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太原理j 【：火学硕+ 研究生学位论文 深基坑支护方案优选方法研究 摘要 深基坑工程是一个综合性很强的系统工程，其支护方案的 优劣直接影响工程进度、质量和成本，在整个基坑施工工程中 占有重要的地位。虽然近年来深基坑工程得到了极大地发展应 用，但国内对其支护方案的选择仍具有片面性和主观性。因此， 遵循安全可行、经济合理、施工便捷、环境保护等原则，找出 套科学合理且可操作性强的方案优选方法，是非常必要和有 意义的。 深基坑支护方案优选的目的是使最终所选方案能满足安 全、经济、环保、施工工期短等多个目标，其实质是考虑多目 标情况下的方案决策问题，因此可利用多目标决策方法进行支 护方案优化选择。 本文根据目前深基坑工程和多目标决策方法的研究现状， 结合深基坑工程特点，提出了比较系统的深基坑支护方案优选 模式： 太蒜甲誊奠垂牡叠彭 是薯 i h 2 l il l ! 瞰! ：曼耋l 一l 二 j 毒要i 塞薹j 等芽喜妻导妻謇摹毫；薹羹j ! 翼薹 薯i 誊蕞 j 晕；芎蔓萋莓二蓦摹画芒霉亨主；i i 蟊；鼍镭! j 笔牟釜蟊誉事! 誓茎 囊蠹；垂毒l lj 亭曼薯暮量；蔓：妻霉量莓；j 警妻暑；i 革薯复i i ；童薯耋；耋墓i ：苒巷i ；噩事j 褰鬟! 宝毒目摹i 垂萋：辜曼； 耋宝量葛耋毒；j 耋善耋i 雾i 暮薹孽二i 蓦譬 ； 王童i 害霎蔓乎二毒辇塞立i 毒：! 宝妻妻：藿耄雾萋耋一毫妻室量 i ! 纂嚣：摹删莛露塑囊薹璧妻囊赣j 冀簧鏊妻：；0 l i i 塞? 羹；i i 一；i i 善誉i 每；曼量耋亨害? 童曼；j 墨羞主晶每摹毒毫露枣j 乏要萎；i i 参量l 誊；l ： j 露 l 妻童季差；i j 蠢薯 蓦；i 毫兰；叠孽妻i j ；王毫；藿；i ；嚣薯蠢i l j 鍪零；莘耋i 亨曼堑二；每喜羹量喜耋麓毫孽蘑羞龟；至 主王； 耄摹委j i 莹_ ；薯莓喜妻誊譬j 彝茎麦；王摹囊孝妻枣二；i 茎毫i 善i 露篁嚣；一喜喜萋毒 譬；i 薹孽 兰 妻喾毫辜辜： 囊；车 i i 专 尹i ；i誊毒手妻l 葶霹譬妻二 宴钍囊霭薯奎：i j l 薹 霉j ；i 二i 薹崮i 薯睾二i 童善耋? 7 毫二f 2 j 蠹鎏主；毫 摹垂季零趸一墓l 篁 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 0 p t i m i z i n gm e t h o ds t u d y 0 fs u p p o r t i n gs y s t e m0 fd e e p f o u n d a t l 0 np i t a b s t r a c t ： ) e e p f b u n d a t i o n p i t i sa s y s t e m a t i ce n g i n e e r i n gw h i c h c h a r a c t e r i z e db yc o m p l e x i t y m l ec h o i e eo fi t ss u p p o r t i n gs y s t e m p l a y sa ni m p o r t a n tr 0 1 ei nt h ew h o l ee n g i n e e r i n ga n dh a sad i r e c t i n f l u e n c eo nt h ep r o c e s s ，c o n s t r u c t i o nc o s ta n dq u a l i t y ，h o w e v e r ，i t i so f t e no n e - s i d ea n ds u b j e c l i v en o w a d a y s t h e r e f o r e ，i ti sv e r y n e c e s s a f ya n dm e a n i n g f u lt ow o r ko u ta no b j e c t i v e ，r e a s o n a b i ea n d p r a c t i c a b l ew a yo fc h o o s i n gt h eb e s ts u p p o n i n gs y s t e m ，w h i c h a c t u a l l ys h 。u l dc o n s i d e ra l lt h eg o a l sj u s t1 i k es a f e t y ，c o n v e n i e n c e ， e c o n o m ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b a s e do nt h em u l t i - t a r g e td e c i s i o nm e t h o ds t u d va n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e e pf o u n d a t i o np i t ，as y s t e m a c i cp a t t e r no f c h o o s l n gs u p p o r t