建筑物采動損害評價研究現狀與進展

崔希民,張 兵,彭 超

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083;2.中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京100083)

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建筑物采動損害評價研究現狀與進展

崔希民1,2,張 兵1,2,彭 超1,2

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083;2.中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京100083)

摘 要:針對建筑物采動損害評價研究的迫切性,分析了國內外建筑物損害臨界變形值確定和損壞等級劃分研究現狀,歸納給出了基于模糊數學、物元模型、神經網絡、聚類分析、熵權法、點數法等理論開展損害評價的優缺點;詳細介紹了國際上采動建筑物損害評價的新進展——脆弱性曲線、分類回歸樹方法。最新研究表明,基于建筑物分類和計算機輔助分析有助于提高建筑物采動損害評價的準確性,克服評價因子的不確定性影響;進而提出了未來急需開展的研究工作和待解決的問題。

關鍵詞:建筑物采動損害;評價;進展;臨界變形;地下開采

責任編輯:常 琛

崔希民,張 兵,彭 超.建筑物采動損害評價研究現狀與進展[J].煤炭學報,2015,40(8):1718-1728.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0594

隨著時間的推移和地下資源的枯竭,東部和部分中部礦山工作面接續緊張,大部分可采資源被建筑物、水體和鐵路壓占。據20世紀80年代國有重點煤礦統計,全國“三下”壓煤量約137.9億t,其中建筑物下約87.6億t,村莊下壓煤占建筑物下壓煤的60%[1]。要延長礦井服務年限,就必須在科學、合理開采設計的基礎上盡可能多地回收利用“三下”資源。因此,建筑物采動損害評價結果既是采動損害責任認定的依據,也是地下開采設計優化的基礎和前提。采動損害評價理論與方法研究已經越來越引起科研與工程技術人員的注意與重視。

建筑物采動損害評價涉及2個主要問題:①建筑物臨界變形值的確定、與變形值對應的損壞等級劃分及其評價分析方法;②地表移動變形的預計及其可靠性。盡管科學合理的進行建筑物采動損害評價時兩者缺一不可,但由于篇幅所限,本文將側重于第1個問題的研究現狀與進展進行分析與闡述,而地表移動變形預計方法的選擇、預計參數的確定、預計結果的可靠性分析等問題將另文討論。

1 建筑物的臨界變形值與損壞等級劃分

地下開采空間達到一定尺寸后,上覆巖層的移動變形將波及到地表,在地表產生連續的或不連續的移動變形。地表移動包括垂直方向的下沉和水平方向的移動。基于下沉和水平移動又可導出傾斜、曲率、水平變形、扭曲和剪應變等變形[2]。均勻的下沉和水平移動只產生建筑物的剛體位移,不會造成建筑物的破壞;而建筑物對非均勻的下沉和水平位移引起的變形敏感,理論上,這些變形量都可作為建筑物損壞的臨界變形值以及損壞等級劃分的依據。

1.1 國內的研究現狀

1973年末至1978年初,我國從村莊下采出的煤量約為3 400萬t,積累了較豐富的不同結構類型農村房屋受開采影響后的抗變形能力、破壞形態等實測數據和資料。當時的農村房屋以居住性房屋為主體,多為3~5開間單層房屋,平面尺寸不大,密度大并伴有各類附屬房屋;建筑材料均就地取材,材質和結構形式因地而異。焦傳武通過對峰峰、阜新、焦作、銅川、鶴壁、王封、梅田、豐城、羊場、田壩等局礦地表和房屋變形觀測的系統分析,認為長度小于20 m,材料為片石基礎、磚墻承重、木屋架、瓦屋面這類磚木混合結構的單層及兩層民用建筑物,其臨界變形值為水平變形值為2 mm/ m、曲率為0.2×10-3m-1、傾斜為3 mm/ m,并建議此類建筑物損壞等級的劃分選用表1中的數值[3]; 2000年《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》修訂后,將該類建筑物定義為磚混結構,將表1中IV級破壞的曲率值由0.6×10-3~0.8× 10-3m-1改為>0.6×10-3m-1[4],目前已成為我國建筑物采動損壞程度劃分的主要依據。對于土筑或土坯平房,由于材料強度低,抗變形能力弱,分析給出的地表臨界變形值為水平變形值1 mm/ m、曲率0.05× 10-3m-1、傾斜1 mm/ m,建議建筑物損壞等級劃分按表1選用[3];對于片石砌承重墻的房屋,其抗變形能力可與土筑平房相同,也參照表1選用。對于多柱式木排架結構,由于其抗變形能力高于上述結構類型的房屋,建議分級標準參考表1執行[3];對于磚窯洞、土窯洞的損害統計分析,盡管沒有給出對應破壞等級的變形值,但得到了當深厚比>200時窯洞完整無損的結論[3]。

