软土地区深基坑支护方案优选模型研究及应用.pdf

第 4 5卷 第 3期 2 0 1 4 年 2 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Riv e r Vo 1 4 5 No 3 Fe b2 01 4 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 4) 0 3 0 0 4 00 4 软土地区深基坑支护方案优选模型研究及应用 闰 威 ( 云南省建筑科 学研 究院， 云南 昆明 6 5 0 2 2 3 ) 摘要 ： 深基坑 支护方案优选是一项 十分复杂的 系统工程 ， 其 影响 因素具有信息不完全性 、 不确定性 以及模糊性 等特点 。针 对模糊数 学综合评判法在算法 、 权重确定等方 面存 在的 问题 ， 从 安全可行性 、 环境保 护 、 施工便 捷 性 、 经 济 合 理 性 4个 方 面 构 建 了适 用 于软 土地 区 深基 坑 支护 方 案 优 选 的 多层 次 、 多 目标 模 糊 数 学 综 合 评 价 的 改进模 型及其指 标体 系。应用 实例表明 ， 此方法科学 实用 、 操作 简便 ， 具 有一定 的实际应 用价值 ， 可为相 关工 程提供参考借鉴 。 关 键 词 ： 软土地 区；方案优选 ； 模糊数 学；改进模 型；深基坑 支护方案 中 图法 分 类 号 ：P 6 4 2 文献 标 志 码 ：A 随着我国国民经济快速发展 ， 城市化进程加快 ， 高 层建 筑物 剧增 ， 深 基 坑 工 程 的 应用 越来 越 广 泛 。 尤其 是对 于 软土 地 区而言 ， 其地 质 条件 复杂 ， 地质 参数 的不 确定性 ， 基坑工程施工也更加困难。另外 ， 由于深基坑 工程 具有 区域 性 强 、 造 价 高 、 发 生 事 故 后 果 严 重 等 特 点 ， 使得 基坑 支护 方 案 决 策 必 须科 学合 理 、 安 全 可 靠 、 方便 可行 、 造 价经 济 。 而且 基 坑 工 程 是 一 个 综 合 性很 强 的系统 工 程 ， 其 支 护 方 案 的优 劣 会 直 接 影 响 工 程 进 度 、 质量 和成 本 ， 在整 个基 坑工 程施 工 中 占有 重要 的地 位。因此 ， 如何科学有效地进行基坑支护方案优选就 显得 尤 为重 要 。 深 基坑 支护 方案 的优 选是 根据 某一 深 基坑 工程 所 要 达 到的 目标 ， 从众 多可 行方 案 中选 出一个 最佳 方 案 ， 本 质 上是 对 多种 方 案 下 多 目标 的评 价 与 选 择 。 近 年 来 ， 相 关专 家学 者针 对 基 坑 支 护方 案优 选 开 展 了深 入 研 究 ， 提 出 了一系列 不 同 的基 坑 支护方 案 优选 方法 ， 取 得 了一定 的研 究 成 果 。王 广 月 等 根 据 评 价 指 标 的 模糊 性及 评 价方案 的层 次 性 ， 采 用 模 糊数 学 理 论 和层 次分析理论 ， 建立 了基坑支护方案 的优选模型。张尚 根 、 陈灿寿等 根据评价指标 的模 糊性 ， 采用 模糊数 学 理论 建立 了优 选模 型 。阮永 芬 、 叶燎 原 等 根 据 各 指标 的信 息 不完全 性 及 相 互 关 联 性 ， 采 用 灰 色 系 统 理 论对 方 案进 行优选 。冯 玉 国 、 王 渭 明 根 据 评 价 指标 的不相容 性 ， 提 出 了基 于 灰 色 物 源 分 析 的 优 选 模 型 。 冯庆高 、 周传波等 提 出了灰色模糊 可变决策法 。魏 新 江 等 6 1 则 运 用 模 糊 灰 关 联 投 影 法 进 行 基 坑 支 护 方 案 优选 。梅 年 峰 、 罗 学 东 、 蒋 楠 等 提 出 了 利 用 灰 色 多 目标 决策 模型 进 行 基 坑 支护 方 案 优 选 。但 是 ， 迄 今 为 止 尚未发 现针 对软 土地 区城 市深 基 坑工 程建 设特 点 进 行支 护方 案优 选 的相关 研究 资料 。 