压过或由于井点降水均会引起较大的不均匀沉降。长期在施工一线的工作者不难发现，钻机钻孔过程中，有冒气、冒水、冒砂现象，喷出的水污染了邻近的填充墙墙体，这也进一步证明在人为干扰情况下，土体压缩性会发生变化。

另外，地基中局部漏水，如化粪池的渗水或外溢，管道漏水以及设计或施工中漏掉散水明沟，使土体产生液化，使土体的力学性能发生了改变，降低其承载力。

1.2建筑结构对地基沉降的影响

在建筑物设计方面，平面形状复杂的建筑物，纵、横单元交叉处基础密集荷载显著不同，地基中由于单元荷载产生的附加应力相互重迭，加之上部结构的平面不规则和体型变化复杂，各部分的刚度不对称，很容易遭受地基不均匀沉降的损坏。建筑物体型复杂，高低（或轻重）变化较大，地基各部分所受的荷载轻重不同，而又未在适当部位设置沉降缝自然容易出现过量的不均匀沉降。基础作用的强弱取决于基础与地基的相对刚度、基底下塑性区的大小以及土的压缩性。一般说来，无论是粘性土还是无粘性土地基，只要基础埋深和基础面积足够大，而荷载不太大时，基底反力均呈马鞍形；而均布荷载下柔性基础的基底沉降是中部大、连缘小，刚性基础受荷后，基础不弯曲。

另外，在进行基础沉降模型研究时，由于施工过程是逐层施工，学者通常近似看成是一个线性加载的过程，那么土体的变形呈现出S形分布规律。在加载过程中软土中的剪应力产生剪切变形，而同时饱和粘性土有条件排水固结，抗剪强度随时间会增加。然而，不同的加载速率对两者剪应力和抗剪强度有较大影响。因此，有些工程施工期内通过增加加荷速率，提高施工期内沉降量的比重，来减少建筑物在使用中由于不均匀沉降产生的开裂。

1.3相邻基础（荷载）的影响

建筑物荷载不仅使建筑物地基土产生压缩变形，而且由于地基中附加应力的向外扩散，在相邻范围内的土层，也会产生压缩变形。其表现形式主要有以下几方面：

①不同建筑的基础彼此靠得很近，若荷载差异大，基础的面积接近或有差异，一般均会产生不同程度的不均匀沉降。

②相邻建筑物的距离越近，且埋深差异越大，引起的相互不均匀沉降越大。

③基础上或其附近有大面积堆载。如填土、生产堆料等，若荷载小，距离远，则对基础的影响小。

④打桩在软土地基中对于相邻建筑的影响靠得越近产生的不均匀沉降越大。有研究表明，在粘性土中打桩可以引起建筑物不均匀沉降的土层厚度约等于打入土中桩的长度。

二．大力推广沉降观测技术的应用

根据现行施工规范的规定，高耸构筑物、重要古建筑物、高层建筑物以及动力设备基础、连续生产设施基础、滑坡检测等均要进行沉降观测。特别要注意的是，在高层建筑物施工过程中必须应用沉降观测加强过程控制，这样做的目的就是为了给予合理的施工工序的合理指导，对建筑基础的不均匀沉降起到一个预防的作用，同时还能够为勘查、设计部门及时的反馈信息，避免因为沉降原因产生影响结构使用功能的裂缝或者造成建筑物主体结构的破坏，从而具有巨大的经济效益。

沉降观测技术的运用有几个具体要求，要想在施工现场熟练的运用这种技术，就必须满足这几项要求。其一，对工作人员技能及仪器设备的要求。工作人员必须接受严格的技能培训和认真的专业学习，不仅能熟悉测量理论、熟练掌握仪器的操作规程，同时还必须能够针对不同的工程特点、实际情况采用不同的观测程序及观测方法。工作人员必须对实际施工过程中显现出的各种问题能够准确的分析原因，并且正确运用误差理论进行相应的平差计算，精确、按时、快速的保质保量的完成每次任务。

其二，对观测时间的要求。对建（构）筑物的沉降观测对时间有严格的限制条件。其先决条件之一就是首次观测必须按时进行，然后根据工程进展情况必须定时进行其它各阶段的复测，不得漏测或者补测。只有严格的做到了这样要求，才能得到精确的沉降情况或规律。一个观测周期的定义是相邻的两次观测时间间隔，一般高层建筑物的沉降观测按照建筑物的加载情况每升高一层或数层为一个观测周期，或是按照一定的时间段为一个观测周期（30d/次），无论采取何种方式都必须按施测方案中规定的周期准时进行。

其三，对观测点的要求。沉降观测点只有埋在最能反映沉降特征并且便于观测的位置，才能更好的反映出建（构）筑物的准确沉降情况。通常，要求建筑物上设置的沉降观测点纵横向要对称，建筑物大转角、四角以及沿外墙相邻点之间间距15-30米为最佳距离。一般来说，专门的沉降观测要求必须完整的体现在建筑设计图纸上，就算没有明确的注明，按照规范要求这些高层建筑物也进行严格观测。另外，埋设的沉降观测点要符合各个施工阶段观测的要求。