表1　建筑物損壞等級[3]Table 1 Classification of subsidence damage for buildings[3]

我國幅員遼闊,不同地區的習俗和自然條件決定了其不同的建筑物結構與特征。部分礦區根據本礦區建筑物特點和建筑物下采煤實踐,制定了適合本礦區的建筑物損壞等級標準,表2為峰峰礦區建立的采動區建筑物損壞評價指標[5];對于長度較大建筑物,研究認為其破壞程度不僅與地表水平變形有關,還與其長度、高度和地表曲率相關,峰峰礦區提出了總變形指標方法以衡量建筑物損壞程度,見表3[3,5]。總變形指標可表示為

其中,ΔL為總變形指標,mm; L為建筑物長度,m; H為建筑物高度,m; R為地表曲率半徑,m;ε為地表水平變形,mm/ m。

表2　建筑物損壞程度與地表變形關系[5]Table 2 Relationships between the classification of mining subsidence and surface deformations[5]

表3　建筑物損壞程度與總變形指標的關系[3,5]Table 3 Relationships between the classification of miningsubsidence and the index of total deformations[3,5]

1978年改革開放以后,特別是新農村建設以來,農村建筑物發生了翻天覆地的變化。在建筑結構上,既有鋼筋混凝土單層和多層結構,也有磚混結構、磚木結構;有的村莊新舊房屋混雜。在地區分布上,東部以磚混、磚木結構為主,有的有底圈梁,有的有頂圈梁,有的有構造柱等;磚窯洞、土窯洞多位于中西部;西南部存在木排架結構房屋。目前在建筑物采動損壞等級劃分上,一般籠統地以磚混結構為基礎,大多沒有考慮建筑類型、建筑結構、建筑材料與質量、修建年限等因素,難免導致建筑物損壞等級界定結果與實際存在偏差。

1.2 國外研究現狀

根據查閱文獻可知,國外采動建筑物的臨界變形值主要以水平變形、剪應變(扭曲)、偏斜率、曲率半徑為指標,按磚石結構、鋼結構與強化混凝土結構、木結構進行分類。研究者主要來自于美國、英國、蘇聯、波蘭、德國等原主要產煤國,研究年代主要集中在20世紀50—80年代,指標多、不系統,見表4[6-27]。表中的I級損壞特征為墻皮細小裂縫,門窗開關不靈活,相當于我國規程中的I級輕微損壞;II級損壞特征為局部結構單元不穩定、門窗卡住、窗框折斷、建筑物使用受限,相當于我國規程中的III中度損壞和IV級中的嚴重損壞;III級損壞特征為主體結構損壞,有倒塌可能,需全部或大部分重建,不能安全居住,相當于我國規程中的IV級極度嚴重損壞,表中的建議值為文獻[28]所確定。各國的建筑物臨界變形值對比和建筑物破壞等級劃分見表5,6[2]。英國國家煤炭局研究認為,造成建筑物損壞的主要原因是地表水平變形,根據實測資料和經驗將地表水平變形、建筑物長度和破壞程度聯系起來,繪制了地表水平變形與建筑物損壞程度關系圖,同時總結了一個依據建筑物長度變化的損壞等級分類表,兩者配合使用[5,7]。國外的研究表明,同一類型建筑結構或相同損壞特征對應著不同的臨界值,表明建筑結構、建筑質量、修建年代等建筑物自身屬性決定了其抵抗變形的能力,同一類型建筑物因建筑質量好壞和使用年限長短的不同而可能具有不同表象,另一方面也存在各國對建筑物臨界變形特征的認定標準不同。

