基坑降水引起的相鄰建筑物直接損失預測軟件開發(fā)*

韓明明，馮敬輝，宋建學

(1.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450000;2.鄭州市軌道交通有限公司，河南鄭州450000)

基坑降水是基坑工程施工中常見的措施，一旦地下水位下降，必將對周邊造成一定的影響，如地面沉降，建筑物傾斜以及市政管線的破壞等等。為了在基坑降水方案編制階段就能夠對降水施工的風險進行評估，需要對降低水位引起的經(jīng)濟損失進行預測。在此方面已有了一定的研究成果［1-3］，但是實際計算過程比較繁瑣，不便于工程技術人員對降水方案進行分析比較。因此，基于既有理論，開發(fā)相應軟件具有實用價值。

1 降水環(huán)境影響預測方法

對于未設置止水帷幕的基坑工程，預測建筑物直接損失的總體思路是［1］:首先根據(jù)基坑形狀確定等效半徑，并將基坑周邊地面劃分成適當大小的“環(huán)帶”(如圖1所示);然后根據(jù)降水曲線確定環(huán)帶中心線的沉降量;進而確定沉降梯度;最終根據(jù)地面沉降梯度與建筑物損失之間的定量關系確定基坑周邊一定范圍的建筑物損失總和。

圖1 基坑周邊環(huán)帶劃分示意圖

本文作如下假設:以環(huán)帶中心點的水位作為該環(huán)帶的水位，中心點的沉降量作為該環(huán)帶的平均沉降，即假設每個環(huán)帶內的水位和沉降是相同的。

1.1 降水曲線公式

根據(jù)裘布依地下水二維穩(wěn)定流運動公式，得到降水曲線的確定公式［2］:

式中:Sw為坑底水位實際下降值(m)，Sw=H-hw+1，H為基坑開挖深度(m)，hW為地下水靜止水位埋藏深度(m)，Snw為基坑外圍距坑壁一定距離的某點處地下水位下降值(m);R為抽水影響半徑(m)，該半徑從基坑中心算起，R=R1+r，R1為單井抽水試驗的引用影響半徑(m)為滲透系數(shù)(m/d)，M為抽水穩(wěn)定后潛水含水層厚度(m);r為基坑的等效半徑(m)，當基坑為圓形或接近正方形時，當基坑為矩形時，若，則r=0.3(a+b)，若，則，A為基坑底面積(m2)，a、b為基坑的長邊和短邊尺寸(m);D為待測點距基坑邊壁的距離(m)。

1.2 沉降計算公式

為了與現(xiàn)行規(guī)范相統(tǒng)一，以方便設計、施工人員接受，采用簡化的分層總和法來計算降水引起的地面沉降［3］。降水沉降修正系數(shù)ψ可根據(jù)地區(qū)和工程的具體環(huán)境來確定。

式中:s為降水引起的地面總沉降量;ψ為降水沉降修正系數(shù)，一般取0.25-0.35(鄭州市);Esi為第i層土的側限壓縮模量(MPa);ΔHi為第i層土底面水位降低深度(m)，其中，ΔH0=0;n為發(fā)生水位降低的層數(shù)。

1.3 地面沉降梯度

地面沉降梯度:相鄰兩個環(huán)帶中心點沉降的差值與其距離的比值，這里表示為

式中:Gi為i環(huán)的沉降梯度，取i與i+1環(huán)之間沉降差與距離的比值(‰);Si為i環(huán)中心點的沉降(mm);Di為i環(huán)中心距基坑邊壁的距離(m)。

1.4 損失值預測

建筑物的損失百分比與沉降梯度的對應關系［1］:

式中:x為地面的沉降梯度(‰);y為建筑物損失的百分比(%)。

需要說明的是，此對應關系是建立在砌體結構允許變形基礎之上的，而對于其他結構類型，則需要做進一步的修正。損失預測值為:

式中:λ為建筑物的損失比(%);CH為建筑物直接損失

(萬元);V為建筑物破壞前的現(xiàn)值(萬元)。

2 軟件開發(fā)

2.1 軟件開發(fā)技術

本文選取“visual basic”編程軟件為平臺進行開發(fā)，各個參數(shù)之間遞推的關系如圖2所示。

圖2 visual basic軟件開發(fā)過程中參數(shù)遞推關系

2.2 開發(fā)成果

使用前，需要將軟件安裝到電腦上面。軟件安裝需要三步:

