基于多因素層次分析法的建筑樁基方案比選

摘要：為確保房屋建筑樁基選型的合理性，依據巖土工程勘察成果，考慮工程造價、進度、質量、環境等因素，采用多因素層次分析法對各類樁型的適宜性進行評價比選。結果表明：依據地層參數及建筑物荷載的要求，可選擇靜壓預制樁、長螺旋鉆孔灌注樁及沖擊成孔灌注樁作為基礎類型。通過多因素層次分析法得出，在該場地上，靜壓預制樁、長螺旋鉆孔灌注樁及沖擊成孔灌注樁在適宜性方面存在差異。評價結果顯示，長螺旋鉆孔灌注樁在該區域建筑樁基方案中具有最強的適用性，其次是沖擊成孔灌注樁和靜壓預制樁。研究成果可為選擇和指導該區域建筑樁基方案提供參考。

關鍵詞：巖土工程勘察；建筑；樁基礎；層次分析法

中圖分類號：TU47"""""""""""" 文獻標識碼：A""""""""""" 文章編號：

Comparative Selection of Building Pile Foundation Schemes Based on Multi-Factor Analytic Hierarchy Process

SONG Jian

（Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510000，China）

Abstract： To ensure the rationality of pile foundation selection for building construction， based on the results of geotechnical engineering investigation， considering factors such as project cost， progress， quality， and environment， the suitability of various pile types is evaluated and compared using the multi factor analytic hierarchy process. The results indicate that， based on the requirements of geological parameters and building loads， static pressure prefabricated piles， long spiral drilled cast-in-place piles， and impact drilled cast-in-place piles can be selected as the foundation types. Through the multiple factor analytic hierarchy process， it was found that there are differences in the suitability of static pressure prefabricated piles， long spiral drilled cast-in-place piles， and impact drilled cast-in-place piles on this site. The evaluation results show that the long spiral drilled pile has the strongest applicability in the construction pile foundation scheme in this area， followed by the impact drilled pile and the static pressure prefabricated pile. The research results can provide reference for selecting and guiding pile foundation schemes for buildings in the region.

Keywords： geotechnical investigation; architecture; pile foundation; analytic hierarchy process

0 引言

近年來，隨著市政建設的快速發展，且為滿足設計需要，建筑規模普遍較大，因此樁基礎的應用也逐步增加；為確保設計成果的準確性，有必要先進行勘察成果分析[1-2]。目前，馬坤等[3]進行了建筑樁基施工技術分析；李昊[4]分析了高層建筑樁型的合理性；郝義蓉[5]評價了建筑樁基的施工質量。上述研究充分說明開展建筑樁基研究的必要性，但多是側重樁基設計、施工方面的相關研究，未涉及樁基設計前的勘察成果分析，也較少涉及不同樁型的適宜性評價，因此需要進一步研究。本文以某市政建筑為例，首先對其勘察結果進行分析，并采用層次分析法評價各類樁型的適宜性，以期為后續設計奠定理論基礎。

1 工程概況

本文以廣東省廣州市某市政建筑為例，該擬建項目位于市中心，用地面積為6 291.45 m2，平面形態不規則，具多邊形特征，且結合設計資料，該項目設計6棟建筑，地下均是2層，其中，4棟建筑為純住宅建筑，上部設計33層，采用框架-剪力墻結構，屬高層建筑；2棟建筑為辦公樓，上部設計18層，采用框架-核心筒結構。

在近接環境條件方面，項目區東側、南側和北側分別近接建筑1～3，其中，近接建筑1為住宅樓，上部設計8層，無地下室，基礎形式為淺基礎，凈距約20.7 m～21.6 m；近接建筑2為工業廠房，高度10.4 m，鋼結構，基礎形式為獨立基礎，凈距約8.2 m～10.8 m；近接建筑3為住宅樓，上部設計18層，地下1層，基礎形式為樁基，凈距約14.8 m～17.2 m。西側近接道路，具有良好的運營條件，凈距約12.2 m～13.8 m。

根據勘察和設計資料，圖1展示了基坑平面形態及近接環境示意圖。

由于該項目位于市中心，周邊環境條件較為復雜，為確保上部建筑運營安全性，需對基礎形式進行研究。考慮到上部荷載較重且天然基礎的適宜性受限，采用樁基更具合理性。為了實現合理的基礎設計，前期巖土工程勘察工作尤為關鍵。因此，后續將重點進行巖土工程勘察成果分析和樁基方案篩選。

