基坑支護方案的優(yōu)化選擇

(遼寧師范大學 地理科學學院 遼寧 大連 116029)

一、多目標決策方法

文章擬聯(lián)合采用多目標決策方法中的層次分析法和模糊評價法，即利用價值工程理論結(jié)合模糊集合論實現(xiàn)同時考慮多個目標(或指標)都達到最優(yōu)，既從考慮工程實用性方面利用層次分析法確地址，遼寧省大連市遼寧師范大學南院菜鳥驛站定權(quán)重方便快捷的優(yōu)點，同時模糊評判法可以消除主觀因素的干擾。這里以沈陽市東陵區(qū)渾南新區(qū)南大甸子村的基坑工程為實例演示具體計算分析方法，并比對結(jié)果得出結(jié)論。

二、工程實例

(一)工程概況。建筑場地位于沈陽市東陵區(qū)渾南新區(qū)南大甸子村，東靠沈丹高速，北側(cè)是沈陽繞城公路，西側(cè)緊鄰G304。擬建建筑物為高層辦公樓，主樓28層，裙樓2層。

基坑開挖底面積為2058m2，最大開挖深度8.78m。基坑周邊環(huán)境如下：1.本工程基坑北面有煤氣管線，距坑底邊5.6m。2.西側(cè)有某公司五層樓的宿舍樓一棟，經(jīng)查詢資料得知，其基礎形式為灌注樁，但樁埋置深度資料不詳，距坑底邊距離分別為8.3m和10.2m。3.基坑南面有兩道D700自來水管道，距坑底邊7m。4.基坑周邊環(huán)境復雜，四周有電力、燃氣、污水、自來水等管線和住宅樓，污水泵房等建筑物和構(gòu)筑物。施工時必須采取必要的技術措施和可靠的基坑支護方案，方能保證既能正常施工，又能保證其周圍管線和建筑物、構(gòu)筑物的安全。

(二)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.工程地質(zhì)條件。根據(jù)查得的資料，場地土層自上而下可分為：雜填土，全場地分布，揭露層厚1.22m；粘質(zhì)粉土，全場地分布，平均厚度為2.69m；粉土，全場地分布，平均厚度為2.33m；粉砂，全場地分布，平均厚度為 5.07m；圓礫，全場地分布，平均厚度為5.10m；強風化泥質(zhì)粉砂巖，該層揭露平均厚度為2.6m；中風化泥質(zhì)粉砂巖，巖體質(zhì)量基本等級為IV級；微風化泥質(zhì)粉砂巖，巖體質(zhì)量基本等級為IV級。

2.水文地質(zhì)條件。根據(jù)巖土工程勘察報告所示，地下水水位在地表下約18米位置，故此項目暫不考慮降水問題。

(三)基坑支護方案設計原則。1.符合現(xiàn)場施工條件和環(huán)境要求，施工技術優(yōu)化、可行；2.保證基坑安全，邊坡穩(wěn)定；3.圍護鄰近建筑物的安全與穩(wěn)定；4.在保證安全、可行的基礎上，盡量降低工程造價。

(四)基坑支護方案的優(yōu)選

1.基坑支護方案的初選。結(jié)合本工程的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件、基坑開挖深度、幾何平面尺寸、周圍環(huán)境等要素，以及已有的相關工程的經(jīng)驗初步選擇鉆孔咬合樁(以下簡稱方案一)和高壓旋噴樁(以下簡稱方案二)兩種支護方案，進行比較選擇。

2.基坑支護方案的優(yōu)選

2.1采用層次分析法計算權(quán)重。結(jié)合沈陽市的實際地質(zhì)情況，并依據(jù)技術、造價、工期和環(huán)境保護四方面因素考慮，采用層次分析法針對評價指標結(jié)構(gòu)中的最低層C中子指標因素相對于最高A(即完美方案)的相對重要性進行總排序權(quán)重：

(1)深基坑支護工程優(yōu)化指標評價體系的構(gòu)建。根據(jù)體系的結(jié)構(gòu)及準則層，主要層共有四個指標因素，次要層經(jīng)過向?qū)＜业恼埥毯蛯こ虒嵗姆治鲞x擇十三個關聯(lián)度高的因素作為子指標因素。

(2)根據(jù)1-9 標度法構(gòu)建模糊判斷矩陣。請專家和有經(jīng)驗的工程師協(xié)助評估，評判同層指標元素相對于緊相連的上一層某個指標元素的相對重要性進行評估，依據(jù)1-9標度法選擇表格中適當?shù)臄?shù)值作為相對權(quán)威判斷的結(jié)果表示出來。

本文結(jié)合沈陽市的實際地質(zhì)情況對準則層B的四個指標因素(技術科學性、工程造價、對周邊環(huán)境的影響程度、施工工期)相對于目標層A進行相對重要性評判，并給出合適的量化值構(gòu)建模糊判斷矩陣，其評判結(jié)果如表1所示。

表1 A-B判斷矩陣

判斷矩陣A-B

(3)A-B模糊判斷矩陣之間各行的元素各自連乘，然后計算出各自的n次方根P，其中將Pi向量歸一化，得到向量值Wi，即權(quán)重向量。

第一行各元素連乘、開4次方得到Pi，

同理可得P2=1.5651，P3=0.6389，P4=0.3976，

統(tǒng)一做歸一化得到W1，

同理可得到W2=0.3059，W3=0.1249，W4=0.0777，

將向量WI按順序排列成為一個新矩陣WB=[W1，W2，W3，W4]T，歸一后權(quán)重向量值為WB=[0.4915，0.3059，0.1249，0.0777]T