鉴 于此 ， 以昆 明地 区的软 土地 基为 例 ， 通过 调查 研 究 该地 区 的工程 地 质特 征 ， 明确 影 响软 土 地 区深 基 坑 方 案优 选 的 因素 ， 建 立 了一套 多层 次 、 多 目标 基 坑支 护 方案综合评价指标体系。在此基础上 ， 运用模糊数学 综 合评 判 改进模 型 进行分 析研 究 ， 选取 最优 支 护方 案 。 1 综 合评价指标体系的构建 构建基坑支护方案的综合优化评价模型是进行基 坑支 护方 案优 选 的基础 。依 据软 土地 区城 市 建筑 密集 的特点 ， 基坑支护方 案的选择不仅要考虑方案 的安全 可行性和经济合理性 ， 同时需考虑基坑工程对周 围环 境的影响以及施工便捷性。因此合理构建深基坑支护 收稿 日期 ： 2 0 1 31 01 0 基金项 目： 云 南省建筑基坑 支护 关键技 术与工程示 范研 究( 2 0 1 1 e 7 0 0 4 ) 作者简介 ： 闫 威 ， 男 ， 工程 师， 主要 从事岩土 工程设计 与结构健 康检 测方面的研 究。Em a i l： 7 3 6 7 2 0 5 0 9 q q t o m 第 3期 闰 威 ： 软土地 区深基 坑支护方案优选模型研 究及 应用 4 1 评价指标体系应考虑 的因素主要包括 ： 基坑支护设计 ： 方案的科学 、 合理性直接关系到基坑支护安全 ； 基坑支 护对周 围环境产生 的影 响， 包括降水引起地面沉降、 侧 l 向变形 等 ； 施 工方 案便 捷性 影 响施 工工 期 、 施 工难 易 程 度等 ； 方案经济合理性体 现在工程造价和工程失效的 经济损失 。 根据软土地区深基坑工程建设实际特点、 周边环 ：晓、 工程地质条件等 ， 从安全可行性 、 环境保护 、 施工便 捷性 、 经济合理性 4个方面构建 了基坑支护方案多层 次多 目标评价指标体系 ， 由4个一级指标 ( B。 、 曰 ： 、 ， 、 B )和 1 2个 二 级 指 标 ( C 。 、 C 、 C ， 、 C 、 C 、 C 、 C 、 C 、 一G 。 、 c 。 。 、 c c ： )组成 ， 参见图 1 。 2 模糊数学综合评判的改进模型 2 1 模糊数 学综合评判存在 的问题 模糊数学 旨在对一些难以准确描述的系统进行分 析， 揭示系统 中各个 因素 的相互关系。模糊数学可将 表示差异的定性 化形 容词 ( 严重 、 中等、 轻微 ) 转换成 定量化 的隶属度函数 ， 采用逻辑运算解 决从简单到复 杂的各种问题。模糊综合评判法是以模糊数学为理论 基础， 将一些边界不清 ， 不 易定量 因素量化 ， 进行综合 评价的方法 。简而言之， 模糊综合评判法是将评价 目 标当作多种 因素组成的模 糊集合 ， 求 出各 因素归属程 度 ， 根据各因素在评价 目标中的权重分配 ， 求出定量解 值 。 模糊数学综合评价方法虽然在定性 、 定量指标体 系评价方面具有强大功能， 但在实践运用过程 中发现 存在以下问题。 在确定评价 因素权重时 ， 往往是依 靠少数专家 的知识 和经验 ， 显然存 在着一定 的缺陷。 模糊数学综合评价常用的取大取小算法 ， 信息丢失 很多 ， 常常会 出现结 果不易 分辨 ( 即模 型失效 ) 的情 况 2 2模糊数学综合评判模型 改进 的思路 综 上 ， 本 文 提 出 了针 对 模 糊数 学 综 合 评 价 的 改进 模型。首先 ， 采用层次分析法来确定各指标 的权系数 ， 使其更具合理性 ， 更符合客观实际并易于定量表示 ， 从 而提高评判结果准确性 ； 其次， 采用加权平均求隶属等 级的方法 ， 对于多个评价对象可依据其等级位置进行 排序 ， 较合理地解决取大取小运算法 丢失信息严重的 问题 。 3 工程实例分析 3 1 工 程 概 况 昆明市软土区域地质是内陆断陷盆地型软土的一 个典型代表 ， 随着深大基坑工程建设不断涌现 ， 软土地 质特征对深基坑工程 的影响 日趋明显。昆明软土区域 形成的地质背景较为特殊 ， 濒临滇池水体 ， 是典型的高 原断陷盆地型软土 ， 与滨海地区和平原 区域软土有着 明显的不同； 软土区地下水埋藏浅； 第 四系地层结构变 化较大 ， 湖积软土年代新 、 固结程度低 ， 尤其是黏性土 体各 向异性显著 ； 软土分布严格受新构造运动控制 ， 主 要分布于盆地 内的多个次级断块洼陷地带之内。 