2 巖土工程勘察成果

2.1 工程地質及水文地質條件

項目區以平原地貌為主，海拔高程108.4 m～115.3 m，高差約6.9 m，起伏較小，整體較為平坦。由勘察成果顯示，項目區內地層主要有五層，自上而下的地層特征為：①填土層。灰褐色，結構松散，稍濕，骨架主要由建渣、卵碎石組成，孔隙多由黏性土充填，回填年限1年—2年，分布厚度0.9 m～1.6 m。②粉質黏土層。黃褐色、灰色，可塑為主，局部為硬塑，切面光澤較為明顯，振搗反應不顯著，具有相對較高的韌性和干強度，分布厚度5.8 m～8.8 m。③粉土層。灰黃色，稍密～中密，可塑為主，切面光澤稍明顯，具有相對較低的韌性和干強度，均勻性相對較好，分布厚度4.2 m～9.6 m。④砂巖層。暗紫紅色，強風化，巖石風化強烈，主要呈堅硬土狀夾少量碎塊狀，分布厚度2.4 m～4.6 m。⑤灰巖層。灰白色，中-微風化，塊狀構造，溶蝕現象較為明顯，其溶蝕程度主要受節理裂隙發育影響，巖芯多為短柱狀、長柱狀，敲擊聲清脆，較堅硬，最大揭露厚度14.4 m。

通過鉆探方法，可知項目區內穩定的混合水位埋深為2.3 m～3.8 m，存在形式多為上層滯水、潛水和巖溶水，其中，上層滯水在填土層、粉質黏土層偶見分布，水力聯系較弱；潛水多賦存于粉土層中，具微承壓特征，水頭高度高于含水層頂板約1.7 m；巖溶水賦存于灰巖裂隙、溶穴中，局部富集特征明顯。

通過現場取樣試驗，項目區地下水類型多為HCO3-Ca2+·Na+型，其不會對混凝土結構造成腐蝕，對鋼材腐蝕程度為微腐蝕。

2.2 巖土工程分析及評價

在勘察過程中，通過進行現場原位試驗和室內試驗，對各類地層的物理力學參數求解；結合《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）（2009年版），各參數的標準差統計公式：

（1）

式（1）中：φi為試驗參數的試驗值；φk為試驗參數的標準值；n為試驗個數；rs為修正系數。

通過統計，得到各類地層的力學參數見表1。

由表1可知，不同地層的承載力、壓縮模量或抗壓強度存在明顯差異，主要表現為土層承載力相對較低且具有較大的壓縮模量，難以滿足上部建筑承載力及變形控制要求，即使強風化灰巖的承載力也相對一般。因此，從承載力和變形角度來看，樁基礎更為適宜。

綜上所述，樁基礎在適宜性方面更加優越，因此需進一步開展樁基礎設計參數分析。結合項目區類似經驗，發現項目區周邊常用的樁基礎類型包括靜壓預制樁、長螺旋鉆孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁。根據現場觸探試驗結果和經驗值得出的數據（見表2）。

由表2可知，不同類型的抗滑樁具有不同的樁側阻力和端阻參數，這也說明各類樁型在適宜性方面存在差異，并且證明了后續開展樁基方案篩選的必要性。

在地基均勻性評價方面，基巖面坡度通常＜10%，因此，具有均勻地基特征。

通過波速試驗報告得出項目區內的等效剪切波速為271.2 m/s，覆蓋層厚度約28 m，那么項目區場地類別為Ⅱ類，屬中硬場地。結合鉆探資料，項目區內未見液化地層，屬有利抗震地段。

由于該項目建筑上部荷載較重，天然基礎的適宜性較差，擬定基礎形式為樁基礎，樁底持力層建議選擇中-微風化灰巖層。

3 樁基方案選擇分析

由上述勘察結果分析，基礎形式宜為樁基礎，可采用靜壓預制樁、長螺旋鉆孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁等不同類型的樁，下面重點進行樁型方案篩選。

