CN107273579A - 一种内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法 - Google Patents

一种内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，步骤如下：（1）确定基坑安全评价的各个一级影响因子和二级影响因子，构建二级模糊综合评判模型；（2）根据基坑设计单位提供的报警值和控制值（或设计值），将各个二级影响因子划分为四个等级；（3）确定各个二级影响因子的监测位置并测定监测值，归类划分在四个等级中得到分布系数。由分布系数组成二级影响因子的隶属度矩阵，计算各一级影响因子的隶属度；(4)建立基坑安全性分级标准，分为四个级别；（5）各一级影响因子的隶属度组成矩阵，计算基坑整体模糊综合评判隶属度X；（6）计算评判值=X•QT，采用评判值在基坑安全性等级划分中的归属得到基坑安全状态评价。

Description

一种内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法
技术领域
本发明属于建筑物现场施工技术范畴，特别是涉及为维持建筑物基坑的安全而进行的监测和综合评价的技术领域。
背景技术
在经济发展和城市化进程不断深入的背景下，中国的城市建筑物呈现向高空和地下发展的趋势。特别是一些大体量的综合建筑物或建筑物群，设计的地下空间跨度大、层数多，因而其基坑工程呈现面积大、深度高、维护难的特点。部分基坑工程更由于地处城市的繁华地段，周围交通繁忙、建筑物密集且地下管线密布，造成了基坑工程不仅存在基坑本身的安全与稳定的问题，而且还存在因土方开挖引起周围地层移动、降水引起周边水位下降等危及相邻建筑物、地下管线及城市市政设施正常使用的问题。在沿海地区，区位较为优越、经济价值较高的地段，往往靠近海岸，多数属于软土地基。在小于20米深度的基坑所处的土层结构中，以淤泥层为最常见，其上部和下部通常包括薄层的粉砂层、粉土层等其它土质，部分淤泥层厚度可达30-40米。并且，土层的含水量较为充足。这种特别的地质、水文情况使基坑工程的安全控制难度大大增加。
目前，基坑的理论和技术还很不成熟，基坑设计中使用的各种土压力理论和计算方法较多地采用了大量的假设，致使计算得出的结论和实际情况有所偏差。因此，基坑支护结构的设计和施工在工程中需要切实的监测和评价方法来评判，并及时作出修正，才能保证工程施工的安全和经济性。特别是沿海地区, 地质条件的独特性，决定了仅靠理论分析和经验估计难以完全经济可靠的进行基坑工程施工。发明专利CN101644065B公开了一种基坑安全状态监测方法，通过对监测数据与极限状态的比较，定量计算基坑当前所处的安全状态。其技术效果是识别安全程度不同的风险点和风险项目，用于对基坑的安全状态作出事前评价。这种方法是基于对各种监测项目视为相同权重的理论基础，是一种较为宽泛的定量评价，只能满足地层条件简单，支护结构单一、施工质量稳定的基坑工程。在支护结构的形式多样化、多种施工方式兼备、施工过程不确定因素普遍存在的情况下，按照上述评价方法，不同监测参数的权重不能得到体现和参与评价。因此，上述评价方法就不能应用。综观目前所公开和实践应用的基坑工程安全性评价所采用的方法，兼备充分科学性和可操作性、经历工程检验的方法还没有为公众所知。
发明内容
本发明的目的是解决目前建设工程领域对基坑，特别是沿海软土地基开挖的基坑，在开挖过程和开挖完成后进行安全性评价的方法比较粗略，理论性强而针对性弱、可操作性差等不足，提出一种基于模糊综合评判法的评价方法。涵盖对符合标准设计的一级、二级基坑的综合监测和安全性评价的过程，也适合对基坑的局部区域安全性进行评价。特别是适用于需要构建内支撑结构的、面积较大的深基坑的监测和评价。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