昆 明市拟建 的某 安 置 小 区 ， 占地 总 面 积 约 1 9 8 5 0 m ， 基 坑 开挖深 度 为 5 2 7 5 m。该建 筑 物共 设 两层 地下室。现场为拆除旧房场地 ， 北侧有 3层高的建筑 ， 距离基坑约为 6 5 m， 南侧有护城河 ， 东侧为一 6层建 筑， 距基坑约 9 m， 西侧为环城西路 。基坑开挖影响的 土层依次为杂填土 、 粉质黏土 、 淤泥、 粉 质黏土、 中粗 砂 ， 土层 的物 理 力 学 性 质见 表 1 ， 开 挖 土 层 为杂 填 土 、 粉质黏土 、 淤泥， 基坑开挖后整体稳定性较差， 需对其 进行 支护 ， 且 基坑 开挖 范 围 内的 土层 含水 性 和 透 水 性 较差 ， 需要 采 取有 效 的止水措 施 。 。 根据该基坑工程的特点、 场地的工程地质条件 以 及相关的施工经验等 ， 初步考虑三种基坑支护方案 ： 排 图 1 深基坑支护方案评价 指标 体系 施 工 相 互 工 扰 程 度 C1 o 工 程 失 效 的 经 济 损 失 C1 2 桩 +内支撑 +单排深层搅拌桩 防渗 幕墙 ( A ) 、 排 桩 +锚 杆 +单排 深 层 搅拌桩 防渗幕墙 ( A ： ) 、 地下连续 墙 +内支撑( A ) 。 3 2 分析过程 运 用 模 糊 数 学综 合 评 判 的改 进 模 型 ， 对 该拟 建深 基坑 支护 方案 进 行 比选 ， 分析过程主要步骤如下。 ( 1 )第 1步 ， 建立模糊综合评判 因素集 A。 A = ， B ， B ， ， B 代表 影响深基坑支护方案决策的各种影 42 人 民 长 江 响因素 ； 其中， 代表方案安全科学性指标 ， 代表环 境保护指标 ， B ， 代表施工便捷性指标 ， 代 表经济合 理性 指 标 。 表 1 土层的物理 力学性质 ( 2 )第 2步 ， 建立模糊关系矩阵 JR 。 按照 图 1 建立 的多层次评价指标体系， 结合拟建基坑工程实际情况 ， 采用专家和从业人员调查 、 现场原位测试 、 室内试验和 数值分析等多种手段 ， 获得各因素的评价指标 ， 考虑到 各个评价指标存在量纲 、 量级的差异 ， 对其进行规格化 处理 ， 建立 了基坑支护方案的模糊关系矩阵 。 R = l Cl 0 31 6 C 0 4 5 0 C 0 28 6 C4 0 4 0 0 C 0 38 8 C6 0 41 2 C 0 3 9 2 C8 0 4 0 0 C9 0 3 5 0 C1 o 0 42 5 C1 1 0 3 9 6 Cl 2 0 5 0 0 A 0 1 92 0 2 0 0 01 4 3 0 2 0 0 0 2 6 2 01 6 8 0 21 6 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 2 0 0 2 7 4 0 2 5 0 A 0 49 2 0 3 5 0 0 5 71 0 4 0 0 0 3 5 0 0 4 2 0 0 3 92 0 4 0 0 0 4 00 0 1 5 5 0 3 40 0 2 5 0 ( 3 )第 3步， 利用层次分析法确定各级指标权重 A。 一 级指标权重的计 算结果见表 2 ， 二级指标权重 的计算 结 果见 表 3 6 。 表 2 AB判断矩阵 注 ： A=4 0 0 0， RI=0 9 0 0， CI=0， C R ：0， 通 过 一 致性 检 验 。 ( 4 )第 4步 ， 合成模糊综合评价结果向量 B 。 本文采用加权平均 ( ， )模糊合成算子将 A 与 R合成得到模糊综合评价结果 向量 口， 计算公式为 b =( o 。 r )= m i n ( 1 ， o r ) ， = 1 ， 2， ， m ( 1 ) 式中 ， b ， n ， r 分别表示隶属于第 等级的隶属度 、 第 i 个评价指标的权重和第 个评价指标隶属于第 等级 的隶属度。 将以实际调查的统计数据所构建 的模糊关 系矩阵 R代入模糊数学综合评判模 型中， 计算各级模 糊综合评价的向量。 