i n gs y s t e mi sp u t sf o r w a r d ： f i r s t ，a n a l y z i n g c h es c h e m e l h r o u 曲 t h ec o m b i n a c i o no f f o u n d a t i o np i ts a f e t yg r a d ea n dd e f o r m a t i o nc o n t r 0 1g r a d e t o g e t h e rw i t hc e r t a i n r e g u l a t i o n sa n de x p e r i e n c e s ， t h e nm a k i n 2 s u r et h es t 兀l e t u r a lp a t t e r no f r e t a i n i n g a n dp r o t e c t i n g s c h e m e ， m o n i t o r i n gi i e m s ，b r a c i n ga n dd i g g i n gs c h e m e ，w a t e rt r e a t m e n t s c h e m ea n dt h ei e l e r e n c ev a l u eo fd e f o 珊a t i o nl i m i t ，e t c i i i 太原理工大学颂士研究生学位论文 s e c o n d ，a n a l y z i n gt h ev a g u e a n dt h e nd e c i d et h eb e s to n e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n e l e m e n t so fs u p p o r c i n gs y s t e m b yt h e r e s u l to ft h e f u s s y t h ea r t i d ea l s oc o m e su pw i t ha s i m p l i f i e do p t i m i z i n g m e t h o do nt h eb a s i so ff i l z z ys e ti h e o r yt om a k et h ef i n a ls c h e m e o p t i m i z a t i o nm e e tt h ep r a c t i c a 】i yo ft h ee n g i n e e r i n g b a s e do nt h eo p t i m i z i n gm e t h o do f s u p p o r t i n gs y s l e mo f f o u n d a t i o n p i t a n di t s s i m p l i f i e dm e x 太原州r 大学硕十研究生学位论文 1 1 前言 第一章绪论 深基坑工程是基础工程和地下工程施工中的一个古老而又崭新的课 题。早在2 0 世纪4 0 年代t e r z a 曲i 和p e c k 等人就提出了预估边坡稳定程 度和支撑荷载大小的总应力法，这一理论的原理至今仍得到应用。5 0 年 代b f e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代初一些学 者在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进行监测，相继提出了 作用在支护结构上的土压力图式“3 。随后许多西方学者进行了深基坑 工程的研究“。 在中国，2 0 世纪8 0 年代以前我国的高层和多层建筑的地下室多为 3 m 4 m 左右深的单层地下室，深基垅工程数量较少。随着我国国民经济 和城市建设的高速发展，进入8 0 年代后期以来，为了充分利用地皮，高 层、趣离层建筑如春笋般拔地而起。由于建筑结构设计、建筑使用功能及 人防工程的要求，深基坑开挖深度越来越深，开挖面积也越来越大。如目 前中国最高、世界第三高度的上海金茂大厦，地上8 8 层，塔楼开挖深度 达一1 9 6 5 m ，裙房开挖深度也达一1 5 1 m ，基坑开挖面积近2 万m 2 。自 9 0 年代以来，大量的城市高层建筑开始出现，一些大城市，如北京、上 海、广州地铁工程也相继全面展开。9 0 年代中期以后，各地纷纷组织技 术力量进行了深基坑工程技术标准的编制工作。在各地基坑支护技术的工 程实施和理论研究的基础上，两本国家行业标准：由建设部发布的“建筑 基坑支护技术规程”( j g j l 2 0 一9 9 ) 和由冶金工业部发布的“建筑基坑工程 技术规范 ( y b 9 2 5 8 9 7 ) 也已经颁布实施。 太原理工火学硕士研究生学位论文 随着我国城市化的快速发展，城市地下空间的丌发利用在节约土地资 源、调节城市土地使用结构、城市现代化基础设施建设、防灾救灾和国防 建设等方面将发挥越来越重要的作用。可以晓，没有城市地下空n | j 的有效 _ 丌发利用就没有城市的可持续发展，这样也势必带来大规模的深罄坑工程 问题，也对深基坑丌挖与支护提出了更高、更严格的要求；同时山于基坑 工程的区域性、不确定性、个体差异性及复杂性等特点，工程事故仍时有 发生，深基坑工程问题已成为当今工程界的热点、难点和重点问题之一。 