黃土地區(qū)基坑降水對鄰近建筑物影響的評價方法

趙　敏，胡　博

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 陜西西安710021)

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黃土地區(qū)基坑降水對鄰近建筑物影響的評價方法

趙敏，胡博

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 陜西西安710021)

摘要:為了研究黃土地區(qū)基坑降水對鄰邊建筑物的影響，采用目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的綜合評判方法，根據(jù)黃土地區(qū)基坑降水與周邊建筑物自身特點，選擇土體滲透系數(shù)、基坑支護(hù)工程安全等級、基礎(chǔ)類型等10個指標(biāo)作為綜合評判基坑降水對周邊建筑物影響評價的體系指標(biāo)，將各項指標(biāo)按隸屬度方法劃分為4級，把模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用到基坑降水對周邊建筑物影響評價中，構(gòu)造了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木C合評價體系，并以實際工程案例進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，所提方法能夠反映黃土地區(qū)基坑降水對鄰邊建筑物的影響，其評價結(jié)果與實際吻合較好。

關(guān)鍵詞：基坑降水；目標(biāo)層次法；指標(biāo)體系；模糊數(shù)學(xué)；建筑物影響評價

隨著西安城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，高層建筑不斷涌現(xiàn)，深基坑工程大量出現(xiàn)。在地下水位埋深較淺地區(qū)開挖深基坑時，部分工程需要進(jìn)行連續(xù)的基坑降水，長時間基坑降水會降低地下水位，引起周邊地基與建筑物不均勻沉降，進(jìn)而對周邊建筑物造成不同程度損壞[1-2]。因此，在一定范圍內(nèi)建立一個可以評價建筑物損壞程度的方法[3]，對于科學(xué)地評判基坑降水對建筑物的損壞以及后續(xù)對建筑物進(jìn)一步加固都有很大的意義。

1黃土基坑降水對周邊建筑物損壞評價體系

1.1主要指標(biāo)體系的構(gòu)建

指標(biāo)體系的構(gòu)建[4]應(yīng)考慮具體的黃土基坑現(xiàn)場因素以及周邊建筑物的主要特征。因為不同的基坑現(xiàn)場因素千差萬別，而且研究的側(cè)重點各不相同，所以無法建立一個統(tǒng)一的指標(biāo)體系去評價不同地域不同建筑物損壞的情況，但可以在一定范圍內(nèi)建立一個相對統(tǒng)一的指標(biāo)體系。

通過分析黃土基坑降水對周邊建筑損壞的要素，可以粗略地歸納為三方面：①設(shè)計因素；②施工因素；③周邊建筑因素。

指標(biāo)體系的初建有很多種方法，大致包括以下5種方法，即分析法、交叉法、目標(biāo)層次法、綜合法、指標(biāo)屬性分組法。一般來說，對評價對象的水平評價多采用目標(biāo)層次式結(jié)構(gòu)。本文涉及黃土基坑降水對周邊建筑物損壞程度的評價，采用目標(biāo)層次式[3]結(jié)構(gòu)比較合理。

1.2量化指標(biāo)及其分級

目前量化指標(biāo)的方法大多有特征分析以及邏輯信息分類法等，本文將所有影響建筑物損壞的因素量化分級為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類四大類，分別表示為優(yōu)、良、中等、差。此方法屬于邏輯信息分類法，首先通過對周邊建筑物損壞影響因素的統(tǒng)計，確定影響因素中最大和最小的兩個臨界值，然后在兩個臨界值值之間，以極限值遞增或者遞減規(guī)律來實現(xiàn)指標(biāo)量化分級。各個影響指標(biāo)量化分級如下。

①黃土濕陷性分級體系

根據(jù)GB50025-2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》、GB50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和相關(guān)資料，按照黃土的濕陷性系數(shù)δs進(jìn)行分級。黃土濕陷性是指天然黃土在一定壓力下受水浸濕后其結(jié)構(gòu)迅速破壞，并發(fā)生顯著附加下沉的性質(zhì)。