3.1 分析方法的構建

影響樁基類型選擇的因素較多，且各因素的影響程度存在明顯差異，難以量化評價，因此，提出采用層次分析法來構建樁基方案選擇模型[6]。在該模型構建中，將“高層建筑樁基篩選體系L”作為目標層，其他結合工程經驗，共計劃分了4個準則層指標，分別為工程造價因素Z1、工程進度因素Z2、工程質量因素Z3和環境影響因素Z4；指標層則是在準則層基礎上進一步劃分，共計劃分了14個二級指標。經統計，得到高層建筑樁基篩選體系示意圖（見圖2）。

在樁基篩選體系構建基礎上，先利用1-9標度法開展各指標的權值計算，即先通過評價指標間的相對重要性構建出判斷矩陣，計算出判別指標CI：

（2）

式（2）中：λmax為最大特征值；n為矩陣評價指標個數。

通過指標CI進一步計算一致性指標CR：

（3）

式（3）中：RI為標度指標。

當CR＜0.1時，說明判斷矩陣是合理有效的，此時將最大特征值對應特征向量進行歸一化處理，對應歸一化值即為相應指標的權值。

其次，再通過專家法開展評價指標的隸屬度計算，且為保證計算結果的準確性，專家人數不應低于15位；在統計過程中，應先對比剔除奇異值，剩余數據進行均值計算即可得到相應的隸屬度。

在各指標權值、隸屬度基礎上，進一步利用P×C法開展各因素影響程度的量化分析，并將樁型篩選的量化評價標準制定為：①樁型適宜性為Ⅰ級，對應評分為55，對應適宜性得分范圍為0～65，此等級條件對應的樁型適宜性很差。②樁型適宜性為Ⅱ級，對應評分為70，對應適宜性得分范圍為65～75，此等級條件對應的樁型適宜性一般。③樁型適宜性為Ⅲ級，對應評分為85，對應適宜性得分范圍為75～90，此等級條件對應的樁型適宜性較好。④樁型適宜性為Ⅳ級，對應評分為95，對應適宜性得分范圍為90～100，此等級條件對應的樁型適宜性很好。

3.2 分析結果

經過全面分析，本文以靜壓預制樁為例進行示范性分析。根據P×C法計算結果統計，在靜壓預制樁的14個二級指標評價結果中，適宜性得分范圍為67.04～94.87，對應適宜性等級為Ⅱ～Ⅳ（見表3）[7]。進一步類比推導得到靜壓預制樁的4個一級指標評價結果（見表4）。

由表4可知，Z1至Z4指標的適宜性得分存在一定差異，其變化范圍為80.72～91.22，除Z2指標的適宜性等級為Ⅳ級，其余3個指標的適宜性等級均為Ⅲ級。然后，根據一級指標的計算結果，進一步得到靜壓預制樁在該實例中適宜性整體得分為85.45，對應適宜性等級為Ⅲ級，因此，靜壓預制樁的樁型適宜性較好。

同理，用同樣方法長螺旋鉆孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁的適宜性評價，得到三類樁型的最終評價結果（見表5）。

由表5可知，三類樁型的適宜性存在一定差異。其中，以長螺旋鉆孔灌注樁的適宜性得分最高，達到90.26，適宜性等級為Ⅳ級，而其他兩類樁型均為Ⅲ級。因此，三類樁型的適宜性排序由好至差依次為：長螺旋鉆孔灌注樁＞沖擊成孔灌注樁＞靜壓預制樁。

根據該實例中的具體情況綜合考慮，長螺旋鉆孔灌注樁被認為是最適宜性且非常適用的基礎類型。因此，在后續設計中建議將實例的基礎類型確定為長螺旋鉆孔灌注樁。

4 結論

1） 由于擬建建筑上部荷載較重，天然基礎的適宜性較差，擬定基礎形式為樁基礎，樁底持力層建議選擇中-微風化灰巖層。同時，結合項目區類似經驗，周邊常用的樁基礎類型包括靜壓預制樁、長螺旋鉆孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁，因此，將此三類樁型作為后續樁型篩選的基礎。

2） 經多因素層次分析法分析，靜壓預制樁、長螺旋鉆孔灌注樁及沖擊成孔灌注樁在該項目中的適宜性存在差異，由評價結果判斷長螺旋鉆孔灌注樁適宜性相對最強，其次是沖擊成孔灌注樁和靜壓預制樁，因此，建議該項目樁基類型采用長螺旋鉆孔灌注樁。

參考文獻

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編輯：劉 巖