1 ，2 深基坑工程特点 我国深基坑工程一般具有以下特点川”； ( 1 ) 深基坑工程具有很强的区域性和实践性 岩土工程区域性强，岩土工程中的深基坑工程，区域性更强。如黄土 地基、砂土地基、软粘土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中， 深基坑工程差异性很大，即使是同一城市不同区域也有差异。由于岩土性 质千变万化，而其地质埋藏条件和水文地质条件极其复杂，往往造成勘察 所得到的数据离散性很大，精确度低，难以代表土层的总体情况。因此， 深基坑开挖要因地制宜，具体问题具体分析，不能简单地完全照搬经验。 ( 2 ) 深基坑工程具有很强的个性 深基坑工程不仅与当地的工程地质条件和水文地质条件有关，还与基 坑相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的位置、抵御变形的能力、重要性 以及周围场地条件有关。因此，对深基坑工程安全等级进行分类、对支护 结构允许变形规定统一的标准是非常困难的，应结合施工场地实际情况具 体问题具体分析。 ( 3 ) 基坑工程具有很强的综合性 深基坑工程涉及土力学中强度、变形和整体稳定、渗流等基本课题， 2 太原理工人学硕十研究生学位论文 往往需要综合处理。有的基坑工程土压力引起支护结构的稳定性问题是主 要矛盾，有的土中渗流引起土体破坏是主要矛盾，有的基坑周围地面变形 是主要矛盾。深基坑工程的区域性和个性强也表现在这一方面。同时，深 基坑工程是岩土工程、结构工程及施工技术相互交叉的学科，是多种复杂 因素相互影响的系统工程，是理论上尚待发展的综合性学科。 f 4 ) 深基坑工程具有较强的时空效应 深基坑的深度和平面形状，对深基坑的稳定性和变形有较大影响。在 深基坑设计中，要注意深基坑工程的空间效应。软土土体，特别是软粘土， 具有较强的蠕变性。作用在支护结构上的土压力随时问变化，蠕变将使土 体强度降低，使土坡稳定性减小，故基坑开挖时应注意其时空效应。 ( 5 ) 深基坑工程具有较强的环境效应 深基坑工程的开挖，必将引起周围地基中地下水位变化和应力场的改 变，导致周围地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及市政地下管线产 生影响，严重的将危及相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的安全与正常 使用。施工过程中还会产生噪声和浮尘，方及材料运输会干扰交通，对 周围环境和居民生活都有较大影响。 ( 6 ) 深基坑工程具有较大工程量及较紧工期 由于深基坑开挖深度一般较大，工程量比浅基坑增加很多。降雨以及 开挖土体暴露时间长，都对结构稳定不利。因此，抓紧施工工期，不仅是 施工管理上的要求，它对减小基坑变形、周围环境的变形及减少事故都具 有特别的意义。 ( 7 ) 深基坑工程具有很高的质量要求 由于深基坑开挖的区域也就是将来地下结构施工的区域，有时其支护 结构还是地下永久结构的一部分，而地下结构的好坏又将直接影响到上部 结构a 所以，必须保证深基坑工程的质量，才能保证地下结构和上部结构 的工程质量，创造一个良好的前提条件，进而保证整幢建筑物的工程质量。 3 太原理r 人学硕士研究生学位论文 另一方面，由于深基坑工程中的挖方量大，土体中原有天然应力的释放也 大，这就使基坑周围环境的不均匀沉降加大，使基坑周围的建筑物出现不 利的拉应力，地下管线的某些部位出现应力集中等，故而深基坑工程的质 量要求高。 ( 8 1 深基坑工程具有较大的风险性 深基坑工程是个临时工程，安全储备相对较小，因此风险性较大。由 于深基坑工程技术复杂，涉及范围广，事故频繁，因此在施工过程中应进 行监测，并应具各应急措施。深基坑工程造价较高，但一般为临时性工程， 业主一般不愿投入较多资金，一旦出现事故，造成的经济损失和社会影响 往往十分严重。 ( 9 ) 深基坑工程具有较高的事故率 深基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常 常经历多次降雨、周边堆载、振动等许多不利条件，安全度的随机性较大， 事故的发生往往具有突发性。据有关资料统计，深基坑工程事故的发生率 一般约占基坑工程数量的2 0 左右，有的城市甚至占3 0 左右”“。 ( 1 0 ) 深基坑工程具有很高的不确定性 土体内部物质成分、结构构造、强度特征、应力历史、物理力学性质 以及环境、荷载条件等不同使得任点土性可能都有较大的变异性，其所 能提供的土抗力( 基床) 系数、抗剪强度指标存在很大的离散性；另外， 采取土样受扰动而与现场土样不一致；仪器本身存在着一定的精度；统计 样本数量少或统计方法本身存在不足，另外还有土性参数间的相关性等， 这些因素都使得土性参数具有极大的不确定性“”。 由于荷载传递机理、荷载间的相互叠加及扩散、力学模型的不足或人 为的简化处理、地下水位变化、工程施工( 基坑开挖、降水、周边堆载、 施工机械行走等) 导致作用在深基坑支护结构上的土压力和水压力处于不 断变化中，有很大不确定性。另外，还有支护材料参数和截面尺寸的不确 d 查堕里! ! 查鲎堡主塑茎竺堂堡堡兰 定性等多科一不确定因素1 。 