CN102967481A - 一种地面建筑与地下结构作用关系测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑安全状态检测技术领域，涉及一种地面建筑与地下结构作用关系测定方法，基于ArcGIS软件平台进行测定，包括图形放大、缩小、平移；图形和属性数据相互查询并在同一界面共同显示；分析评价结果以图、表和文档等形式显示；***振动安全评价；地表变形静态和动态计算；地面建筑自重压力圈计算；地面建筑物损伤评价；地下结构损伤评价；矢量数据栅格化和栅格数据矢量化，常用数值模拟软件接口扩展；其测定原理可靠，测定工艺步骤简单，测定精确度高，测定技术设备先进，稳定性好，可以广泛用于各种地面建筑与地下结构的安全作用关系测定与预警。

Description

一种地面建筑与地下结构作用关系测定方法

技术领域：

本发明属于建筑安全状态检测技术领域，涉及一种地面建筑物与地下地质结构的作用关系及安全状态的测试与评价***，特别是一种地面建筑与地下结构作用关系测定方法，以实现测定地下建设工程对地面邻近既有建筑物安全的影响和地面工程建设对近接既有地下结构安全的影响。

背景技术：

在经济快速增长期间，由于受资源制约，大规模地有效利用地下空间成为当务之急。据统计，截止至2012年10月末，我国已经建成铁路隧道超过7000公里，在建约4600公里；已建成公路隧道超过2900公里，并以每年150多公里的速度在增加；我国地铁总里程已经达到1600多公里，2015年运营里程将超过3000公里，2020年规划总里程将超过6000公里。同时，地下的人防工程、过街通道、停车场、商场和储藏库也逐渐增加。这些地下建设工程中的***产生的振动和冲击压力，对周边建筑安全产生影响，地下工程的开挖会不可避免地引起上覆岩土层的位移、变形甚至冒落等环境效应，这些效应波及到地面会使地面发生沉降、边坡产生滑移或地面突发塌陷等地质危害，并对地面建（构）筑物构成不同程度的损害；随着地下工程的不断建成，会在近接地下结构的地面区域建设高层建筑或者构筑物，这些建（构）筑物的建设过程中的***、开挖及建成后的建筑物自重荷载，会使周围岩土体应力发生变化，从而使已建成的地下结构周围应力发生变化，给地下结构安全带来负面影响；所以，研究地面建筑与地下地质结构的相应作用关系很有实用价值。

目前，国内外尚未见有报道对于地上建筑与地下结构二者相互作用的安全评估***，通常的方法是把地上建筑与地下结构相互影响分割开来，研究更多的是地下结构建设对地面建筑的安全影响评估，用不同的软件数值模拟后，对结果进行人为分析，这种分析方法的工艺复杂，计算科学性差，精确性低，耗时耗力，实用结果不理想。因此，有必要建立一套能够快速、科学、准确地评价地上建筑与地下结构相互作用关系的测定与评价***方法，为建设者和管理者提供决策依据。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种地面建筑与地下结构相互作用关系的测定方法，以实现地下建设工程对地面邻近既有建筑物安全的影响和地面工程建设对近接既有地下结构安全的影响的测定和科学评价，在采用相关规范要求进行安全评价的基础上，结合理论研究、现场测试、实验室试验和数值模拟，对测评内容和评价体系进行编程，利用分形理论、协同学理论和智能搜索算法理论与算法进行测定和评价，实现测定评价结果的科学性和全面性。

为了实现上述目的，本发明基于ArcGIS软件平台进行测定，包括图形放大、缩小、平移；图形和属性数据相互查询并在同一界面共同显示；分析评价结果以图、表和文档等形式显示；***振动安全评价；地表变形静态（最终形态）和动态（变形过程）计算；地面建筑自重压力圈计算；地面建筑物损伤评价；地下结构损伤评价；矢量数据栅格化和栅格数据矢量化，常用数值模拟软件接口扩展；其测定工艺包括数据库构建、地下结构建设对地面建筑作用评价和地面建筑建设对地下结构作用评价三个步骤：