第一類δs<0.015，定為非濕陷性黃土；第二類0.015≤δs≤0.03，定為濕陷性輕微；第三類0.03≤δs≤0.07，定為濕陷性中等；第四類δs≥0.07時，定為濕線性強(qiáng)烈。

②基坑周圍土體滲透系數(shù)分級體系

參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287—2008，利用滲透系數(shù)K(m/d)進(jìn)行分級。第一類為微透水(K<0.01); 第二類為弱透水( 0.01≤K<0.1); 第三類為中等透水 ( 0.1≤K<10); 第四類為強(qiáng)透水(K≥10)。

③降水出水量分級體系

選用噴射井作為基坑降水設(shè)備，按照噴射點井的出水量可以分為以下4類：第一類為1.5型并列式，出水量在4.22～5.76 m3/h;第二類為2.5型圓心式，出水量在4.30～5.76 m3/h；第三類為4.0型，出水量在10.80～16.20 m3/h；第四類為6.0型圓心式，出水量在25.00～30.00 m3/h。

④黃土地區(qū)基坑支護(hù)工程安全等級分級體系

參考JGJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》以及其他資料，綜合將基坑支護(hù)工程安全等級分為特級、一級、二級、三級4個級別。其中，特級定義為基礎(chǔ)埋深H1>18 m且地下水埋深<0.1H1；一級定義為基礎(chǔ)埋深在15～18 m且地下水埋深在0.1H1～0.2H1；二級定義為基礎(chǔ)埋深在9～14 m且地下水埋深在0.3H1～0.4H1；三級定義為基礎(chǔ)埋深<9 m且地下水埋深>0.5H1。

⑤周邊建筑物與基坑之間距離的劃分體系

參考國外資料以及國內(nèi)在建地鐵工程基坑與周邊建筑物相對關(guān)系[5]，根據(jù)接近度和工程影響分區(qū)綜合劃分為4類：Ⅰ類為強(qiáng)烈影響區(qū)，即基坑周邊0.7H2(H2代表基坑開挖深度)范圍；Ⅱ類為顯著影響區(qū)，即基坑周邊0.7H2～1.0H2范圍；Ⅲ類為一般影響區(qū)，即基坑周邊1.0H2～2.0H2范圍；Ⅳ類為輕微影響區(qū)，即基坑周邊大于2.0H2范圍，即2H2～4H2。

⑥建筑物與基坑夾角對建筑物沉降影響分級

參考文獻(xiàn)[6-7]，假設(shè)建筑物與基坑的距離不變的情況下，建筑物沉降量差異取決于建筑物與基坑的夾角，按基坑邊緣與建筑物縱向軸線成90°、60°、45°、30°夾角建立了4種工況。

工況1：當(dāng)夾角為90°時，建筑物沉降范圍在15～28 mm，定為Ⅰ類。

工況2：當(dāng)夾角為60°時，建筑物沉降范圍在17～30 mm，定為Ⅱ類。

工況3：當(dāng)夾角為45°時，建筑物沉降范圍在21～34 mm，定為Ⅲ類。

工況4：當(dāng)夾角為30°時，建筑物沉降范圍在27～38 mm，定為Ⅳ類。

如無特別說明，以后在給定相應(yīng)的類別后只強(qiáng)調(diào)沉降范圍。

⑦基坑周邊建筑物建設(shè)年代劃分體系

參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50023-2009以及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等資料，鑒定標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑所建造的年代及當(dāng)時設(shè)計所依據(jù)的規(guī)范系列, 將現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固時所選用的后續(xù)使用年限劃分為30、40、50、70 a 4個檔次:第一檔為在70年代及以前建造并經(jīng)耐久性鑒定可繼續(xù)使用的現(xiàn)有建筑, 其后續(xù)使用年限不應(yīng)少于30 a,在80年代建造的現(xiàn)有建筑, 宜采用40 a或更長且不得少于30 a，即70～80年代房屋宜采用30 a；第二檔為在90年代(按當(dāng)時施行的抗震設(shè)計規(guī)范系列設(shè)計)建造的現(xiàn)有建筑, 后續(xù)使用年限不宜少于40 a, 條件許可時采用50 a；第三檔為在2001年以后(按當(dāng)時施行的抗震設(shè)計規(guī)范系列設(shè)計)建造的現(xiàn)有建筑, 后續(xù)使用年限宜采用50 a；第四檔為最新建造的房屋,其后續(xù)使用年限宜采用70 a。

