采动区建筑物损害综合评价技术研究

2019-04-16刘潇鹏郭广礼徐良骥党亚鹏

中国矿业 2019年4期

刘潇鹏，郭广礼，徐良骥，党亚鹏

(1.中国矿业大学国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏徐州 221116； 2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116； 3.安徽理工大学测绘学院，安徽淮南 232000； 4.中铝矿业有限公司，河南郑州 450041)

煤炭的地下开采，必然会导致其影响范围内建筑物不同程度的损坏[1]。这不但关系到煤炭资源是否能安全回收，还会影响到企业与地方和谐环境的构建。目前采空区影响范围内建筑物损害的评价主要参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(下文简称《规范》)中所描述的受损程度来对受损建筑物进行分级评价[2]，对仅有采矿因素作用下的建筑损害评价。尽管这种方法切实可行，但在采空区周围，尤其是地表移动盆地的边缘地区，开采沉陷往往不是造成建筑物受损的唯一因素，这给建筑损害评价工作带来了困难。

国内外许多学者都对采动区建筑评价进行了大量研究，如胡炳南[3]利用模糊综合评判的方法，确定建筑物的受损程度；王正帅等[4]利用熵权模糊识别模型进行建筑物受损的评价。MALINOWSKA[5]对国际上6种主要的建筑物损害评价方法进行了研究，并对评价结果进行了对比分析。本文结合国内外学者的研究经验，从多个方面对造成建筑物受损的因素进行识别，对造成建筑物受损的原因进行了全面分析，然后建立了建筑物损坏的分级评价模型，并分析不同条件下各影响因素对建筑物受损程度的贡献，提高分级评价的准确性。

1 采动区建筑物受损影响因素分析

影响采动区地表建筑物损坏的因素有很多，如果把所有的影响因素都考虑在内，一方面评价体系过于复杂，增加处理的难度;另一方面许多因素对建筑物损坏的贡献很小，对评价结果不会造成影响。因此，结合采动区的条件和建筑物受损的形式，将影响建筑物受损的因素分为三个主要方面：采矿因素、地质因素和建筑物自身因素。

1.1 采矿因素

采动引起的地表移动变形是造成建筑物损坏的主要原因之一。煤矿的地下开采对地表的影响主要有垂直方向的移动变形(下沉、倾斜变形、曲率变形等)和水平方向的移动变形(水平拉伸变形、水平压缩变形等)，不同的变形方式对地表建筑物损坏的影响程度不尽相同。《规范》中主要以倾斜变形、曲率变形和水平变形的大小作为依据，来判断采动对建筑物的影响程度。

1) 倾斜变形。当地表发生倾斜变形以后，在地表附着的建筑物也会随着地表发生倾斜变形。在建筑物倾斜以后，其内部的结构内力也会随之重新分布，在重力的作用下，建筑物会产生一定的弯矩；同时在倾覆力矩的作用下，建筑物构件与地基的应力状态发生变化，使得建筑物的重心偏移，导致承重结构变形导致建筑物的破坏，对高建筑物的影响尤为明显。

2) 曲率变形。建筑物受地表正负曲率的影响，其平行于变形方向的竖直墙面会受到附加的弯矩和剪力的作用，当附加的作用力大于建筑物的极限强度，建筑物就会出现裂缝。当建筑物受到正曲率变形的影响时，会在墙面出现倒八字形态的裂缝，受到负曲率变形的影响时会出现正八字形态的裂缝。

3) 水平变形。开采引起的土地变形使建筑物的基础底面与地基土之间产生摩擦力，该摩擦力不但会阻止土体的移动，由此产生的拉应力、压应力还会导致建筑物的移动变形。我国大部分的建筑物都采用砌体结构，建筑物抗拉伸的能力远小于抗压缩的能力，所以受到拉伸变形损坏的房屋占比较大。一般来说大于1 mm/m的拉伸变形就能在砖石结构的房屋上产生裂缝；对于超过建筑物极限强度的压缩变形往往会给建筑物造成更严重的破坏。