國內外研究的對比分析表明:

(1)不同國家選取的臨界變形指標不盡相同,等級數量也存在差異。中國與蘇聯相同,但Donetsk考慮了建筑物的層數;波蘭選用了水平變形和傾斜;英國則只考慮水平變形;不同國家的損壞評價指標體系差異較大,相同的損壞等級對應不同的臨界變形值,也對應不同的采動損壞程度。

(2)由于建筑物的類型、結構、修建年代、幾何尺寸、建筑質量等差異較大,其抵抗變形能力不同,大多數評價體系中未體現這些特征;Anon[7]和Wagner[29]依據建筑物長度和地表水平變形關系繪制了破壞分級圖,只反應了建筑物長度對地表變形的敏感程度;蘇聯根據多年研究,提出了用總變形指標來評定剛性結構房屋的損壞程度,總變形指標為[5]:

其中, mε和mR是按建筑物長度或寬度確定的系數,進而按建筑物用途分類建立不同類別建筑物的損壞等級與總變形指標的關系;對于柔性結構建筑物,蘇聯研究給出了其允許變形值的計算公式[5],即

認為當柔性建筑物總變形指標大于等于允許變形值時,應采取留設煤柱的方法予以保護。

(3)建筑物完整性與抵抗變形能力會隨著使用年限的增加而降低,但在目前的損壞評價中建筑物修建年代往往被忽略而未體現。

(4)建筑物采動損壞評價應根據研究區域的大小和建筑物特征,按建筑物類別分區選取與實際相符的評價指標體系。

表4　建筑物的損壞等級與特征Table 4 Classification of subsidence damage for structures

續表

表5　主要產煤國的建筑物允許變形值[2]Table 5 Maximum allowable structural deformation in major coal producing countries[2]

表6　主要產煤國的建筑物損壞等級劃分[2]Table 6 Classification of structural damage in major coal producing countries[2]

2 采動損害評價方法的研究現狀

我國的建筑物開采損害評價一直采用地表移動變形的預計值按表1的分界值確定建筑物的損壞等級[3-4],一般依據地表終態的預計變形值,大多未考慮工作面推進過程中的地表動態變形,也未考慮建筑類型、建筑結構、尺寸與形狀、建筑材料與質量、修建年限等建筑物自身固有的因素。

胡炳南研究認為,“三下”采煤規程中以對建筑物破壞影響較大的傾斜、曲率和水平變形值作為因子,劃分絕對的“硬性”界限,當變形值處在兩損壞等級分界值附近時,盡管數值相差較小,但會出現歸屬于不同的采動損壞等級;因此建議以傾斜、曲率、水平變形作為模糊綜合評判因子,對于損壞等級分界點附近取值時,由于等級劃分最模糊,模糊度最大,隸屬度取0.5,分界點中間的模糊度最小、分界最清楚,隸屬度取1,由此采用梯形和半梯形隸屬函數分布及超標加權法分配權重,依據地表變形預計值進行模糊綜合評判,確定了建筑物損壞程度[30];劉立民等應用可拓學的理論和方法,基于可拓學中的可拓集合變換和相關函數分析法,給出了受沉陷影響建筑物損害評價的經典域物元和節域物元,并建立了建筑物損害量化評價的物元模型[31]。盡管兩者都較好地解決了分界點處的損害等級跳躍問題,但未考慮建筑物自身的屬性特征。