⑧基坑周邊建筑物基礎(chǔ)類型分級

據(jù)文獻(xiàn)[8]，基坑降水對不同基礎(chǔ)有不同的影響，大概分為4類。基坑降水對深基礎(chǔ)影響很小，此類基礎(chǔ)定為Ⅰ級，其中最常見的樁基礎(chǔ)和箱型基礎(chǔ)屬于深基礎(chǔ)；對筏板基礎(chǔ)的影響較小，定為Ⅱ級；對擴(kuò)展基礎(chǔ)有沉降，定為Ⅲ級；對無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)有明顯的沉降，定為Ⅳ級。

⑨沉降監(jiān)測分級體系

不同地基基礎(chǔ)沉降存在差異，因此，選用差異沉降δ作為評定目標(biāo)[9]。箱形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)的整體剛度較好；獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)次之；而無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)對沉降的敏感性較大。本文選擇砌體結(jié)構(gòu)建筑物[10]的地表傾斜變形值來進(jìn)行分級。等級Ⅰ級定義為基礎(chǔ)有足夠的承載能力，沒有超過規(guī)范允許范圍的不均勻沉降(δ<0.003 )；等級Ⅱ級定義為基礎(chǔ)有一定的承載能力，稍有超過規(guī)范允許范圍的不均勻沉降但已經(jīng)穩(wěn)定(0.003≤δ<0.006) ；等級Ⅲ級定義為基礎(chǔ)局部承載能力不足，有超過規(guī)范允許范圍的不均勻沉降(0.006≤δ<0.010) ，其上部建筑結(jié)構(gòu)略微受影響，局部有細(xì)微裂縫；等級Ⅳ定義為基礎(chǔ)承載能力不足，明顯存在不均勻沉降(δ≥0.010) ，并仍在繼續(xù)發(fā)展，其上部建筑結(jié)構(gòu)受明顯影響且多處出現(xiàn)裂縫。

⑩建筑物傾斜分級體系

參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011、《危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》JGJ125-99以及《建筑施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50300-2013中的一些規(guī)定，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)的不同，大致分為以下4類：Ⅰ類為高聳結(jié)構(gòu)物(20 m≤Hg≤250 m，Hg代表建筑物高度)；Ⅱ類為高層建筑物(24 m≤Hg≤100 m)；Ⅲ類為鋼筋混凝土承重結(jié)構(gòu)(18 m≤Hg≤24 m)；Ⅳ類為砌體結(jié)構(gòu)(Hg≤21 m)。

1.3數(shù)據(jù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

本研究采用10個體系指標(biāo)，由于各種體系指標(biāo)量綱不同，而且體系指標(biāo)之間數(shù)據(jù)差異較大，無法將各個指標(biāo)進(jìn)行直接比較。因此，要使不同量綱之間的指標(biāo)可以相互比較，首先應(yīng)對這些指標(biāo)及其數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱之間的差異，并使每一個指標(biāo)的極性一致且值域都在0～1。針對單一因素定性指標(biāo)，按照質(zhì)量等級給予離散型代數(shù)值，對連續(xù)性變化的定量指標(biāo)，采用對應(yīng)的質(zhì)量等級的指標(biāo)范圍中間值作為其標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的基數(shù)。

通過上面公式的換算，將本文所列的所有指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)，如表3所示。其中，Ⅰ級～Ⅳ級指標(biāo)量值有量綱，標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)無量綱。

表1　黃土基坑降水對周邊建筑物損壞評價指標(biāo)量化及標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)