1.2 地质因素

除了开采沉陷引起的地表移动变形以外，采动区建筑物地基土体自身的因素，也会造成地表的移动变形，如地下水位的变化、膨胀土灾害和地基的承载能力等。

1) 地下水位的变化。随着时节的变化，一个地区的降水量和蒸发量往往在比较大的范围内进行变化，再加上农村灌溉用水和生活用水的消耗，这些因素往往会导致地下水位发生比较大的变化，从而使地基土体的物理力学性质发生变化，致使土体发生移动变形，进而传递到建筑物，引起建筑物的破坏[6]。尤其对于房屋建构简单、建筑质量有所欠缺的建筑物损害最为明显。

2) 膨胀土灾害因素。膨胀土地基与一般地基上的建筑物危害不同，膨胀土的危害在于它有很大的胀缩变形，造成上部建筑物的升降运动，若变形差异过大，则造成建筑物开裂变形。建筑物开裂具有地区性成群出现的特点，建筑物裂缝随气候变化不停的张开和闭合，而且以低层、砖混结构损坏较为严重[7]。房屋在垂直和水平方向受到弯曲和扭曲的影响，在房屋转角处首先开裂，墙上呈现对称或不对称的八字形和X形裂缝。纵墙基础由于受到地基在膨胀过程中产生的竖向切力和侧向水平推力的作用，造成基础移动产生水平裂缝和位移，室内地坪和楼板发生纵向隆起和开裂。

3) 地基土软弱。当地基土体较为软弱时，建筑物的荷载会造成土体的压缩，由于建筑物基础各处所承受的荷载不同，以及在软弱地基上地基土层的不均匀分布，会造成基地的不均匀沉降。当建筑物两端的沉降量大于中间的沉降量时，建筑物会受到正曲率变形的影响。当其两端的沉降量小于中间的沉降量时会受到负曲率变形的影响[8]。

1.3 建筑物自身抗变形能力

建筑物抗变形能力的大小决定着外部损害因素对建筑物的损害程度。在同样程度的外部损害能力下，建筑物的抗变形能力强，建筑物最终的损害程度小;建筑物的抗变形能力弱，其最终的损害程度就大。影响建筑物抗变形能力的主要因素有建筑物的长度、建筑物的高度、建筑物的材料类型和建筑物的修建年限等[9]。

1) 建筑物的长度。建筑物的长度是影响建筑物抗变形能力的重要因素之一，当建筑物长度增大时，建筑物受到地表水平变形和曲率影响的程度会增大，并逐渐增大到与地表的变形值一致。

2) 建筑物的高度。建筑物高度越大,其刚度越大,建筑物越不易随地表弯曲而弯曲,使建筑物不易受到地表变形的破坏。

3) 建筑物材料。不同的建筑材料建造的建筑物其抗变形能力有很大的差别，建筑物材料强度越大，建筑物的抗变形能力越强，反之建筑物就越容易遭受破坏。

4) 建筑物结构的影响。不同的建筑结构对建筑物抵抗变形的能力相差很大，由于采动区一般处于农村，其建筑物结构主要有以下几种类型：①没有地基梁的砖木结构的一层房屋；②具有地基梁的砖石结构的一层房屋；③具有钢筋夹层的地基梁结构的房屋，这种建筑物结构一般出现在两层或多层建筑物上。

2 采动区建筑物损害综合评价

根据上文的分析可知，造成采动区建筑物损害的原因是复杂多样的，以往对采动区建筑物受损程度进行评价往往使用模糊综合评价的方法。这种方法克服了以往使用单因素对建筑物损害进行评价的缺陷，也避免了评价因子在两级交界处附近取值时，虽然两数值相差甚微,却出现归属于不同的采动破坏等级的不足。但这种方法也有一定的缺陷:①由于这种方法对每个评价指标都进行分级评价，造成评判矩阵形式复杂，计算量大；②无法直接计算在最终的评价结果中每种评价因子在建筑物受损中的贡献程度；③最终的评分依赖每个级别所对应的数值集，不同的划分方法对应的结果不同。为了解决以上问题，本文采用了对单个评价因素直接进行评分的方法，对建筑物的受损程度进行评价。

2.1 建筑物损害评价指标体系的建立

根据上文所分析的采动区建筑物损害的原因特征和各个指标之间的关系，从采矿、地质、建筑物的抗变形能力三个方面考虑建筑物损害评价指标，建立了采动区建筑物损害的评价体系(图1)。

