軟土地區(qū)深基坑支護(hù)方案優(yōu)選模型研究及應(yīng)用★

彭文柏

(云南省建筑科學(xué)研究院，云南昆明 650223)

0 引言

深基坑工程系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的巖土工程問(wèn)題，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)方案選擇的好壞直接關(guān)系到整個(gè)工程的成?。?，2］。由于深基坑工程具有區(qū)域性強(qiáng)、造價(jià)高、發(fā)生事故后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，使得基坑支護(hù)方案必須科學(xué)合理、安全可靠、方便可行、造價(jià)經(jīng)濟(jì)。因此，如何科學(xué)有效地進(jìn)行基坑支護(hù)方案的優(yōu)選顯得尤為重要。

深基坑支護(hù)方案的優(yōu)選是根據(jù)某一深基坑工程所要達(dá)到的目標(biāo)，從眾多可行方案中選出一個(gè)最佳方案，本質(zhì)上是對(duì)多種方案下多目標(biāo)的評(píng)價(jià)與選擇。目前，相關(guān)專家學(xué)者針對(duì)基坑支護(hù)方案優(yōu)選開(kāi)展了深入研究，提出了一系列不同的基坑支護(hù)方案優(yōu)選方法，取得了一定的研究成果，歸納如下:王廣月等［1］根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性及評(píng)價(jià)方案的層次性，采用模糊數(shù)學(xué)理論和層次分析理論，建立基坑支護(hù)方案的優(yōu)選模型。張尚根、陳燦壽等［2］根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性，采用模糊數(shù)學(xué)理論建立了優(yōu)選模型。阮永芬、葉燎原［3］根據(jù)各指標(biāo)的信息不完全性及相互關(guān)聯(lián)性，采用灰色系統(tǒng)理論對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)選。馮玉國(guó)、王渭明［4］根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不相容性，提出基于灰色物源分析的優(yōu)選模型。馮慶高、周傳波等［6］提出了灰色模糊可變決策法。梅年峰、羅學(xué)東、蔣楠等［8］提出了灰色多目標(biāo)決策模型進(jìn)行基坑支護(hù)方案優(yōu)選。

鑒于此，通過(guò)調(diào)查研究以昆明為例的軟土地區(qū)工程地質(zhì)特征，明確影響軟土地區(qū)深基坑方案優(yōu)選的因素，建立了一套多層次、多目標(biāo)基坑支護(hù)方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法選取最優(yōu)的基坑支護(hù)方案。

1 灰色系統(tǒng)理論計(jì)算原理

1.1 灰色關(guān)聯(lián)法基本思想

灰關(guān)聯(lián)法的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密，曲線越接近，相應(yīng)序列之間的灰關(guān)聯(lián)度就越大，反之越小。簡(jiǎn)而言之，灰色關(guān)聯(lián)分析法就是通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)特征變量數(shù)據(jù)序列與相關(guān)因素變量數(shù)據(jù)序列之間的關(guān)聯(lián)度，建立灰關(guān)聯(lián)矩陣，利用優(yōu)勢(shì)分析原則，得出各影響因素的順序，以確定主要影響因素［8］。

設(shè)灰色系統(tǒng)有n個(gè)灰色因子數(shù)列，即:

如果要以其中任意的一組數(shù)列Xj為母序列(參考序列)來(lái)分別計(jì)算序列Xi，i≠j，相對(duì)于Xj(i)之間的關(guān)聯(lián)度、關(guān)聯(lián)序以及關(guān)聯(lián)矩陣。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算步驟

1)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)變換。

為了使各數(shù)列間具有統(tǒng)一的量綱，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。原始數(shù)據(jù)預(yù)處理有多種方式主要包括:

a.初值化變化。

b.均值化變換。

4)求Xi對(duì)各數(shù)列每個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(ij)(k)。

其中，η∈［0，1］，一般可取0.5。

5)計(jì)算各數(shù)序列對(duì)Xj的關(guān)聯(lián)度。

2 軟土地區(qū)深基坑支護(hù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

依據(jù)軟土地區(qū)城市建筑密集的特點(diǎn)，基坑支護(hù)方案的選擇不僅要考慮方案的安全可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，同時(shí)需考慮基坑工程對(duì)周圍環(huán)境的影響以及施工便捷性。因此合理構(gòu)建深基坑支護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)考慮的因素主要包括:基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)、合理，直接關(guān)系到基坑支護(hù)安全;基坑支護(hù)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響則包括降水引起地面沉降、側(cè)向變形等;施工方案便捷性影響施工工期、施工難易程度等;方案經(jīng)濟(jì)合理性體現(xiàn)在工程造價(jià)和工程失效的經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)昆明軟土地區(qū)深基坑工程建設(shè)實(shí)際特點(diǎn)、周邊環(huán)境、工程地質(zhì)條件等，從安全可行性、環(huán)境保護(hù)、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)合理性4個(gè)方面構(gòu)建基坑支護(hù)方案多層次多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，主要由4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)(B1，B2，B3，B4)和 12 個(gè)二級(jí)指標(biāo)(C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12)組成，參見(jiàn)圖1。

圖1 深基坑支護(hù)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

昆明市軟土區(qū)域地質(zhì)是內(nèi)陸斷陷盆地型軟土的一個(gè)典型代表，隨著深大基坑工程建設(shè)不斷涌現(xiàn)，軟土地質(zhì)特征對(duì)深基坑工程的影響日趨明顯。昆明軟土區(qū)域形成的地質(zhì)背景較為特殊，瀕臨滇池水體，是典型的高原斷陷盆地型軟土。

