基于云模型的深基坑施工風險等級評價

楊昭

摘要：云模型是一種可以實現(xiàn)定性與定量之間相互轉(zhuǎn)化的模型，由于深基坑工程的風險多表現(xiàn)出復(fù)雜性和模糊性，導(dǎo)致一般的評價模型很難對其合理準確的評價，云模型是能把定量數(shù)值與定性指標互相轉(zhuǎn)化的模型，我們選取有可能影響深基坑工程正常進行的幾個主要風險評價因子，建立層級遞進的矩陣求得風險因子權(quán)重。依據(jù)云模型的計算規(guī)則，再結(jié)合各評價因子的權(quán)重，得到綜合評價值，依據(jù)綜合評價值確定深基坑工程的風險等級。在應(yīng)用實例中，將云模型得出的評價結(jié)果與模糊綜合評價的結(jié)果、施工風險評估報告相對比，得出的結(jié)果一致，說明我們建立的模型科學合理，從中我們可以體會到云模型可以把定性和定量數(shù)值相互轉(zhuǎn)化這個獨特的優(yōu)點，也給我們一定的啟示，使用云模型可將類似的情況進行合理準確的評價。

Abstract： The cloud model is a model that can realize the conversion between qualitative and quantitative. Because the risk of deep foundation pit engineering often shows complexity and ambiguity， it is difficult for the general evaluation model to evaluate it reasonably and accurately. The cloud model is a model that can convert quantitative values and qualitative indicators to each other. We select several major risk assessment factors that may affect the normal progress of deep foundation pit engineering， and establish a progressive matrix to obtain the weight of risk factors. According to the calculation rules of the cloud model and the weight of each evaluation factor， a comprehensive evaluation value is obtained， and the risk level of the deep foundation pit project is determined according to the comprehensive evaluation value. In the application example， the evaluation results obtained by the cloud model are compared with the results of the fuzzy comprehensive evaluation and the construction risk assessment report and the results obtained are consistent， indicating that the model we have established is scientific and reasonable， from which we can realize that the cloud model has unique advantage of the mutual conversion of qualitative and quantitative values also gives us some inspiration. The cloud model can be used to reasonably and accurately evaluate similar situations.

關(guān)鍵詞：云模型;深基坑工程;綜合評價值

Key words： cloud model;deep foundation pit engineering;comprehensive evaluation value

中圖分類號：TU473.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）17-0057-03

0 ?引言

深基坑工程施工中面臨的風險往往十分復(fù)雜，多表現(xiàn)出非線性。雖然專家學者也創(chuàng)造了一些例如模糊評價法等方法來對其進行評價，雖然也取得了一些成果，但是由于其模糊性和隨機性等特點，以至于很難創(chuàng)造出一種通用的判別方法來對其準確評價[1]。國內(nèi)外尚無對深基坑施工風險評價的具體模型與體系，許多問題還處于初級研究階段[2-5]。

1995年，李德毅院士提出了云模型理論，云模型是一種可以把定性語言和定量數(shù)值間相互轉(zhuǎn)換的模型，理論自提出至今，已經(jīng)成功運用到數(shù)據(jù)挖掘、決策分析等許多領(lǐng)域。本文依據(jù)之前的專家學者在研究工作中所獲得的寶貴經(jīng)驗，通過建立云模型，對深基坑工程的風險進行評價。將深基坑工程進行中可能面對的風險劃分等級，把主要的影響因子的模糊關(guān)系通過云模型合理的表達出來，使人們對風險的判斷更加科學準確，在深基坑工程施工前做出合理的風險判斷與預(yù)防措施[6]。

1 ?云模型理論與方法

1.1 云模型的數(shù)字特征

設(shè)U是一個定量的論域，由精確數(shù)值組成。U中存在著定性概念C、定量數(shù)值x，且x的一次隨機實現(xiàn)為C，x對C的確定度μ（x）∈[0，1]，是具有穩(wěn)定傾向的隨機數(shù)，即：

μ：U→[0，1]，？坌x∈U，x→μ（x）

則x在論域U上的分布稱為云，記為C（X）。

云模型的數(shù)字特征即為定性概念的定量描述，由期望 Ex、熵En和超熵He組成，記為C（Ex，En，He）。期望Ex反映了定量描述的中心值。熵En是對定性概念的綜合評價，既可以反應(yīng)云滴的取值空間，又能反映其離散程度。超熵He便是熵的熵，可以反應(yīng)云滴的離散程度，云滴的厚度隨著He的增大而增大[7]。