第一步，解壓基坑降水損失安裝程序.rar，然后得到3個文件，即:基坑降水損失計算安裝程序，安裝方法說明(文本)，TABCTL32.OCX文件。

第二步，打開基坑降水損失計算軟件安裝方法.txt文本，按照文本所述進行操作，文本內容:“打開安裝程序之前，首先確認c:windowssystem32目錄下是否有TABCTL32.OCX文件，如果沒有，請將此文件復制到該文件夾下，然后雙擊此安裝程序進行安裝”。

第三步，啟動安裝程序后，根據(jù)屏幕上提示回答有關內容，即可完成基坑降水損失計算軟件的安裝。安裝時使用默認路徑C:Program Files基坑降水引起的損失計算(如圖3所示)。安裝完成后會在桌面上生成一個快捷方式，雙擊快捷方式即可進入損失計算軟件登陸界面(如圖4所示)。

圖3 選擇軟件安裝路徑

圖4 登陸界面

3 應用實例

3.1 工程概況

蘭德國際中心工程位于鄭州市花園路與豐產(chǎn)路交叉口東北角，場地為新征場地，形狀較為規(guī)則。如圖5所示。

圖5 蘭德國際中心工程交通位置及周圍環(huán)境圖

基坑平面尺寸115.3 m×64.1 m(基坑開挖底邊線)，根據(jù)業(yè)主提供的設計圖紙，主樓基坑底面標高為-17.3 m，裙房基坑底面標高為-16.3 m。根據(jù)現(xiàn)場實地勘測，基坑北側和西側自然底面平均標高按-0.8 m，東側和南側自然底面平均標高按-0.4 m，則主樓基坑開挖深度為16.5、16.9 m，裙房基坑開挖深度為及15.5 m、15.9 m。本文按照16.9 m計算。

該工程周邊環(huán)境如下所述:

西側:基坑開挖底邊線距離用地紅線約4.5 m，用地紅線外為圍墻，紅線與圍墻之間距離約3.7 m，圍墻外為花園路人行道。整個西側圍墻內有一大型廣告牌，廣告牌高度約12.5 m，長度約150 m。

北側:基坑開挖底邊線距離用地紅線最近約1.4 m、距離圍墻最約6.6 m。圍墻外為花園路進入關虎屯的主要通道，道路寬約9.0 m。道路北為嘉辰時代廣場，主要由一棟17層主樓及4層裙房組成，主樓與裙房下有一層地下車庫，埋深約為地面下7 m，基礎形式為預應力管樁。

南側:基坑開挖底邊線距離用地紅線最近約4.5 m、最遠約8.6 m，距離圍墻最近約6.8 m，最遠約10.5 m。圍墻外為20 m寬豐產(chǎn)路，豐產(chǎn)路南為3層門面房。

東側:基坑東側臨多棟建筑物，主要為2～6層的住宅樓，基坑開挖底邊線距離建筑物約7～12 m，其中距離東側中部4層建筑物及配電室距離基坑很近，最近約2 m。

西臨花園路，南鄰豐產(chǎn)路，這兩條道路均為鄭州市的主要道路，交通繁忙，地下埋設有較多的市政管線。

3.2 場地地層條件

將地層分為14層，主要為第四系沖洪積粉土、粉質粘土、細砂等。

場地地層統(tǒng)計見表1，場地巖土工程特征值見表2。

表1 場地地層統(tǒng)計表

表2 場地巖土工程特征

3.3 場地水文地質條件

擬建工程場地區(qū)域地貌上屬于黃河沖積平原。根據(jù)含水層的埋藏條件和水理特征，地下水類型屬于潛水，勘測期間測得場地靜止水位埋深在地表下7.1～8.3 m左右，近3～5 a中較高水位為5.1 m，歷史最高水位在現(xiàn)地表下3.0 m，水位年變幅2.0 m左右。地下水位按7.1 m計算。基坑降水建議采用管井降水。上部含水層為粉質粘土、粉土弱透水層組成，土的綜合滲透系數(shù)0.5 m/d;下部砂土含水層主要由細層組成，局部含粉砂、粉土，細砂為強透水層，粉砂、粉土為弱透水層，砂土層的綜合滲透系數(shù)5.0 m/d。