（1）确定基坑安全评价的影响因素，构建二级模糊综合评判模型。确定一级影响因子的判断矩阵，归一化得到 。一级影响因子包括围护结构的变形、内支撑结构的变形、周边建筑物和地表的变形、周边水位的变化。二级影响因子：围护结构的变形包括围护墙顶部水平位移量、围护墙顶部竖向位移量和围护墙深层水平位移量。内支撑结构的变形包括立柱竖向位移量、支撑内力值。周边建筑物和地表的变形包括周边地表竖向位移量、周边建筑物竖向位移和倾斜量、周边建筑物和地表裂缝或管线变形量。周边水位的变化则为地下水位变化量。
（2）根据基坑设计单位提供的报警值和控制值（或设计值），将各个二级影响因子划分为a、b、c、d四个等级，其中等级划分的标准按下表确定：
（3）确定监测位置，按施工时序和进程，每隔1至10天测定一次各个监测位置的二级影响因子的监测值，所有监测值按步骤（2）的划分标准归类，得到所有监测值在各个等级的分布系数。由分布系数组成二级影响因子的隶属度矩阵Ri。由各个二级因子的权重得到ωi。计算各一级影响因子的隶属度Xi=ωi·Ri。
(4) 建立基坑安全性分级标准，如下表（表1）
（5）各一级影响因子的隶属度Xi组成隶属度矩阵R，计算基坑整体模糊综合评判隶属度X=·R。
（6）计算评判值=X•QT ，得到基坑安全性等级，其中QT为基坑安全性级别等级值组成的计算矩阵。
本发明的基于模糊综合评判法和矩阵理论的基坑安全性评价法，适用于使用中的具有钢筋混凝土或钢结构/组合结构内支撑、预应力锚杆的支护结构的建筑物基坑的评价。对于二级影响因子的各个项目的监测，本发明优先采用全站仪监测围护墙顶部水平位移量，采用水准仪监测围护墙顶部竖向位移量、立柱竖向位移量、周边地表竖向位移量、周边建筑物竖向位移量和倾斜量，采用测斜仪监测围护墙深层水平位移量，采用锚索测力计、钢筋测力计监测锚索内力和支撑结构的支撑轴力等支撑内力的变化，采用水准仪、塞尺、游标卡尺等
监测周边建筑物和地表裂缝或管线变形量，采用钢尺水位计监测地下水位变化量。根据基坑总体布局和周边情况，依据标准GB50497《建筑基坑工程监测技术规范》的要求，对基坑全区域范围进行布点，确定监测位置，测定各个监测位置的二级影响因子项目的监测值，将每项二级影响因子的所有监测值按四个等级进行归类。等级的划分标准按照基坑设计要求和监管部门的要求确认，同时，按照国家标准GB50497《建筑基坑工程监测技术规范》的具体要求确定。得到分布系数后，由分布系数组成各二级影响因子的隶属度矩阵。本发明采用的这种隶属度矩阵形成方法，由于是对大量实时、动态监测数据进行统计得到的，既能够全面反映各影响因子的实时状况，又能够综合地表征各影响因子的监测结果的动态情况。使评价结果非常有代表性，能够准确地反映基坑的安全状态。与只采集部分监测点的实时数据进行评价的现有方法相比，评价效果更加精确。对基坑的安全性进行动态评价，本发明的方法是方便而高效的。
一级影响因子的判断矩阵需进行一致性检验，即求解特征向量,得到λmax，计算一致性指标CI=，查表得平均随机一致性指标RI，则检验系数CR=CI/RI，若CR<0.1，判断矩阵的一致性可以接受。否则重新确定各一级影响因子的判断矩阵，计算CR直到CR<0.1。计算评判值 =XQT时，其中QT为基坑安全性级别等级值组成的计算矩阵，本发明可以选择采用步骤（4）中各区域值上下限的平均值组成，即[0.95,0.85,0.7,0.3]。
进一步的，上述内支撑建筑物基坑安全性的综合评价方法，内支撑结构变形包括锚杆内力监测值。
增加锚杆内力监测值二级影响因子，使本发明评价方法能够适用到具有锚杆支护结构的基坑工程中。因此，上述评价方法涵盖了目前工程实践中较多采用的基坑支护结构类型，可操作性好。
优选的是，上述内支撑建筑物基坑安全性的综合评价方法，一级影响因子的判断矩阵如下，
表2-1一般基坑的一级影响因子判断矩阵
