重要構筑物旁地震液化帶處治方案優選分析

秦 猛

(廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

抗液化地基處理措施主要來自兩類設計思想：(1)阻止孔隙水壓力的產生和發展；(2)控制液化產生的過大變形。不良地基的地質環境也是復雜多變的，選擇正確的地基處理方案是工程建設安全的基礎[1]。常用的方案優化比選方法有模糊物元的聚類分析法、模糊綜合評價方法、遺傳算法、灰色理論方法、層次分析方法等。層次分析方法可以讓評價過程由復雜變得極具條理化，利用評價指標可使系統內較復雜的關系不斷條理化、層次化，區別各自對評價結果的影響情況，還包括針對部分只能定性評價的要素進行方便、合適的處理[2-4]。本文依托新疆地區某高速公路重要構筑物地震液化帶地基處治工程，通過建立層次分析模型，構造判斷矩陣，計算分析得出病害處治的最佳方案。

1 工程概況

該線路為高速公路建設項目，標段起始樁號為K54+000，終點樁號為K89+000，線路總里程34.993 km。項目所屬地區的地貌為典型的風積砂丘、荒漠鹽堿地和農田濕地。根據地質勘查資料顯示，項目沿線多處在7～8烈度區，其設計基本地震加速度0.15～0.20 g，項目沿線地區地層為粉、細砂和粉土、粉質黏土，且地下水位較高，滿足導致地震液化的基本條件。其中K75+300～K79+500、K85+520～K89+000路段地震液化等級分別為中等和嚴重，且沿線有分布橋涵通道及大中型橋梁、民房等多個重要構筑物。

2 常用地震液化帶處治方案

為保證高速公路路基穩定性，需采取措施對其周邊一定區域內的地基進行抗液化處理。根據《公路工程抗震設計規范》(JGT B02-2013)的要求，地震液化帶可液化地基加固的處理方法有砂樁、碎石樁、石灰樁、強夯等。結合工程建設項目中常用的地震液化帶地基處治方法，如表1有6種可選方案。

基于該合同段地震液化帶區域多重要構筑物的實際情況，在選擇處治方案的時候，不僅要保證處治方案達到地基加固的效果，盡可能地減少施工對構筑物產生的影響，還需考慮到施工產生的費用，盡量保證其經濟效益，同時還要考慮到環保因素，保證可持續發展性。綜合上述處治方案的特點，初步選取砂礫樁法、砂樁擠密法和碎石樁排水法3種方案作為此次高速公路地震液化帶不良地基段處治待選方案。

表1 地震液化帶地基加固處理方法的適用范圍和優缺點對比表

3 處治方案比選

不良地基處治方案的優化因為設備、經濟、技術等眾多因素的影響，各類因素相互作用、相互關聯形成一個十分復雜的系統。首先按照問題的特性和應達到的目的，把問題分散成層次不同的眾多因素，利用因素間的隸屬關系和相互影響，我們把它分層聚類地組合起來，構造一個遞階的、有序的層次結構模型[5]；然后按照基本的原則和系統的特點，對比分析各層因素，其基本步驟是[6-8]：(1)建立層次結構模型；(2)構造成對比矩陣；(3)計算單排序權向量，然后檢驗其一致性；(4)計算總排序權向量，然后檢驗其一致性。

3.1 建立層次結構分析模型

對上述地震液化帶處治方案的選擇，涉及到眾多的復雜因素，其中經濟、技術、工期、環保4項指標最為重要，因此選取其作為方案比選的評價指標。根據層次分析法的定義，把評價目標、影響因素、不同方案區分成不相同的層次，構建了基于層次分析法的地震液化帶處治方案比選結構模型如圖1所示。

圖1 地震液化帶處治結構層次模型示意圖

3.2 構建判斷矩陣

層次分析法中最重要的就是判斷矩陣的構建，它表示下一層次中部分元素對于上一層次中某元素的相對重要性。判斷矩陣指標權重值通過專家討論和分析來確定，配置方法根據統一的Saaty 1～9級判斷矩陣標準度表，對指標進行兩兩比較。專家現場討論和分析，對指標的相對重要程度作出評價。

3.2.1 A-C層判斷矩陣

對地震液化帶的治理從經濟、技術、工期、環保四個方面考慮。從這四方面來看，技術可靠是首要因素，第二是經濟因素，維持經濟建設與環境保護可持續性發展已是國民經濟發展的戰略，認為環保要素高于工期。通過專家討論分析，得出A-C層判斷矩陣D如表2所示。