表 3 B 。一C判断矩阵 注 ： A=4 0 0 0， RI=0 9 0 0， C l =0， CR =0， 通 过 一 致 性 检 验 。 表 4 B 一C判断矩阵 注 ： A=3 0 0 0， RI= 0 5 8 0， C，=0， C R =0， 通 过 一 致性 检 验 。 表 5 B ，一C判断矩阵 注 ： A=3 0 0 0， RI=0 5 8 0， CI=0， CR =0， 通 过 一 致 性检 验 。 表 6 B 一C判断矩阵 注 ： A：2 0 0 0， RI=0 0 0 0， CI=0， CR =0， 通 过 一 致 性 检 验 。 其中， 安全可行性评价向量计算如下 ： b 1：A l R l = ( 0 2 9 2 ， 0 2 0 8 ， 2 3 7 5 ， 0 1 2 5 ) 0 31 6 0 45 0 0 2 8 6 0 4 0 0 01 9 2 0 2 0 0 0 1 43 O 2 O O 0 4 92 0 3 5 0 0 5 71 0 4 0 0 归 一 化 综 合 评 价 向 量 ：b 。 ： ( 0 3 4 3 ， 0 1 7 6， 0 4 8 1 ) 。 同理按照上述计算方法分析对环境保护 、 施工便 捷性 、 经济合理性等进行模糊综合评价 ， 可得到其归一 化综合评价 向量如下 ： b l b 2 b 3 b 4 0 3 4 3 0 3 9 7 0 3 9 7 0 4 3 0 0 1 7 6 0 2 21 0 2 40 0 2 6 4 0 48 l 0 38 2 0 3 63 0 3 06 第 3期 闰 威 ： 软 土地 区深基坑支护方 案优选模 型研 究及应用 4 3 定 。 ( 5 )第 5步 ， 模糊综合评价 向量与最优方 案的确 A = ( 0 3 3 3 ， 0 1 2 5 ， 0 2 0 8 ， 0 3 3 3 ) 0 3 43 0 3 97 0 3 97 0 43 0 01 7 6 0 2 21 0 2 4 0 0 2 6 4 0 48l 0 3 8 2 0 3 63 0 3 06 归一 化 可得 A = ( 0 3 9 0 ， 0 2 2 4 ， 0 3 8 6 ) 。 依据最大优属度原则 ， 由计算结果可知 ： 支护方案 排桩 +内支撑 +单排 深层搅 拌桩防渗幕墙 ( A ) 得分 最高 ， 为 0 3 9 0； 其次为地下连续墙 +内支撑支护方案 ( A ) ； 而得分最低的支护方案为排桩 +锚杆 +单排深 层搅拌桩防渗幕墙 ( A ) 。因此 ， 方案 A 。 为最佳推荐 方案 。与此同时， 该方案为实际工程所采纳 ， 实际运用 效 果 良好 。 4 结 论 ( 1 )以昆明市某拟建 深基坑工程为例 ， 依据软土 地 区的工程地质特点 ， 从安全可行性、 环境保护 、 施工 便捷性、 经济合理性等 4个方面构建 了适用 于软土地 区深基坑支护方 案 的多层 次多 目标综合评价 指标体 系， 主要包括 4个一级指标和 1 2个二级指标。 ( 2 )提 出了模糊数学综合评判的改进模 型， 即运 用层次分析法确定权重以及加权平均 ( ， o)模糊 合成算子替代传统取大取小算法。 ( 3 )工程实践表 明， 本文所荐方案最佳 ， 与工程实 际情况较吻合。 参考文献 ： 1 王广月， 刘健 ， 芮洪范 深基坑 支护方案 的模糊物元评价方法 J 1 山东大学学报 ， 2 0 0 4。 3 4 ( 2 ) ： 8 4 8 8 张尚根 ， 陈灿寿 ， 夏 炎 深基坑 支护方案的模糊优选模 型及其应 用 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 4， 2 3( 1 2 ) ： 2 0 4 6 2 0 4 8 阮永 芬， 叶燎 原 用灰 色系统理 论 与方 法确 定深 基坑 支护 方案 J 岩石 力学与工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 7) ： 1 2 0 31 2 0 6 冯玉国， 王渭明 深基坑 支护方案 灰 色物 元分析优化 模型及其 应 用 