潛在滑坡體對橋梁樁基安全影響的評價分析

楊 凱

（中電建路橋集團有限公司，北京市100160）

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，在山區建設道路橋梁愈加增多。由于沖溝區的存在，在滑坡作用下樁基的受力變大，此外使用以及維護的不適當也會對橋梁的耐久性、安全性、適用性產生不利影響。因滑坡發生存在偶然性、不確定性、危害性，故而科學評估沖溝區橋梁樁基周圍巖體發生滑坡的可能性，提前做好防治措施，對于減少人員傷亡、財產損失具有重要意義。

目前，國內外學者對橋梁樁基的安全評價進行了一系列研究。馮忠居等[1]對工程進行實地調研，并應用層次分析法進行了分析，研究了多雨沖溝區在役橋梁樁基礎工程中的安全影響因素和安全評價方法，并由此提出相應的安全保障措施。焦生軍等[2]采用層次分析法，對既有橋梁評價方法的概念、內容、自身特征及評價與橋梁結構設計之間的相互關系進行了詳細描述，并提出相應的實施措施。禹智濤等[3]運用多級模糊綜合評價方法，建立綜合評價模型，并修正了評價中的相關參數，為橋梁的維修加固提供相應的處治技術。徐家云等[4]人研究了模糊數學隸屬函數理論在公路橋梁技術狀態評估中的應用情況，利用超安全度與模糊綜合評價來評斷橋梁的最終技術狀態等級。王有志等[5]通過分析橋梁結構部位的受力特征，建立了多層次綜合評價模型，根據層次分析法的基本原理，最終建立了評價橋梁結構體系的評價方法。目前，大多研究都只采用了單一的評價方法，各種評價方法也各有利弊，因此交互使用不同的評價方法，對于建立更加全面的安全評價體系及提出更加安全的保護措施具有重要意義。

本文主要基于層次分析法和模糊綜合評價法，對某高速公路沖溝區橋梁樁基的安全影響因素、危險度的劃分及相應的防護措施進行分析，建立滑坡沖溝區的安全評價模型，并根據安全等級提出相應的安全防護措施。

1 依托工程簡介

某高速公路工程路線設大橋跨越某河流，橋梁與河流交角約80°，橋位處河寬80 m，河兩岸橫坡較陡，上部陡坎處出露部分為厚層砂巖，中下部為堆積部分為崩坡積，厚2～5 m，下伏基巖為侏羅系中統自流井組粉砂質泥巖夾砂巖，巖層傾向為NW350°，傾角6°，產狀350°∠6°，巖層傾向坡內，整體穩定。橋位區地貌屬中低山侵蝕河谷地貌，區內最低海拔430 m，最高點為東、南側山梁，海拔1 000-1 500 m，相對高差約570-1 070 m，區內主千山脈延伸方向一般呈北東- 南西向，地形受構造和巖性控制明顯，斜坡植被茂盛，如圖1 所示。

圖1 河流兩岸的橋梁樁基

2 滑坡沖溝區附近橋梁安全的影響因素

在沖溝區處的橋梁樁基，由于經常處于滑坡區，且在雨水作用下極易導致滑坡對橋梁樁基產生巨大危害。因此有必要對其進行安全評價。通過對依托工程的調研，沖溝區附近影響橋梁樁基安全的因素主要分為人為因素和自然因素兩大類。

（1）人為因素：主要有樁基位置、樁基周圍棄方棄渣[6-8]、施工規范程度、監測意識、防護措施。

（2）自然因素：主要包括樁周巖土性質、相對高差、坡度、植被覆蓋率、日最大降雨量、地震烈度

2.1 安全評價體系

為了簡化層次分析法，借助多次模糊綜合評價方法，并由專家評價法確定影響橋梁安全性的各因素的權重和隸屬度。評價方法由20 人的專家組根據現場的實際情況，對照等級劃分標準，給出每個指標相應等級，由每個等級下的專家比例確定相應的隸屬度，并形成隸屬矩陣，然后采用模糊綜合評價方法進行計算，最終確定橋梁樁基的危險等級。

參考地質災害危險性的評價方法將滑坡對橋梁樁基的危險度評價等級劃分為：Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級。其中Ⅰ級代表危險度最??；Ⅱ級代表危險度中等；Ⅲ級代表危險度最大。具體詳見表1。

表1 單指標危險等級劃分標準

參加本次打分的人員有行業專家4 名，業主3名，施工單位10 名，設計院3 名。打分表見表2。

表2 專家打分表

2.2 指標權重的確定

2.2.1 系統層次分析評價法模型的建立

對于沖溝區滑坡處的橋梁樁基，經過分析建立層次分析模型。其中：目標層為滑坡對于樁基的危害；準則層為人為因素、自然因素；指標層（1）為樁周巖土特性、相對高度、坡度、植被覆蓋率、日最大降雨量、地震烈度；指標層（2）為樁基位置、樁周不良堆載、監測意識、防護措施。

