基于灰色關(guān)聯(lián)度的樁基礎(chǔ)選型的研究

方　俊

(昆明理工大學(xué)　建筑工程學(xué)院,云南　昆明　650000)

基于灰色關(guān)聯(lián)度的樁基礎(chǔ)選型的研究

方俊

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,云南昆明650000)

[摘要]樁基礎(chǔ)是當(dāng)今常用的基礎(chǔ)形式之一,而樁基礎(chǔ)的選型在基礎(chǔ)工程中則顯得尤為重要。若樁基選型不合理,將導(dǎo)致企業(yè)蒙受損失。本文應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度理論,有效地解決了樁基優(yōu)化問(wèn)題,為企業(yè)在今后從事項(xiàng)目活動(dòng)中提供參考及借鑒。

[關(guān)鍵詞]樁基礎(chǔ)；灰色關(guān)聯(lián)度；樁基優(yōu)化

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.04.136

1工程概況

天瑞萬(wàn)象城,位于西雙版納景洪市,總投資約為4億元,周邊居住環(huán)境成熟,坐擁多個(gè)知名別墅居住區(qū)及住宅社區(qū),該項(xiàng)目建筑面積21萬(wàn)平方米。由于周邊地質(zhì)情況復(fù)雜,樁基方案經(jīng)過(guò)專(zhuān)家反復(fù)考察及論證,最終提出了四種樁型可供選擇：預(yù)制砼靜壓樁、鉆孔灌注樁、沉管灌注樁、人工挖孔樁。由于考慮到預(yù)制砼靜壓樁的初期成本較低,且便于業(yè)主方管理,最終選擇了該種方案,但由于該地區(qū)地基情況較為復(fù)雜,從而在施工過(guò)程中出現(xiàn)了以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)土質(zhì)較硬的區(qū)域在壓樁時(shí)出現(xiàn)部分預(yù)制管樁斷裂、移位等情況。無(wú)法完全將樁壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高,達(dá)不到設(shè)計(jì)承載力的要求。

(2)當(dāng)?shù)貨](méi)有預(yù)制管樁廠,管樁需要從距離景洪市500多千米的玉溪市運(yùn)輸過(guò)來(lái),造成預(yù)制管樁運(yùn)輸不及時(shí),打樁工作效率低下,無(wú)法按期完工,且造成了大量工人的窩工。施工單位無(wú)法正常進(jìn)行接下來(lái)的主體施工,多次催促樁基工程進(jìn)度未果,給業(yè)主方造成了不必要的索賠。

在現(xiàn)代的樁基礎(chǔ)工程實(shí)踐中,開(kāi)發(fā)了大量的樁型,對(duì)于某一項(xiàng)具體的工程來(lái)說(shuō),樁型的選擇是一個(gè)需要慎重對(duì)待的問(wèn)題。樁基設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能選用技術(shù)性能更好、經(jīng)濟(jì)效益更高以及更適合現(xiàn)有施工條件的樁型。[1]樁基選型常采用的方法為“主要因素法”和“模糊綜合評(píng)價(jià)法”?！爸饕蛩胤ā笔强紤]初期成本最低或是工期最短的方案作為“最優(yōu)”方案,但這必將導(dǎo)致無(wú)法定量的指標(biāo)被忽略,從而造成最終方案并非真正的“最優(yōu)”方案?！澳：C合評(píng)價(jià)法”是構(gòu)建一個(gè)模糊矩陣,并通過(guò)專(zhuān)家確定權(quán)重值。綜合模糊評(píng)價(jià)為了確定指標(biāo)隸屬度,在指標(biāo)特征化中,使一些本來(lái)確定的白化值變成區(qū)間模糊值,由此出現(xiàn)誤差,甚至導(dǎo)致反結(jié)論。[2]

本文通過(guò)灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)度,對(duì)樁樁基礎(chǔ)的方案進(jìn)行分析和優(yōu)選,并引用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值,使得權(quán)重方面更加具有客觀性,以此作為評(píng)判樁基方案優(yōu)劣的決策依據(jù)。

2應(yīng)用灰色理論方法進(jìn)行樁基選型

2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化

分別從造價(jià)、工期、安全、環(huán)境、可靠性及其復(fù)雜程度6個(gè)方面對(duì)樁基礎(chǔ)的四種類(lèi)型進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中造價(jià)和工期為定量指標(biāo),可按實(shí)際要求計(jì)取,而其余指標(biāo)為定性指標(biāo),由各經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家將其進(jìn)行量化,以0～1之間的數(shù)值記取,如表1所示。