1.4指標(biāo)權(quán)重體系

周邊建筑物損壞的評定包含多個元素指標(biāo)的綜合評定，但參與評定的元素指標(biāo)本身對其評定結(jié)果的貢獻(xiàn)是不一樣的。權(quán)重反映了不同元素之間重要性的差異，用來衡量不同變量輕重作用程度的數(shù)值，求解權(quán)重的過程其實就是對不相同的評定因素間重要性程度分析的過程。常用的評價方法有很多，比較成熟的有數(shù)理統(tǒng)計、熵值法、專家打分等。由于本研究考慮的元素較多，元素之間差異性較大且復(fù)雜，元素邊界無法確定，采用美國匹茲堡大學(xué)教授T.Lsaaty提出的目標(biāo)層次式結(jié)構(gòu)，故采用層次分析的賦權(quán)方法，根據(jù)所建立的目標(biāo)層次式的指標(biāo)體系，分別建立不同層次的判斷矩陣，計算出各個不同層次元素的權(quán)重，然后按照各層指標(biāo)的歸屬關(guān)系，最終計算出本文10個指標(biāo)的權(quán)重。

本文將基坑降水對周邊建筑物損壞作為目標(biāo)層(A)，將設(shè)計因素(B1)、施工因素(B2)、周邊環(huán)境因素(B3)作為3個準(zhǔn)則層，將上文列出的10個因素(C1～C10)作為指標(biāo)層。目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖

表2　比較標(biāo)準(zhǔn)意義

通過上面的目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖與表2所示的比較標(biāo)準(zhǔn)意義，建立一系列判斷矩陣。

設(shè)計因素判斷矩陣為：

從而推出C1和C2特征值分別為：λc1=1.955，λc2=0.005。

施工因素判斷矩陣為：

從而推出C3和C4的特征值分別為：λc3=2.000，λc4=0。

周邊環(huán)境因素判斷矩陣為：

從而推出C5、C6、C7、C8、C9和C10的特征值分別為：λc5=0.258 9，λc6=0.135 7，λc7=0.135 7，λc8=0.075 0，λc9=0.135 7，λc10=0.258 9。

目標(biāo)層判斷矩陣為：

從而推出B1、B2、B3的特征值分別為：λB1=3.006，λB2=-0.003+0.163i，λB3=-0.003-0.163i。

本文利用和法求解10個元素組合權(quán)重，結(jié)果為：

AQ=[0.412 50.137 50.172 80.091 80.046 80.023 40.023 40.016 20.023 40.046 8] 。

對元素指標(biāo)進(jìn)行一致性檢驗，計算各層的Cr均小于0.10，因此，各個層次的判斷矩陣具有滿意的一致性，說明獲得的權(quán)重值是可靠合理的。

2基于模糊數(shù)學(xué)綜合評價

2.1構(gòu)建模糊數(shù)學(xué)模型

采用模糊數(shù)學(xué)[11-15]綜合評價，綜合考慮各種元素對某一事物或體系的評價，當(dāng)評價元素具有模糊性時，則稱為模糊綜合評價[11]。黃土基坑降水對周邊建筑物損壞評價模型[12-13]的構(gòu)建步驟如下。

①確定元素集，即由被判斷目標(biāo)所組成的元素集合，也即本文所列出的10個元素集合U={U1U2U3U4U5U6U7U8U9U10}，反映參與評價的10個評判元素性狀數(shù)據(jù)。

②建立判斷集合，即V={V1V2V3V4}，其中，V1，V2，V3，V4分別代表了評價等級中的Ⅰ～Ⅳ級。

③建立模糊矩陣。每一個評價元素Ui對評價結(jié)果V上的模糊子集為Ri={ri1ri2…rim}，綜合評價多元素影響的事物時，需考慮各個元素所占的權(quán)重，即本文10個元素的權(quán)重AQ=[0.412 50.137 50.172 80.091 80.046 80.023 40.023 40.016 20.023 40.046 8]。

④模糊綜合評價。將權(quán)重子集A結(jié)合被評價對象的各元素模糊矩陣R，可以進(jìn)行模糊綜合評價，即B=AR，將A和R矩陣帶入式中，可得B={B1B2…Bm}，由此得到評價子集V的模糊子集B，分向量值最高者在V中所屬的位置為所求的評價級別。