或者是，对于有锚杆支护结构的基坑，其一级影响因子的判断矩阵如下，
表2-2 有锚杆支护结构的基坑的一级影响因子判断矩阵
上述对一级影响因子的判断矩阵的具体化，是经过工程实践检验的、适合沿海地区软土基坑土质特点的要求的参数。使用时根据基坑是否具有锚杆支护结构，分别采用上述表格的数值组成判断矩阵，进行归一化、求解特征向量的计算。这些具体化的参数，科学地反映各一级影响因子之间的相对重要性，使本发明的方法能够定量精确地反映施工过程中基坑安全性的评判结果，保障生命财产安全和工程质量。对有锚杆支护结构的基坑，其内支撑结构变形的各二级影响因子的归类划分标准，也进行相应的调整。
进一步的，当设计未提供报警值和控制值时，上述的按一级设计的内支撑建筑物基坑安全性的综合评价方法，可以采用下列划分标准进行各二级影响因子的归类划分：
表3－1 围护结构变形的划分标准
表3－2 内支撑结构变形的划分标准
表3－3 周边建筑物、地表的变形的划分标准
表3－4 周边水位的变化的划分标准
或者是，当设计未提供报警值和控制值时，上述的按二级设计的内支撑建筑物基坑安全性的综合评价方法，可以采用下列划分标准进行各二级影响因子的归类划分：
围护结构变形的划分标准如下表（表4-1）
内支撑结构变形的划分标准如下表（表4-2）
周边建筑物、地表的变形的划分标准如下表（表4-3）
周边水位的变化的划分标准如下表（表4-4）
采用上述的划分标准对本发明方法的二级影响因子监测值进行划分，是在基坑工程监测技术标准规范的要求的基础上，结合工程实践中对沿海地区软土地基的土质情况、地下水分布情况的掌握，对围护结构、内支撑结构在这种软土地基的使用中所可能产生的应力变化、结构形变的研究的基础上，归纳总结的指导性标准。经过部分大型或复杂基坑工程的实践检验，取得优异的评价效果。对于没有提供控制值（设计值）和/或报警值的基坑工程，采用上述划分标准，能够有效地指导评价工作。本发明将二级影响因子监测值划分为四个等级，涵盖了软土基坑监测中比较常见的各种情况，这种划分代表性好，将设计标准与评价方法之间的关系直观地确定。等级层次分明，既满足评价分析的需要，又对实际监测工作的工作量具有指引作用。
特别的是，上述内支撑建筑物基坑安全性的综合评价方法，对于有锚杆支护结构的基坑，当设计单位未提供报警值和控制值时，若目标基坑为按一级设计的基坑，则该类型基坑的内支撑结构变形的各二级影响因子的归类划分标准为：
表5-1有锚杆支护结构一级基坑内支撑结构变形的划分标准
若目标基坑为按二级设计的基坑，则该类型基坑的内支撑结构变形的各二级影响因子的归类划分标准为：
表5-2有锚杆支护结构二级基坑内支撑结构变形的划分标准
针对有锚杆支护结构的基坑，锚杆内力的变化是内支撑结构体系变形的组成部分，锚杆受力和稳定状态对基坑的安全性有重要的影响。因此，在安全性综合评价中应体现其权重。在采用单独的内支撑结构和组合采用内支撑结构和锚杆两种情况下，基坑安全性的影响因素的数量和各影响因素的重要程度显然是不同的。因此，应就不同的内支撑结构的情况，采用不同的归类划分标准，对各二级影响因子的监测值进行划分，才能准确评价基坑的安全性。
还可以是，上述的内支撑建筑物基坑安全性的综合评价方法，只选取基坑局部区域所布设的监测点，测定该局部区域所有监测点的二级因子监测值进行归类计算，评价该局部区域的基坑安全性。
由于基坑工程的面积大小、周边状态和施工组织千差万别，当基坑面积较大时，可能某时间段只进行局部区域的开挖作业，此时需要对该局部区域进行监测和评价时，本发明的方法也能够只针对该区域进行评价。
本发明的内支撑基坑安全性评价方法，是一种系统性强、科学性高的综合评价方法。具有以下的特点和优点：
