采動(dòng)區(qū)建筑物損害綜合評(píng)價(jià)技術(shù)研究

劉瀟鵬，郭廣禮，徐良驥，黨亞鵬

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 3.安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232000； 4.中鋁礦業(yè)有限公司，河南 鄭州 450041)

煤炭的地下開采，必然會(huì)導(dǎo)致其影響范圍內(nèi)建筑物不同程度的損壞[1]。這不但關(guān)系到煤炭資源是否能安全回收，還會(huì)影響到企業(yè)與地方和諧環(huán)境的構(gòu)建。目前采空區(qū)影響范圍內(nèi)建筑物損害的評(píng)價(jià)主要參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(下文簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中所描述的受損程度來對(duì)受損建筑物進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)[2]，對(duì)僅有采礦因素作用下的建筑損害評(píng)價(jià)。盡管這種方法切實(shí)可行，但在采空區(qū)周圍，尤其是地表移動(dòng)盆地的邊緣地區(qū)，開采沉陷往往不是造成建筑物受損的唯一因素，這給建筑損害評(píng)價(jià)工作帶來了困難。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)采動(dòng)區(qū)建筑評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究，如胡炳南[3]利用模糊綜合評(píng)判的方法，確定建筑物的受損程度；王正帥等[4]利用熵權(quán)模糊識(shí)別模型進(jìn)行建筑物受損的評(píng)價(jià)。MALINOWSKA[5]對(duì)國(guó)際上6種主要的建筑物損害評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，從多個(gè)方面對(duì)造成建筑物受損的因素進(jìn)行識(shí)別，對(duì)造成建筑物受損的原因進(jìn)行了全面分析，然后建立了建筑物損壞的分級(jí)評(píng)價(jià)模型，并分析不同條件下各影響因素對(duì)建筑物受損程度的貢獻(xiàn)，提高分級(jí)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

1 采動(dòng)區(qū)建筑物受損影響因素分析

影響采動(dòng)區(qū)地表建筑物損壞的因素有很多，如果把所有的影響因素都考慮在內(nèi)，一方面評(píng)價(jià)體系過于復(fù)雜，增加處理的難度;另一方面許多因素對(duì)建筑物損壞的貢獻(xiàn)很小，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果不會(huì)造成影響。因此，結(jié)合采動(dòng)區(qū)的條件和建筑物受損的形式，將影響建筑物受損的因素分為三個(gè)主要方面：采礦因素、地質(zhì)因素和建筑物自身因素。

1.1 采礦因素

采動(dòng)引起的地表移動(dòng)變形是造成建筑物損壞的主要原因之一。煤礦的地下開采對(duì)地表的影響主要有垂直方向的移動(dòng)變形(下沉、傾斜變形、曲率變形等)和水平方向的移動(dòng)變形(水平拉伸變形、水平壓縮變形等)，不同的變形方式對(duì)地表建筑物損壞的影響程度不盡相同。《規(guī)范》中主要以傾斜變形、曲率變形和水平變形的大小作為依據(jù)，來判斷采動(dòng)對(duì)建筑物的影響程度。

1) 傾斜變形。當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生傾斜變形以后，在地表附著的建筑物也會(huì)隨著地表發(fā)生傾斜變形。在建筑物傾斜以后，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也會(huì)隨之重新分布，在重力的作用下，建筑物會(huì)產(chǎn)生一定的彎矩；同時(shí)在傾覆力矩的作用下，建筑物構(gòu)件與地基的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使得建筑物的重心偏移，導(dǎo)致承重結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致建筑物的破壞，對(duì)高建筑物的影響尤為明顯。

2) 曲率變形。建筑物受地表正負(fù)曲率的影響，其平行于變形方向的豎直墻面會(huì)受到附加的彎矩和剪力的作用，當(dāng)附加的作用力大于建筑物的極限強(qiáng)度，建筑物就會(huì)出現(xiàn)裂縫。當(dāng)建筑物受到正曲率變形的影響時(shí)，會(huì)在墻面出現(xiàn)倒八字形態(tài)的裂縫，受到負(fù)曲率變形的影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)正八字形態(tài)的裂縫。

3) 水平變形。開采引起的土地變形使建筑物的基礎(chǔ)底面與地基土之間產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力不但會(huì)阻止土體的移動(dòng)，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致建筑物的移動(dòng)變形。我國(guó)大部分的建筑物都采用砌體結(jié)構(gòu)，建筑物抗拉伸的能力遠(yuǎn)小于抗壓縮的能力，所以受到拉伸變形損壞的房屋占比較大。一般來說大于1 mm/m的拉伸變形就能在磚石結(jié)構(gòu)的房屋上產(chǎn)生裂縫；對(duì)于超過建筑物極限強(qiáng)度的壓縮變形往往會(huì)給建筑物造成更嚴(yán)重的破壞。

