黄土地区基坑降水对邻近建筑物影响的评价方法

赵　敏，胡　博

(西安工业大学建筑工程学院， 陕西西安710021)



黄土地区基坑降水对邻近建筑物影响的评价方法

赵敏，胡博

(西安工业大学建筑工程学院， 陕西西安710021)

摘要:为了研究黄土地区基坑降水对邻边建筑物的影响，采用目标层次结构与模糊数学相结合的综合评判方法，根据黄土地区基坑降水与周边建筑物自身特点，选择土体渗透系数、基坑支护工程安全等级、基础类型等10个指标作为综合评判基坑降水对周边建筑物影响评价的体系指标，将各项指标按隶属度方法划分为4级，把模糊数学应用到基坑降水对周边建筑物影响评价中，构造了科学严谨的综合评价体系，并以实际工程案例进行了验证。结果表明，所提方法能够反映黄土地区基坑降水对邻边建筑物的影响，其评价结果与实际吻合较好。

关键词：基坑降水；目标层次法；指标体系；模糊数学；建筑物影响评价

随着西安城镇化进程的加快，高层建筑不断涌现，深基坑工程大量出现。在地下水位埋深较浅地区开挖深基坑时，部分工程需要进行连续的基坑降水，长时间基坑降水会降低地下水位，引起周边地基与建筑物不均匀沉降，进而对周边建筑物造成不同程度损坏[1-2]。因此，在一定范围内建立一个可以评价建筑物损坏程度的方法[3]，对于科学地评判基坑降水对建筑物的损坏以及后续对建筑物进一步加固都有很大的意义。

1黄土基坑降水对周边建筑物损坏评价体系

1.1主要指标体系的构建

指标体系的构建[4]应考虑具体的黄土基坑现场因素以及周边建筑物的主要特征。因为不同的基坑现场因素千差万别，而且研究的侧重点各不相同，所以无法建立一个统一的指标体系去评价不同地域不同建筑物损坏的情况，但可以在一定范围内建立一个相对统一的指标体系。

通过分析黄土基坑降水对周边建筑损坏的要素，可以粗略地归纳为三方面：①设计因素；②施工因素；③周边建筑因素。

指标体系的初建有很多种方法，大致包括以下5种方法，即分析法、交叉法、目标层次法、综合法、指标属性分组法。一般来说，对评价对象的水平评价多采用目标层次式结构。本文涉及黄土基坑降水对周边建筑物损坏程度的评价，采用目标层次式[3]结构比较合理。

1.2量化指标及其分级

目前量化指标的方法大多有特征分析以及逻辑信息分类法等，本文将所有影响建筑物损坏的因素量化分级为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类四大类，分别表示为优、良、中等、差。此方法属于逻辑信息分类法，首先通过对周边建筑物损坏影响因素的统计，确定影响因素中最大和最小的两个临界值，然后在两个临界值值之间，以极限值递增或者递减规律来实现指标量化分级。各个影响指标量化分级如下。

①黄土湿陷性分级体系

根据GB50025-2004《湿陷性黄土地区建筑规范》、GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》和相关资料，按照黄土的湿陷性系数δs进行分级。黄土湿陷性是指天然黄土在一定压力下受水浸湿后其结构迅速破坏，并发生显著附加下沉的性质。

第一类δs<0.015，定为非湿陷性黄土；第二类0.015≤δs≤0.03，定为湿陷性轻微；第三类0.03≤δs≤0.07，定为湿陷性中等；第四类δs≥0.07时，定为湿线性强烈。

②基坑周围土体渗透系数分级体系

参考《水利水电工程地质勘察规范》GB50287—2008，利用渗透系数K(m/d)进行分级。第一类为微透水(K<0.01); 第二类为弱透水( 0.01≤K<0.1); 第三类为中等透水 ( 0.1≤K<10); 第四类为强透水(K≥10)。

