建筑物采動損害評價研究現(xiàn)狀與進展

崔希民,張 兵,彭 超

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(xué)(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(xiàn)狀與進展

崔希民1,2,張 兵1,2,彭 超1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(xué)(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(nèi)外建筑物損害臨界變形值確定和損壞等級劃分研究現(xiàn)狀,歸納給出了基于模糊數(shù)學(xué)、物元模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析、熵權(quán)法、點數(shù)法等理論開展損害評價的優(yōu)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(zhǔn)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(guān)鍵詞:建筑物采動損害;評價;進展;臨界變形;地下開采

責(zé)任編輯:常 琛

崔希民,張 兵,彭 超.建筑物采動損害評價研究現(xiàn)狀與進展[J].煤炭學(xué)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(xù)緊張,大部分可采資源被建筑物、水體和鐵路壓占。據(jù)20世紀(jì)80年代國有重點煤礦統(tǒng)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(wù)年限,就必須在科學(xué)、合理開采設(shè)計的基礎(chǔ)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(jié)果既是采動損害責(zé)任認(rèn)定的依據(jù),也是地下開采設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)和前提。采動損害評價理論與方法研究已經(jīng)越來越引起科研與工程技術(shù)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(yīng)的損壞等級劃分及其評價分析方法;②地表移動變形的預(yù)計及其可靠性。盡管科學(xué)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(cè)重于第1個問題的研究現(xiàn)狀與進展進行分析與闡述,而地表移動變形預(yù)計方法的選擇、預(yù)計參數(shù)的確定、預(yù)計結(jié)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(chǎn)生連續(xù)的或不連續(xù)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?；谙鲁梁退揭苿佑挚蓪?dǎo)出傾斜、曲率、水平變形、扭曲和剪應(yīng)變等變形[2]。均勻的下沉和水平移動只產(chǎn)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(jù)。

1.1 國內(nèi)的研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)類型農(nóng)村房屋受開采影響后的抗變形能力、破壞形態(tài)等實測數(shù)據(jù)和資料。當(dāng)時的農(nóng)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(zhì)和結(jié)構(gòu)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(tǒng)分析,認(rèn)為長度小于20 m,材料為片石基礎(chǔ)、磚墻承重、木屋架、瓦屋面這類磚木混合結(jié)構(gòu)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(shù)值[3]; 2000年《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》修訂后,將該類建筑物定義為磚混結(jié)構(gòu),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(jù)。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(jié)構(gòu),由于其抗變形能力高于上述結(jié)構(gòu)類型的房屋,建議分級標(biāo)準(zhǔn)參考表1執(zhí)行[3];對于磚窯洞、土窯洞的損害統(tǒng)計分析,盡管沒有給出對應(yīng)破壞等級的變形值,但得到了當(dāng)深厚比>200時窯洞完整無損的結(jié)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(qū)的習(xí)俗和自然條件決定了其不同的建筑物結(jié)構(gòu)與特征。部分礦區(qū)根據(jù)本礦區(qū)建筑物特點和建筑物下采煤實踐,制定了適合本礦區(qū)的建筑物損壞等級標(biāo)準(zhǔn),表2為峰峰礦區(qū)建立的采動區(qū)建筑物損壞評價指標(biāo)[5];對于長度較大建筑物,研究認(rèn)為其破壞程度不僅與地表水平變形有關(guān),還與其長度、高度和地表曲率相關(guān),峰峰礦區(qū)提出了總變形指標(biāo)方法以衡量建筑物損壞程度,見表3[3,5]?？傋冃沃笜?biāo)可表示為

其中,ΔL為總變形指標(biāo),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(guān)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(biāo)的關(guān)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(nóng)村建設(shè)以來,農(nóng)村建筑物發(fā)生了翻天覆地的變化。在建筑結(jié)構(gòu)上,既有鋼筋混凝土單層和多層結(jié)構(gòu),也有磚混結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu);有的村莊新舊房屋混雜。在地區(qū)分布上,東部以磚混、磚木結(jié)構(gòu)為主,有的有底圈梁,有的有頂圈梁,有的有構(gòu)造柱等;磚窯洞、土窯洞多位于中西部;西南部存在木排架結(jié)構(gòu)房屋。目前在建筑物采動損壞等級劃分上,一般籠統(tǒng)地以磚混結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),大多沒有考慮建筑類型、建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料與質(zhì)量、修建年限等因素,難免導(dǎo)致建筑物損壞等級界定結(jié)果與實際存在偏差。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