昆明擬建某安置小區(qū)，占地總面積約19 850 m2，基坑開(kāi)挖深度約為5.2 m～7.5 m。該建筑物共設(shè)2層地下室?，F(xiàn)場(chǎng)為拆除舊房場(chǎng)地，場(chǎng)地北側(cè)有3層高的建筑，距離基坑約為6.5 m，南側(cè)則有護(hù)城河，東側(cè)為光大銀行6層建筑，距基坑9 m左右，西側(cè)為環(huán)城西路?；娱_(kāi)挖影響的土層為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥、粉質(zhì)粘土、中粗砂，土層的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1，開(kāi)挖土層為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥，基坑開(kāi)挖后整體穩(wěn)定性較差，需要對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，且基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土層含水性和透水性較差，需要采取有效地止水措施。

根據(jù)基坑工程的特點(diǎn)、場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件、相關(guān)的施工經(jīng)驗(yàn)等，初步考慮三種基坑支護(hù)方案:排樁+內(nèi)支撐+單排深層攪拌樁防滲幕墻(A1)、排樁+錨桿+單排深層攪拌樁防滲幕墻(A2)、地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐(A3)。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)

3.2 確定理想方案的指標(biāo)期望值

按照上述的基坑支護(hù)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，邀請(qǐng)10名專家對(duì)備選方案及理想方案的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行邏輯推理評(píng)語(yǔ)評(píng)價(jià)，進(jìn)而確定備選方案和理想方案的各指標(biāo)期望值，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3.3 基于灰關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的最優(yōu)方案評(píng)價(jià)

運(yùn)用DPS灰關(guān)聯(lián)模型，分別從一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)、一二級(jí)綜合指標(biāo)作為計(jì)算參數(shù)三個(gè)方面計(jì)算備選方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度。其中原始數(shù)據(jù)采用均值化變換，分辨系數(shù)ρ取0.5。綜合分析比較而確定最優(yōu)的方案。

1)以一級(jí)指標(biāo)為計(jì)算參數(shù)，其計(jì)算的結(jié)果(指標(biāo)均值變換、關(guān)聯(lián)矩陣)見(jiàn)表3，表4。

表2 專家對(duì)備選方案和理想方案指標(biāo)的評(píng)價(jià)表(一、二級(jí)指標(biāo))

表3 一級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

表4 一級(jí)指標(biāo)方案的綜合關(guān)聯(lián)度

根據(jù)表4可知γ1＞γ2＞γ3，則由一級(jí)指標(biāo)可確定A1方案為最優(yōu)支護(hù)方案。

2)以二級(jí)指標(biāo)為計(jì)算參數(shù)，其計(jì)算的結(jié)果(指標(biāo)均值變換、關(guān)聯(lián)矩陣)見(jiàn)表5，表6。

根據(jù)表6可知γ1＞γ2＞γ3，則由二級(jí)指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度可確定A1方案為最優(yōu)支護(hù)方案。

綜上兩種不同的最優(yōu)支護(hù)方案的方法，均獲得結(jié)果為γ1＞γ2＞γ3，因此，第一種方案即排樁支護(hù)+內(nèi)支撐+單排深層攪拌樁防滲幕墻A1為最優(yōu)方案。該方案為實(shí)際工程采納，實(shí)際運(yùn)用效果良好。

表5 二級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

4 結(jié)語(yǔ)

1)以昆明擬建某安置小區(qū)深基坑工程為例，依據(jù)軟土地區(qū)工程的地質(zhì)特點(diǎn)，從安全可行性、環(huán)境保護(hù)、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)合理性等4個(gè)方面構(gòu)建了適用于軟土地區(qū)深基坑支護(hù)方案的多層次、多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，主要是由4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和12個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成。

表6 二級(jí)指標(biāo)方案的綜合關(guān)聯(lián)度

2)基于灰色關(guān)聯(lián)方法，分別以一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)為計(jì)算參數(shù)，分析兩種不同情況下備選方案與理想方案的綜合關(guān)聯(lián)度，以此對(duì)基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)選。高級(jí)指標(biāo)從整體范圍上對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，低級(jí)指標(biāo)則考慮到具體的影響因素，兩者有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從不同層面分別考慮，可達(dá)到相互印證的效果，為方案優(yōu)選提供了充分的參考依據(jù)。工程實(shí)例研究表明，該方法科學(xué)合理、簡(jiǎn)單易行，與工程實(shí)際情況吻合，實(shí)施效果良好，具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

［1］王廣月，劉 健，芮洪范.深基坑支護(hù)方案的模糊物元評(píng)價(jià)方法［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34(2):84-88.

［2］張尚根，陳燦壽，夏 炎.深基坑支護(hù)方案的模糊優(yōu)選模型及其應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(12):2046-2048.

［3］阮永芬，葉燎原.用灰色系統(tǒng)理論與方法確定深基坑支護(hù)方案［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(7):1203-1206.

［4］馮玉國(guó)，王渭明.深基坑支護(hù)方案灰色物元分析優(yōu)化模型及其應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2009，30(8):2467-2470.

［5］楊曉強(qiáng).某基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.山西建筑，2012，38(3):71-72.

［6］馮慶高，周傳波，傅志峰，等.基坑支護(hù)方案的灰色模糊可變決策模型［J］.巖土力學(xué)，2010，31(7):2226-2231.

［7］魏新江，余 銀，張世民.基于模糊灰關(guān)聯(lián)投影法的深基坑支護(hù)方案優(yōu)選［J］.巖土力學(xué)，2011，32(S1):438-444.

［8］梅年峰，羅學(xué)東，蔣 楠，等.基坑支護(hù)方案灰色多目標(biāo)決策優(yōu)選模型的建立與應(yīng)用［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，44(5):1982-1987.

［9］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002:65-69.