基坑降水引起的相鄰建筑物直接損失預(yù)測(cè)軟件開發(fā)*

韓明明，馮敬輝，宋建學(xué)

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)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(duì)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?qū)邓┕さ娘L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，需要對(duì)降低水位引起的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行預(yù)測(cè)。在此方面已有了一定的研究成果［1-3］，但是實(shí)際計(jì)算過程比較繁瑣，不便于工程技術(shù)人員對(duì)降水方案進(jìn)行分析比較。因此，基于既有理論，開發(fā)相應(yīng)軟件具有實(shí)用價(jià)值。

1 降水環(huán)境影響預(yù)測(cè)方法

對(duì)于未設(shè)置止水帷幕的基坑工程，預(yù)測(cè)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(dāng)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(jìn)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(guān)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(shè):以環(huán)帶中心點(diǎn)的水位作為該環(huán)帶的水位，中心點(diǎn)的沉降量作為該環(huán)帶的平均沉降，即假設(shè)每個(gè)環(huán)帶內(nèi)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(yùn)動(dòng)公式，得到降水曲線的確定公式［2］:

式中:Sw為坑底水位實(shí)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(diǎn)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(yàn)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(dāng)基坑為圓形或接近正方形時(shí)，當(dāng)基坑為矩形時(shí)，若，則r=0.3(a+b)，若，則，A為基坑底面積(m2)，a、b為基坑的長(zhǎng)邊和短邊尺寸(m);D為待測(cè)點(diǎn)距基坑邊壁的距離(m)。

1.2 沉降計(jì)算公式

為了與現(xiàn)行規(guī)范相統(tǒng)一，以方便設(shè)計(jì)、施工人員接受，采用簡(jiǎn)化的分層總和法來(lái)計(jì)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(lái)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(cè)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(gè)環(huán)帶中心點(diǎn)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(diǎn)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(yù)測(cè)

建筑物的損失百分比與沉降梯度的對(duì)應(yīng)關(guān)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(shuō)明的是，此對(duì)應(yīng)關(guān)系是建立在砌體結(jié)構(gòu)允許變形基礎(chǔ)之上的，而對(duì)于其他結(jié)構(gòu)類型，則需要做進(jìn)一步的修正。損失預(yù)測(cè)值為:

式中:λ為建筑物的損失比(%);CH為建筑物直接損失

(萬(wàn)元);V為建筑物破壞前的現(xiàn)值(萬(wàn)元)。

2 軟件開發(fā)

2.1 軟件開發(fā)技術(shù)

本文選取“visual basic”編程軟件為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，各個(gè)參數(shù)之間遞推的關(guān)系如圖2所示。

圖2 visual basic軟件開發(fā)過程中參數(shù)遞推關(guān)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(gè)文件，即:基坑降水損失計(jì)算安裝程序，安裝方法說(shuō)明(文本)，TABCTL32.OCX文件。

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

第三步，啟動(dòng)安裝程序后，根據(jù)屏幕上提示回答有關(guān)內(nèi)容，即可完成基坑降水損失計(jì)算軟件的安裝。安裝時(shí)使用默認(rèn)路徑C:Program Files基坑降水引起的損失計(jì)算(如圖3所示)。安裝完成后會(huì)在桌面上生成一個(gè)快捷方式，雙擊快捷方式即可進(jìn)入損失計(jì)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(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

蘭德國(guó)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(chǎng)地為新征場(chǎng)地，形狀較為規(guī)則。如圖5所示。

圖5 蘭德國(guó)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(shè)計(jì)圖紙，主樓基坑底面標(biāo)高為-17.3 m，裙房基坑底面標(biāo)高為-16.3 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘測(cè)，基坑北側(cè)和西側(cè)自然底面平均標(biāo)高按-0.8 m，東側(cè)和南側(cè)自然底面平均標(biāo)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(jì)算。

該工程周邊環(huán)境如下所述:

西側(cè):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(gè)西側(cè)圍墻內(nèi)有一大型廣告牌，廣告牌高度約12.5 m，長(zhǎng)度約150 m。

北側(cè):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(jìn)入關(guān)虎屯的主要通道，道路寬約9.0 m。道路北為嘉辰時(shí)代廣場(chǎng)，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(kù)，埋深約為地面下7 m，基礎(chǔ)形式為預(yù)應(yīng)力管樁。

南側(cè):基坑開挖底邊線距離用地紅線最近約4.5 m、最遠(yuǎn)約8.6 m，距離圍墻最近約6.8 m，最遠(yuǎn)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(cè):基坑?xùn)|側(cè)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(cè)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(shè)有較多的市政管線。

3.2 場(chǎng)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(zhì)粘土、細(xì)砂等。

場(chǎng)地地層統(tǒng)計(jì)見表1，場(chǎng)地巖土工程特征值見表2。

表1 場(chǎng)地地層統(tǒng)計(jì)表

表2 場(chǎng)地巖土工程特征

3.3 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

擬建工程場(chǎng)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(cè)期間測(cè)得場(chǎng)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(jì)算?；咏邓ㄗh采用管井降水。上部含水層為粉質(zhì)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(xì)層組成，局部含粉砂、粉土，細(xì)砂為強(qiáng)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(jì)算結(jié)果

(1)基坑形狀。

基坑形狀為矩形，長(zhǎng)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(shí)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(shí)際下降值;水位下降后對(duì)周邊影響的距離用Sw的倍數(shù)表示，單位為m)。

(3)土層性質(zhì)。

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(yàn)確定)。

(4)各計(jì)算土層參數(shù)如表3所示。

表3 各土層計(jì)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(jì)損失關(guān)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(jì)損失預(yù)測(cè)結(jié)果

第一處，北側(cè)花園路進(jìn)入關(guān)虎屯的主要通道，影響很小。

第二處，西側(cè)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(cè)20 m寬豐產(chǎn)路，影響很小。

第四處，南側(cè)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(cè)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(cè)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(cè)嘉辰時(shí)代廣場(chǎng)，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(jì)算結(jié)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(shí)對(duì)周邊的影響相對(duì)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(shí)應(yīng)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(duì)地下空間結(jié)構(gòu)類型及利用空間大小做出選擇。此曲線同時(shí)也驗(yàn)證了文獻(xiàn)［1］中的結(jié)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(duì)于開發(fā)商來(lái)說(shuō)是相對(duì)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(huì)減小。這是因?yàn)槟承l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(jì)損失反而下降。

圖6 基坑開挖深度與總損失值關(guān)系

軟件計(jì)算結(jié)果顯示基坑周邊最大沉降量為29.640 mm，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)邊坡最終沉降值為29.9 mm，與軟件計(jì)算預(yù)測(cè)值相一致，再次證明軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。

4 結(jié)論

(1)基于visual basic平臺(tái)開發(fā)的基坑降水引起的周邊建筑物直接損失計(jì)算軟件，可以用來(lái)計(jì)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(shù)人員操作，可以方便地進(jìn)行基坑降水方案設(shè)計(jì)及方案比選。

(2)以鄭州蘭州國(guó)際中心工程項(xiàng)目為實(shí)例，對(duì)基坑降水引起的基坑周邊建筑物的直接損失預(yù)測(cè)值進(jìn)行了計(jì)算分析，體現(xiàn)了軟件的適用性，并驗(yàn)證了鄭州東北部河流泛濫沉積工程地質(zhì)單元地區(qū)沉降修正系數(shù)取0.25～0.35較為合理。

(3)運(yùn)用軟件計(jì)算工程實(shí)例，得到了基坑開挖深度與相鄰建筑總損失值對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以指導(dǎo)投資方對(duì)地下空間開發(fā)做出最優(yōu)選擇，體現(xiàn)了軟件的實(shí)用性。

［1］宋丹舉.開敞式基坑降水引起的建筑物直接損失風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2011.

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

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