上海城区建筑密度与地面沉降关系分析

上海城区建筑密度与地面沉降关系分析
严学新1
,龚士良1
,曾正强1
,俞俊英1
,沈国平2
,汪铁骏
2
(1 上海市地质调查研究院,上海 200072;2 上海市城市规划设计研究院,上海 200040)
摘要:工程建设逐渐成为上海近年来新的地面沉降制约因素。

本文选择4个典型的高层建筑及多层建筑密集区段,分析了建筑密度与地面沉降的关系,探讨了其时空变化特征。

建筑规模及其增长速度直接导致工程性地面沉降同步增长,集中建设较分散建设、新区建设较旧城改造、高层建筑较多层建筑地面沉降效应明显。

建筑密度越大,建筑容积率越高,地面沉降越显著。

城市规划宜选择低密度、低容积率的建设模式,降低建筑高度、扩大建筑间距。

提出了沉降控制条件下适宜的建筑容积率应在0 9~1 2之间,从而为城市规划提供了决策性技术指标。

关键词:地面沉降;工程性沉降;建筑密度;建筑容积率;沉降控制;城市规划
中图分类号:P642 26 文献标识码:A 文章编号:1000-3665(2002)06-0021-04
Relationship between building density and land
subsidence in Shanghai urban zone
YAN Xue -xin 1
,GONG Sh-i liang 1
,ZENG Zheng -qiang 1
,YU Jun -ying 1
,SHEN Guo -ping 2
,W ANG Tie -jun
2
(1 Shan ghai Institute o f Geological Surve y ,Shanghai 200072,China ;2 Shan ghai U rban Planning &Design Research Institute ,Shan ghai 200040,China )
Abstract :The engineering construction gradually becomes the new factor for causing the land subsidence in Shanghai i n recent year.Four typical sections of high -rise and tier building dense area are selected,and the relationships between density and land subsidence are analyzed,and their space -ti me change character is also discussed in this paper.The construction scale and its developing speed are d-i rectly caused the land subsidence in the meantime.The land subsidence effect is obvious just as cen tralized construction is bigger than dispersed cons truction,new area construction is bi gger than old i nhabi ted area,high -rise building is bigger than low -rise building.In other word s,the land subsidence is remarkable i n high construction density and high building volumetric fraction.The urban plannin g may choose the construction way of low dense and low volumetric fracti on,may lower the building height,and may enlarge the distance between two buildings.The feasible building volumetric fraction i s 0 9~1 2under the land subsidence con trol,it may provide a tech -nique index for urban planning.
Key words :land subsidence;engineeri ng subsidence;building density;buildi ng volumetric fraction;subsidence control;urban plan -ning
收稿日期:2002-03-12;修订日期:2002-06-17作者简介:严学新(1962-),男,高级工程师,主要从事工程地质
与环境地质研究工作。

上海城市基础设施建设迅猛发展,旧区改造、新居
住区成片开发,大量高层、超高层建筑不断兴建,工程建设的地面沉降效应逐渐凸显,成为上海近年来新的沉降制约因素之一[1]。

上海地面沉降由来已久,主要是由于不合理开采地下水所致。

20世纪60年代中期开始,陆续实施地面沉降综合调控措施,地下水资源的开发利用也得到科学有效的管理,特别是70年代末以
来,上海中心城区地下水的开采得到严格控制,而且回灌量一直大于开采量,地下水动态历年来基本保持稳定,并在区域与层次上的展布也较为均衡,因而由采灌地下水引发地面形变的发展过程,在中心城区较为平缓[2~5]。

在此背景下, 七五 末期兴起的上海大规模城市改造建设诱发的工程性地面沉降问题,便在近年逐渐显露。

本文通过典型建筑密集区及其不同时期地面沉降监测资料的对比分析,从城市规划制定和实施管理来考虑密集建筑及其地面沉降效应,以期进一步强化上
海城区地面沉降的系统控制。

