基坑支護(hù)方案的優(yōu)化選擇

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院 遼寧 大連 116029)

一、多目標(biāo)決策方法

文章擬聯(lián)合采用多目標(biāo)決策方法中的層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法，即利用價(jià)值工程理論結(jié)合模糊集合論實(shí)現(xiàn)同時(shí)考慮多個(gè)目標(biāo)(或指標(biāo))都達(dá)到最優(yōu)，既從考慮工程實(shí)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(xué)南院菜鳥驛站定權(quán)重方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)模糊評(píng)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(shí)例演示具體計(jì)算分析方法，并比對(duì)結(jié)果得出結(jié)論。

二、工程實(shí)例

(一)工程概況。建筑場(chǎng)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(chǔ)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(fù)雜，四周有電力、燃?xì)狻⑽鬯⒆詠硭裙芫€和住宅樓，污水泵房等建筑物和構(gòu)筑物。施工時(shí)必須采取必要的技術(shù)措施和可靠的基坑支護(hù)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(chǎng)地土層自上而下可分為：雜填土，全場(chǎng)地分布，揭露層厚1.22m；粘質(zhì)粉土，全場(chǎng)地分布，平均厚度為2.69m；粉土，全場(chǎng)地分布，平均厚度為2.33m；粉砂，全場(chǎng)地分布，平均厚度為 5.07m；圓礫，全場(chǎng)地分布，平均厚度為5.10m；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，該層揭露平均厚度為2.6m；中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體質(zhì)量基本等級(jí)為IV級(jí)；微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體質(zhì)量基本等級(jí)為IV級(jí)。

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

(三)基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)原則。1.符合現(xiàn)場(chǎng)施工條件和環(huán)境要求，施工技術(shù)優(yōu)化、可行；2.保證基坑安全，邊坡穩(wěn)定；3.圍護(hù)鄰近建筑物的安全與穩(wěn)定；4.在保證安全、可行的基礎(chǔ)上，盡量降低工程造價(jià)。

(四)基坑支護(hù)方案的優(yōu)選

1.基坑支護(hù)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(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)初步選擇鉆孔咬合樁(以下簡(jiǎn)稱方案一)和高壓旋噴樁(以下簡(jiǎn)稱方案二)兩種支護(hù)方案，進(jìn)行比較選擇。

2.基坑支護(hù)方案的優(yōu)選

2.1采用層次分析法計(jì)算權(quán)重。結(jié)合沈陽市的實(shí)際地質(zhì)情況，并依據(jù)技術(shù)、造價(jià)、工期和環(huán)境保護(hù)四方面因素考慮，采用層次分析法針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)中的最低層C中子指標(biāo)因素相對(duì)于最高A(即完美方案)的相對(duì)重要性進(jìn)行總排序權(quán)重：

(1)深基坑支護(hù)工程優(yōu)化指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建。根據(jù)體系的結(jié)構(gòu)及準(zhǔn)則層，主要層共有四個(gè)指標(biāo)因素，次要層經(jīng)過向?qū)＜业恼?qǐng)教和對(duì)工程實(shí)例的分析選擇十三個(gè)關(guān)聯(lián)度高的因素作為子指標(biāo)因素。

(2)根據(jù)1-9 標(biāo)度法構(gòu)建模糊判斷矩陣。請(qǐng)專家和有經(jīng)驗(yàn)的工程師協(xié)助評(píng)估，評(píng)判同層指標(biāo)元素相對(duì)于緊相連的上一層某個(gè)指標(biāo)元素的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)估，依據(jù)1-9標(biāo)度法選擇表格中適當(dāng)?shù)臄?shù)值作為相對(duì)權(quán)威判斷的結(jié)果表示出來。