1.2 地質(zhì)因素

除了開采沉陷引起的地表移動(dòng)變形以外，采動(dòng)區(qū)建筑物地基土體自身的因素，也會(huì)造成地表的移動(dòng)變形，如地下水位的變化、膨脹土災(zāi)害和地基的承載能力等。

1) 地下水位的變化。隨著時(shí)節(jié)的變化，一個(gè)地區(qū)的降水量和蒸發(fā)量往往在比較大的范圍內(nèi)進(jìn)行變化，再加上農(nóng)村灌溉用水和生活用水的消耗，這些因素往往會(huì)導(dǎo)致地下水位發(fā)生比較大的變化，從而使地基土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，致使土體發(fā)生移動(dòng)變形，進(jìn)而傳遞到建筑物，引起建筑物的破壞[6]。尤其對(duì)于房屋建構(gòu)簡(jiǎn)單、建筑質(zhì)量有所欠缺的建筑物損害最為明顯。

2) 膨脹土災(zāi)害因素。膨脹土地基與一般地基上的建筑物危害不同，膨脹土的危害在于它有很大的脹縮變形，造成上部建筑物的升降運(yùn)動(dòng)，若變形差異過大，則造成建筑物開裂變形。建筑物開裂具有地區(qū)性成群出現(xiàn)的特點(diǎn)，建筑物裂縫隨氣候變化不停的張開和閉合，而且以低層、磚混結(jié)構(gòu)損壞較為嚴(yán)重[7]。房屋在垂直和水平方向受到彎曲和扭曲的影響，在房屋轉(zhuǎn)角處首先開裂，墻上呈現(xiàn)對(duì)稱或不對(duì)稱的八字形和X形裂縫。縱墻基礎(chǔ)由于受到地基在膨脹過程中產(chǎn)生的豎向切力和側(cè)向水平推力的作用，造成基礎(chǔ)移動(dòng)產(chǎn)生水平裂縫和位移，室內(nèi)地坪和樓板發(fā)生縱向隆起和開裂。

3) 地基土軟弱。當(dāng)?shù)鼗馏w較為軟弱時(shí)，建筑物的荷載會(huì)造成土體的壓縮，由于建筑物基礎(chǔ)各處所承受的荷載不同，以及在軟弱地基上地基土層的不均勻分布，會(huì)造成基地的不均勻沉降。當(dāng)建筑物兩端的沉降量大于中間的沉降量時(shí)，建筑物會(huì)受到正曲率變形的影響。當(dāng)其兩端的沉降量小于中間的沉降量時(shí)會(huì)受到負(fù)曲率變形的影響[8]。

1.3 建筑物自身抗變形能力

建筑物抗變形能力的大小決定著外部損害因素對(duì)建筑物的損害程度。在同樣程度的外部損害能力下，建筑物的抗變形能力強(qiáng)，建筑物最終的損害程度小;建筑物的抗變形能力弱，其最終的損害程度就大。影響建筑物抗變形能力的主要因素有建筑物的長(zhǎng)度、建筑物的高度、建筑物的材料類型和建筑物的修建年限等[9]。

1) 建筑物的長(zhǎng)度。建筑物的長(zhǎng)度是影響建筑物抗變形能力的重要因素之一，當(dāng)建筑物長(zhǎng)度增大時(shí)，建筑物受到地表水平變形和曲率影響的程度會(huì)增大，并逐漸增大到與地表的變形值一致。

2) 建筑物的高度。建筑物高度越大,其剛度越大,建筑物越不易隨地表彎曲而彎曲,使建筑物不易受到地表變形的破壞。

3) 建筑物材料。不同的建筑材料建造的建筑物其抗變形能力有很大的差別，建筑物材料強(qiáng)度越大，建筑物的抗變形能力越強(qiáng)，反之建筑物就越容易遭受破壞。

4) 建筑物結(jié)構(gòu)的影響。不同的建筑結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物抵抗變形的能力相差很大，由于采動(dòng)區(qū)一般處于農(nóng)村，其建筑物結(jié)構(gòu)主要有以下幾種類型：①?zèng)]有地基梁的磚木結(jié)構(gòu)的一層房屋；②具有地基梁的磚石結(jié)構(gòu)的一層房屋；③具有鋼筋?yuàn)A層的地基梁結(jié)構(gòu)的房屋，這種建筑物結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)在兩層或多層建筑物上。