影響建筑物采動損害程度的因素很多,有些是確定的、定量的,有些則是模糊的、定性的。這些因素的存在,使得采動影響下建筑物損壞程度分類時往往伴隨著很大的模糊性。郭文兵認為影響磚混結構建筑物采動損壞程度的因素,不僅有地質采礦方面的因素而且有建筑物本身的因素,通過對這些因素的具體分析,選取建筑物狀況、與采空區位置關系、建筑物平面尺寸、采動程度系數、開采的深厚比、覆巖平均堅固性系數、煤層傾角、頂板管理方法等8個因素,采用自適應BP神經網絡技術建立了建筑物采動損壞程度的預測模型,其中,將建筑物的修建年限、地基、基礎性質、建筑材料和結構以及建筑質量等作為建筑物狀況的綜合放映,按好壞劃分為5個等級,即:好、較好、一般、較差、差并分別用1,0.8,0.6,0.4,0.2作為輸入變量;建筑物在移動盆地中的位置按有利、較有利、一般、較不利、不利5種情況并分別用1,2,3,4,5表示,以篩選的32個典型建筑物采動損害實例作為學習訓練樣本,6個實例作為預測樣本并用于檢驗網絡性能,對模型預測結果與實際值進行了對比分析,結果表明用人工神經網絡方法預測建筑物采動損壞程度是可行的[32],但也存在各因素作用機理不明、訓練過程中局部極小、網絡結構難以確定、權重取值主觀等問題。在此基礎上,作者采用平移-標準差數據標準化方法,建立模糊相似矩陣以求解模糊等價矩陣,由動態聚類圖得到分類結果,從而建立了基于模糊等價關系的采動影響下建筑物損壞程度模糊聚類分析方法[33]。該方法盡管綜合考慮了建筑物的幾何狀況,但不能體現與建筑物破壞密切相關的建筑結構、類型及修建年限等因素,也未考慮不同因素影響間的不等權分配。王正帥等基于實測數據采用熵權法確定各影響因素的權重,提出了建筑物采動損害的熵權模糊識別模型,同樣通過計算模糊綜合隸屬度,按最大隸屬度原則評判建筑物損壞等級[34];盡管熵權法是一種根據樣本數據確定權重的客觀賦權法[35-36],能消除主觀賦權法中人為因素的不利影響,但需要大數據量的實測樣本以提高模型的可靠性。

隨著計算機技術和3S技術的發展,越來越多的研究者開始嘗試利用GIS技術開展建筑物采動損害評價[37-38]。Ibrahim利用中國的采動建筑物損壞等級,基于GIS開展地表移動變形的過程預計,提出了模糊邏輯與GIS相結合的評價方法[39],但未充分利用GIS的強大空間分析功能。

2010年Malinowska依據建筑物水平投影長度、建筑物形狀、基礎、地基、建筑條件、已采取的防護措施、建筑物的技術狀態等將建筑物劃分為7個大類、若干個子類,分別賦予不同的點數,建筑物的總點數對應著該建筑物抵抗變形能力,基于總點數將建筑物抵抗變形能力劃分成5個級別,點數越高則建筑物對變形越敏感;建立了建筑物抵抗變形等級與地表變形6個等級的關系,利用GIS對建筑物損壞等級進行分階段評價[40]。點數法的優點是考慮建筑物自身條件與特征,但也應當看到其實質是典型的專家打分法,評價結果的可靠性完全取決于評價人員的主觀經驗。2010年Oh構建了包括地質條件、井下巷道、鉆孔、地形、土地利用的空間數據庫,將地形坡度、地質條件、土地利用狀況、井下巷道的埋藏深度、至巷道的平面距離、地表潛水埋深和潛水滲透性作為影響因子,研究區的地面沉陷狀況通過野外實測獲得,采用證據權重模型即貝葉斯概率模型,分析下沉及其相關因子,基于GIS劃分了沉陷災害等級[41];其優點是考慮地形地貌的影響,發揮了GIS的緩沖區分析和空間分析功能,但忽略了建筑物的自身屬性。

而當年植樹時，并沒有太多果樹品種可供選擇，與當地其他村民一樣，他們種的也基本上都是柿子和楊梅。到如今，這兩種水果已越來越不好賣，柿子才幾毛錢一斤，勞神費力地摘了幾籮筐，也換不來幾個錢，很多村民都不愿采摘了，就任由柿子爛在地里。近些年，當地有村民開始把這些老果樹砍掉，改種更具經濟效益的新品種。看到大家都改種了其他果樹，林運娘也萌生了改種百香果的念頭。于是，她請來了挖機，打算把該片林地好好地重新規劃一番。然而，剛把老果樹推倒，將土地鏟平，還沒來得及種上新果樹，她就被人舉報到了湖坑鎮森林派出所，對方稱她涉嫌毀壞林地。