1 典型区段的选取
在城区选取不同建筑类型、且有历年沉降监测资料的2个高层建筑密集区与2个多层建筑密集区作为典型区段。

选取的2个高层建筑密集区为陆家嘴与徐家汇地区,2个多层建筑密集区为中原地区与长桥地区。

陆家嘴为金融贸易区,高层、超高层建筑林立;徐家汇是上海的商贸、体育中心,改扩建力度较大。

而中原、长桥是大型多层住宅区。

4个工作区面积基本相当,而且彼此间建筑容积率与地质结构条件具有一定可比性(表1)。

选择的4个典型区对今后外滩高层建筑区的规划及大型居住示范区的建设具指导意义。

表1 典型区段基本情况表
Table1 The background of typical sections
区段名称范 围
面积
(km2)
建筑
容积率
建筑类型
陆家嘴西、北以黄浦江为界,东
至源深路,南至浦建路
7 361 53高层建筑为主
徐家汇北起虹桥路、淮海西路,
南至中山南路,西起凯旋
路,东至岳阳路、枫林路、
小木桥路
6 981 40高层建筑为主
中原北起殷行路,南至控江
路,西起双阳路、营口路、
中原路、世界路,东至军
工路
6 871 18多层建筑为主
长桥北起张塘港,南至淀浦
河,西起梅陇港,东至龙
吴路
6 880 90多层建筑为主
2 地质结构特点
上海地区工程建设的基础施工主要集中于75m 埋藏深度范围内,其间划出8个工程地质层,即:表土层、第一砂层、第一软土层、第二软土层、第二硬土层、第二砂层、第三软土层、第三砂层,硬土层与砂层一般是良好的桩基持力层[6]。

4个区段的地层产出情况有所不同。

陆家嘴地区:西、北侧沿黄浦江一带缺失第二硬土层,软土层的总厚度较大,且浅层分布有第一砂层,其地面沉降效应明显;其余地区分布有第二硬土层,软土层的总厚度较薄,且浅层缺失第一砂层,其地面沉降效应相对不甚明显; 徐家汇地区:缺失第二硬土层及第三软土层,软土层相对较厚,地面沉降效应较明显; 中原地区:由8个工程地质层组成,为一套较为完整的上海滨海平原区标准地层,其地面沉降效应一般; 长桥地区:除缺失第一砂层外,其余工程地质层均有分布,地面沉降效应一般。

3 建筑密度与地面沉降关系
3 1 建筑规模与地面沉降比照分析
4个典型区段在1980~1999年间建设规模逐步扩大,其间新增的建筑面积约占其建筑总面积的50% (表2)。

4个地区80年代新增建筑面积较70年代共计增加397 104m2,增长1 78倍,90年代共新增910 104m2,较70年代增长4 08倍。

表2 典型区段建筑面积统计表(单位: 104m2)
Table2 Statistics of building area in typical sections( 104m2)
60年代
以前
70年代
新建
80年代
新建
90年代
新建
合计
陆家嘴地区524801573941155
徐家汇地区680721752301157中原地区34751157278833长桥地区28520131231667小计183622362011333812 此时期内,4个地区的地面沉降发展态势也与之相似。

由表3可看出,1980~1999年4个地区的年均沉降速率明显增加,尤其是90年代增幅显著。

70年代,除长桥地区因水准点尚未建立缺少资料外,其余3个地区年均沉降仅1 27m m;80年代4个地区平均沉降速率为3 52mm a,年均沉降增长2 25mm,增幅1 77倍;90年代4个地区平均沉降速率为10 71mm a,较70年代年均沉降增加9 44mm,增幅7 43倍,较80年代增长7 19mm,增幅2 04倍。

表3 典型区段年均地面沉降量统计表(m m)
Table3 Annual mean land subsidence of typical sections(mm)地 区70年代80年代90年代
陆家嘴-0 30-3 52-12 56
徐家汇-2 13-3 16-7 18
中 原-1 37-4 49-15 14
长 桥 -2 92-7 95
从4个地区总体情况及各自特点均可明显看出, 1970~1999年间,随着新增建筑面积的不断扩大,地面沉降也在快速增长,两者的相关性明显且密切。

同时,地面沉降的增长速度与新增建筑面积的增长速度同样存在线性关系。

80年代新增建筑面积较70年代新增建筑面积增长1~2倍,而同期的地面沉降速率也较70年代增长1~2倍。

90年代新增建筑面积较70年代增长3~4倍,较80年代增长1倍左右,而同期的地面沉降速率也显著增长,较70年代增长6~7倍,较80年
代增长1~2倍。

由此,从建设规模来看,70年代新增建筑面积非常有限,不超过80 104m2,同期的地面沉降速率总体上仅1~2mm a;80年代新增建筑面积在150 104m2左右,同期的地面沉降速率增长至3~4mm a;而90年代新增建筑面积在300 104m2左右,同期的地面沉降速率更显著增长至10mm a左右。