2 采動(dòng)區(qū)建筑物損害綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上文的分析可知，造成采動(dòng)區(qū)建筑物損害的原因是復(fù)雜多樣的，以往對(duì)采動(dòng)區(qū)建筑物受損程度進(jìn)行評(píng)價(jià)往往使用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法。這種方法克服了以往使用單因素對(duì)建筑物損害進(jìn)行評(píng)價(jià)的缺陷，也避免了評(píng)價(jià)因子在兩級(jí)交界處附近取值時(shí)，雖然兩數(shù)值相差甚微,卻出現(xiàn)歸屬于不同的采動(dòng)破壞等級(jí)的不足。但這種方法也有一定的缺陷:①由于這種方法對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，造成評(píng)判矩陣形式復(fù)雜，計(jì)算量大；②無法直接計(jì)算在最終的評(píng)價(jià)結(jié)果中每種評(píng)價(jià)因子在建筑物受損中的貢獻(xiàn)程度；③最終的評(píng)分依賴每個(gè)級(jí)別所對(duì)應(yīng)的數(shù)值集，不同的劃分方法對(duì)應(yīng)的結(jié)果不同。為了解決以上問題，本文采用了對(duì)單個(gè)評(píng)價(jià)因素直接進(jìn)行評(píng)分的方法，對(duì)建筑物的受損程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 建筑物損害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)上文所分析的采動(dòng)區(qū)建筑物損害的原因特征和各個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，從采礦、地質(zhì)、建筑物的抗變形能力三個(gè)方面考慮建筑物損害評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了采動(dòng)區(qū)建筑物損害的評(píng)價(jià)體系(圖1)。

圖1 采動(dòng)區(qū)建筑物損害評(píng)價(jià)體系Fig.1 Damage assessment system of mining area building

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分確定

當(dāng)確定了采動(dòng)區(qū)建筑物損害的評(píng)價(jià)指標(biāo)后，為了對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一量化處理，采用直接評(píng)分的方法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，在對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分時(shí)，其得分的分值隨著對(duì)建筑物損害程度的增加而增大，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)在0～10分內(nèi)打分。

對(duì)于可量化分析的指標(biāo)，建立評(píng)分函數(shù)，進(jìn)行指標(biāo)評(píng)分的確定，見式(1)。

(1)

式中：B為評(píng)價(jià)指標(biāo)得分；Smax為單一指標(biāo)造成建筑物嚴(yán)重破壞的極值；Smin為對(duì)建筑物不產(chǎn)生影響的單一指標(biāo)極小值；Si為各指標(biāo)測(cè)量數(shù)值。

對(duì)于不能進(jìn)行定量分析的指標(biāo)，可采用專家打分的方式，邀請(qǐng)n個(gè)專家對(duì)某個(gè)指標(biāo)對(duì)建筑物影響的程度進(jìn)行打分，分值在0～10分內(nèi)確定，取這n個(gè)專家打分的平均值作為這個(gè)指標(biāo)的最終得分,見式(2)。

(2)

式中：n為專家個(gè)數(shù)；Ni為各專家打分值；其他變量意義同上。

2.3 權(quán)重的確定

對(duì)既有定量指標(biāo)又有定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，一般采用層次分析法。但層次分析法的權(quán)重確定需要建立判斷矩陣，計(jì)算其特征值和特征向量，并且要通過一致性檢驗(yàn)，對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)較多的評(píng)價(jià)對(duì)象來說，計(jì)算十分繁瑣，并且一致性檢驗(yàn)很難通過。故本文采用G-1法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[10]。

表1 rk取值說明Table 1 Value specification of rk

3) 權(quán)重的計(jì)算。在給出ri后可根據(jù)式(3)計(jì)算第n個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，剩下的指標(biāo)權(quán)重可用式(4)求得。

(3)

wk-1=rkwkk=n,n-1,…,2

(4)

式中,Wk-1為排序在第k-1個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

4) 評(píng)價(jià)目標(biāo)權(quán)重計(jì)算。依照步驟1～3分別計(jì)算準(zhǔn)則層相對(duì)與評(píng)價(jià)目標(biāo)的權(quán)重Mi以及指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的權(quán)重Nj，則指標(biāo)層相對(duì)值評(píng)價(jià)目標(biāo)權(quán)重Aij的計(jì)算見式(5)。

Aij=MiNj

(5)

2.4 評(píng)價(jià)分值計(jì)算及評(píng)價(jià)等級(jí)的建立

通過由G-1法計(jì)算得出指標(biāo)權(quán)重Aij和各個(gè)指標(biāo)的得分Bij后，可計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的得分Ci，見式(6)。

(6)