（1）数据库构建：构建的数据库包括基础数据库和分析评价数据库两部分，基础数据库包括图形数据库和属性数据库，其中，图形数据库用于存储地形图、规划图、地质图、钻孔图、地面建筑分布图、地下结构分布图；属性数据库包括地面建（构）筑物信息（如民用、工业、堤防等）、地下结构信息（如地下铁路、地下存储、地下商业等）和地质信息（如地层、地貌、地质构造、水文地质、环境地质和地震地质等）；分析评价数据库包括评价标准数据库和评价结果数据库，其中，评价标准数据库包括***振动相关标准和评价指标、地表变形相关标准和评价指标、地面建（构）筑物损伤评价标准和评价指标、地下结构安全评估评价标准和评价指标；评价结果数据库用于存储分析评价结果，经过拓展形成图形和属性数据库无缝融合的空间数据库，便于为下一步评价提供中间过程结果，或者为今后查阅提供依据，根据相应的国家规范整理后存储到数据库中，同时根据工程现场经验、理论研究、数值试验和相似材料试验的手段获得相关研究成果，对数据库中评价标准和评价指标进行丰富和完善；

（2）地下结构建设对地面建筑作用评价，包括***振动安全评价、地表变形预计、地面建筑自重压力圈计算和地面建筑物损伤评价；***振动安全评价对已知爆心到测点距离进行最大药量计算、已知最大药量计算***振动的安全距离、***振动强度、地面结构的内力、位移响应值和地面建筑物受***振动影响的综合评价，并通过建立计算模型，把计算结果存储到评价数据库中；地表变形预计进行地表变形静态（最终形态）和动态（变形过程）预计，采用改进的PECK公式和随机介质理论公式进行地表变形静态（最终形态）预测；采用自主研发的分形插值计算方法计算地表变形动态过程中的变形值，并把相对应的图形和计算结果存储到评价结果数据库；地面建筑物损伤评价分别对混凝土结构和砌体结构的结构形式的建筑物现场勘查结果进行损伤评价，通过建立数值模型，利用自主研发的建筑物损伤预测计算模型，对地下结构建设引起的对地面建筑物损伤进行综合评价，并把评价结果存储到评价据库中；

（3）地面建筑建设对地下结构作用评价，包括测定计算地面建筑基坑开挖引起应力释放后的岩土体的变形和地下结构应力、位移变化情况，地下结构衬砌受力情况和裂缝；测定计算地面建筑基坑***振动对地下结构的影响；测定计算建筑物自重荷载引起的压力圈对地下结构的影响，通过建立分析模型，把测定计算结果存储到评价数据库中，完成地面建筑与地下结构作用关系的测定。

本发明与现有技术相比，其测定原理可靠，测定工艺步骤简单，测定精确度高，测定技术设备先进，稳定性好，可以广泛用于各种地面建筑与地下结构的安全作用关系测定与预警。

附图说明：

图1为本发明的主体工艺步骤流程结构原理示意框图。

图2为本发明涉及的测定***组成结构原理示意图。

图3为本发明涉及的数据库构建流程结构原理示意框图。

图4为本发明涉及的地下结构建设对地面建筑作用评价流程原理示意图。

图5为本发明涉及的地面建筑对地下结构作用评价流程结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例基于ArcGIS软件平台进行测定，包括图形放大、缩小、平移；图形和属性数据相互查询并在同一界面共同显示；分析评价结果以图、表和文档等形式显示；***振动安全评价；地表变形静态（最终形态）和动态（变形过程）计算；地面建筑自重压力圈计算；地面建筑物损伤评价；地下结构损伤评价；矢量数据栅格化和栅格数据矢量化，常用数值模拟软件接口扩展；其测定工艺包括数据库构建、地下结构建设对地面建筑作用评价和地面建筑建设对地下结构作用评价三个步骤：