1. 方法的针对性强。本发明方法是基于模糊综合评判的方法研制的基坑安全性评价的鉴定方法，方法中各级影响因子、监测项目、参数的选择均以主要土层为淤泥的软土地基为评价目标。同时，又符合国家标准GB50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》所要求的监测项目。因此，本发明对于指导沿海地区软土地基的基坑的监测和评价具有其独特性和示范指导意义。
2. 方法的可操作性强，能够实现快速确认基坑安全性。由于有大量有针对性、连续性的监测数据为方法计算的基础，采用本发明方法，能够连续不间断地经计算得到评判值，而实现在线监测的实时评判效果。在此基础上完全能够实现自动报警，达到随时掌握基坑安全程度和具体危险因素的情况，最大限度地保证施工安全。
3. 方法的结果清晰，系统性强。以单一的评判值作为基坑安全性级别的指标，具有直观和易于识别的效果。与现有的安全性评价方法比较，符合人的评判习惯，是一种更加科学的评价法。更加容易于为现场监测人员所接受和使用。
4.较好地解决了基坑监测项目多，对项目的选择和统筹缺乏依据的问题。解决现有基坑安全性评价方法结果粗略、与工程现实的契合度低，可参考性不高的缺陷。将不可预见的风险因素转化为定量的指标，协助施工决策，以达到安全、经济、高效的施工目标。
本发明的基坑安全性综合评判方法，解决了目前使用的基坑工程安全性评价方法理论性强，与工程实际情况分离，适用性低的不足。建立起涵盖标准规范的各级基坑的安全监测和评价的方案，是对基坑建筑物工程监测领域的一个重要补充。特别是对于沿海地区软土地基的建筑物基坑，本发明的评价方法针对性强，是一种系统性强、准确度高的解决方案。
附图说明
图1是本发明基坑安全性评价方法的流程图。
具体实施例
实施例1
某商业广场项目，地处城市繁华区域，四周为交通主干道和重要办公用房，道路下市政管线已埋设。基坑施工安全的重要性要求高。基坑面积约为 1.42 万 ㎡，周长约为 460m。基坑开挖深度介于15.0m～19.6m，是当地历史上开挖深度最深的基坑项目。基坑采用钢筋混凝土内支撑为支护结构，由钢筋混凝土灌注桩和水泥搅拌桩构建围护结构。
确定基坑设计为一级基坑，一级影响因子包括围护结构的变形、内支撑结构的变形、周边建筑物和地表的变形、周边水位的变化。构建判断矩阵如上述表2-1。求解特征向量,得到，归一化得到 ,影响因子数量为4，即n=4，计算一致性指标，查表得平均随机一致性指标RI=0.89，则检验系数，判断矩阵的一致性可以接受。
对基坑的下列项目（即各个一级影响因子所包括的二级影响因子）进行监测：包括围护桩顶（压顶）水平位移及沉降监测、围护桩身（桩体）水平位移监测（测斜）、支撑轴力监测、基坑外地下水位监测、周边道路、建筑物沉降观测、周边地下管线沉降监测、周边建筑物裂缝观测。采用本发明所优先选用的监测设备，对各个监测点进行连续不断的监测。2013年6月20日，经采集监测设备的数据，并进行归类划分，发现如下情况：围护墙顶部水平位移量、围护墙顶部竖向位移量和围护墙深层水平位移量的监测数值均处于a级范围；内支撑的立柱竖向位移量处于a级范围，支撑内力监测42个点位中2个超过800N，处于b级范围内，其余均处于a级范围内；周边地表竖向位移量监测35个点位，属于a级范围内的有4个点，c级范围内的有3个点, d级范围内的有28个点，周边建筑物竖向位移和倾斜量和周边建筑物及地表裂缝监测值均处于a级范围内；周边承压水水位变化监测18个点，属于a级范围内的有8个点，b级范围内的有2个点，c级范围内的有1个点, d级范围内的有7个点。
根据上述统计数据，得到各二级影响因子的分布系数，形成隶属度矩阵Ri，结合各二级影响因子的权重矩阵，进行计算。则，
围护结构的变形的隶属度为
内支撑结构的变形的隶属度为
周边建筑物、地表的变形的隶属度为
周边水位的变化的隶属度为
由各一级影响因子的隶属度Xi组成得到综合评判计算矩阵R，再计算基坑整体综合评判隶属度
计算评判值