(4)反算最大特征根λmax，根據(jù)特征向量值得：

(5)對于是否滿足一致性收斂要求進行判斷

指標RI值查表得出，矩陣為4階，所以RI=0.90，根據(jù)CR= CI/RI<0.1驗算。

CR= CI/RI=0.0162/0.9=0.018<0.1

由此可得CR滿足一致性收斂要求。

(6)相對于準則層，子指標層元素的權(quán)重的計算以及檢驗元素之間的一致性。根據(jù)1-9標度法對指標層各子指標因素相對于上層某個指標元素評斷，構(gòu)建判斷矩陣：U1-C判斷矩陣、U2-C判斷矩陣、U3-C判斷矩陣。

判斷矩陣U1-C：

表2 U1-C判斷矩陣

經(jīng)計算得：WCI=[0.4321,0.3231,0.1381,0.0690,0.0377]T：

RI1=1.1

CR1=CI1/RI1=0.0718/1.12=0.0642<0.1

經(jīng)計算得出：判斷矩陣U1-C滿足收斂的一致性。

同理可得到判斷矩陣U2-C，U3-C滿足收斂的一致性。

(7)計算層次總排序的權(quán)重及檢驗其一致性

指標因素權(quán)重的層次總排序如表3

表3 層次總排序權(quán)重

由公式CR=CI/RI=∑bjCIj/∑bjRIj得：

總一致性驗算為：

經(jīng)最終檢驗滿足層次總排序權(quán)重一致性的要求。

2.2模糊綜合評判優(yōu)選

(1)確定因素指標集合U={u1，u2，…，un}，(i=1,2,3，…n)。

(2)針對各種因素指標進行量化并構(gòu)建數(shù)學評判集合

針對該基坑支護方案，搜集調(diào)查多個基坑支護評價分析，驚叫經(jīng)驗豐富的工程師，按照評語集合{很好，好，一般，較差，差}的方式對兩個方案中的各個指標逐一打分評判，與評語集合相對應的評語量化分值的數(shù)學判斷矩陣為C=(5,4,3,2,1)。

(3)根據(jù)評語等級對指標因素進行評價，構(gòu)建模糊優(yōu)選矩陣R

基坑支護方案有高壓旋噴樁和鉆孔咬合樁兩種，根據(jù)評語等級{很好，好，一般，較差，差}對基坑支護方案中的十三個子指標因素進行評判(一般采取百分制)，然后將每個子指標元素打分總和與總?cè)藬?shù)的比值，換算成百分比，最后得到各個子指標元素的隸屬度。

構(gòu)建指標元素矩陣F=(F1,F2,F3,F4)T

(4)進行初級評判分析指標層元素

構(gòu)建總體的模糊評判矩陣R1=(R1,R2,R3,R4)T，Ri=Wai°Fi(Wai為表4.3層次分析法中通過計算得到的層次總排序權(quán)重值)：

Wa1=[0.2124,0.1588,0.0679,0.0399,0.0185]；

Wa2=[0.1677,0.0716,0.0426,0.0239]；

Wa3=[0.0623,0.0416，0.0202]；

Wa4=[0.0777].

通過查德模糊算子表‘加權(quán)平均型模糊算子進行運算’，可得整體模糊評判矩陣如下：

(5)對于基坑工程的準側(cè)層的評判

初級評判過后緊接著要進行更高層次的評定。由層次分析法計算得：準測層相對于目標層的權(quán)重值WB=[0.4915,0.3059,0.1249,0.0777]，準測層評定結(jié)果為：

B=(b1，b2，…bm)=WB°R1=[0.0848,0.1547,0.1167,0.0005,0]

(6)方案的綜合評判

①方案一的綜合評判

根據(jù)量化值向量C=(3,2,1,-1,-2),代入方案一進行綜合評判：

②方案二的綜合評判

計算方法和步驟同方案一，最終得到一個綜合評價值WA2，結(jié)果如下所示：

(7)評出最優(yōu)方案

根據(jù)兩個方案的綜合評價值最高的為最優(yōu)方案，由于：WA2>WA1，方案二綜合評價值最大，所以為最優(yōu)方案。

三、結(jié)論與建議

本文結(jié)合工程實例對支護方案的優(yōu)選進行簡單的剖析，得出結(jié)論和建議。

1.模糊綜合評判法是一個較科學的方法，用于具有極大模糊性的深基坑工程中是合理的。聯(lián)合層次分析法一起使用，既可以方便快捷地確定權(quán)重值，又可以降低層次分析法中人的主觀性影響，使優(yōu)選方法科學易行。

2.文章提出了較系統(tǒng)的深基坑支護方案優(yōu)選模式，在依據(jù)基坑安全等級和變形控制等級初步選擇方案的基礎上，利用模糊綜合評判法進行方案的進一步優(yōu)選，該方法科學新穎、系統(tǒng)全面，較好地滿足了實踐要求。

3.選擇安全可靠、造價經(jīng)濟、保護環(huán)境、工期節(jié)省等指標作為方案優(yōu)選的控制目標，將各個指標又細分為子指標，從而建立了支護方案優(yōu)劣評價的二級模糊綜合評判模型。