2.2.2 指標集及評語集的確定

（1）一級指標

U= {U1，U2} = {自然因素，人為因素}

（2）二級指標

U1= {U11，U12，U13，U14，U15，U16，U17}={樁 周 巖 土特性，相對高度，坡度，植被覆蓋率，日最大降雨量，地震烈度}

U2= {U21，U22，U23，U24}={樁基位置，樁周不良堆載，監測意識，防護措施}

（3）評語集

V={V1，V2，V3}={Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級}

2.2.3 判斷矩陣及權重系數的確定

權重是指某一因素或指標相對于某一事物的重要程度，其不同于一般的比重，體現的不僅僅是某一因素或指標所占的百分比，強調的是因素或指標的相對重要程度，傾向于貢獻度或重要性。

3 評價結果計算

3.1 權重計算

（1）計算比較判斷矩陣每一行元素的乘積

式中：U為影響評價對象的因素合集，即滑坡對樁基造成危害的因素之和，評價時將U分為Ui和Uij兩級指標；Ui為包括自然因素和人為因素兩類的一級指標；Uij為包括樁周巖土特性、相對高度等在內的二級指標；i、j分別為指標在指標集中的行、列編號；n是影響因素的個數。

例如：

（2）求Ui的第n次方根

式中：a'i為單個影響因素的數值大小，即：第i個影響因素Ui的絕對大小。

例如：

向量歸一化處理：

例如：

3.2 一致性檢驗

只有通過對判斷矩陣進行一致性檢驗，才能夠確定我們通過層次分析法確定的指標值的是否合理，具體步驟如下：

計算判斷矩陣一致性的指標CI：

式中：λ 為判斷矩陣的特征向量，而λmax為判斷矩陣最大特征根的平均值；n為樣本構成的矩陣形成的維數。

計算一致性比率CR：

式中：RI為平均隨機一致性指標，它是通過多次重復性隨機判斷矩陣特征根計算得出的算術平均值。

因為CR= 0＜0.1，故此判斷矩陣的一次性合理，通過，歸一化權值為：Wi={0.5，0.5}。同理可以算出其他的權重系數。

（1）準則層，指標判斷矩陣及權重系數見表3。

表3 準則層U 指標判斷矩陣及權重系數

U= {U1，U2} = {自然因素，人為因素}

（2）指 標 層（1）：U1= {U11，U12，U13，U14，U15，U16，U17}={樁周巖土特性，相對高度，坡度，植被覆蓋率，日最大降雨量，地震烈度}，判斷矩陣及權重系數見表4。

表4 指標層（1）判斷矩陣及權重系數

（3）指標層（2）：U2= {U21，U22，U23，U24}={樁基位置，樁周不良堆載，監測意識，防護措施}，判斷矩陣及權重系數見表5。

表5 指標層（2）判斷矩陣及權重系數

3.3 模糊關系矩陣的確定

根據表2 中的目標層、準則層的值，采用因素相互比較的方式，得到準則層對目標層、目標層對準則層兩者的影響關系，可以知道準則層的判斷矩陣R1，R2分別為：

3.4 模糊綜合評價

一級模糊綜合評價

（1）自然因素U1的模糊綜合評價矩陣B1

根據表4 得到判斷矩陣中各因素對其準則的權向量，指標層（1）可歸一化為W1：

式中：W1為二級指標集U1的權重集；rij為判斷矩陣中第i行第j列的元素；rik同理；n為元素個數。

則：

（2）人為因素U2的模糊綜合評價矩陣B2

將表5 中指標層（2）歸一化權值向量記為W2，算法同W1，則

式中：W2為二級指標集U2的權重集。則：

二級模糊綜合評價

在判斷矩陣一次性合理的條件下，根據一級模糊綜合評價的結果，可以根據下式得到二級模糊綜合評價結果B：

式中：B為潛在滑坡體對橋梁樁基安全影響的隸屬函數值；R為一級指標Ui的單因素評價矩陣，則R=]；W為一級指標集的權重集，在3.2 小節中已知：Wi=｛0.5，0.5｝。

從上式計算結果可以知道隸屬于“Ⅰ”級的隸屬度為0.398 725；隸屬于“Ⅱ”級的隸屬度為0.547 05；隸屬于“Ⅲ”的隸屬度為0.054 725。根據最大隸屬度原則，我們可以知道在滑坡作用下橋梁樁基的安全程度等級為“Ⅱ”級，即危險度為中等等級。

4 結 論

（1）通過實地調研，提出某高速公路工程中影響沖溝區橋梁樁基礎工程安全的因素有人為因素和自然因素，即樁基位置、樁基周圍棄方棄渣、施工規范程度、監測意識、防護措施、樁周巖土性質、相對高差、坡度、植被覆蓋率、日最大降雨量、地震烈度等。

（2）結合層次分析法、模糊綜合分析法、專家打分法等，對橋梁樁基進行了安全評價，確定了依托工程安全程度等級為“Ⅱ”級，即危險度為中等。相關結論可為依托工程提供針對性指導。