③降水出水量分级体系

选用喷射井作为基坑降水设备，按照喷射点井的出水量可以分为以下4类：第一类为1.5型并列式，出水量在4.22～5.76 m3/h;第二类为2.5型圆心式，出水量在4.30～5.76 m3/h；第三类为4.0型，出水量在10.80～16.20 m3/h；第四类为6.0型圆心式，出水量在25.00～30.00 m3/h。

④黄土地区基坑支护工程安全等级分级体系

参考JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》以及其他资料，综合将基坑支护工程安全等级分为特级、一级、二级、三级4个级别。其中，特级定义为基础埋深H1>18 m且地下水埋深<0.1H1；一级定义为基础埋深在15～18 m且地下水埋深在0.1H1～0.2H1；二级定义为基础埋深在9～14 m且地下水埋深在0.3H1～0.4H1；三级定义为基础埋深<9 m且地下水埋深>0.5H1。

⑤周边建筑物与基坑之间距离的划分体系

参考国外资料以及国内在建地铁工程基坑与周边建筑物相对关系[5]，根据接近度和工程影响分区综合划分为4类：Ⅰ类为强烈影响区，即基坑周边0.7H2(H2代表基坑开挖深度)范围；Ⅱ类为显著影响区，即基坑周边0.7H2～1.0H2范围；Ⅲ类为一般影响区，即基坑周边1.0H2～2.0H2范围；Ⅳ类为轻微影响区，即基坑周边大于2.0H2范围，即2H2～4H2。

⑥建筑物与基坑夹角对建筑物沉降影响分级

参考文献[6-7]，假设建筑物与基坑的距离不变的情况下，建筑物沉降量差异取决于建筑物与基坑的夹角，按基坑边缘与建筑物纵向轴线成90°、60°、45°、30°夹角建立了4种工况。

工况1：当夹角为90°时，建筑物沉降范围在15～28 mm，定为Ⅰ类。

工况2：当夹角为60°时，建筑物沉降范围在17～30 mm，定为Ⅱ类。

工况3：当夹角为45°时，建筑物沉降范围在21～34 mm，定为Ⅲ类。

工况4：当夹角为30°时，建筑物沉降范围在27～38 mm，定为Ⅳ类。

如无特别说明，以后在给定相应的类别后只强调沉降范围。

⑦基坑周边建筑物建设年代划分体系

参考《建筑抗震设计规范》GB50023-2009以及《建筑结构荷载规范》等资料，鉴定标准根据建筑所建造的年代及当时设计所依据的规范系列, 将现有建筑抗震鉴定与加固时所选用的后续使用年限划分为30、40、50、70 a 4个档次:第一档为在70年代及以前建造并经耐久性鉴定可继续使用的现有建筑, 其后续使用年限不应少于30 a,在80年代建造的现有建筑, 宜采用40 a或更长且不得少于30 a，即70～80年代房屋宜采用30 a；第二档为在90年代(按当时施行的抗震设计规范系列设计)建造的现有建筑, 后续使用年限不宜少于40 a, 条件许可时采用50 a；第三档为在2001年以后(按当时施行的抗震设计规范系列设计)建造的现有建筑, 后续使用年限宜采用50 a；第四档为最新建造的房屋,其后续使用年限宜采用70 a。

⑧基坑周边建筑物基础类型分级

据文献[8]，基坑降水对不同基础有不同的影响，大概分为4类。基坑降水对深基础影响很小，此类基础定为Ⅰ级，其中最常见的桩基础和箱型基础属于深基础；对筏板基础的影响较小，定为Ⅱ级；对扩展基础有沉降，定为Ⅲ级；对无筋扩展基础有明显的沉降，定为Ⅳ级。