2.2模糊數(shù)學(xué)模型的實際應(yīng)用

以西安某工程為例說明模型的應(yīng)用。該工程位于西安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，周邊環(huán)境良好，交通條件便利，場地周邊建筑林立；在基坑正東側(cè)10～60 m范圍內(nèi)并排2棟2005年建設(shè)的多層建筑，其為磚混結(jié)構(gòu)，天然地基，條形基礎(chǔ)；場地地質(zhì)條件:①表層為素填土，層厚大約為0.9 m；②層為黃土狀土，以硬塑狀態(tài)為主，層厚大約為5.5 m；③層為中粗砂，為含水層(主要為潛水)，層厚大約為5.5 m，其土體滲透系數(shù)為K=7 m/d；④層為粉質(zhì)粘土，層厚大約5 m。現(xiàn)在選擇基坑開挖深度為16 m，土釘墻分層基坑支護(hù)，根據(jù)該場地地下水埋藏條件、基坑開挖深度以及場地附近地區(qū)已有的降水施工經(jīng)驗，考慮到本工程基礎(chǔ)施工時會受到雨天的影響，本工程降水采用管井圍降的方法，采用設(shè)備為6.0型圓心式進(jìn)行快速降水。

根據(jù)所描述的情況，對基坑正東側(cè)建筑物進(jìn)行評價，將上述工程資料進(jìn)行量化整理及標(biāo)準(zhǔn)化處理，如表3所示。

采用上述模糊數(shù)學(xué)模型對周邊多層建筑物進(jìn)行損壞評價，按照隸屬度最大原則，評價等級為Ⅲ級。根據(jù)現(xiàn)場實地考察發(fā)現(xiàn)，正東側(cè)建筑物部分窗臺有微裂縫，散水與建筑物外墻之間的裂縫在3～4 cm。由此可見，損壞評價的結(jié)果與實際情況大致相符。

表3　評判指標(biāo)量化及其指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

3結(jié)語

黃土地區(qū)基坑降水對周邊建筑物損壞的影響是多方面的，其影響程度評價結(jié)果因選取因素的不同而差異較大。本研究考慮了影響周邊建筑物的10個主導(dǎo)因素，構(gòu)建了在一定范圍內(nèi)相對統(tǒng)一的指標(biāo)評價體系，構(gòu)建了建筑物評價的模糊數(shù)學(xué)模型，并通過西安某工程實例檢驗了評價模型，評價結(jié)果與實際情況大致相符，說明該評價方法是比較有效的。隨著經(jīng)驗的不斷積累，配合采用其他數(shù)學(xué)方法，優(yōu)化指標(biāo)體系，增加評價元素，完善評價模型，可使損壞評價結(jié)果更加貼近實際情況。

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(責(zé)任編輯唐漢民裴潤梅)

Evaluation on effect of deep excavation dewatering on adjacent building in loess area

ZHAO Min, HU Bo

(Architectural Engineering Institute,Xi’an Technological University, Xi’an 710021, China)

Abstract：In order to study the influence of foundation pit dewatering on adjacent buildings in loess area, the parameters, such as soil permeability, security level of foundation support, type of foundation etc., were chosen to be the evaluation index of dewatering effect of foundation pit on surrounding buildings according to the characteristics of the buildings. Based on the grade of membership method, these indicators were divided into 4 levels. Using the fuzzy mathematics approach, a comprehensive evaluation system was established and validated through practice. The evaluation results are in good accordance with the actual conditions.

Key words:foundation pit dewatering; target level method; index system; fuzzy mathematics; impact assessment of buildings

中圖分類號:TU753.66

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0317-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0317

通訊作者：趙敏(1970—)，女，陜西楊凌人，西安工業(yè)大學(xué)教授；E-mail：1256599171@qq.com。

基金項目：陜西省自然科學(xué)基金資助項目(2015JM5260)；陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1340)

收稿日期：2015-12-14；

修訂日期：2016-03-04

引文格式：趙敏，胡博.黃土地區(qū)基坑降水對鄰近建筑物影響的評價方法[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(2)：317-323.