因而,地面沉降的发展速率与建设规模总体上相一致。

从4个地区的具体建设情况来看,1970~1989年新增建筑面积的数量在总体上没有很大差别,而同期4个地区的地面沉降情况也基本相当,处于相同的沉降发展水平。

而在90年代,陆家嘴与中原地区的建设明显增速,而徐家汇与长桥地区相对来说增速略缓,因而地面沉降的发展出现明显分化。

陆家嘴与中原地区达12~15mm a,而徐家汇与长桥则为7~8m m a。

因而,不同的建设增长速率也会引起相应的地面沉降变化。

建筑总面积增大,地面沉降速率加快;增速越快,沉降越大。

集中建设和分散建设对地面沉降有不同影响。

3 2 建筑容积率与地面沉降比照分析
容积率是指一定地块内,总建筑面积与建筑用地面积的比值。

容积率是衡量建筑用地使用强度的一项重要指标。

由表4可知,4个典型区段具有不同的建筑容积率。

陆家嘴与徐家汇以高层建筑为主的地区建筑容积率高,而以多层建筑为主的中原、长桥地区建筑容积率相对较低。

高层建筑占建筑总面积的比重是建筑容积率大小的关键因素之一。

表4 典型区段建筑容积率
Table4 Building volumetric fraction o f typical sections 地 区陆家嘴徐家汇中原长桥
总建筑面积( 104m2)1116 96978 54809 45617 11
高层建筑面积( 104m2)357 53232 5957 2542 34
高层建筑数量(幢)1231264736
高层建筑所占比例(%)32 0123 777 076 86
用地面积( 104m2)736 92698 48687 73688 57
容积率1 531 401 180 90
由表5中不同时期建筑容积率变化可知,1970~ 1999年,4个地区的建筑容积率均在不同程度地增大,而且增速以徐家汇、长桥、中原、陆家嘴为序依次递增。

建筑容积率的随时间增长趋势及不同时期的增速与地面沉降发展态势也是相一致的,即容积率增加,沉降加大,容积率增速越快,沉降增速也越大。

表5 典型区段不同时段建筑容积率统计表Table4 Building volumetric fraction o f typical sections
in different time
地 区
用地面积
(公顷)
70年代80年代90年代陆家嘴736 920 820 961 53
徐家汇698 481 071 201 40
中 原687 730 580 811 18
长 桥688 570 440 620 90
同时,我们也注意到,建筑容积率与地面沉降的关系还受其它因素的制约,两者之间难以用明确的线性关系予以表述。

由于建筑基础结构形式的不同,建筑在时间上的集中与分散建设,建筑布局在空间上的疏与密,建筑沉降在时间上的滞后影响等,导致建筑容积率与地面沉降的对应关系难以定量比照,仅以建筑容积率指标难以真正刻划城市建设的地面沉降效应。

建筑密度与容积率具有一定关系。

建筑密度是一个平面上的概念,是建筑占地面积与用地面积之比。

在相同的建筑容积率条件下,若该地区高层建筑少,则必然建筑密度大,反之,则建筑密度小。

由建筑密度与建筑容积率可看出,新建的建筑较之原有建筑改建具有更为明显的沉降效应,新开发区较之旧区改造的建筑地面沉降效应来得明显,这与建筑的地基基础曾经受过的应力状况有关。