表2 準則層對目標層的判斷矩陣表

3.2.2 C-P層判斷矩陣

同理，基于各種處治方法的特點，可以得到構造方案層對準則層判斷矩陣C1-P、C2-P、C3-P、C4-P，如表3～6所示。

3.3 層次單排序及一致性檢驗

判斷矩陣是分析者憑個人知識和經驗建立起來的，不可避免地會受到人主觀因素的影響，導致誤差產生。為使判斷結果更好地與實際狀況相吻合，應檢驗其一致性[9]。

表3 C1-P方案層對準則層判斷矩陣表

表4 C2-P方案層對準則層判斷矩陣表

表5 C3-P方案層對準則層判斷矩陣表

表6 C4-P方案層對準則層判斷矩陣表

判斷矩陣D經|λI-D|=0求解，采用Matlab求解得到其最大特征值λmax=4.156 9，該特征值對應歸一化特征向量為ω，其中的值對應各影響因素的權值。

ω=(0.272 8，0.500 3，0.080 1，0.146 8)

對于4階矩陣，查平均隨機一致性指標RI取值表可知，RI=0.90，求得一致性指標CI和一致性比率CR。CI和CR按下式計算。

CR=0.058 1<0.1，顯然D矩陣一致性檢驗合格，故權值可以應用。

同理，判斷矩陣CK-P計算結果如下頁表7所示。

顯然，各判斷矩陣一致性檢驗均滿足要求，以上權值都能使用。

表7 判斷矩陣CK-P計算結果表

3.4 層次總排序及一致性檢驗

將層次單排序中得到的數據，填入層次總排序表中。準則層中C1、C2、C3、C4對應的數值為A-C判斷矩陣各影響因素的權值，P1、P2、P3為C1、C2、C3、C4對應的層次P的權值。對總體目標而言，計算得到三種方案的層次總排序結果如表8所示。

表8 層次總排序表

顯然，層次總排序的一致性檢驗滿足要求。根據層次分析法的結果，各方案的權值排序為：P3>P1>P2，故對依托工程附近有重要構筑物的地震液化帶區域采用砂礫樁進行地基加固。

4 地基處治方案及效果評價

4.1 施工工序及質量控制要點

4.1.1 施工工序

設計砂礫樁樁徑為50 cm，砂礫樁孔按三角形設置，樁間距為150 cm，樁長8 m，采用振動沉管施工技術。振動沉管施工機械包括：打樁機由振動機、套管、料斗三部分組成，基本施工流程如圖2所示。

圖2 施工流程圖

4.1.2 質量控制要點

由于施工方法不當或施工關鍵技術不熟悉，會使地基的處置效果不佳，甚至造成質量問題。基于地基處治方法的特點，在具體施工環節需要從以下幾個方面加強質量控制。

(1)防止出現斷樁現象，保證樁身連續性。在施工過程中，必須按照工藝性試樁所得的成樁過程步驟和各項技術參數控制拔管的進度及高度，拔管的速度不宜過快。

(2)減少鄰樁施工的影響，防止已成砂礫樁傾斜，保證樁管豎直度，砂礫樁施工順序應該由外而內，相鄰樁間隔跳躍施工，在施工過程中必須嚴格把控樁管的豎直度。

(3)為確保砂礫樁樁身的連續性及施工過程擠密均勻，施工過程中，必須按照設計的樁徑、樁間距、樁長、實驗所得的拔管高度和留振時間、砂礫灌入量、反插次數等施工參數進行施工。

4.2 地基處治效果評價

依據《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)中地震液化等級劃分方法，采用標準貫入試驗檢測加固土的密實情況，以檢驗砂礫樁法對地震液化帶不良地基處治效果。在施工結束后第21 d，選擇在地震液化等級嚴重且線路周邊有重要構筑物的路段，隨機抽取5個點位做標貫試驗，標貫試驗結果如表9所示。

表9 標準貫入試驗結果表

從表9可知，經砂礫樁改良后的地震液化帶不良地基標貫擊數較處治前有明顯提高，表明土層的密實情況得到了明顯改善；地基樁間土的實測標準貫入擊數修正值都大于液化判別標準貫入錘擊數的臨界值，所以地基土由嚴重液化土轉化為非液化土。由此說明砂礫樁對重要構筑物旁地震液化帶不良地基具有良好的處治效果。

5 結語

(1)層次分析法適用于多種因素影響下的地震液化帶處治方案優選，能夠綜合經濟、技術成熟度、工期和環境因素的權重值分析得到處治不良地基的最優方案。

(2)不良地基土處理效果表明，層次分析法優選得到的砂礫樁法能有效改善化土層的密實情況，達到地基加固的效果，適用于處治重要構筑物旁高速公路地震液化帶不良地基。