1 3 深基坑工程支护方法简介 13 1 支护体系的组成 支护体系按其工作机理和材料特性，主要分为水泥土挡墙体系、排桩 和板墙式支护体系以及边坡稳定式三类。 水泥土挡墙体系，依靠其本身的自重和刚度保护坑壁，一般不设支撑， 特殊情况下经采取措施后亦可局部加设支撑。 排桩和板墙式支护体系，通常由围护墙、支撑( 或土层锚杆) 及防渗 帷幕等组成。 当主体工程建设或环境条件有特殊要求，采用逆作法施工多层地下室 结构时，围护墙就兼作地下室结构外墙，在基坑土方丌挖阶段，地下室的 各层楼板结构就用作围护墙的支撑。此种情况下的支护体系就与地下室结 构合二为一。 至于支撑或锚杆的选择，可以根据工程地质特点和对基坑变形要求等 确定，这里不再赘述。 1 3 2 常见支护结构类型 关于支护结构有多种不同的分类方法，结合“建筑基坑支护技术规程 ”( j g j l 2 0 一9 9 ) ，按支护结构工作机理和围护墙的型式可分为图1 1 所示 几种类型： 5 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 支护结构 水泥士挡端 f 深层搅拌水泥十桩 l 高压旋唢桩 排桩和板端式 f 钢板控 板桩式j 钢筋混凝土板桩 l 型钢横挡板 桩排式 薹釜裳雾蓑 板墒式 嚣蓊姜矗萋耄票连续墙 边坡稳定式 去嚣蒿 逆作拱墙式 放坡 图1 - 1 常见支护结构类型 f i g1 一l1 如e so fs o p p o 九i n gs t r u c i u r e s 支护结构应具有挡土、防渗功能。上述支护结构中，有的类型除能挡 土外，本身亦具备或基本具各挡水、防渗功能，如深层搅拌水泥土桩、高 压旋喷桩、地下连续墙、组合式支护结构等。而有些类型的支护结构本身 不具备挡水、防渗功能，如排桩式支护结构，用于地下水位较高地区则需 在其背后加作防水帷幕，最常用的防水帷幕是一定厚度的深层搅拌水泥土 桩或高压旋喷桩挡墙。 边坡稳定式( 土钉墙、喷锚网) 也用于基坑开挖，其本身是一种边坡稳 定技术。该项技术在我国北方地区逐渐推广，在我国南方软土地区亦有成 功例子，在深基坑工程中是一种经济效益较好的边坡稳定技术。 ( 1 ) 深层搅拌水泥土挡墙 深层搅拌水泥土挡墙是采用深层搅拌机就地将士和输入的水泥浆强 6 太原理l ：人学硕七研究生学位论文 深、土质较好地区；在地下水位高地区使用时需要另作挡水帷幕，因而造 价相对要高些。 ( 5 ) 地下连续墙 地下连续墙是于基坑开挖之前，用特殊挖槽设备、在泥浆护壁情况下 丌挖基槽，然后下钢筋笼浇注混凝土形成的地下土中的混凝土墙。它最早 出现于意大利，当时主要用于防渗墙。上世纪7 0 年代后期开始陆续用于 深基坑工程支护结构的围护墙，现已在全国内广泛应用。如上海的金茂大 厦、北京的京广大厦、广州白天鹅宾馆等著名高层建筑都使用该型支护结 构作为基坑挡墙。 地下连续墙作为围护墙有以下优点： 旌工振动小、噪声低，可减少对周围环境的影响，能紧邻建筑物和地下 管线施工； 地下连续墙刚度大、整体性好、变形相对较小，可用于较深基坑； 地下连续墙为连续整体结构，有较好的抗渗止水作用； 如采用逆作法施工，地下连续墙可作为主体结构的地下室外墙，两墙合 一，可降低成本。 但若地下连续墙单独作为挡墙，则成本较高；施工时需泥浆护壁， 废弃泥浆易污染周围环境；施工技术要求高，技术风险大。 ( 6 ) 土钉墙 土钉墙由被加固土体、锚固于土体中的土钉群和面板组成，形成类似 重力式的挡土墙，土钉与土体构成复合体，以此来抵挡墙后传来的土压力 或其它附加荷载，从而保护开挖面的稳定；而土钉间的变形则通过钢筋网 喷射混凝土面层加以约束，属于边坡稳定式的支护型式。土钉墙融合了锚 杆挡墙和加筋土墙的长处，应用于基坑开挖支护和挖土方边坡稳定，有以 下特点： 8 太原理： 大学硕士研究生学位论文 形成土钉一土复合体，边坡整体稳定性和承受坡顶超载的能力较好； 设备简单；成本费用较低； 占用空间小，便于狭小场地施工； 施工噪音、振动小，土钉本身变形小，对周边环境影响小。 ( 7 ) 组合式挡墙 单一类型挡墙往往有其不足，有时不能满足特定功能要求。如水泥土 墙防水性好、造价低，但强度较低；若在水泥土桩中加入型钢，则能弥补 其强度不足的缺点，且若能用后回收h 型钢。其经济效益亦很显著。灌 注桩具有强度高、不挤土、噪声小、环境影响小等优点，但止水性能差， 若结合搅拌桩使用可收到挡土止水双重效果。 近年来深基坑工程施工条件越来越复杂，单一类型挡墙往往因其某一 方面的不足而被淘汰。组合式挡墙因其适应性相对较强、经济效益较好， 在实践中得到广泛采用。 上述各种型式的支护结构，各有其特点和适用范围，具体见表1 1 。 1 4 支护方案选择的现状及问题的提出 在深基坑开挖的研究和实践中，基坑支护理论的设计计算方法包括土 压力的计算、支撑轴力的计算、挡土结构强度的计算等发展已经日趋完善， 其中支护体系采用可靠性分析按极限状态设计已成为发展的总趋势“”。而 与此对应的施工方法却不及理论发展迅速，如支护结构的选型，深基坑撑 挖方案以及降水、监测方案的选择等，需要一套完整的方法来加以综合评 价和优选。 深基坑支护结构般是临时支护，如果一味追求安全，就会造成不必 要的浪费。