根據(jù)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(yīng)變(扭曲)、偏斜率、曲率半徑為指標(biāo),按磚石結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)與強化混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)進行分類。研究者主要來自于美國、英國、蘇聯(lián)、波蘭、德國等原主要產(chǎn)煤國,研究年代主要集中在20世紀(jì)50—80年代,指標(biāo)多、不系統(tǒng),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(guān)不靈活,相當(dāng)于我國規(guī)程中的I級輕微損壞;II級損壞特征為局部結(jié)構(gòu)單元不穩(wěn)定、門窗卡住、窗框折斷、建筑物使用受限,相當(dāng)于我國規(guī)程中的III中度損壞和IV級中的嚴(yán)重?fù)p壞;III級損壞特征為主體結(jié)構(gòu)損壞,有倒塌可能,需全部或大部分重建,不能安全居住,相當(dāng)于我國規(guī)程中的IV級極度嚴(yán)重?fù)p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(rèn)為,造成建筑物損壞的主要原因是地表水平變形,根據(jù)實測資料和經(jīng)驗將地表水平變形、建筑物長度和破壞程度聯(lián)系起來,繪制了地表水平變形與建筑物損壞程度關(guān)系圖,同時總結(jié)了一個依據(jù)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(jié)構(gòu)或相同損壞特征對應(yīng)著不同的臨界值,表明建筑結(jié)構(gòu)、建筑質(zhì)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(zhì)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(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)不同。

國內(nèi)外研究的對比分析表明:

(1)不同國家選取的臨界變形指標(biāo)不盡相同,等級數(shù)量也存在差異。中國與蘇聯(lián)相同,但Donetsk考慮了建筑物的層數(shù);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(biāo)體系差異較大,相同的損壞等級對應(yīng)不同的臨界變形值,也對應(yīng)不同的采動損壞程度。

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

其中, mε和mR是按建筑物長度或?qū)挾却_定的系數(shù),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(biāo)的關(guān)系;對于柔性結(jié)構(gòu)建筑物,蘇聯(lián)研究給出了其允許變形值的計算公式[5],即

認(rèn)為當(dāng)柔性建筑物總變形指標(biāo)大于等于允許變形值時,應(yīng)采取留設(shè)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(xiàn)。

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

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

續(xù)表

表5　主要產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(yù)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(jù)地表終態(tài)的預(yù)計變形值,大多未考慮工作面推進過程中的地表動態(tài)變形,也未考慮建筑類型、建筑結(jié)構(gòu)、尺寸與形狀、建筑材料與質(zhì)量、修建年限等建筑物自身固有的因素。

胡炳南研究認(rèn)為,“三下”采煤規(guī)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(dāng)變形值處在兩損壞等級分界值附近時,盡管數(shù)值相差較小,但會出現(xiàn)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(shù)分布及超標(biāo)加權(quán)法分配權(quán)重,依據(jù)地表變形預(yù)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(yīng)用可拓學(xué)的理論和方法,基于可拓學(xué)中的可拓集合變換和相關(guān)函數(shù)分析法,給出了受沉陷影響建筑物損害評價的經(jīng)典域物元和節(jié)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(rèn)為影響磚混結(jié)構(gòu)建筑物采動損壞程度的因素,不僅有地質(zhì)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(qū)位置關(guān)系、建筑物平面尺寸、采動程度系數(shù)、開采的深厚比、覆巖平均堅固性系數(shù)、煤層傾角、頂板管理方法等8個因素,采用自適應(yīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了建筑物采動損壞程度的預(yù)測模型,其中,將建筑物的修建年限、地基、基礎(chǔ)性質(zhì)、建筑材料和結(jié)構(gòu)以及建筑質(zhì)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(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本,6個實例作為預(yù)測樣本并用于檢驗網(wǎng)絡(luò)性能,對模型預(yù)測結(jié)果與實際值進行了對比分析,結(jié)果表明用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)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(xùn)練過程中局部極小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以確定、權(quán)重取值主觀等問題。在此基礎(chǔ)上,作者采用平移-標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法,建立模糊相似矩陣以求解模糊等價矩陣,由動態(tài)聚類圖得到分類結(jié)果,從而建立了基于模糊等價關(guān)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(xiàn)與建筑物破壞密切相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)、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(quán)分配。王正帥等基于實測數(shù)據(jù)采用熵權(quán)法確定各影響因素的權(quán)重,提出了建筑物采動損害的熵權(quán)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(quán)法是一種根據(jù)樣本數(shù)據(jù)確定權(quán)重的客觀賦權(quán)法[35-36],能消除主觀賦權(quán)法中人為因素的不利影響,但需要大數(shù)據(jù)量的實測樣本以提高模型的可靠性。

