杨晓文

（南通理工学院 土木工程学院，江苏 南通 226001）

0 引言

地基沉降指的是地基土层受到附加应力的作用后，会发生竖向、侧向和剪切变形，沉降过大或者不均匀沉降，会导致建筑物发生开裂、倾斜等，影响建筑物的使用寿命[1]。近几年高层建筑的数量显著增加，与此同时对于建筑安全性的要求也显著增加[2]，在建筑物建设和施工过程中，如果地基处理不合理或者建设方案设计和管理水平较差[3]，建筑在施工过程中或者运营过程中就会发生沉降，进而导致建筑产生不同程度的倾斜，造成较大经济损失，甚至威胁人们生命[4]。为避免该情况的发生，需及时掌握建筑物的地基沉降情况[5]。因此，地基沉降监测被重点关注和研究，通过监测系统可掌握地基的沉降情况，以此判断建筑物状态，如果地基沉降结果超过允许标准，则会及时发送预警[6]。

本文为实现建筑物地基沉降监测和预警，以某城市的高层建筑物为例，设计其地基沉降监测和预警系统，并依据该系统计算建筑物的地基沉降结果。

1 建筑物地基沉降监测与预警

1.1 工程概况

某建筑物共计33层，其中包含两层地下车库，地上建筑高度为100m，地下高度为9m，建设用地面积接近7800m2，建筑总面积达到8.1万m2，建筑场地的自然标高约为783m，建筑物采用部分框支剪力墙结构，筏板基础，厚度在2m左右，埋深为10m。

依据该地区的水文管理和统计资料可知，其年均降水量约为1400mm左右，建设前对该施工环境的地质情况进行钻探勘察，筏板以下的土层结构详情如表1所示。结合该地质勘测结果可知，对该建筑物造成较大影响的影响因素分为2种，如下所述：

表1 土层结构详情

（1）地基承载力较差，并且存在较大差异性。依据勘测结果可知，该施工环境的土层存在软弱层，并且后侧较厚，西侧较薄，两者的土层厚度差接近10m；建筑物设计过程中，虽然采用筏板加厚处理，但是对于软土地基的处理措施考虑不全面，因此，存在不均匀沉降风险。

（2）地下水位变化。该建筑物的施工位置距离市内河流较近，覆土层孔隙率较大，具有较高的渗透性；同时南北两侧水位差距较大，导致建筑物受到的浮力大小差异显著，进而使有效应力也发生相应变化，土体在应力变化下产生不同程度的压缩变形。

1.2 建筑物地基沉降监测与预警系统总体结构

结合建筑物的建设情况以及地质勘测结果，本文设计建筑物地基沉降监测与预警系统，该系统主要依据无线传感网络为核心进行设计，系统的总体结构如图1所示。

该系统整体可分为3个部分，分别为数据采集模块、数据传输模块、沉降监测和预警模块，各个模块的详细情况如下所述。

（1）数据采集模块。数据采集模块的核心是传感器，同时设有协调器、路由节点等装置组成，其主要作用是采集建筑物施工后的地表变化数据，为建筑物地基沉降监测和预警提供可靠依据。

（2）数据传输模块。该模块主要通过终端、路由以及协调器组成ZigBee网络，并部署防火墙、连接串口、数据库服务器、Wed服务器以及TCP/IP协议，以此实现采集数据的缓存和传输。

（3）沉降监测和预警模块。该模块主要包含上位机、运行服务器、显示器、数据中心等部分，其主要作用是依据采集的建筑物地表变化数据，进行建筑物地基沉降计算；依据计算结果给出不同程度的地基沉降监测预警，可靠、全面实现建筑物沉降管理。上位机以B/S模式为主，其能够在协调器网管中有效完成建筑物地表变化数据的存储以及建筑物实时动态监测，同时具有远程查询能力以及预警能力；用户可通过互联网服务器查看建筑物的实时监测结果以及预警情况。

1.3 建筑物地基沉降监测点设置

本文在进行建筑物地基沉降监测时，主要是依据传感器采集建筑物地表变化数据，数据采集模块为保证数据采集的可靠性，主要利用数字压力传感器和倾角传感器同时完成。

（1）数字压力传感器。数字压力传感器是建筑物地基沉降监测系统的关键部分，文中为保证建筑物地表变化数据采集的精准性，文中选择型号为PY210S 型号的数字压力传感器，该传感器的相关性能参数如表2所示。