3.4 軟件計算結果

(1)基坑形狀。

基坑形狀為矩形，長邊為115.3 m，短邊為64.1 m，等效半徑為53.82 m。

(2)確定坑底水位實際下降值Sw。

開挖深度為16.9 m，地下水靜止水位埋藏深度為7.1 m，影響范圍為5倍Sw(注:Sw是指坑底水位實際下降值;水位下降后對周邊影響的距離用Sw的倍數(shù)表示，單位為m)。

(3)土層性質。

綜合滲透系數(shù)為0.5 m/d，抽水穩(wěn)定后潛水含水層厚度為22 m，沉降修正系數(shù)為0.29(根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗確定)。

(4)各計算土層參數(shù)如表3所示。

表3 各土層計算參數(shù)

(5)得到的初步數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 沉降量與經(jīng)濟損失關系

續(xù)表

(6)房屋分布情況如表5所示。

表5 周邊房屋分布情況

(7)得到最終損失數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 經(jīng)濟損失預測結果

第一處，北側花園路進入關虎屯的主要通道，影響很小。

第二處，西側廣告牌，地面沉降量大約23 mm，梯度為0.71‰，小于1‰，影響小。

第三處，南側20 m寬豐產(chǎn)路，影響很小。

第四處，南側豐產(chǎn)路南為3層門面房，地面沉降量大約6.5 mm，梯度約為0.65‰，小于1‰，影響小。

第五處，東側住宅樓，地面沉降量大約20 mm，梯度約為0.65‰，小于1‰，影響小。

第六處，東側中部4層建筑物及配電室，地面沉降量大約為29 mm，梯度約為1.65‰，大于1‰，有影響，注意觀察。

第七處，北側嘉辰時代廣場，地面沉降量大約為16 mm，梯度大約為1‰，有影響，注意觀察。

軟件計算結果顯示，假如基坑開挖深度從10 m變化到35 m，則周邊建筑物直接損失變化如圖6所示。工程開挖深度小于12 m時對周邊的影響相對較小，因此投資方可以選擇小于12 m的開挖深度。若大于12 m時應該考慮周邊建筑物的損失，根據(jù)該圖形上升曲線部分(12～18 m之間的曲線)，投資方更好的對地下空間結構類型及利用空間大小做出選擇。此曲線同時也驗證了文獻［1］中的結論:基坑降水引起的相鄰建筑物直接損失曲線隨降水深度呈現(xiàn)“多峰狀態(tài)下總體上升”的現(xiàn)象。

基坑開挖深度取14 m(地下水位7.1 m)，對于開發(fā)商來說是相對不利的。若基坑開挖深度取定為16 m則相鄰建筑損失反而會減小。這是因為某些條件下，加大降水深度，反而為減少基坑周邊特定位置處的地面沉降梯度，相鄰建筑物直接經(jīng)濟損失反而下降。

圖6 基坑開挖深度與總損失值關系

軟件計算結果顯示基坑周邊最大沉降量為29.640 mm，而現(xiàn)場實測邊坡最終沉降值為29.9 mm，與軟件計算預測值相一致，再次證明軟件計算結果與實際相符。

4 結論

(1)基于visual basic平臺開發(fā)的基坑降水引起的周邊建筑物直接損失計算軟件，可以用來計算開敞式基坑降水引起的周邊建筑物直接損失，便于工程技術人員操作，可以方便地進行基坑降水方案設計及方案比選。

(2)以鄭州蘭州國際中心工程項目為實例，對基坑降水引起的基坑周邊建筑物的直接損失預測值進行了計算分析，體現(xiàn)了軟件的適用性，并驗證了鄭州東北部河流泛濫沉積工程地質單元地區(qū)沉降修正系數(shù)取0.25～0.35較為合理。

(3)運用軟件計算工程實例，得到了基坑開挖深度與相鄰建筑總損失值對應關系，可以指導投資方對地下空間開發(fā)做出最優(yōu)選擇，體現(xiàn)了軟件的實用性。

［1］宋丹舉.開敞式基坑降水引起的建筑物直接損失風險預測研究［D］.鄭州:鄭州大學，2011.

［2］宋建學，周乃軍，鄧攀.基坑降水引起的環(huán)境變形研究［J］.建筑科學，2006(22):26-31.

［3］宋建學，周同和，郭院成.井點降水引起的復合地基沉降問題的討論［J］.建筑技術，2004(35):212-213.