除满足这些要求之外，沉降观测还必须遵循如下原则：沉降观测所依据的工作基点、基准点和被观测物的沉降观测点的点位要稳定，还必须有稳定的仪器设备，稳定的观测人员，以及每次基本一致的观测条件，还要有固定的致，观测线路、程序、方法和镜位。

三.正确处理主楼和裙楼的基础连接

按建筑地基基础规范，应适当的设置沉降缝，位置应该在荷载差异部位和建筑高度、结构或基础类型不同的部位。主楼与裙楼之间因当地基压缩性高、厚度较大、从而造成不均匀沉降很大时，应该将两者基础之间用沉降缝完全断开。应用沉降缝将裙楼和主楼的建筑基础隔离开来，这是一种比较传统的设计方法。针对一些较早的高层建筑，在其主楼和裙楼的设计中，常在两者相邻处设置沉降缝用以避免沉降差造成房屋开裂乃至破坏，这种沉降缝的技术通常还会采用双柱、双墙等措施将结构断开。

近年来，联合设计大量的运用于我国工程的实践中来。主楼与裙楼基础的联合设计，指的是主楼与裙楼采取不同的基础形式，不同的是二者之间并不设置沉降缝。经过长时间的总结，联合设计的要点大致可以分为以下几点：第一，选择合适的沉降计算方法与确定合理的差异沉降是考虑裙房的高层建筑基础设计的关键，同时为了更准确的合理设计，观察地区性持久的沉降数据也是必要的措施。第二，尽可能减少主楼的重量和沉降量是基本设计原则，并且在不导致破裂的条件下尽可能的提高裙房基础的柔性，采用独立柱基的可能性也不是没有。第三，施工的先后顺序也要尽量考虑到。先行施工的时主楼，让沉降尽可能提前发生，同时设计良好的后浇带。

后浇施工缝大体可分为三类：一是后浇伸缩缝，用以消散混凝土收缩引起的应力；二是后浇温度缝，用于消散由于因大体积浇筑混凝土温度集聚或温度变化引起的应力；三是后浇沉降缝，用以消散主、裙房之间不均匀沉降引起的应力。

因此，能做到如上的几点要求，就能非常合理的处理好主楼和裙楼之间的关系，对不均匀沉降起到了预防和治理的作用。

四、采用两种基础施工技术控制不均匀沉降

本节以一个位于珠江三角洲平原腹地的工程为例。此工程地貌上属珠江三角洲冲积平原，地处佛山市禅城区东南部位，根据先前的工程岩土勘察报告，原场地位于一小山丘的坡脚。其场地地质有一个显著特点，岩面自东北向西南向下倾斜，岩层面标高变化大，在场地的北端，局部到达微风化岩层。为了有效地防止建筑物产生的不均匀沉降，考虑到本工程的地质状况，因此在施工时必须要采取必要的应对方法。

其一，是对基础持力土层的严格质量控制。为了有效地确认冲孔桩的持力层位置，在冲孔桩施工中，根据所抽采的岩样情况参考桩的数量，在每个桩承台的设置了一至两个超前钻孔点，最终确定所在承台桩的终孔深度，同时确保了冲孔桩有效到达设计要求的持力层位置。除此之外，为避免桩底沉渣的出现，在冲孔桩进行水下混凝土灌注前，还必须要认真做好清孔清渣工序，并指定专人检查，在保证达到要求后，方可进行桩体的混泥土灌注。

其二，设置合理的变形缝。按照本工程最初的设计，在工程的地下室会有两条后浇带的的设置。在考虑到建筑物基础形式以及建筑平面布置特点，在工程的进一步审核时，综合各方意见之后，又增加了两条后浇带，这样做的目的是防止工程由于不同基础形式产生不均匀沉降，从而对建筑物结构带来更大的影响。

其三，结构施工的控制措施。当建筑物基础开始出现不均匀沉降时，经过分析可以确定地下室结构受应力的较大位置，在该部位按结构配筋的同时，对这些部位加强构造配筋以抵消基础出现沉降时出现不良效应的设计，是工作人员应该考虑的问题之一。

通过采取以上的技术，在工程完工后的数年内，建筑物并没有出现明显的基础不均匀沉降现象，受到了广泛的好评。

五、结论

本文开篇提出了随着城市建筑的高速发展高层建筑所面临的问题，其中之一就是建筑基础不均匀沉降。笔者在仔细分析了所面临的一些困难后，提出了解决这个问题的三种措施：大力推广沉降观测技术的应用，可以在施工过程中起到很良好的预防作用；正确处理主楼和裙楼的基础连接，采用两种基础施工技术控制不均匀沉降，不仅可以在前期起到一定的预防作用，还可以在不均匀状况出现后作为较好的补救措施。

参考文献：

[1]范锡盛，王跃.建筑工程事故分析及处理实例应用手册[M].北京：中国建筑工业出版793，1994

[2]胡德鹿.基础埋置深度和底层计算高度的确定[J].陕西建筑，2008，151（2）

[3]郭丽菊，张钦喜.地基沉降计算方法的分析与改进[J].山西建筑，2006（22）

[4]周奇.多层住宅地基不均匀沉降的原因及防治措施[J].建筑施工，2002（3）