⑨沉降监测分级体系

不同地基基础沉降存在差异，因此，选用差异沉降δ作为评定目标[9]。箱形基础、筏板基础的整体刚度较好；独立基础、条形基础次之；而无筋扩展基础对沉降的敏感性较大。本文选择砌体结构建筑物[10]的地表倾斜变形值来进行分级。等级Ⅰ级定义为基础有足够的承载能力，没有超过规范允许范围的不均匀沉降(δ<0.003 )；等级Ⅱ级定义为基础有一定的承载能力，稍有超过规范允许范围的不均匀沉降但已经稳定(0.003≤δ<0.006) ；等级Ⅲ级定义为基础局部承载能力不足，有超过规范允许范围的不均匀沉降(0.006≤δ<0.010) ，其上部建筑结构略微受影响，局部有细微裂缝；等级Ⅳ定义为基础承载能力不足，明显存在不均匀沉降(δ≥0.010) ，并仍在继续发展，其上部建筑结构受明显影响且多处出现裂缝。

⑩建筑物倾斜分级体系

参考《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011、《危险房屋鉴定标准》JGJ125-99以及《建筑施工质量验收统一标准》GB50300-2013中的一些规定，根据建筑物结构的不同，大致分为以下4类：Ⅰ类为高耸结构物(20 m≤Hg≤250 m，Hg代表建筑物高度)；Ⅱ类为高层建筑物(24 m≤Hg≤100 m)；Ⅲ类为钢筋混凝土承重结构(18 m≤Hg≤24 m)；Ⅳ类为砌体结构(Hg≤21 m)。

1.3数据指标标准化

本研究采用10个体系指标，由于各种体系指标量纲不同，而且体系指标之间数据差异较大，无法将各个指标进行直接比较。因此，要使不同量纲之间的指标可以相互比较，首先应对这些指标及其数据进行统一的标准化处理，以消除指标数据量纲之间的差异，并使每一个指标的极性一致且值域都在0～1。针对单一因素定性指标，按照质量等级给予离散型代数值，对连续性变化的定量指标，采用对应的质量等级的指标范围中间值作为其标准化指标的基数。

通过上面公式的换算，将本文所列的所有指标数据转换为标准化指数，如表3所示。其中，Ⅰ级～Ⅳ级指标量值有量纲，标准化指数无量纲。

表1　黄土基坑降水对周边建筑物损坏评价指标量化及标准化指数

1.4指标权重体系

周边建筑物损坏的评定包含多个元素指标的综合评定，但参与评定的元素指标本身对其评定结果的贡献是不一样的。权重反映了不同元素之间重要性的差异，用来衡量不同变量轻重作用程度的数值，求解权重的过程其实就是对不相同的评定因素间重要性程度分析的过程。常用的评价方法有很多，比较成熟的有数理统计、熵值法、专家打分等。由于本研究考虑的元素较多，元素之间差异性较大且复杂，元素边界无法确定，采用美国匹兹堡大学教授T.Lsaaty提出的目标层次式结构，故采用层次分析的赋权方法，根据所建立的目标层次式的指标体系，分别建立不同层次的判断矩阵，计算出各个不同层次元素的权重，然后按照各层指标的归属关系，最终计算出本文10个指标的权重。

本文将基坑降水对周边建筑物损坏作为目标层(A)，将设计因素(B1)、施工因素(B2)、周边环境因素(B3)作为3个准则层，将上文列出的10个因素(C1～C10)作为指标层。目标层次结构如图1所示。

图1　目标层次结构图

表2　比较标准意义

通过上面的目标层次结构图与表2所示的比较标准意义，建立一系列判断矩阵。

设计因素判断矩阵为：

从而推出C1和C2特征值分别为：λc1=1.955，λc2=0.005。

施工因素判断矩阵为：

从而推出C3和C4的特征值分别为：λc3=2.000，λc4=0。

周边环境因素判断矩阵为：

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

目标层判断矩阵为：

从而推出B1、B2、B3的特征值分别为：λB1=3.006，λB2=-0.003+0.163i，λB3=-0.003-0.163i。

本文利用和法求解10个元素组合权重，结果为：

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

对元素指标进行一致性检验，计算各层的Cr均小于0.10，因此，各个层次的判断矩阵具有满意的一致性，说明获得的权重值是可靠合理的。

2基于模糊数学综合评价

2.1构建模糊数学模型

采用模糊数学[11-15]综合评价，综合考虑各种元素对某一事物或体系的评价，当评价元素具有模糊性时，则称为模糊综合评价[11]。黄土基坑降水对周边建筑物损坏评价模型[12-13]的构建步骤如下。