图1 采动区建筑物损害评价体系Fig.1 Damage assessment system of mining area building

2.2 评价指标的评分确定

当确定了采动区建筑物损害的评价指标后，为了对评价指标进行统一量化处理，采用直接评分的方法对各评价指标进行评价，在对每一个评价指标进行评分时，其得分的分值随着对建筑物损害程度的增加而增大，对评价指标在0～10分内打分。

对于可量化分析的指标，建立评分函数，进行指标评分的确定，见式(1)。

(1)

式中：B为评价指标得分；Smax为单一指标造成建筑物严重破坏的极值；Smin为对建筑物不产生影响的单一指标极小值；Si为各指标测量数值。

对于不能进行定量分析的指标，可采用专家打分的方式，邀请n个专家对某个指标对建筑物影响的程度进行打分，分值在0～10分内确定，取这n个专家打分的平均值作为这个指标的最终得分,见式(2)。

(2)

式中：n为专家个数；Ni为各专家打分值；其他变量意义同上。

2.3 权重的确定

对既有定量指标又有定性指标的评价对象进行综合评价时，一般采用层次分析法。但层次分析法的权重确定需要建立判断矩阵，计算其特征值和特征向量，并且要通过一致性检验，对于评价指标较多的评价对象来说，计算十分繁琐，并且一致性检验很难通过。故本文采用G-1法确定评价指标的权重[10]。

表1 rk取值说明Table 1 Value specification of rk

3) 权重的计算。在给出ri后可根据式(3)计算第n个指标的权重，剩下的指标权重可用式(4)求得。

(3)

wk-1=rkwkk=n,n-1,…,2

(4)

式中,Wk-1为排序在第k-1个指标的权重。

4) 评价目标权重计算。依照步骤1～3分别计算准则层相对与评价目标的权重Mi以及指标层相对于准则层的权重Nj，则指标层相对值评价目标权重Aij的计算见式(5)。

Aij=MiNj

(5)

2.4 评价分值计算及评价等级的建立

通过由G-1法计算得出指标权重Aij和各个指标的得分Bij后，可计算出各个评价项目的得分Ci，见式(6)。

(6)

式中：Ci为第i个评价项目的得分；Aij为第i个评价项目中的第j个指标的权重；Bij为第i个评价项目中第j个指标的得分。

然后，根据各个评价项目的得分可计算出最终评价得分Z，见式(7)。

(7)

在计算出最终评价结果的得分后，可以此为依据判断采动区建筑物的受损程度，参考《规范》可将建筑物损害分为四个等级，见表2。

表2 建筑物受损综合评价等级表Table 2 Comprehensive evaluation level of building damage

在总评分、各项目得分和各指标得分的基础上，可以根据指标权重判断其在建筑物受损中的贡献程度，依据以上结果可以找出在不同条件下造成建筑物损害的主要因素，从而为建筑物损坏的修复和补偿提供参考意见。

3 案例分析

淮南某采动区内某村庄的建筑物发生开裂变形现象，经过对当地的建筑物受损情况和采矿情况进行调查，发现开采沉陷对村庄的建筑物有一定的影响，对照《规范》中地表移动变形值对应的建筑物受损的程度，发现建筑物的受损程度与其描述的不一致。本文在详细调查建筑物受损原因的基础上，对建筑物受损的程度进行综合评价。

为对研究区域受损建筑物进行综合评价，笔者对研究区域的地质采矿条件及建筑物自身条件和受损状况进行了调查：研究区域位于淮南矿区某矿开采工作面地表下沉影响范围内，开采区域底面标高20～40 m，开采煤层为13煤，工作面标高-400～-600 m，煤厚3～6 m，松散层厚度为300 m左右。工作面开采工艺为全部垮落法，经过多年地表实测资料发现，该地区地表移动变形规律符合概率积分法模型，可用概率积分法预计该区域地表移动变形。研究区域表土层属中-弱性膨胀土，对地表建构筑物有一定影响。采动区建筑物多为单层或两层，砖瓦或砖混结构建筑物，易受地表变形影响。

根据《规范》中地表移动变形量对建筑物的影响程度及采动区建筑的基本情况，利用公式(1)对各评价指标的影响进行打分，各可量化分析的指标对建筑物影响的极小值及极大值，见表3。

对研究区域内比较有代表性的建筑物(Ⅰ号、Ⅱ号)进行损害因素调查，两处建筑物相邻，所受到的采矿影响相近(表4)。