式中：Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的得分；Aij為第i個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目中的第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；Bij為第i個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目中第j個(gè)指標(biāo)的得分。

然后，根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的得分可計(jì)算出最終評(píng)價(jià)得分Z，見式(7)。

(7)

在計(jì)算出最終評(píng)價(jià)結(jié)果的得分后，可以此為依據(jù)判斷采動(dòng)區(qū)建筑物的受損程度，參考《規(guī)范》可將建筑物損害分為四個(gè)等級(jí)，見表2。

表2 建筑物受損綜合評(píng)價(jià)等級(jí)表Table 2 Comprehensive evaluation level of building damage

在總評(píng)分、各項(xiàng)目得分和各指標(biāo)得分的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)指標(biāo)權(quán)重判斷其在建筑物受損中的貢獻(xiàn)程度，依據(jù)以上結(jié)果可以找出在不同條件下造成建筑物損害的主要因素，從而為建筑物損壞的修復(fù)和補(bǔ)償提供參考意見。

3 案例分析

淮南某采動(dòng)區(qū)內(nèi)某村莊的建筑物發(fā)生開裂變形現(xiàn)象，經(jīng)過對(duì)當(dāng)?shù)氐慕ㄖ锸軗p情況和采礦情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)開采沉陷對(duì)村莊的建筑物有一定的影響，對(duì)照《規(guī)范》中地表移動(dòng)變形值對(duì)應(yīng)的建筑物受損的程度，發(fā)現(xiàn)建筑物的受損程度與其描述的不一致。本文在詳細(xì)調(diào)查建筑物受損原因的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物受損的程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

為對(duì)研究區(qū)域受損建筑物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，筆者對(duì)研究區(qū)域的地質(zhì)采礦條件及建筑物自身?xiàng)l件和受損狀況進(jìn)行了調(diào)查：研究區(qū)域位于淮南礦區(qū)某礦開采工作面地表下沉影響范圍內(nèi)，開采區(qū)域底面標(biāo)高20～40 m，開采煤層為13煤，工作面標(biāo)高-400～-600 m，煤厚3～6 m，松散層厚度為300 m左右。工作面開采工藝為全部垮落法，經(jīng)過多年地表實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律符合概率積分法模型，可用概率積分法預(yù)計(jì)該區(qū)域地表移動(dòng)變形。研究區(qū)域表土層屬中-弱性膨脹土，對(duì)地表建構(gòu)筑物有一定影響。采動(dòng)區(qū)建筑物多為單層或兩層，磚瓦或磚混結(jié)構(gòu)建筑物，易受地表變形影響。

根據(jù)《規(guī)范》中地表移動(dòng)變形量對(duì)建筑物的影響程度及采動(dòng)區(qū)建筑的基本情況，利用公式(1)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響進(jìn)行打分，各可量化分析的指標(biāo)對(duì)建筑物影響的極小值及極大值，見表3。

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)比較有代表性的建筑物(Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào))進(jìn)行損害因素調(diào)查，兩處建筑物相鄰，所受到的采礦影響相近(表4)。

表3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)極大、極小值選取Table 3 The maximum and minimum values of evaluation index

表4 受損建筑物評(píng)價(jià)體系表Table 4 Damaged building evaluation system

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Ⅰ號(hào)建筑物、Ⅱ號(hào)建筑物最終得分為2.8分、3.9分，Ⅰ號(hào)建筑物屬于輕微及以下?lián)p害，Ⅱ號(hào)屬于輕度損害。這與《規(guī)范》中根據(jù)損害特征判斷損害程度的結(jié)果基本一致。

Ⅰ號(hào)建筑物、Ⅱ號(hào)建筑物位置相近但評(píng)價(jià)結(jié)果不同，根據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分和權(quán)重可知，其差異主要體現(xiàn)在建筑物自身的因素上。

對(duì)損害程度較重的Ⅱ號(hào)建筑物分析可知：造成輕度損害的因素中，36.1%為采礦因素，30.5%為地質(zhì)因素，33.4%為建筑物自身的原因。

4 結(jié) 論

1) 采動(dòng)區(qū)建筑物的損害是由多方面因素綜合引起的，可根據(jù)各個(gè)采動(dòng)區(qū)的特征進(jìn)行判斷。

2) 本文建立的采動(dòng)區(qū)建筑物損害綜合評(píng)價(jià)方法，可真實(shí)地反映建筑物的受損程度，并可計(jì)算不同條件下各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)建筑物受損的貢獻(xiàn)程度，為開采沉陷影響區(qū)域建筑物損害前期的預(yù)防保護(hù)與后期的鑒定賠償工作提供了一定的參考。