按照本发明的基坑安全性划分标准，评定基坑安全性级别为B级，即“存在疑问，需要进一步扩大检测检查、验证”。故，决定对现场加强巡查、监测。经分析，该时间段基坑正开挖第三道支撑下部土方，由于局部止水帷幕失效，导致局部周边路面沉降加剧，地下水位变化增大，但围护结构、内支撑结构的个别异常点不在该局部区域，所以基坑围护结构仍然处于安全、有效的状态。可见，评价结果与工程实际安全状态相吻合，对事前评价的定量指标准确直观，在工程实践中提供有指导性的预警功能。
实施例2
某大型高层住宅楼项目，由20幢32～40层住宅楼组成，二层地下室。基坑为不规则形，开挖深度约7.60m，基坑底面标高（含底板、垫层厚度）-10.40m。面积约83000㎡，基坑开挖面积为当地已实施项目最大面积；基坑支护结构部分采用预应力锚杆支护结构，为当地首次采用。基坑支护结构侧壁安全等级为二级，结合周边环境和地质情况，在不同区域采用单排或双排钻孔桩、水泥搅拌桩、钢筋混凝土内支撑结构、预应力锚杆支护结构、分级放坡和水泥搅拌桩止水帷幕型式、钻孔桩桩间旋喷桩止水型式的两至三种内支撑结构。该基坑位置的地质特征主要为素填土、杂填土层、淤泥层和粉砂层，流塑态，土质偏软，属典型的沿海地区软土地基。
该基坑设计为二级基坑，一级影响因子包括围护结构的变形、内支撑结构的变形、周边建筑物和地表的变形、周边水位的变化。内支撑结构包括预应力锚杆支护结构，故构建判断矩阵如上述表2-2。求解特征向量,得到，归一化得到,影响因子数量为4，即n=4，计算一致性指标，查表得平均随机一致性指标RI=0.89，则检验系数，判断矩阵的一致性可以接受。
根据基坑工程实际内支撑结构方案的型式，对基坑的下列项目（即各个一级影响因子所包括的二级影响因子）进行监测：包括围护桩深层水平位移、压顶水平位移、压顶及立柱沉降、锚索内力、支撑轴力、周边建筑物及地面沉降值、地下水位变化值。根据各种内支撑结构的分布情况，采用本发明所优先选用的监测设备，对各个监测点的监测项目按基坑开挖深度每1.5至3米观测一次，水位变化每2-3天实测一次，周边建筑物沉降实际观测5-7次。
2014 年10月16日，监测系统提示基坑安全性有疑问。经汇总监测数据，并按上述表4-1、表5-2、表4-3、表4-4进行归类划分，发现如下情况：围护桩深层水平位移、压顶水平位移量的监测的63个数值中处于a~d级范围的分别有27、15、18和3个值；压顶及立柱沉降、锚索内力、支撑轴力监测值全部处于a级范围；周边建筑物及地面沉降监测20个点位，属于a~d级范围内的分别有2、7、8、3个点；周边承压水水位变化监测值的分布，属于a~d级范围的几率分别为0.583、0.33、0.084和0。
根据上述统计数据，得到各二级影响因子的分布系数，形成隶属度矩阵Ri，结合各二级影响因子的权重矩阵，进行计算。则，
围护结构的变形的隶属度为
内支撑结构的变形的隶属度为
周边建筑物、地表的变形的隶属度为
周边水位的变化的隶属度为
由各一级影响因子的隶属度Xi组成得到综合评判计算矩阵R，再计算基坑整体综合评判隶属度
计算评判值
按照本发明的基坑安全性划分标准，评定基坑安全性级别为B级，即“存在疑问，需要进一步扩大检测检查、验证”。经过对监测数据的分析，了解到监测点CX3、CX4的围护桩深层水平位移量偏大。再据此加强对现场的巡查，发现现场在CX3、CX4监测点附近的局部基坑开挖速度太快，部分区域开挖超过计划进度，局部开挖深度短时间内超深，造成变形明显加剧。虽然围护桩的位移量较大，基坑围护结构整体的安全性仍然有保证。可见，评价结果与工程实际安全状态相吻合，取得了良好的监测效果。在工程实践中具有的警示作用。

Claims (9)

1.一种内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）确定基坑安全评价的影响因素，构建二级模糊综合评判模型；