因此，对深基坑开挖时，就应寻求一种安全、经济、可行的支 9 太原理： 大学硕士研究生学位论文 表1 1 常见支护结构的特点及适用奈件 支护结防水抗 施j 特点造价一l 期 对环境适宜地质 构名称渗性能 影响条r l 二 咬口 雉打入硬能重复刚度不够大， l 钢板桩 好，能 质_ 十层，施 利用， 较快 变形大；拔除软十、淤泥及 一l 方便快一般费 易带十- ，且施淤泥质士 止水 捷用较低j ：振动噪音犬 地下连 防水抗 需有大型 废弃泥浆易污 各种地质、水 2 渗性能机械设螽， 慢 位条件皆 续墙染环境 好施工复杂 适宜 需有防 水抗渗施j 机具 整体性和剐度 3 桩排式措施，简单，施，【：较低较快 较地f 连续墙 除砾石层外 否则止 简便易行 差，对环境影 各种土层皆 响小 适宜 水性差 墙后土体位移 深层搅需深层搅 一般较变形较大，且软土、淤 4 拌水泥好拌机械施 经济 较幔 士桩 ： 较容易 水泥浆易污染泥质士 环境 悬臂式 5 支护结差施工简单较省较快 应注意支护结软土、粘士、 构位移变形砂土等 构 锚秆深入基坑 桩锚支 施工需锚 造价较 外土层中并灌 粘土、粉土、 6 差 杆机械及较慢浆对周围土 砂土等，软土 护结构 与淤泥质土 灌浆设备层有影响：有 不宜 噪音 占用场地 施工噪音、振 小，施工设 动小：土钉本 砂、牯士、 7 士钉墙较好 造价低较快 身变形小，对 备简单， 粉士 效率高 周边环境 影响小 1 0 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 护方案，减少费用，达到较高的经济效益。例如对一个采用土钉墙或悬臂 桩支护都可行的深基坑工程而言，显然采用土钉墙支护方案比用悬臂桩支 护方案要好，因为土钉墙舭矗鞋i 凳一巍鹣嚣一酾“。嘏谚囊鬻龟讲专嚷 潲澍黼；f j | 静瓣蹙稚妊罚始醑；蒿邑囊垒崮靖：禾嘉瀚3 3 援瞪爱每篡譬； 酱蒸謦要点雾辇秒麴眇裁誊曼；鹳黧蛆蜜孚舅箅蓑鞫叫拯选择一个较好的方案，考虑多个目标的相对重要性权值 及各方案对各个目标的满足程度，最终得到一个整体上较优的方案。因此， 深基坑支护方案优选的实质是考虑多目标情况下的方案决策问题，可利用 多目标决策方法进行优选 。 本文拟联合采用多目标决策方法中的层次分析法和模糊评判法，采用 分级优化的模式。“，将深基坑支护方案优选这一复杂的决策问题简单化、 定量化、直观化。 2 ，2多目标决策方法 2 21 概述 多目标决策方法是从2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的种决策分析方 法。“。决策分析是在系统规划、设计和实施等阶段为解决当前或未来可能 发生的 窈途龆罴逊桨傅囊恢址治龉獭1 3 x 太原理： 大学硕士研究生学位论文 下几个方面的工作： ( 1 ) 总结了目前深基坑工程和多目标决策方法的研究现状，结合深基坑： 程特点，找出了适合深基坑工程的多目标优选方法： ( 2 ) 提出了较系统的深基坑支护方案优选模式：以基坑安全等级和变形控 制等级为依据，初步给出了支护型式、监测项目、撑挖方案、降水方案 和位移变形限值等内容的确定方法；建立了影响基坑安全等级、变形控 制等级咀及支护方案优选的因素集，利用层次分析法对各影响因素的权 重值进行了求解，验证了其合理性；运用模糊综合评判方法对初选出的 支护方案进行优选； ( 3 ) 根据模糊数学的优化理论，提出了深基坑支护结构选型的简化方法； ( 4 ) 结合工程实例，利用模糊综合评判方法以及提出的简化方法分别进行 支护方案优选，验证了其合理性。 1 2 太原理：大学硕士研究生学何论文 2 1 概述 第二章深基坑支护方案的优选模式 深基坑工程是一个综合性很强的系统工程，其方案的优劣直接影响工 程进度、质量和成本，在整个基坑施工过程中占有重要的地位。深基坑支 护方案优选，就是使最终所选方案能满足安全、经济、环保、施工工期短 等多个目标。要使每一个目标都达到最优是很困难的，甚至是不可能的， 只能从多个方案中选择一个较好的方案，考虑多个目标的相对重要性权值 及各方案对各个目标的满足程度，最终得到一个整体上较优的方案。因此， 深基坑支护方案优选的实质是考虑多目标情况下的方案决策问题，可利用 多目标决策方法进行优选。 本文拟联合采用多目标决策方法中的层次分析法和模糊评判法，采用 分级优化的模式。“，将深基坑支护方案优选这一复杂的决策问题简单化、 定量化、直观化。 2 ，2 多目标决策方法 2 2 1 概述 多目标决策方法是从2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的种决策分析方 法。“。决策分析是在系统规划、设计和实施等阶段为解决当前或未来可能 发生的问题，在若干可选的方案中选择和决定最佳方案的一种分析过程。 1 3 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 在工程项目系统决策的过程中我们所面i i 备的问题常常是多目标的，例如我 们在基坑支护方案选择决策时，既要考虑工魏但该；缝倾囱于鄹幂盂，堡 型遵仃分。珧弊鬟托强越融罨翳关薛虻驵j 黧蘩磺翟垤胡灌冀把i 噔獬番 豢用霪御猝羹季翱；靴固靼薪募飘委抬望p 简掣舔到掣藩茎莨k 剖。 i 。i ：i 影薹增罕垒受童 平羹剐嚷昕l 罄珏? 针鬣躺若让 所有的决策者 接受；模糊综合评判法采用了专家群体判断的方法，可部分克服该缺点。 因此，本文拟联合采用模糊综合评判法和层次分析法，利用层次分析 法确定权重方便快捷的优点，以满足工程实用性需要；同时利用模糊评判 法的科学性来消除层次分析法中人主观因素的干扰。 