3 3 建筑形式与地面沉降比照分析
从4个典型区段的相互比较中,可看出建筑形式及其地面建筑增加量对地面沉降的影响。

陆家嘴地区在1980年前已有建筑面积604 104m2,1980~1999年新增建筑面积551 104m2,其中高层建筑357 104m2。

在123幢高层中,高度超过100m的超高层建筑有24幢。

陆家嘴地区高层建筑分布比较密集。

徐家汇地区同样是高层比较密集的地区。

1980年前,该地区已有建筑752 104m2。

该地区新建的405 104m2建筑中,高层建筑230 104m2。

但在126幢高层中,超高层建筑只有4幢,且布局比较分散。

与陆家嘴地区差别明显的是,徐家汇地区是在拆除旧建筑的基地上建造高层,绝对增加量大约200 104m2。

而陆家嘴地区绝对增加量大约450 104m2。

在地质条件类似的两个高层建筑密集区,陆家嘴地区的地面沉降量大于徐家汇地区,地面建筑绝对量增幅较大也是影响因素之一。

而中原和长桥地区在1980年前都属于近郊区,中原地区原有建筑398 104m2,1980~1999年新增建筑
面积435 104m2,其中高层57 104m2。

1980年前,长桥地区已有建筑285 104m2,1980~1999年新增建筑362 104m2,其中高层建筑42 104m2。

中原地区绝对增加量约360 104m2,长桥地区绝对增加量约290 104m2。

中原地区地面沉降量大于长桥地区,也是由于地面建筑绝对量增幅较大的原因。

在选取的4个典型区段内,陆家嘴与徐家汇为高层建筑集中地区,中原与长桥为多层建筑集中地区。

高层与多层除建筑容积率、建筑密度不同以外,由于建筑荷重不同,因而建筑的持力层选择及基础结构、采用的基础施工形式与施工工艺、基坑开挖及支护结构、建筑加载速率与总荷重也不相同,因而地面沉降在垂向与平面上的影响程度与范围、地面沉降的时间效应等也各不相同。

高层建筑密集区有如下特点:高层建筑的建筑容积率大,建筑物自身荷重巨大,对基础要求很高,因而均选用力学性质优良的工程地质层作为桩基础持力层,高层建筑要避免相邻建筑物的相互影响,建筑间距较之多层建筑有更高要求,高层建筑的基础工程复杂,要保证稳定的结构基础,持力层的选择至关重要。

由前所述,4个地区的工程地质条件均较为良好,因而地基的承载力较高,选用桩基础后的地基沉降能满足建筑的允许沉降量。

高层建筑的沉降控制要较多层建筑更为严格,采用的基础施工形式明显不同。

高层建筑以桩基础为主,且大多采用长桩或超长桩,而多层建筑则一般为天然地基或人工复合地基,若采用桩基础也以中短桩为主,因而沉降效应明显不同。

从建筑物自身正常使用的角度而言,避免建筑物不均匀的差异沉降较之整体沉降的控制更为重要,这对于高层建筑正常与长期使用尤为关键。

尽管90年代陆家嘴新增建筑面积明显,但其沉降增速仍小于建设增速略小的中原地区;而徐家汇与长桥地区在90年代建筑面积增速基本相当,徐家汇还略大于长桥,但以多层建筑为主的长桥地区的地面沉降增速仍大于徐家汇地区。