表1　四種樁基礎(chǔ)選型的量化指標(biāo)表

表1所示序號(hào)1、2、4、6為成本型指標(biāo),即越小越優(yōu)型。在一定范圍內(nèi)如果該值越小,則效用越大。而序號(hào)3、5為效益型指標(biāo),即越大越優(yōu)型,其值越大則效用越大。

2.2評(píng)價(jià)目標(biāo)與備選方案

2.3數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化

為保證方案間相同指標(biāo)的可比性,需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,即令

(1)

(2)

根據(jù)表1,分別代入(1)式和(2)式對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化,結(jié)果如表2所示。表2中參考數(shù)據(jù)列第k數(shù)據(jù)由各方案中最大值構(gòu)成,全部為1。

表2　比較數(shù)據(jù)列和參考數(shù)據(jù)列的數(shù)據(jù)無(wú)量綱化

2.4關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

以理想方案m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的無(wú)量綱值構(gòu)成參據(jù)列X0(K)(k=1,2,…,m),以各備選方案的m項(xiàng)指標(biāo)無(wú)量綱值構(gòu)成比較列Xi(K)(i=1,2,…,n;k=1,2,…,m)。然后按下式計(jì)算各參考數(shù)據(jù)列和比較數(shù)據(jù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(3)

式中,Δoi(K)為參考數(shù)據(jù)與第i個(gè)比較數(shù)據(jù)列在第k項(xiàng)指標(biāo)處的絕對(duì)差(表3),Δoi(K)=|X0(K)-XI(K)|,ζi為x0與xi在第k項(xiàng)指標(biāo)處的關(guān)聯(lián)系數(shù),ρ為分辨系數(shù),ζ取0～1之間。

表3　絕對(duì)值差的結(jié)果

(4)

由此可計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù),結(jié)果如表4所示。

表4　關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.5計(jì)算關(guān)聯(lián)度

最終由各項(xiàng)指標(biāo)在方案決策中的影響程度不同,應(yīng)該對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行加權(quán)計(jì)算：

(5)

式(5)中,w為各指標(biāo)在方案決策中的權(quán)重。

3關(guān)于權(quán)重的確定

在我國(guó)以往的研究中,采用模糊綜合評(píng)判法來(lái)進(jìn)行樁基選型,其權(quán)重值主要是通過(guò)人的主觀來(lái)判斷的,當(dāng)因素太多時(shí),很難分配權(quán)數(shù),從而造成了所選的方案并非“最優(yōu)”方案。為了使得評(píng)價(jià)目標(biāo)的權(quán)重值更加客觀準(zhǔn)確,本文引用層次分析法(AHP)來(lái)進(jìn)行確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。該方法由美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家薩蒂(T.L.Satty,1998)提出把定性與定量分析結(jié)合起來(lái)的層次權(quán)重決策分析方法,具有分層漸進(jìn)的特點(diǎn),由于它在處理復(fù)雜決策問(wèn)題上的實(shí)用性和有效性,很快在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。[3]

層次分析法適用于多準(zhǔn)則、多目標(biāo)的復(fù)雜問(wèn)題的決策分析,層次分析法的基本內(nèi)容如下：首先根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要求,提出一個(gè)兩兩對(duì)比的方法確定相應(yīng)上一目標(biāo)層的權(quán)數(shù),層層分析下去,直到最后一層,即能給出所有的因素相對(duì)于總目標(biāo)而言,按照其重要性程度進(jìn)行的一個(gè)排序。

首先建立層次結(jié)構(gòu)圖,此結(jié)構(gòu)圖分為三個(gè)層次：目標(biāo)層、標(biāo)準(zhǔn)層及決策層。如下圖所示。

層次結(jié)構(gòu)圖

由上圖可知,為了得到最佳的樁基礎(chǔ)方案,是分別從造價(jià)、工期、安全性、環(huán)境污染、可靠性及其施工復(fù)雜程度方面來(lái)進(jìn)行衡量的。這就需要求出標(biāo)準(zhǔn)之間的權(quán)重值。由表5可知各標(biāo)準(zhǔn)兩兩比較求得相對(duì)權(quán)重值。

表5　相對(duì)重要性標(biāo)度

根據(jù)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間的相對(duì)權(quán)重,將這6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行兩兩比較,得出標(biāo)準(zhǔn)之間兩兩比較矩陣如表6所示。