2 3 本文所采用的优选模式 2 3 1 本文采用的优选模式 深基坑工程是一个综合性很强的岩土工程问题，既涉及到土力学中典 型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到与支护结构的共 同作用，在建筑工程基础旌工中占有相当重要的地位。支护结构是一项多 功能、多影响因素的系统，支护方案的选择亦在整个施工工程中占有重要 的地位，它直接影响工程进度、质量和成本等。特别是随着科学技术与生 产的发展，越来越多的深基坑支护方案不断地出现，如何科学合理地进行 基坑支护方案优选，以寻求安全与经济的合理平衡点，己经成为工程界十 分关注的问题o “。 本文将支护方案优选过程分解为两步：方案初选和方案优选。方案初 选有三方面的内容：收集整理资料；确定基坑安全等级，结合相关规范和 1 5 太原理： 大学硕士研究生学位论文 护方案优选这样的复杂问题。目标规划法更多的是对于有限资源的优化利 用，也不太适合。理想点法是可以采用的方法，但该法倾向于对数学模型 进行分析“。层次分析法是较多采用的多目标决策方法，具有系统性、实 用性、简洁性等优点，但单一的层次分析法人的主观因素对整个过程的影 响很大，未考虑人的判断中的模糊性，这就使得结果难以让所有的决策者 接受；模糊综合评判法采用了专家群体判断的方法，可部分克服该缺点。 因此，本文拟联合采用模糊综合评判法和层次分析法，利用层次分析 法确定权重方便快捷的优点，以满足工程实用性需要；同时利用模糊评判 法的科学性来消除层次分析法中人主观因素的干扰。 2 3 本文所采用的优选模式 2 3 1 本文采用的优选模式 深基坑工程是一个综合性很强的岩土工程问题，既涉及到土力学中典 型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到与支护结构的共 同作用，在建筑工程基础旌工中占有相当重要的地位。支护结构是一项多 功能、多影响因素的系统，支护方案的选择亦在整个施工工程中占有重要 的地位，它直接影响工程进度、质量和成本等。特别是随着科学技术与生 产的发展，越来越多的深基坑支护方案不断地出现，如何科学合理地进行 基坑支护方案优选，以寻求安全与经济的合理平衡点，己经成为工程界十 分关注的问题o “。 本文将支护方案优选过程分解为两步：方案初选和方案优选。方案初 选有三方面的内容：收集整理资料；确定基坑安全等级，结合相关规范和 1 5 太原理： 大学硕士研究生学位论文 护方案优选这样的复杂问题。目标规划法更多的是对于有限资源的优化利 用，也不太适合。理想点法是可以采用的方法，但该法倾向于对数学模型 进行分析“。层次分析法是较多采用的多目标决策方法，具有系统性、实 用性、简洁性等优点，但单一的层次分析法人的主观因素对整个过程的影 响很大，未考虑人的判断中的模糊性，这就使得结果难以让所有的决策者 接受；模糊综合评判法采用了专家群体判断的方法，可部分克服该缺点。 因此，本文拟联合采用模糊综合评判法和层次分析法，利用层次分析 法确定权重方便快捷的优点，以满足工程实用性需要；同时利用模糊评判 法的科学性来消除层次分析法中人主观因素的干扰。 2 3 本文所采用的优选模式 2 3 1 本文采用的优选模式 深基坑工程是一个综合性很强的岩土工程问题，既涉及到土力学中典 型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到与支护结构的共 同作用，在建筑工程基础旌工中占有相当重要的地位。支护结构是一项多 功能、多影响因素的系统，支护方案的选择亦在整个施工工程中占有重要 的地位，它直接影响工程进度、质量和成本等。特别是随着科学技术与生 产的发展，越来越多的深基坑支护方案不断地出现，如何科学合理地进行 基坑支护方案优选，以寻求安全与经济的合理平衡点，己经成为工程界十 分关注的问题o “。 本文将支护方案优选过程分解为两步：方案初选和方案优选。方案初 选有三方面的内容：收集整理资料；确定基坑安全等级，结合相关规范和 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 地区经验，初步选择基坑支护结构的型式和为保证基坑安全施工所需的监 测项目；确定基坑变形控制等级，为设置支撑和挖土方式和合理选用降水 方案提供依据，为基坑监测提供基坑变形监测控制参考值。 方案优选是指对经过初选的备选方案作进一步的优化处理。本文主要 采用了多目标模糊综合评判方法，考虑多种影响因素，对备选项目进行综 合评价，以获得量化的评价结果；为满足工程实践需要，本文进一步提出 了支护结构选型的简化方法。 对于综合评判( 包括基坑变形控制等级综合评判和支护方案优选综合 评判) 中因素集权重矩阵的确定问题，采用层次分析法来加以解决；方案 优选通过支护方案模糊评判来实现；模糊评判矩阵主要通过专家组的单因 素评判结果获得。 本文所选用的优选模式流程图见图2 1 。 2 3 2 层次分析法 2 3 2 1 概述 层次分析法( a m a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p 法) 是美国数学 家a _ l s a t t y 在2 0 世纪7 0 年代提出的一种定性分析和定量分析相结合的 评价方法。