2013年Saeidi對國際上6種主要的建筑物采動損害評價方法進行了對比研究,其中2種方法是以建筑物長度與水平變形之間關系確定的圖示法等級圖, 4種為3~5級的損壞分級,以法國某鐵礦沉陷區1 500棟建筑為例,采用損壞等級歸一化處理,盡管分析給出了各方法的可比性、評價結果的安全程度,但并未表征各方法的本質,對比結果不夠客觀,詳見參考文獻[42]。

3 建筑物采動損害評價方法的研究進展

3.1 基于脆弱性曲線的評價方法

脆弱性(Vulnerability)來源于自然災害風險評估,用于衡量承災體遭受的損害程度。當承災體的脆弱性側重于因災造成的災情水平時,通常用致災和成災之間的關系曲線或方程表示為脆弱性曲線,有時也稱易損性曲線[43]。1964年White首次提出了脆弱性曲線方法并用于水災脆弱性評估[44]。近年來該方法在水災、地震、臺風、滑坡、泥石流、雪崩、海嘯等災害研究中逐漸被推廣應用。

2009年Saeidi將脆弱性曲線引入沉陷區建筑物損害評價中,著重解決不同經驗方法評估引起的歧義以及損害評估中的不確定性問題[45]。脆弱性曲線利用了3類輸入數據:建筑物的損壞等級、事件強度準則和建筑物類型。損壞等級是按變形值劃分的4個或5個等級,事件強度準則可以選用建筑物最敏感的水平變形,而建筑物的類型劃分較復雜,要考慮與建筑物抵抗變形關系密切的影響因子。Saeeidi將法國Ferriferious盆地Lorraine區的建筑類型按建筑材料與結構、建筑物長度、地基與基礎、建筑物形狀與對稱性劃分為4個大類,各大類又分別細分為7,5,9,6個子類,詳見表7[45]。理論上該地區的建筑物類型為7× 5×9×6=1 890種。實際上經過歸類分析后可分成5 類,占全部建筑物的70%。對每一個建筑類型分別建立脆弱性曲線,例如建筑類型為MRMSSR,現場實際統計1 600棟典型損壞狀況見表8,則按對應的變形值計算平均損壞等級為

其中, Di為損壞等級值,對于四級分級Di分別為1, 2,3,4; P(Di)為與地表變形值對應的Di損壞等級的概率。

其中, N(Di)為對應地表變形的Di級損壞建筑物數量; n為總數量。根據表8計算的平均損壞等級可以通過回歸獲得連續脆弱性曲線(損壞等級):

脆弱性曲線法在評價精度和易操性方面較好地折衷了現有經驗方法的優點,同時可以考慮多種評價方法進行綜合分析,但需要大量的樣本數據做支撐,在脆弱性概念界定、指標選取、數據標準、曲線精度等方面仍有待進一步研究。2015年Saeidi進一步考慮開采影響和脆弱性曲線的不確定性,基于GIS開發了開采沉陷損壞等級模擬器(MSDS),可以進行多種可能地質采礦條件下的建筑物損壞等級評估,利用數理統計方法給出了等概率和相對概率條件下災害強度的數學期望和標準差[46],有一定的借鑒和參考價值。

表7　建筑類型劃分Table 7 Building typology

圖1　平均損壞等級與回歸分析Fig.1 Mean damage and regression

表8　某類建筑物平均損壞等級計算Table 8 Calculation of mean damage for a type building

3.2 基于分類與回歸樹的評價方法

分類與回歸樹是由美國統計學家Breiman等于1984年提出的一種非參數分類與回歸方法,簡稱CA RT(Classification and Regression Trees)[47],它既是一棵二叉樹,也是一種決策樹,同時也屬于數據挖掘的一種方法。1997年南京地質礦產研究所的張松林對該方法及其應用做了較詳細的介紹[48],目前CART已廣泛應用于遙感信息提取、土地利用覆蓋分類、礦床預測、醫療診斷、古生物化石分類、交通流分析、物種分布、食品科學、個人信用評價、語韻邊界識別等自然與社會科學領域。