（2）倾角传感器。倾角传感器的主要作用是采集建筑区水平角度数据，为建筑物的倾斜监测提供可靠数据，文中为保证采集效果，选择AVT4000T型号的倾角传感器，进行建筑物倾斜数据采集，倾角传感器的相关参数详情如表3所示。

表3 倾角传感器的相关参数

完成传感器的选择后，则进行传感器布设，在进行传感布设过程中，需充分结合《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）的相关标准完成，该标准中规定：沉降观测点的布设，需全面描述建筑物地基变形特征，同时充分结合地质情况以及建筑物结构。因此，本文结合该规定，确定本文传感器监测点的布设，其布设如图2所示。

图2 传感器布置

1.4 建筑物地基沉降预测和预警

1.4.1 建筑物地基沉降预测

完成传感器布设后，进行建筑物沉降相关数据采集，沉降监测和预警模块为实现建筑物地基沉降监测，将采集的数据输入改进的灰色模型中，通过该模型预测建筑物的地基沉降情况。

改进的灰色模型主要是依据传感器采集的原始数据序列进行累加处理，以此建立地基沉降预测模型。为提升模型的预测精度，先对原始数据进行指数化处理，其公式为：

式中：x0(k)——处理后的建筑物沉降数据序列；

k——沉降监测数据序号，且k=1,2,...,n；

A——灰色作用量；

u——指数化处理后的发展系数；

e——运算函数。

对公式（1）进行一次累加后得出其对应的序列结果：

在式（2）的基础上，构建微分方程，并采用最小二乘法进行估计，获取u和A的估计结果：

式中：a——灰色模型的发展系数；

b——灰色模型的灰色作用量。

构建建筑物地基数据序列模型，其表达式为：

如果k＜n(k+1)为建筑物累计的地基沉降结果拟合值；如果k≥n(k+1)则表示建筑物累计的地基沉降结果预测值。

1.4.2 建筑物地基沉降风险预警

完成沉降预测后，可依据预测结果进行预警，以此分析建筑物的沉降风险情况，整个预警流程如图3所示。

图3 沉降风险预警流程

在《建筑基坑工程监测技术标准》中，建筑物均有对应的监测预警值，地基沉降监测和预警模块可以地基沉降的预测结果为基础，结合规定的预警值进行建筑物风险判断，如果达到预警值，则进行预警。并在该过程中，能够完成建筑物的变形分析，并且生成曲线图或者报告等，为用户呈现全面的监测预警结果。

2 测试结果分析

为分析本文系统的应用效果，对依托工程建筑物进行地基沉降计算，并将其沉降计算结果和《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2016）中允许的标准（20mm）进行对比，测试结果如表4所示。

表4 建筑物地基沉降计算结果

对表4测试结果进行分析后得出：采用本文系统能够完成建筑物地基的沉降预测，并且能够依据预测结果进行地基沉降风险分析，同时预警值进行地基沉降风险预警，及时掌握建筑物的运营情况。

为进一步分析本文系统的应用效果，随机选择10个倾角传感器观测点，依据该观测数据分析建筑的倾斜率结果，并将分析结果和《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2016）中的允许倾斜率结果（2.5%）进行对比，测试结果如图4所示。

图4 建筑的倾斜率结果

对图4进行分析后得出：建筑物的倾斜率均在允许的标准范围内，其中最大倾斜率约为0.43%左右。因此，本文系统具有较好的监测能力，可有效分析建筑物的运营情况。

3 结束语

建筑物施工完成后，在运行过程中会发生不同程度的沉降，沉降量一旦过大，会导致建筑物发生倾斜，严重时会影响建筑物的运营安全，因此，需及时掌握建筑物在沉降运营过程中的沉降情况，及时发送沉降风险预警。本文设计建筑物地基沉降监测与预警系统，依据该系统预测建筑物的地基沉降情况，分析建筑物的倾斜率，完成建筑物地基沉降风险预警。通过测试分析得出：该系统具有较好的应用效果，能够满足建筑物地基沉降计算以及倾斜率分析能力，可依据相关标准进行建筑物地基沉降预警。