表6　標(biāo)準(zhǔn)之間的兩兩比較矩陣

造價(jià)與工期之間相比,造價(jià)的重要程度比工期是在稍微與明顯之間,故定a12=4,造價(jià)與安全性相比較,安全性比造價(jià)明顯重要,則定a13=1/5,環(huán)境、可靠性及復(fù)雜程度相對(duì)于造價(jià),造價(jià)更為重要,則我們分別令a14=7,a15=6,a16=5,由于標(biāo)度的倒數(shù)定義,可知a21=1/4,a31=5,a41=1/7,a51=1/6,a61=1/5，顯然,每個(gè)方案與自己相比其重要程度肯定是相同的,故a11=a22=a33=a44=a55=a66=1。求出兩兩比較矩陣每一列的總和,兩兩比較矩陣的每一元素除以其相對(duì)應(yīng)列的總和,所得商為標(biāo)準(zhǔn)兩兩比較矩陣,并計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)兩兩比較矩陣的每一行的平均值,該值就是各指標(biāo)的權(quán)重值。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)之間的兩兩比較矩陣,求得標(biāo)準(zhǔn)的特征向量為(0.253,0.114,0.463,0.030,0.070,0.070),即造價(jià)權(quán)重為0.253,工期權(quán)重為0.114,安全性權(quán)重為0.463,環(huán)境影響權(quán)重為0.030,可靠性權(quán)重為0.070,復(fù)雜程度權(quán)重為0.070。

為了防止判斷結(jié)果與實(shí)際情況偏差過(guò)大,需要對(duì)評(píng)價(jià)的矩陣中每一個(gè)權(quán)重值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

由標(biāo)準(zhǔn)之間的兩兩比較矩陣與權(quán)重值之乘積,所得的向量為賦權(quán)和向量。如下所示：

由每個(gè)賦權(quán)和向量的分量分別除以對(duì)應(yīng)特征向量的分量,得(7.04,6.61,7.28,6.33,6.23,6.09),則評(píng)價(jià)矩陣最大特征根得

CI=0.119。

計(jì)算一致性率CR則需引入修正值RI,當(dāng)n=6時(shí),RI=1.24,則

由于CR≤0.1,則認(rèn)為兩兩比較矩陣之間的一致性可以接受,其相應(yīng)求得的特征向量有效。

4關(guān)聯(lián)度的加權(quán)計(jì)算

預(yù)制砼靜壓樁=0.253×1.0+0.114×0.33+0.463×0.6+0.03×1.0+0.07×1.0+0.07×0.5=0.703

鉆孔灌注樁=0.253×0.54+0.114×0.40+0.463×1.0+0.03×0.4+0.07×0.6+0.07×0.33=0.722

沉管灌注樁=0.253×0.77+0.114×0.67+0.463×1.0+0.03×0.33+0.07×0.6+0.07×0.33=0.807

人工挖孔樁=0.253×0.33+0.114×1.0+0.463×0.33+0.03×0.67+0.07×0.33+0.07×1.0=0.465

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論的關(guān)聯(lián)度原理,四種方案的優(yōu)化順序依次是：沉管灌注樁>鉆孔灌注樁>預(yù)制砼靜壓樁>人工挖孔樁。所以最終選擇沉管灌注樁作為本工程的“最優(yōu)”方案。

5結(jié)論

在本案例中,之所以在施工過(guò)程中出現(xiàn)了各種問(wèn)題,是由于選擇了預(yù)制砼靜壓樁的方案所造成的,最終通過(guò)本文分析,選擇采用沉管灌注樁,根據(jù)其施工工藝,避免了管樁斷裂的問(wèn)題,而且由于是現(xiàn)場(chǎng)灌注,也不可能存在由于運(yùn)距遠(yuǎn)所造成的工期拖延。

通過(guò)引入灰色關(guān)聯(lián)度的方法,不僅解決了“主觀因素法”中容易忽略無(wú)法定量指標(biāo)的問(wèn)題,而且克服了模糊綜合評(píng)判法中對(duì)于權(quán)重確定的主觀性。

結(jié)合實(shí)際工程情況,樁基礎(chǔ)選型量化指標(biāo)表內(nèi)的系數(shù)是不斷變化的,我們應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境選擇合理的樁基類(lèi)型。在其他項(xiàng)目中,選擇預(yù)制砼靜壓樁方案將可能優(yōu)于沉管灌注樁,不能僅僅看到初期成本低,就片面地選擇成本最低的方案。該方法在保證樁基結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上,降低了工程造價(jià),并且極大地縮短了工期,使企業(yè)在項(xiàng)目活動(dòng)中取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]張忠苗.樁基工程 [M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[2]康彥民.公路工程建設(shè)項(xiàng)目的綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與決策分析 [J].公路交通科技,2001(2):87.

[3]胡新萍,王芳.模糊綜合評(píng)價(jià)法在既有建筑節(jié)能改造評(píng)估中的應(yīng)用 [J].建筑技術(shù),2014(9):95-96.