J 岩土力学 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 8 )： 2 4 6 72 4 7 0 冯庆高， 周传波， 傅 志峰 ， 等 基坑 支护方 案的灰 色模 糊可 变决策 模 型 J 岩土力 学， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 7) ： 2 2 2 62 2 3 1 魏新 江， 余银 ， 张世 民 基 于模糊灰关联投影法的深基坑 支护 方案 优选 J 岩土力学 ， 2 0 1 l， 3 2 ( 增刊 1 ) ： 4 3 8 4 4 4 梅年峰 ， 罗学东， 蒋楠 ， 等 基坑 支护方案灰 色 多目标 决策优选模 型的建立与 应用 J 中南 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 5 ) ： 1 9 8 2 1 9 8 7 ( 编辑： 赵风超 ) Re s e a r ch o n m o d e l f o r s c h e m e o p t imiz a t io n o f f o u nda t io n p it s up po r t in s o f t s o il a r e a a n d a pp lica t io n YAN W e i ( Y u n n a n P r o v in cia l A r ch i t e ct u r e R e s e a r ch I n s t i t u t e ， K u n m i n g 6 5 0 2 2 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： S u pp o r t s che me o p t imiz a t io n f o r d e e p f o u nd a t io n pit is a qu it e co mp le x s y s t e m e n g ine e ri n g，t he inf lu e n cing f a ct or s a r e ch a r a ct e r iz e d a s inco mp le t e in f o r ma t ion，un ce rta in t y a n d f u z z y I n v ie w o f t h e e n g in e e r in g f e a t ur e s o f de e p f o un d a t io n pit s in s o ft s o il a r e a a s we ll a s t h e p r o ble ms o f t r a d it io na l f u z z y ma t h co mp r e h e ns iv e e v a lu a t io n me t h o d s u ch a s a lg o ri t hm e f ficie n cy a n d we ig ht de t e rm in a t io n，we pr o po s e a impr o v e d f u z z y ma t h co mp r e h e ns ive e v a lu a t io n mo de l，by wh ich，a e v a lu a t io n ind e x s y s t e m o f mu lt i - la y e r s a n d mu l t i - o h ie ct s s u i t e d for s u p p o r t s ch e me o p t i mi z a t i o n i n s o f t s o il a r e a i s co n s t r u ct e d f r o m f o u r a s p e ct s o f e n g i n e e r in g s a f e t y，e n v ir o n me nt a l impa ct ，c