本文結(jié)合沈陽市的實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)準(zhǔn)則層B的四個(gè)指標(biāo)因素(技術(shù)科學(xué)性、工程造價(jià)、對(duì)周邊環(huán)境的影響程度、施工工期)相對(duì)于目標(biāo)層A進(jìn)行相對(duì)重要性評(píng)判，并給出合適的量化值構(gòu)建模糊判斷矩陣，其評(píng)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(jì)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(gè)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(duì)于是否滿足一致性收斂要求進(jìn)行判斷

指標(biāo)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(yàn)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(duì)于準(zhǔn)則層，子指標(biāo)層元素的權(quán)重的計(jì)算以及檢驗(yàn)元素之間的一致性。根據(jù)1-9標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)層各子指標(biāo)因素相對(duì)于上層某個(gè)指標(biāo)元素評(píng)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(jì)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(jì)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(jì)算層次總排序的權(quán)重及檢驗(yàn)其一致性

指標(biāo)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(yàn)算為：

經(jīng)最終檢驗(yàn)滿足層次總排序權(quán)重一致性的要求。

2.2模糊綜合評(píng)判優(yōu)選

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

(2)針對(duì)各種因素指標(biāo)進(jìn)行量化并構(gòu)建數(shù)學(xué)評(píng)判集合

針對(duì)該基坑支護(hù)方案，搜集調(diào)查多個(gè)基坑支護(hù)評(píng)價(jià)分析，驚叫經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，按照評(píng)語集合{很好，好，一般，較差，差}的方式對(duì)兩個(gè)方案中的各個(gè)指標(biāo)逐一打分評(píng)判，與評(píng)語集合相對(duì)應(yīng)的評(píng)語量化分值的數(shù)學(xué)判斷矩陣為C=(5,4,3,2,1)。

(3)根據(jù)評(píng)語等級(jí)對(duì)指標(biāo)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，構(gòu)建模糊優(yōu)選矩陣R

基坑支護(hù)方案有高壓旋噴樁和鉆孔咬合樁兩種，根據(jù)評(píng)語等級(jí){很好，好，一般，較差，差}對(duì)基坑支護(hù)方案中的十三個(gè)子指標(biāo)因素進(jìn)行評(píng)判(一般采取百分制)，然后將每個(gè)子指標(biāo)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(gè)子指標(biāo)元素的隸屬度。

構(gòu)建指標(biāo)元素矩陣F=(F1,F2,F3,F4)T

(4)進(jìn)行初級(jí)評(píng)判分析指標(biāo)層元素

構(gòu)建總體的模糊評(píng)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(jì)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(jìn)行運(yùn)算’，可得整體模糊評(píng)判矩陣如下：

(5)對(duì)于基坑工程的準(zhǔn)側(cè)層的評(píng)判

初級(jí)評(píng)判過后緊接著要進(jìn)行更高層次的評(píng)定。由層次分析法計(jì)算得：準(zhǔn)測(cè)層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重值WB=[0.4915,0.3059,0.1249,0.0777]，準(zhǔn)測(cè)層評(píng)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(píng)判

①方案一的綜合評(píng)判

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

②方案二的綜合評(píng)判

計(jì)算方法和步驟同方案一，最終得到一個(gè)綜合評(píng)價(jià)值WA2，結(jié)果如下所示：

(7)評(píng)出最優(yōu)方案

根據(jù)兩個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)值最高的為最優(yōu)方案，由于：WA2>WA1，方案二綜合評(píng)價(jià)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(shí)例對(duì)支護(hù)方案的優(yōu)選進(jìn)行簡(jiǎn)單的剖析，得出結(jié)論和建議。

1.模糊綜合評(píng)判法是一個(gè)較科學(xué)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(xué)易行。

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

3.選擇安全可靠、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、保護(hù)環(huán)境、工期節(jié)省等指標(biāo)作為方案優(yōu)選的控制目標(biāo)，將各個(gè)指標(biāo)又細(xì)分為子指標(biāo)，從而建立了支護(hù)方案優(yōu)劣評(píng)價(jià)的二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型。