说明不同的建筑施工形式对地面沉降有直接影响,地面沉降与建筑的基础工程关系密切。

根据陆家嘴地区超高层建筑实测沉降值可以看出,沉降量与建筑荷重明显相关。

超高层建筑均为桩基础,基础结构形式相同,又处于同一地质结构区,具有相同的地质背景条件,因而沉降差异可认为与建筑物荷重的关系更为密切和直接。

沉降量总体上与建筑荷重成正比。

因而建筑荷重对地面沉降的影响在陆家嘴地区表现十分明显。

从超高层建筑与多层建筑的绝对沉降量比较中能更明显地看出建筑荷重对地面沉降的影响,地面沉降量与建筑物的荷载基本成正比。

显然,高层或超高层建筑使用长桩或超长桩,能有效减少沉降,使建筑荷重的增加不致引起地面沉降的同比例递增和差异沉降的发生,而沉降量的绝对增长趋势仍是难以避免的。

从高层建筑周边沉降发展的变化趋势还可看出,建筑竣工后的沉降影响尚未结束。

另外,从高层建筑沉降的影响距离可看出,其沉降影响范围较大,一定程度上体现出桩基础施工对周围土层破坏的应力传递作用。

从高层建筑的相互影响来看,周边高层密集,其周围沉降有明显突变,反映出高层建筑存在地面沉降影响的相互叠加作用。

因此,某一地区高层建筑的建筑密度与建筑容积率的规划确定,应以建筑物的沉降影响范围作为控制条件之一。

多层建筑的沉降表现明显不同。

一般而言,离建筑物越近,沉降越大,向外逐渐减少。

多层建筑自身的沉降量,较之建筑物周边的地面变形要大。

多层建筑的地面沉降,随时间的延续有明显的收敛趋势。

由此看出,建筑的荷重及其结构形式对地面沉降有明显影响。

对于荷重较小的多层建筑,其地面沉降量与沉降影响范围及其沉降延续时间均较为有限,其建筑容积率也较低。

而高层建筑,特别是超高层建筑,由于荷重巨大,尽管采用桩基础有效遏制了荷重增加引起的地面沉降同比例增长,但其绝对沉降量仍非常可观,而且影响范围大、作用时间长,其建筑容积率又非常巨大。

从现有的实测沉降资料的对比分析来看,以控制地面沉降的角度而言,高容积率的高层建筑,尤其是超高层的密集建设,对地质环境的影响是很明显的。

考虑沉降影响距离,加大建筑间距,高层与超高层建筑采用低建筑密度的建设模式,既美化城市景观,也能有效降低建筑区的容积率。

在沉降控制条件下,适宜的建筑容积率应在0 9~1 2之间。

对于多层建筑,应加大基础工程投入,改天然地基基础或人工复合地基的浅基础为微型桩基础,进一步控制其地面沉降量。

若兼顾多层建筑的建设投入与实际使用的经济效益等因素,采用10层左右高度的小高层是较为适宜的。

4 结语
(1)20世纪70~90年代,建筑规模扩大,地面沉降
相应增大,两者关系较为密切。

建筑规模增速越快,沉降越大。

集中建设较分散建设,地面沉降量大。

(2)新建的建筑较之原有建筑改建具有更为明显的沉降效应。

新开发区较之旧区改造的建筑地面沉降效应来得明显。

(3)在同一地区,建筑容积率增加,沉降也随之加大。

建筑密度高,地面沉降量也大。

(4)建筑物自身荷重与由此产生的地面沉降量基本成正比,高层建筑的最终沉降量总体上大于多层建筑。

高层或超高层建筑使用长桩或超长桩,能有效减少沉降,使建筑荷重的增加不致引起地面沉降的同比例递增和差异沉降的发生,而沉降量的绝对增长趋势仍难以避免。

(5)建设高层与超高层建筑,应考虑施工过程中的沉降影响。

采用低建筑密度的建设模式,加大建筑间距,既能有效降低建筑区的容积率与地面沉降影响,也能美化城市景观,提高生态环境质量。

(6)多层建筑建设,适当加大基础工程投入,以进一步控制基础沉降。

选用小高层建筑,既有桩基础的沉降控制保证,又能提高实际使用的经济效益,对于容积率与建筑密度的控制也有利。

(7)地基承载力是评价建筑适宜性的重要地质参数,建筑容积率与建筑密度可与之相匹配,在规划编制时可予以参考。

(8)目前,上海地下水的总体开采水平将大幅下降,工程性地面沉降的作用与影响由此将逐步凸显。

规划制定与实施时应注重时间与空间布局的合理性,避免过度集中。

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编辑:张明霞
(上接第29页)
砂的渗透系数较高是因为其空隙度较大,混入膨润土后,膨润土便填充到砂粒之间的空隙中,使整个混合物的渗透系数下降。

当膨润土的比例高到一定程度时,砂粒间的空隙便全被填满,此时再继续增加膨润土的比例,渗透系数也不会再下降,而是稳定在纯膨润土的渗透系数程度上(图5)。

从图5可以看出含砂率小于70%时,砂土混合物的渗透系数与纯膨润土的相当。

这意味着,应用中有可能用膨润土和砂的混合物代替纯膨润土。

以混凝土用砂代替细砂,也有类似的结果。

6 结论
(1)膨润土对气体防渗性能比砂要好很多。

(2)可以通过改变压密压力和含水率来调节膨润土的渗透系数,以适用不同需求。

(3)含砂率小于70%时,砂土混合物的渗透系数与纯膨润土的相当,因此,工程上可用混合物来代替纯膨润土,降低成本。

(4)膨润土作为一种防泄漏的材料,有一定的应用前景。

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