“。其评价的基本思路是：评价者将复杂的问题分解为若干层次 和若干要素，并在同一层次的各要素之间进行比较，判断和计算，由各层 得到的权重指标来为决策提供依据。a h p 法可以把系统的许多影响因素 加以综合分析，进行评价，一般用于多目标多方案的决策问题，特别是涉 及诸多影响因素且用定量方式难以确切描述的问题。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 地区经验，初步选择基坑支护结构的型式和为保证基坑安全施工所需的监 测项目；确定基坑变形控制墅钳；鞋裂璧蓑秀滔嫒霁嚣掣禁鞋熔嘏馨据 个等级骚骁撵j 晶葑誊露卧藉等藕撕妊拄括旌饕舞型毒怎； 幢蓬哗1 嚏忑啊捌霭渤呸茬馐堪韭鼢鼽脯卧郎酉褥碑断；拍“缸 刚乒薯释篓崮粼褰掌鲁章抓r 靴i 奄堙葛萄譬曩塌；型善奢碍蠹羞菘如 型甄型： 。实际操作 中可按下述方法”进行： 由有关评判人员( 最好为经验丰富的专家组) 对每个因素或子因素在评 语集各个等级上作出属于或不属于的二值判断，即当被评因素状况属于某 个等级时，在相应的空格上划上“1 ”值，不属于时记为“0 ”值。 当有多个评判者参加评判时，则对每个备选方案需统计出与其对应的各 个方格内“1 ”值的数目，然后按其在表2 7 中的排列顺序构成矩阵，再 将其除以评判者总人数即可得到模糊转换矩阵r 。 r ：( r 。，r ：，且。) 7 = k i 。= r 1 1 _ ： r 2 1r 2 z 。 ，n 】 2 ( 2 7 ) r 为单因素评判矩阵或模糊转换矩阵，r 中第i 行r i 反映的是被评对 象的第 i 个因素对于评语集各等级的隶属度；第j 列反映的是被评对象的 各因素分别属于评语集中第j 个等级的程度。 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 2 3 2 2 层次分析法的步骤 层次分析法处理问题的一般步骤如下图2 2 所示 否 建立层次分析结构模型 构造判断矩阵 层次单排序 一致性检验c r 0 1 0 层次总排序 总一致性检验c r o 1 0 按总扫 序确定优劣 否 斟2 2 层次分析法流程图 f i g 2 - 2t h ed i a g r a l np l a no f a h p ( 1 ) 建立层次分析结构模型 在对问题充分了解的基础上，分析问题内在因素间的联系与结构，并 把这种结构划分为若干层，如目标层，方案层，准则层等等。目标层是指 解决问题所追求的总目标：方案层为决策问题的可行方案：准则层是指评 判方案优劣的准则。据此建立层次分析结构模型。 ( 2 ) 因素两两比较评分和判断矩阵 将同层因素之间对于上层某因素的重要性进行评价，构成判断矩阵， 判断矩阵是层次分析法传递信息的基础，由各因素的相对重要性比较值构 成。具体操作是将层次分析模型确定后，让有经验的专家对各因素的重要 】8 太原理j 大学硕士研究生学位论文 如下： 计算判断矩阵a 每一行元素的乘积的n 次方根肘； m = 计算m ，归一化处理后的嘭： 形= 朋以 ( i - l ，2 ，3 ，n ) ( 2 2 ) 善m 一 ?j = 慨， r ，归一化后的各分量表明了其元素的相对重要 性程度，即权重值。 求最大特征根 。， k ；= 砉啬 c z 一 式中，e 即为向量占的第i 个元素，口。以。 ( 4 ) 单排序结果的一致性检验“2 7 1 a 。( 。；一h ) 协一1 ) ( 2 4 ) 2 a 彤 0 3 ) ( 2 5 ) n 为判断矩阵阶数，当n = 1 ，2 时，判断矩阵的 。；值也分别耿1 和 2 ，即具有完全一致性，不必检验。 。，为判断矩阵的最大特征根。对n 阶判断矩阵，当矩阵具有完全一 致性时， 。= n ，则c i = 0 。 c f i 为一致性指标。 奎壁里：i ：墨堂堡主塑塑竺堂焦墼一 2 3 2 3 层次分析法确定权重的合理性检验 解决多目标决策问题需要事先确定各优化目标的权重，权重的确定方 法可分为主观赋值法和客观赋权法两大类。主观赋值法是根据各指标的决 策者主观重视程度进行赋权的一类方法，如专家调查法、二次系数法等”“， 其主观性大：而层次分析法是系统工程中对非定量事件的一种评价方法， 属于客观赋权法。由于因素集权重在整个支护方案模糊综合评判中占据重 要地位，为了检验层次分析法确定权重的客观性、合理性，特提供一算例。 f 1 1 深基坑事故因素集权值的确定 由于自身的复杂性和理论的不完备以及管理、勘察、设计、施工和监 理中所存在的问题，深基坑工程中存在很多问题，工程事故屡有发生。这 里不考虑基坑自身原因和一些自然因素，仅从诸多人为因素出发，选取总 目标层a 为；l 起基坑事故的各种人为因素的整体情况，而指标层b 为评 价a 的各种因素或指标。选择管理( b - ) ，勘察( b 2 ) 、设计( b 3 ) 、旌工( b 。) 和监理( b 5 ) 等因素，来研究这五者相对于目标层的单排序权值，即在整个 因素集中的比例分配情况，计算结果如表2 4 。 表2 4a b 判断矩阵及单排序权值 a b l b 2b 3b 4 b 5 w ： b 1 l21 81 83o 0 7 3 b 2 l 211 81 820 0 5 1 b 3 881190 4 2 l b t88l190 4 2 l b 5 l 3l 21 91 9lo 0 3 4 a 。