隨著計算機技術(shù)和3S技術(shù)的發(fā)展,越來越多的研究者開始嘗試?yán)肎IS技術(shù)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(yù)計,提出了模糊邏輯與GIS相結(jié)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(jù)建筑物水平投影長度、建筑物形狀、基礎(chǔ)、地基、建筑條件、已采取的防護措施、建筑物的技術(shù)狀態(tài)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(shù),建筑物的總點數(shù)對應(yīng)著該建筑物抵抗變形能力,基于總點數(shù)將建筑物抵抗變形能力劃分成5個級別,點數(shù)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(guān)系,利用GIS對建筑物損壞等級進行分階段評價[40]。點數(shù)法的優(yōu)點是考慮建筑物自身條件與特征,但也應(yīng)當(dāng)看到其實質(zhì)是典型的專家打分法,評價結(jié)果的可靠性完全取決于評價人員的主觀經(jīng)驗。2010年Oh構(gòu)建了包括地質(zhì)條件、井下巷道、鉆孔、地形、土地利用的空間數(shù)據(jù)庫,將地形坡度、地質(zhì)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(qū)的地面沉陷狀況通過野外實測獲得,采用證據(jù)權(quán)重模型即貝葉斯概率模型,分析下沉及其相關(guān)因子,基于GIS劃分了沉陷災(zāi)害等級[41];其優(yōu)點是考慮地形地貌的影響,發(fā)揮了GIS的緩沖區(qū)分析和空間分析功能,但忽略了建筑物的自身屬性。

而當(dāng)年植樹時，并沒有太多果樹品種可供選擇，與當(dāng)?shù)仄渌迕褚粯?，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(dāng)?shù)赜写迕耖_始把這些老果樹砍掉，改種更具經(jīng)濟效益的新品種?？吹酱蠹叶几姆N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(guī)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(zhèn)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(guān)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(qū)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(jié)果的安全程度,但并未表征各方法的本質(zhì),對比結(jié)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(zāi)害風(fēng)險評估,用于衡量承災(zāi)體遭受的損害程度。當(dāng)承災(zāi)體的脆弱性側(cè)重于因災(zāi)造成的災(zāi)情水平時,通常用致災(zāi)和成災(zāi)之間的關(guān)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(zāi)脆弱性評估[44]。近年來該方法在水災(zāi)、地震、臺風(fēng)、滑坡、泥石流、雪崩、海嘯等災(zāi)害研究中逐漸被推廣應(yīng)用。

2009年Saeidi將脆弱性曲線引入沉陷區(qū)建筑物損害評價中,著重解決不同經(jīng)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(shù)據(jù):建筑物的損壞等級、事件強度準(zhǔn)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(zhǔn)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(fù)雜,要考慮與建筑物抵抗變形關(guān)系密切的影響因子。Saeeidi將法國Ferriferious盆地Lorraine區(qū)的建筑類型按建筑材料與結(jié)構(gòu)、建筑物長度、地基與基礎(chǔ)、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(qū)的建筑物類型為7× 5×9×6=1 890種。實際上經(jīng)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(xiàn)場實際統(tǒng)計1 600棟典型損壞狀況見表8,則按對應(yīng)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(yīng)的Di損壞等級的概率。

其中, N(Di)為對應(yīng)地表變形的Di級損壞建筑物數(shù)量; n為總數(shù)量。根據(jù)表8計算的平均損壞等級可以通過回歸獲得連續(xù)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(xiàn)有經(jīng)驗方法的優(yōu)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(shù)據(jù)做支撐,在脆弱性概念界定、指標(biāo)選取、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、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(fā)了開采沉陷損壞等級模擬器(MSDS),可以進行多種可能地質(zhì)采礦條件下的建筑物損壞等級評估,利用數(shù)理統(tǒng)計方法給出了等概率和相對概率條件下災(zāi)害強度的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)計學(xué)家Breiman等于1984年提出的一種非參數(shù)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(shù)據(jù)挖掘的一種方法。1997年南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所的張松林對該方法及其應(yīng)用做了較詳細的介紹[48],目前CART已廣泛應(yīng)用于遙感信息提取、土地利用覆蓋分類、礦床預(yù)測、醫(yī)療診斷、古生物化石分類、交通流分析、物種分布、食品科學(xué)、個人信用評價、語韻邊界識別等自然與社會科學(xué)領(lǐng)域。

CART方法應(yīng)用包括分類回歸樹的構(gòu)造和剪枝2個階段:①在對已知數(shù)據(jù)集進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建分類與回歸的預(yù)測準(zhǔn)則,不需要預(yù)先假設(shè)因變量與自變量的關(guān)系,根據(jù)樣本集按照給定標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)的組別,每一次劃分都由自變量的最佳劃分值來完成,將數(shù)據(jù)分成兩部分,直到數(shù)據(jù)不可再分;分支屬性的標(biāo)準(zhǔn)可以按信息增益(Information Gain)、熵(Entropy)和基尼指數(shù)(Gini Index)等進行選擇。②由于分類回歸樹構(gòu)造過程中許多分支反映的可能是訓(xùn)練樣本中某個結(jié)點最優(yōu)而非全局最優(yōu),即構(gòu)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(xùn)練樣本的過擬合現(xiàn)象發(fā)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(zhǔn)確性;一般通過計算CART樹的復(fù)雜度、誤分類成本和成本復(fù)雜性來實現(xiàn)。