（1）数据库构建：构建的数据库包括基础数据库和分析评价数据库两部分，基础数据库包括图形数据库和属性数据库，其中，图形数据库用于存储地形图、规划图、地质图、钻孔图、地面建筑分布图、地下结构分布图；属性数据库包括地面建（构）筑物信息（如民用、工业、堤防等）、地下结构信息（如地下铁路、地下存储、地下商业等）和地质信息（如地层、地貌、地质构造、水文地质、环境地质和地震地质等）；分析评价数据库包括评价标准数据库和评价结果数据库，其中，评价标准数据库包括***振动相关标准和评价指标、地表变形相关标准和评价指标、地面建（构）筑物损伤评价标准和评价指标、地下结构安全评估评价标准和评价指标；评价结果数据库用于存储分析评价结果，经过拓展形成图形和属性数据库无缝融合的空间数据库，便于为下一步评价提供中间过程结果，或者为今后查阅提供依据，根据相应的国家规范整理后存储到数据库中，同时根据工程现场经验、理论研究、数值试验和相似材料试验的手段获得相关研究成果，对数据库中评价标准和评价指标进行丰富和完善；

（2）地下结构建设对地面建筑作用评价，包括***振动安全评价、地表变形预计、地面建筑自重压力圈计算和地面建筑物损伤评价；***振动安全评价对已知爆心到测点距离进行最大药量计算、已知最大药量计算***振动的安全距离、***振动强度、地面结构的内力、位移响应值和地面建筑物受***振动影响的综合评价，并通过建立计算模型，把计算结果存储到评价数据库中；地表变形预计进行地表变形静态（最终形态）和动态（变形过程）预计，采用改进的PECK公式和随机介质理论公式进行地表变形静态（最终形态）预测；采用自主研发的分形插值计算方法计算地表变形动态过程中的变形值，并把相对应的图形和计算结果存储到评价结果数据库；地面建筑物损伤评价分别对混凝土结构和砌体结构的结构形式的建筑物现场勘查结果进行损伤评价，通过建立数值模型，利用自主研发的建筑物损伤预测计算模型，对地下结构建设引起的对地面建筑物损伤进行综合评价，并把评价结果存储到评价据库中；

（3）地面建筑建设对地下结构作用评价，包括测定计算地面建筑基坑开挖引起应力释放后的岩土体的变形和地下结构应力、位移变化情况，地下结构衬砌受力情况和裂缝；测定计算地面建筑基坑***振动对地下结构的影响；测定计算建筑物自重荷载引起的压力圈对地下结构的影响，通过建立分析模型，把测定计算结果存储到评价数据库中，完成地面建筑与地下结构作用关系的测定。

本实施例涉及的PECK公式为：

$S\left(x\right)=\frac{V_l\·A_{\mathrm{\Ω}}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}i}\exp (-\frac{x^2}{{2i}^2})$

其中，S为，x是从隧道中心线对应的地面点到所计算点的水平距离，V_l为地层损失率，A_Ω位开挖断面的面积，i为沉降槽宽度；随机介质理论公式为：设定开挖横断面区域Ω变形后成为ω，对这种预定义的塌陷形式将单元开挖引起的地表下沉在塌陷面积上进行积分，就可获得该情况下隧道上覆地层的位移

$S\left(x\right)=S_{\mathrm{\Ω}}\left(x\right)-S_{\mathrm{\ω}}\left(x\right)=\underset{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\ω}}{\∫\∫}\frac{\tan \mathrm{\β}}{\mathrm{\η}}\exp [-\frac{\mathrm{\π}{\tan }^2\mathrm{\β}}{{\mathrm{\η}}^2}{(x-\mathrm{\ξ})}^2]\mathrm{d\ξd\η}$

式中：β为隧道上部地层的主要影响角。

本实施例涉及的自主研发的地表沉降分形插值计算方法为：

a.用容量维计算下沉曲线分形维数

r为容量尺度；

b.计算得到盒覆盖的回归方程ln[N(r)]＝Dln(1/r)+b；

c.计算ln[N(r)]和ln(1/r)离散点的相关系数；

d.利用分形进行差值 $f\left(x\right)=\frac{c_n}{a_n}(x-e_n)+d_{n}f\left(\frac{X-e_n}{a_n}\right)+h_n,$ x∈[x_n-1，x_n]