CART方法應用包括分類回歸樹的構造和剪枝2個階段:①在對已知數據集進行系統分析的基礎上構建分類與回歸的預測準則,不需要預先假設因變量與自變量的關系,根據樣本集按照給定標準選擇分支屬性,利用遞歸劃分法將自變量定義的空間劃分為盡可能同質的組別,每一次劃分都由自變量的最佳劃分值來完成,將數據分成兩部分,直到數據不可再分;分支屬性的標準可以按信息增益(Information Gain)、熵(Entropy)和基尼指數(Gini Index)等進行選擇。②由于分類回歸樹構造過程中許多分支反映的可能是訓練樣本中某個結點最優而非全局最優,即構造過程中得到的樹并不一定是最簡單、最緊湊的決策樹;為了防止所建立的樹和訓練樣本的過擬合現象發生,需要進行樹剪枝;樹剪枝的目的是檢測和去掉該類分支,以提高對未知樣本集進行分類的準確性;一般通過計算CART樹的復雜度、誤分類成本和成本復雜性來實現。

2014年波蘭的Malinowska將CART方法引入采動建筑物損壞害評價中[49],采用了上西里西亞2處地面沉陷導致建筑物損壞的ZB1和ZB2區為樣本,建筑物中80%為一、二層帶地下室的磚結構民宅, 80%建造于1985年之前。ZB1區作為訓練樣本,共有372棟房屋,其中有141棟受到了采動損壞。第1步是訓練樣本預處理,按建筑物的結構類型劃分成7類變量,即承重墻損壞、隔墻損壞、天花板損壞、瓦片掉落、木制品損壞、墻皮脫落和煙囪管道損壞;前3種變量基于裂縫寬度、分布與方向的發展演化又細分為無、輕微、中等、嚴重4個損壞等級,后4種作為布爾變量(真/損壞、假/無損壞)統稱為功能損壞;從而建立損壞等級與建筑物結構、功能損壞的對應關系準則。第2步是尋找決定建筑物損壞發生、發展的獨立風險因子:一類是與建筑物相關的包括定量的修建年代、長度、層數和定性的保護措施、功能(住宅、農業、倉庫);一類是引起建筑物破壞的地表變形值;分析結果表明,影響最大的風險因子是地表水平變形值和建筑物修建年代。第3步是構建分類樹:141個訓練樣本分為4個損壞等級,按照修建年代和分界水平變形值生成了具有15層153個葉節點的最大可能樹;交叉驗證和剪枝后得到的正確分類誤差最小的最優樹如圖2所示,對應的損壞等級分區如圖3所示。

圖2　最終分類樹[49]Fig.2 Ultimate classification tree[49]

ZB2區為檢驗驗證樣本,共有518棟建筑物,其中實地調查發現損壞的有127棟,I、II、III和IV級損壞房屋分別為32,46,43和6棟;應用分類回歸樹確定的I、II、III和IV級損壞房屋分別為0,8,35和0 座,而采用波蘭點數法得到的I,II,III和IV級破壞房屋分別為5,1,0和0座。盡管對于I,II損壞的驗證結果都較差,可能與預計方法的選擇以及變形值預計精度有關,但分類回歸樹方法總體評價精度優于波蘭基于主觀經驗的點數法。

研究認為,分類回歸樹以二叉決策樹的形式給出,簡單直觀、誤差率低,受少數異常數據影響小;當數據越復雜、變量越多,CART優越性就越顯著;同時可對建筑物長度、高度或層數等多種致災因子進行綜合分析評判。

圖3　損壞等級分區[49]Fig.3 Classification division of building damage[49]