①确定元素集，即由被判断目标所组成的元素集合，也即本文所列出的10个元素集合U={U1U2U3U4U5U6U7U8U9U10}，反映参与评价的10个评判元素性状数据。

②建立判断集合，即V={V1V2V3V4}，其中，V1，V2，V3，V4分别代表了评价等级中的Ⅰ～Ⅳ级。

③建立模糊矩阵。每一个评价元素Ui对评价结果V上的模糊子集为Ri={ri1ri2…rim}，综合评价多元素影响的事物时，需考虑各个元素所占的权重，即本文10个元素的权重AQ=[0.412 50.137 50.172 80.091 80.046 80.023 40.023 40.016 20.023 40.046 8]。

④模糊综合评价。将权重子集A结合被评价对象的各元素模糊矩阵R，可以进行模糊综合评价，即B=AR，将A和R矩阵带入式中，可得B={B1B2…Bm}，由此得到评价子集V的模糊子集B，分向量值最高者在V中所属的位置为所求的评价级别。

2.2模糊数学模型的实际应用

以西安某工程为例说明模型的应用。该工程位于西安高新技术产业开发区，周边环境良好，交通条件便利，场地周边建筑林立；在基坑正东侧10～60 m范围内并排2栋2005年建设的多层建筑，其为砖混结构，天然地基，条形基础；场地地质条件:①表层为素填土，层厚大约为0.9 m；②层为黄土状土，以硬塑状态为主，层厚大约为5.5 m；③层为中粗砂，为含水层(主要为潜水)，层厚大约为5.5 m，其土体渗透系数为K=7 m/d；④层为粉质粘土，层厚大约5 m。现在选择基坑开挖深度为16 m，土钉墙分层基坑支护，根据该场地地下水埋藏条件、基坑开挖深度以及场地附近地区已有的降水施工经验，考虑到本工程基础施工时会受到雨天的影响，本工程降水采用管井围降的方法，采用设备为6.0型圆心式进行快速降水。

根据所描述的情况，对基坑正东侧建筑物进行评价，将上述工程资料进行量化整理及标准化处理，如表3所示。

采用上述模糊数学模型对周边多层建筑物进行损坏评价，按照隶属度最大原则，评价等级为Ⅲ级。根据现场实地考察发现，正东侧建筑物部分窗台有微裂缝，散水与建筑物外墙之间的裂缝在3～4 cm。由此可见，损坏评价的结果与实际情况大致相符。

表3　评判指标量化及其指数标准化处理

3结语

黄土地区基坑降水对周边建筑物损坏的影响是多方面的，其影响程度评价结果因选取因素的不同而差异较大。本研究考虑了影响周边建筑物的10个主导因素，构建了在一定范围内相对统一的指标评价体系，构建了建筑物评价的模糊数学模型，并通过西安某工程实例检验了评价模型，评价结果与实际情况大致相符，说明该评价方法是比较有效的。随着经验的不断积累，配合采用其他数学方法，优化指标体系，增加评价元素，完善评价模型，可使损坏评价结果更加贴近实际情况。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

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

中图分类号:TU753.66

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-0317-07

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

通讯作者：赵敏(1970—)，女，陕西杨凌人，西安工业大学教授；E-mail：1256599171@qq.com。

基金项目：陕西省自然科学基金资助项目(2015JM5260)；陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1340)

收稿日期：2015-12-14；

修订日期：2016-03-04

引文格式：赵敏，胡博.黄土地区基坑降水对邻近建筑物影响的评价方法[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：317-323.