基坑降水引起的相邻建筑物直接损失预测软件开发*

韩明明，冯敬辉，宋建学

(1.郑州大学土木工程学院，河南郑州450000;2.郑州市轨道交通有限公司，河南郑州450000)

基坑降水是基坑工程施工中常见的措施，一旦地下水位下降，必将对周边造成一定的影响，如地面沉降，建筑物倾斜以及市政管线的破坏等等。为了在基坑降水方案编制阶段就能够对降水施工的风险进行评估，需要对降低水位引起的经济损失进行预测。在此方面已有了一定的研究成果［1-3］，但是实际计算过程比较繁琐，不便于工程技术人员对降水方案进行分析比较。因此，基于既有理论，开发相应软件具有实用价值。

1 降水环境影响预测方法

对于未设置止水帷幕的基坑工程，预测建筑物直接损失的总体思路是［1］:首先根据基坑形状确定等效半径，并将基坑周边地面划分成适当大小的“环带”(如图1所示);然后根据降水曲线确定环带中心线的沉降量;进而确定沉降梯度;最终根据地面沉降梯度与建筑物损失之间的定量关系确定基坑周边一定范围的建筑物损失总和。

图1 基坑周边环带划分示意图

本文作如下假设:以环带中心点的水位作为该环带的水位，中心点的沉降量作为该环带的平均沉降，即假设每个环带内的水位和沉降是相同的。

1.1 降水曲线公式

根据裘布依地下水二维稳定流运动公式，得到降水曲线的确定公式［2］:

式中:Sw为坑底水位实际下降值(m)，Sw=H-hw+1，H为基坑开挖深度(m)，hW为地下水静止水位埋藏深度(m)，Snw为基坑外围距坑壁一定距离的某点处地下水位下降值(m);R为抽水影响半径(m)，该半径从基坑中心算起，R=R1+r，R1为单井抽水试验的引用影响半径(m)为渗透系数(m/d)，M为抽水稳定后潜水含水层厚度(m);r为基坑的等效半径(m)，当基坑为圆形或接近正方形时，当基坑为矩形时，若，则r=0.3(a+b)，若，则，A为基坑底面积(m2)，a、b为基坑的长边和短边尺寸(m);D为待测点距基坑边壁的距离(m)。

1.2 沉降计算公式

为了与现行规范相统一，以方便设计、施工人员接受，采用简化的分层总和法来计算降水引起的地面沉降［3］。降水沉降修正系数ψ可根据地区和工程的具体环境来确定。

式中:s为降水引起的地面总沉降量;ψ为降水沉降修正系数，一般取0.25-0.35(郑州市);Esi为第i层土的侧限压缩模量(MPa);ΔHi为第i层土底面水位降低深度(m)，其中，ΔH0=0;n为发生水位降低的层数。

1.3 地面沉降梯度

地面沉降梯度:相邻两个环带中心点沉降的差值与其距离的比值，这里表示为

式中:Gi为i环的沉降梯度，取i与i+1环之间沉降差与距离的比值(‰);Si为i环中心点的沉降(mm);Di为i环中心距基坑边壁的距离(m)。

1.4 损失值预测

建筑物的损失百分比与沉降梯度的对应关系［1］:

式中:x为地面的沉降梯度(‰);y为建筑物损失的百分比(%)。

需要说明的是，此对应关系是建立在砌体结构允许变形基础之上的，而对于其他结构类型，则需要做进一步的修正。损失预测值为:

式中:λ为建筑物的损失比(%);CH为建筑物直接损失

(万元);V为建筑物破坏前的现值(万元)。

2 软件开发

2.1 软件开发技术

本文选取“visual basic”编程软件为平台进行开发，各个参数之间递推的关系如图2所示。

图2 visual basic软件开发过程中参数递推关系

2.2 开发成果

使用前，需要将软件安装到电脑上面。软件安装需要三步:

第一步，解压基坑降水损失安装程序.rar，然后得到3个文件，即:基坑降水损失计算安装程序，安装方法说明(文本)，TABCTL32.OCX文件。

第二步，打开基坑降水损失计算软件安装方法.txt文本，按照文本所述进行操作，文本内容:“打开安装程序之前，首先确认c:windowssystem32目录下是否有TABCTL32.OCX文件，如果没有，请将此文件复制到该文件夹下，然后双击此安装程序进行安装”。

第三步，启动安装程序后，根据屏幕上提示回答有关内容，即可完成基坑降水损失计算软件的安装。安装时使用默认路径C:Program Files基坑降水引起的损失计算(如图3所示)。安装完成后会在桌面上生成一个快捷方式，双击快捷方式即可进入损失计算软件登陆界面(如图4所示)。

图3 选择软件安装路径

图4 登陆界面

3 应用实例

3.1 工程概况

兰德国际中心工程位于郑州市花园路与丰产路交叉口东北角，场地为新征场地，形状较为规则。如图5所示。

图5 兰德国际中心工程交通位置及周围环境图

基坑平面尺寸115.3 m×64.1 m(基坑开挖底边线)，根据业主提供的设计图纸，主楼基坑底面标高为-17.3 m，裙房基坑底面标高为-16.3 m。根据现场实地勘测，基坑北侧和西侧自然底面平均标高按-0.8 m，东侧和南侧自然底面平均标高按-0.4 m，则主楼基坑开挖深度为16.5、16.9 m，裙房基坑开挖深度为及15.5 m、15.9 m。本文按照16.9 m计算。

该工程周边环境如下所述:

西侧:基坑开挖底边线距离用地红线约4.5 m，用地红线外为围墙，红线与围墙之间距离约3.7 m，围墙外为花园路人行道。整个西侧围墙内有一大型广告牌，广告牌高度约12.5 m，长度约150 m。

北侧:基坑开挖底边线距离用地红线最近约1.4 m、距离围墙最约6.6 m。围墙外为花园路进入关虎屯的主要通道，道路宽约9.0 m。道路北为嘉辰时代广场，主要由一栋17层主楼及4层裙房组成，主楼与裙房下有一层地下车库，埋深约为地面下7 m，基础形式为预应力管桩。

南侧:基坑开挖底边线距离用地红线最近约4.5 m、最远约8.6 m，距离围墙最近约6.8 m，最远约10.5 m。围墙外为20 m宽丰产路，丰产路南为3层门面房。

东侧:基坑东侧临多栋建筑物，主要为2～6层的住宅楼，基坑开挖底边线距离建筑物约7～12 m，其中距离东侧中部4层建筑物及配电室距离基坑很近，最近约2 m。

西临花园路，南邻丰产路，这两条道路均为郑州市的主要道路，交通繁忙，地下埋设有较多的市政管线。

3.2 场地地层条件

将地层分为14层，主要为第四系冲洪积粉土、粉质粘土、细砂等。

场地地层统计见表1，场地岩土工程特征值见表2。

表1 场地地层统计表

表2 场地岩土工程特征

3.3 场地水文地质条件

拟建工程场地区域地貌上属于黄河冲积平原。根据含水层的埋藏条件和水理特征，地下水类型属于潜水，勘测期间测得场地静止水位埋深在地表下7.1～8.3 m左右，近3～5 a中较高水位为5.1 m，历史最高水位在现地表下3.0 m，水位年变幅2.0 m左右。地下水位按7.1 m计算。基坑降水建议采用管井降水。上部含水层为粉质粘土、粉土弱透水层组成，土的综合渗透系数0.5 m/d;下部砂土含水层主要由细层组成，局部含粉砂、粉土，细砂为强透水层，粉砂、粉土为弱透水层，砂土层的综合渗透系数5.0 m/d。