并计算相对误差σ=|(g-f)/g|。

式中 $a_n=\frac{x_n-x_{n-1}}{x_N-x_0},$ $e_n=\frac{x_N{x}_{n-1}-x_0{x}_n}{x_N-x_0},$ $c_n=-\frac{(y_n-y_{n-1})(x_N-x_0)}{d_n(y_n-y_0)},$ $h_n=\frac{(x_N{y}_{n-1}-x_0{y}_n)}{x_N-x_0}-d_n\frac{(x_N{y}_0-x_0{y}_N)}{(x_N-x_0)},$ d_n为纵向压缩因子，0≤d_n≤1，n=1,2,…,N，σ为相对误差，g实测数据，f插值数据。

本实施例涉及的自主研发的建筑物损伤预测计算模型为：

$f({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\π}},{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\π}})=\frac{-B-\sqrt{B^2-\frac{4C(H\·A-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\π}})}{H}}-\frac{2C\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\π}}}{H}}{-B-\sqrt{B^2-\frac{4C(H\·A-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\π}})}{H}}}$

式中 $H=\sqrt{3}{f}_c,$ A=1/3b， $B=-\sqrt{1/6}\mathrm{\λ}/b,$ C=-a/2b， ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\π}}=\sqrt{2J_2},$ ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\π}}=I_1/\sqrt{3}$ 分别为π平面上的剪应力和正应力，J₂为第二偏应力不变量，I₁为第一主应力不变量。

本实施例所使用的ArcGIS软件平台选自美国ESRI公司公开发售的软件***产品，该软件为可以无缝扩展的GIS平台系列产品，建立在工业标准之上，具有功能大、使用方便、界面友好的优点；本实施例在ArcGIS9软件平台的公共组件AO进行二次集成，将VB、VC语言编写的各个分析模块添加到ArcGIS环境中而实现评价功能。

Claims (1)

1.一种地面建筑与地下结构作用关系测定方法，其特征在于其测定工艺包括数据库构建、地下结构建设对地面建筑作用评价和地面建筑建设对地下结构作用评价三个步骤：

（1）数据库构建：构建的数据库包括基础数据库和分析评价数据库两部分，基础数据库包括图形数据库和属性数据库，其中，图形数据库用于存储地形图、规划图、地质图、钻孔图、地面建筑分布图、地下结构分布图；属性数据库包括地面建筑物信息、地下结构信息和地质信息；分析评价数据库包括评价标准数据库和评价结果数据库，其中，评价标准数据库包括***振动相关标准和评价指标、地表变形相关标准和评价指标、地面建筑物损伤评价标准和评价指标、地下结构安全评估评价标准和评价指标；评价结果数据库用于存储分析评价结果，经过拓展形成图形和属性数据库无缝融合的空间数据库，便于为下一步评价提供中间过程结果，或者为今后查阅提供依据，根据相应的国家规范整理后存储到数据库中，同时根据工程现场经验、理论研究、数值试验和相似材料试验的手段获得相关研究成果，对数据库中评价标准和评价指标进行丰富和完善；

（2）地下结构建设对地面建筑作用评价，包括***振动安全评价、地表变形预计、地面建筑自重压力圈计算和地面建筑物损伤评价；***振动安全评价对已知爆心到测点距离进行最大药量计算、已知最大药量计算***振动的安全距离、***振动强度、地面结构的内力、位移响应值和地面建筑物受***振动影响的综合评价，并通过建立计算模型，把计算结果存储到评价数据库中；地表变形预计进行地表变形静态和动态预计，采用改进的PECK公式和随机介质理论公式进行地表变形静态预测；采用自主研发的分形插值计算方法计算地表变形动态过程中的变形值，并把相对应的图形和计算结果存储到评价结果数据库；地面建筑物损伤评价分别对混凝土结构和砌体结构的结构形式的建筑物现场勘查结果进行损伤评价，通过建立数值模型，利用自主研发的建筑物损伤预测计算模型，对地下结构建设引起的对地面建筑物损伤进行综合评价，并把评价结果存储到评价据库中；

（3）地面建筑建设对地下结构作用评价，包括测定计算地面建筑基坑开挖引起应力释放后的岩土体的变形和地下结构应力、位移变化情况，地下结构衬砌受力情况和裂缝；测定计算地面建筑基坑***振动对地下结构的影响；测定计算建筑物自重荷载引起的压力圈对地下结构的影响，通过建立分析模型，把测定计算结果存储到评价数据库中，完成地面建筑与地下结构作用关系的测定。

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