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(dǎo)致建筑物損壞的ZB1和ZB2區(qū)為樣本,建筑物中80%為一、二層帶地下室的磚結(jié)構(gòu)民宅, 80%建造于1985年之前。ZB1區(qū)作為訓(xùn)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(xùn)練樣本預(yù)處理,按建筑物的結(jié)構(gòu)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(fā)展演化又細分為無、輕微、中等、嚴(yán)重4個損壞等級,后4種作為布爾變量(真/損壞、假/無損壞)統(tǒng)稱為功能損壞;從而建立損壞等級與建筑物結(jié)構(gòu)、功能損壞的對應(yīng)關(guān)系準(zhǔn)則。第2步是尋找決定建筑物損壞發(fā)生、發(fā)展的獨立風(fēng)險因子:一類是與建筑物相關(guān)的包括定量的修建年代、長度、層數(shù)和定性的保護措施、功能(住宅、農(nóng)業(yè)、倉庫);一類是引起建筑物破壞的地表變形值;分析結(jié)果表明,影響最大的風(fēng)險因子是地表水平變形值和建筑物修建年代。第3步是構(gòu)建分類樹:141個訓(xùn)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(jié)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(yōu)樹如圖2所示,對應(yīng)的損壞等級分區(qū)如圖3所示。

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

ZB2區(qū)為檢驗驗證樣本,共有518棟建筑物,其中實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(shù)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(jié)果都較差,可能與預(yù)計方法的選擇以及變形值預(yù)計精度有關(guān),但分類回歸樹方法總體評價精度優(yōu)于波蘭基于主觀經(jīng)驗的點數(shù)法。

研究認(rèn)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(shù)異常數(shù)據(jù)影響小;當(dāng)數(shù)據(jù)越復(fù)雜、變量越多,CART優(yōu)越性就越顯著;同時可對建筑物長度、高度或?qū)訑?shù)等多種致災(zāi)因子進行綜合分析評判。

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

4 結(jié)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(jì)七八十年代的成果,目前的村莊建筑物結(jié)構(gòu)與類型等已發(fā)生質(zhì)變,二層、三層框架結(jié)構(gòu)、設(shè)有頂?shù)兹α?、?gòu)造柱的樓房已經(jīng)成為建設(shè)主流趨勢,急需有關(guān)部門牽頭組織相關(guān)院所開展系統(tǒng)的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān),充分考慮建筑物的自身屬性和特征,建立符合現(xiàn)勢性要求的、分類別的指標(biāo)體系,為科學(xué)、合理、公正的開展建筑物損害評價提供技術(shù)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(chǎn)生兩個不同的損壞等級,國內(nèi)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(biāo)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(shù)學(xué)、可拓學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析、熵權(quán)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(tǒng)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(qū)分析和空間分析功能,該領(lǐng)域的理論研究和應(yīng)用尚有潛力可挖。

(4)建筑物采動損害評價的發(fā)展趨勢是在考慮建筑物自身屬性特征的同時建立科學(xué)合理的損壞等級分類指標(biāo)體系。盡管波蘭的點數(shù)法評價系統(tǒng)充分考慮了建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料、地基與基礎(chǔ)、幾何形態(tài)參數(shù)、防護措施有無等屬性特征,但依靠專家的主觀打分,評價結(jié)果的好壞完全取決于評價人員的主觀經(jīng)驗;脆弱性指數(shù)或曲線通過對評價區(qū)域的建筑物進行分類,依靠大量的實測數(shù)據(jù)按損壞概率計算平均損壞概率來實現(xiàn)評價;分類回歸樹方法同樣使用了大樣本數(shù)據(jù),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(biāo)準(zhǔn)是未來采動損害評價的發(fā)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(guān)。

(5)采動建筑物損壞的另一個重要影響因素是特定地質(zhì)采礦條件下的地表移動變形預(yù)計值,預(yù)計模型的選擇、預(yù)計參數(shù)的確定以及預(yù)計結(jié)果的可靠性等仍需開展研究;目前大多數(shù)研究者都采用地表移動終態(tài)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(tài)變形值與采動過程中的動態(tài)變形值差異較大,表明科學(xué)的建筑物損壞評價應(yīng)與地表移動變形的動態(tài)全過程相結(jié)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(chǔ)的協(xié)同作用、應(yīng)力與變形的傳遞關(guān)系等。目前國內(nèi)外研究已經(jīng)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(dǎo)師。Tel:010-62339305,E-mail:cxm@ cumtb.edu.cn

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51474217)

收稿日期:2015-04-29

中圖分類號:TD325

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1718-11