3.4 软件计算结果

(1)基坑形状。

基坑形状为矩形，长边为115.3 m，短边为64.1 m，等效半径为53.82 m。

(2)确定坑底水位实际下降值Sw。

开挖深度为16.9 m，地下水静止水位埋藏深度为7.1 m，影响范围为5倍Sw(注:Sw是指坑底水位实际下降值;水位下降后对周边影响的距离用Sw的倍数表示，单位为m)。

(3)土层性质。

综合渗透系数为0.5 m/d，抽水稳定后潜水含水层厚度为22 m，沉降修正系数为0.29(根据地区经验确定)。

(4)各计算土层参数如表3所示。

表3 各土层计算参数

(5)得到的初步数据如表4所示。

表4 沉降量与经济损失关系

续表

(6)房屋分布情况如表5所示。

表5 周边房屋分布情况

(7)得到最终损失数据如表6所示。

表6 经济损失预测结果

第一处，北侧花园路进入关虎屯的主要通道，影响很小。

第二处，西侧广告牌，地面沉降量大约23 mm，梯度为0.71‰，小于1‰，影响小。

第三处，南侧20 m宽丰产路，影响很小。

第四处，南侧丰产路南为3层门面房，地面沉降量大约6.5 mm，梯度约为0.65‰，小于1‰，影响小。

第五处，东侧住宅楼，地面沉降量大约20 mm，梯度约为0.65‰，小于1‰，影响小。

第六处，东侧中部4层建筑物及配电室，地面沉降量大约为29 mm，梯度约为1.65‰，大于1‰，有影响，注意观察。

第七处，北侧嘉辰时代广场，地面沉降量大约为16 mm，梯度大约为1‰，有影响，注意观察。

软件计算结果显示，假如基坑开挖深度从10 m变化到35 m，则周边建筑物直接损失变化如图6所示。工程开挖深度小于12 m时对周边的影响相对较小，因此投资方可以选择小于12 m的开挖深度。若大于12 m时应该考虑周边建筑物的损失，根据该图形上升曲线部分(12～18 m之间的曲线)，投资方更好的对地下空间结构类型及利用空间大小做出选择。此曲线同时也验证了文献［1］中的结论:基坑降水引起的相邻建筑物直接损失曲线随降水深度呈现“多峰状态下总体上升”的现象。

基坑开挖深度取14 m(地下水位7.1 m)，对于开发商来说是相对不利的。若基坑开挖深度取定为16 m则相邻建筑损失反而会减小。这是因为某些条件下，加大降水深度，反而为减少基坑周边特定位置处的地面沉降梯度，相邻建筑物直接经济损失反而下降。

图6 基坑开挖深度与总损失值关系

软件计算结果显示基坑周边最大沉降量为29.640 mm，而现场实测边坡最终沉降值为29.9 mm，与软件计算预测值相一致，再次证明软件计算结果与实际相符。

4 结论

(1)基于visual basic平台开发的基坑降水引起的周边建筑物直接损失计算软件，可以用来计算开敞式基坑降水引起的周边建筑物直接损失，便于工程技术人员操作，可以方便地进行基坑降水方案设计及方案比选。

(2)以郑州兰州国际中心工程项目为实例，对基坑降水引起的基坑周边建筑物的直接损失预测值进行了计算分析，体现了软件的适用性，并验证了郑州东北部河流泛滥沉积工程地质单元地区沉降修正系数取0.25～0.35较为合理。

(3)运用软件计算工程实例，得到了基坑开挖深度与相邻建筑总损失值对应关系，可以指导投资方对地下空间开发做出最优选择，体现了软件的实用性。

［1］宋丹举.开敞式基坑降水引起的建筑物直接损失风险预测研究［D］.郑州:郑州大学，2011.

［2］宋建学，周乃军，邓攀.基坑降水引起的环境变形研究［J］.建筑科学，2006(22):26-31.

［3］宋建学，周同和，郭院成.井点降水引起的复合地基沉降问题的讨论［J］.建筑技术，2004(35):212-213.