= 5 1 5 3 c ，= o 0 3 8 ，c r = o 0 3 4 o 1 ，符合一致性要求。 ( 2 ) 结果合理性检验 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ 一一 关于基坑：亡程事故的原因，已经有许多学者进行了研究并给出了有益 的分析总结，其中以唐业清教授和曾宪明博士的调查结果最有代表意义： 唐业清1 关于基坑事故因素的统计分析 唐业清教授通过对1 6 0 余起基坑工程事故的统计分析，从5 个方面对 事故因素进行了分析总结，结果见表2 5 。 表2 5 唐业清关于基坑事故因素的统计分析 序事故发生的 发生占总数的调整后所 号主要原因 次数比例( )占比例 1 建设单位管理问题 l o 80 0 6 0 2 基坑工程勘察问题 7 3 5 o0 3 5 3 基坑工程设计目题 7 44 6o ，4 6 0 4基坑工程旅工问题 6 64 1 5o 4 1 5 5基坑： 程监理问题 53o 0 3 q 曾宪明博士关于基坑事故因素的统计分析 文献【2 8 】考虑了规范的错误因素，将之去除并重新进行归一化整理 最后结果见表2 6 。 表2 6 曾完明关于基坑事故因素的统计分析 序事故发生的发生占总数的调整后所 号主要原因次数比例( )占比例 l 投资方原因 2 00 0 6 40 0 6 5 2 工程勘察原因 1 20 0 3 90 d 3 9 3 工程设计原因 1 2 4o 3 9 9o 4 0 l 4工程施工原因1 4 6o 4 6 90 4 7 2 5工程监理原因7o 0 2 3o 0 2 3 6 规范啜因 2 0 0 0 6不作考虑 对比结果分析姜罄铀訇蕊嗡粥鞴洲墨考i 拿季 太原理工大学硕士研究生学位论文 工程设计与施工不当对工程事故的影响在两个调查表中都不相同，但相差 不大，在具体工作中可以认为它们具有相同的权重值；对于工程勘察和管 理因素，统计结果中所占权重值较小，考虑到实际工作中投资方及勘察因 素直接决定了后续工作的成功与否，所以对其权值进行了放大，分别占到 7 和5 左右。对比分析后可知，计算结果是比较令人满意的。 2 3 3 模糊综合评判 2 33 1 概述 对一个事物的评价，常常要涉及多个因素或者多个指标。比如，要判 定某项产品设计是否有价值，每个人都可从不同角度考虑：有人看是否易 于投产，有人看是否有市场潜力，有人看是否有技术创新，这时就要根据 这多个因素对事物作综合评价。 模糊综合评判是在传统的综合评价基础上、根据模糊数学理论、采用 模糊评语对工程项目进行综合评价的一种方法，它在处理包含影响因素 多、评价误差大的项目中有着极其显著的优势，是软科学的基本方法之一。 目前在科学评判、项目评审、竞赛打分、企业分类和经济预测、工程项目 决策优选等方面都有着广泛的应用o 。 如果待评价事物具有模糊性，如指标因素或评语具有模糊性，则可以 采用模糊综合评判。其大致过程是：将评价目标看成是由多种因素组成的 模糊集合( 称为因垧臻蚕! ! 强酵霹彰蔷黔骝臻必娶 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 工程设计与施工不当对工程事故的影响在两个调查表中都不相同，但相差 不大，在具体工作中可以认为它们具有相同的权重值；对于工程勘察和管 理因素，统计结果中所占权重值较小，考虑到实际工作中投资方及勘察因 素直接决定了后续工作的成功与否，所以对其权值进行了放大，分别占到 7 和5 左右。对比分析后可知，计算结果是比较令人满意的。 2 3 3 模糊综合评判 2 33 1 概述 对一个事物的评价，常常要涉及多个因素或者多个指标。比如，要判 定某项产品设计是否有价值，每个人都可从不同角度考虑：有人看是否易 于投产，有人看是否有市场潜力，有人看是否有技术创新，这时就要根据 这多个因素对事物作综合评价。 模糊综合评判是在传统的综合评价基础上、根据模糊数学理论、采用 模糊评语对工程项目进行综合评价的一种方法，它在处理包含影响因素 多、评价误差大的项目中有着极其显著的优势，是软科学的基本方法之一。 目前在科学评判、项目评审、竞赛打分、企业分类和经济预测、工程项目 决策优选等方面都有着广泛的应用o 。 如果待评价事物具有模糊性，如指标因素或评语具有模糊性，则可以 采用模糊综合评判。其大致过程是：将评价目标看成是由多种因素组成的 模糊集合( 称为因素集u ) ，再设定这些因素所能选取的评审等级，组成 评语的模糊集合( 称为评语集v ) ，分别求出各单一因索对各个评审等级 的归属程度( 称为模糊矩阵) ，然后根据各个因素在评价目标中的权重分 配，通过计算( 称为模糊矩阵合成) ，求出评价的定量解。 太原理i 人学硕士研究生学位论文 表2 8算子对选用表 算子对计算公式 说明 一 属主因素决定型模型。将口。羽l 比较后取小 口，“0 ，实际上是川。f 限制或修正0 ；对所有的 ( ，v ) 6 ，= ：( n 。 0 ) 口。“取大，实际上只考虑了最突出囚素。当冈 素较多、其权重相对较小时火效。 一 属主因素突出型模型n 当口f = l 时，对评语v ，的 隶属度是0 ；当口 l 时，相应的隶属度应按比例 m ( ，v ) 6 ，。二( 口。白) 降低。它是一种以口。倍缩小0 的方法，常用丁决 定型失效的场合。 一 属加权平均型模型。适当兼