4 結論與展望

(1)我國采動建筑物損壞等級劃分和臨界變形值的確定一致沿用20世紀七八十年代的成果,目前的村莊建筑物結構與類型等已發生質變,二層、三層框架結構、設有頂底圈梁、構造柱的樓房已經成為建設主流趨勢,急需有關部門牽頭組織相關院所開展系統的產學研聯合攻關,充分考慮建筑物的自身屬性和特征,建立符合現勢性要求的、分類別的指標體系,為科學、合理、公正的開展建筑物損害評價提供技術支撐。

(2)目前我國的建筑物損壞等級是按地表變形值大小硬性劃分,分級值附近的微小變化會產生兩個不同的損壞等級,國內外類似的等級劃分是否合理?建筑物抵抗地表拉壓變形能力不同,是否需要按拉伸和壓縮變形分別建立評價指標體系等,仍有待進一步研究和商榷。

(3)目前的評價體系中盡管引入了模糊數學、可拓學、神經網絡、聚類分析、熵權法等理論,考慮了其中的某些模糊性和不確定性,但仍未突破傳統評價體系的框架,不能充分考慮建筑物自身屬性特征;即使采用GIS也只是部分考慮了地形地貌等對建筑物損害的影響,沒有充分利用其強大的緩沖區分析和空間分析功能,該領域的理論研究和應用尚有潛力可挖。

(4)建筑物采動損害評價的發展趨勢是在考慮建筑物自身屬性特征的同時建立科學合理的損壞等級分類指標體系。盡管波蘭的點數法評價系統充分考慮了建筑結構、建筑材料、地基與基礎、幾何形態參數、防護措施有無等屬性特征,但依靠專家的主觀打分,評價結果的好壞完全取決于評價人員的主觀經驗;脆弱性指數或曲線通過對評價區域的建筑物進行分類,依靠大量的實測數據按損壞概率計算平均損壞概率來實現評價;分類回歸樹方法同樣使用了大樣本數據,可以考慮建筑物修建年代、建筑物長度等屬性信息進行單因素評價或多因素綜合評價。這些方法的研究表明,分類建立建筑物損壞等級標準是未來采動損害評價的發展方向;同時證明采動建筑物的損壞與否不僅僅取決于地表變形值大小,也與建筑物的自身特性密切相關。

(5)采動建筑物損壞的另一個重要影響因素是特定地質采礦條件下的地表移動變形預計值,預計模型的選擇、預計參數的確定以及預計結果的可靠性等仍需開展研究;目前大多數研究者都采用地表移動終態的變形值進行損害程度評價,而采動過程中由于建筑物所處位置不同,其可能遭受拉伸、壓縮變形等交替影響[50],建筑物承受的終態變形值與采動過程中的動態變形值差異較大,表明科學的建筑物損壞評價應與地表移動變形的動態全過程相結合[51-53]。

(6)采動建筑物損壞機理、機制研究目前仍有欠缺,特別是采動建筑物地基基礎的協同作用、應力與變形的傳遞關系等。目前國內外研究已經取得一些新進展[54-55],期待更多的研究成果為采動建筑物損害評價提供理論支撐。

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Current status and progress on the estimation of mininginduced building damage

CUI Xi-min1,2,ZHANG Bing1,2,PENG Chao1,2

(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:To meet the urgency and necessary of mining induced building damage estimation in practice,the present situation of the determination of critical deformation and damage classification to building was analyzed.The advantages and shortcomings were investigated for the building damage assessment based on the fuzzy mathematics,matter element,neural network,entropy weight,fuzzy clustering and point method.The new progresses in the assessment of mining induced building damage,such as vulnerability curve,classification and regression tree,were introduced in detail.The study results reveal that it is helpful to improve the accuracy of building damage assessment based on building typology and computer aided analysis.The influences of uncertainty from estimating factor may be further avoided in the process of damage assessment.The areas for further study in the future are proposed.

Key words:mining induced building damage;estimation;progression;critical deformation;underground mining

作者簡介:崔希民(1967—),男,遼寧寬甸人,教授,博士生導師。Tel:010-62339305,E-mail:cxm@ cumtb.edu.cn

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51474217)

收稿日期:2015-04-29

中圖分類號:TD325

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1718-11