确定一级影响因子的判断矩阵，计算并归一化得到特征向量；其中，一级影响因子包括围护结构的变形、内支撑结构的变形、周边建筑物和地表的变形、周边水位的变化；二级影响因子：围护结构的变形包括围护墙顶部水平位移量、围护墙顶部竖向位移量和围护墙深层水平位移量；内支撑结构的变形包括立柱竖向位移量、支撑内力值；周边建筑物和地表的变形包括周边地表竖向位移量、周边建筑物竖向位移和倾斜量、周边建筑物和地表裂缝或管线变形量；周边水位的变化则为地下水位变化量；
（2）根据基坑设计单位提供的报警值和控制值（或设计值），将各个二级影响因子划分为a、b、c、d四个等级，其中等级划分的标准按下表确定；
（3）根据基坑总体布局和周边情况，确定监测位置；按施工时序和进程，每隔1至10天测定一次各个监测位置的二级影响因子的监测值，所有监测值按步骤（2）的划分标准归类，得到所有监测值在各个等级的分布系数，由分布系数组成二级影响因子的隶属度矩阵Ri；由各个二级因子的权重得到ωi,计算各一级影响因子的隶属度Xi=ωi·Ri；
(4) 建立基坑安全性分级标准，
（5）各一级影响因子的隶属度Xi组成隶属度矩阵R，计算基坑整体模糊综合评判隶属度X=·R；
（6）计算评判值=X•QT ，得到基坑安全性等级，其中QT为基坑安全性级别等级值组成的计算矩阵。
2.根据权利要求1所述的内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，内支撑结构变形的二级影响因子包括锚杆内力监测值。
3.根据权利要求1所述的内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，一级影响因子的判断矩阵按下表数据组成。
4.根据权利要求2所述的内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，一级影响因子的判断矩阵按下表数据组成。
5.根据权利要求1或3之一所述的内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，当目标基坑是按一级设计的基坑，则各二级影响因子监测值按下列分类标准进行等级划分：
围护结构变形的划分标准如下表
内支撑结构变形的划分标准如下表
周边建筑物、地表的变形的划分标准如下表
周边水位的变化的划分标准如下表
。
6.根据权利要求1或3之一所述的内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，当目标基坑是按二级设计的基坑，则各二级影响因子监测值按下列分类标准进行等级划分:
围护结构变形的划分标准如下表
内支撑结构变形的划分标准如下表
周边建筑物、地表的变形的划分标准如下表
周边水位的变化的划分标准如下表
。
7.根据权利要求2或4之一所述的内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，当目标基坑是按一级设计的基坑，则各个二级影响因子的归类划分标准如下表：
围护结构变形的划分标准如下表
内支撑结构变形的划分标准如下表
周边建筑物、地表的变形的划分标准如下表
周边水位的变化的划分标准如下表
。
8.根据权利要求2或4之一所述的内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，当目标基坑是按二级设计的基坑，则各个二级影响因子的归类划分标准如下表：
围护结构变形的划分标准如下表
内支撑结构变形的划分标准如下表
周边建筑物、地表的变形的划分标准如下表
周边水位的变化的划分标准如下表
。
9.根据权利要求1或2之一所述的内支撑建筑基坑安全性的综合评价方法，其特征是，以基坑分区域开挖的特征划分，选取基坑局部区域所布设的监测点，测定该局部区域所有监测点的二级因子监测值进行归类计算，评价该局部区域的基坑安全性。
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