1.2 云發(fā)生器

云模型要借助云發(fā)生器才能實現(xiàn)，本文采用正向正態(tài)云發(fā)生器建立云模型，通過MATLAB 軟件上編程來實現(xiàn)。

正態(tài)云定義如下：若x滿足x-N（Ex，En'2），其中En'-N（Ex，En2），且x對C的確定度滿足：

μ（x）=exp[■]（1）

則x在論域U上的分布稱為正態(tài)云[8]。

1.3 評價指標云化方法

本文通過正向的云模型把風險因子的數(shù)值云化。當指標變量的界限為雙邊時，例如x∈（a，b），數(shù)字特征值通過下式來計算：

■

He為常數(shù)，根據(jù)變量的模糊程度等取值，可根據(jù)經(jīng)驗取0.01。

如果變量只有單邊界限，如xj∈（c，+∞），則Ex可取c，En取值和上一風險等級相同。設(shè)I（0，a）、II（a，b）、III（b，c）和IV（c，+∞）為評價因子xj的4個評價等級區(qū)間，各區(qū)間的特征值的計算規(guī)則如表1所示[9]。

■

2 ?基于云計算的深基坑施工風險評價模型

2.1 評價步驟

①首先挑選出可能影響深基坑工程進行的風險因子，然后依據(jù)這些因子計算出相應(yīng)等級的期望與熵，然后把這些特征值帶入正向正態(tài)云發(fā)生器生成云滴，進而建立相對應(yīng)的評價模型。②根據(jù)所得的特征值，計算出該風險相對于各評價等級的確定度，在乘以相應(yīng)的風險權(quán)重，得出該風險因子在不同級別下的綜合確定度值。③根據(jù)最大確定度的原理，可以得出評價因子的風險等級。

2.2 深基坑風險因子與權(quán)重的確定

依據(jù)深基坑的規(guī)范、前人的理論與實踐基礎(chǔ)、相關(guān)資料等選擇具有代表性并可定量評價的相關(guān)風險因子。本文挑選了可能影響深基坑工程施工進行的8個風險因子，分為工程地質(zhì)因素、水文氣象因素與設(shè)計施工因素等三大類。①土的靈敏度St，反應(yīng)土結(jié)構(gòu)被破壞時的靈敏程度; ②靜止土壓力，反應(yīng)深基坑支護結(jié)構(gòu)所受的土壓力，用靜止土壓力系數(shù)K0表示;③土的密度ρ;④結(jié)構(gòu)面粘聚力C; ⑦含水層透水性K2，考慮降水和地下水對深基坑水文環(huán)境的影響，用滲透系數(shù)表示;⑧基坑開挖面積;⑨基坑深度H[10]。通過查閱圖集和相關(guān)資料，將所述風險分成四個級別，分別為低級風險（I）、中級風險（II）、高級風險（III）和極高風險（IV）。風險分級指標如表2所示。

通過層次分析法來構(gòu)造具有兩個指標層的遞階矩陣，建立的矩陣共有兩個指標層，設(shè)計因素等作為判別矩陣的第一層，第一層的對應(yīng)指標作為第二層[11]，見表2。

組織專家打分并把分數(shù)歸一化處理得到各因子的對應(yīng)權(quán)重。一層權(quán)重為：Y=（x1，x2，x3）=（0.4，0.4，0.2）;二層權(quán)重為y1=（0.3，0.1，0.25，0.15，0.2），y2=（0.6，0.4），y3=（0.5，0.5），由此得出總權(quán)重y=（0.12，0.04，0.1，0.06，0.08，0.24，0.16，0.1，0.1）。

2.3 風險云模型

按照表1的計算規(guī)則和表2的數(shù)據(jù)，計算所得出的風險因子的特征值見表3。

把所得的特征值帶入正向正態(tài)云發(fā)生器，生成各個風險因子的云模型，見圖1。

3 ?實例應(yīng)用

臨沂市某深基坑工程，基坑項目工程位于臨沂市主城區(qū)，該項目是建設(shè)一棟住宅，建筑面積16756.8m2，框剪結(jié)構(gòu)，高度85m。基坑最大挖深9.9m，周圍地質(zhì)條件復(fù)雜，深基坑工程進行中會面臨較高的風險。在工程施工的不同階段，選取有代表性的位置進行采集數(shù)據(jù)，得出5組樣本，如表4所示。

■

把數(shù)值帶入式（1）中可得出各風險因子對應(yīng)各風險等級的確定度，以樣本一中St的數(shù)據(jù)為例來解釋操作的方法。把數(shù)據(jù)St=1.5帶入云發(fā)生器，計算出其在不同風險等級下的確定度μI=0.187，μII=0.003，μIII=0，μIV=0，由最大確定度原則可知該因子隸屬于I級風險的可能性較大。查閱表2中的分級情況，當St=1.5時屬于第I級風險，計算結(jié)果與分級情況相吻合，說明云模型的可行性，其他風險因子的確定度可以通過同樣的方法獲得。把計算出的風險因子的確定度帶入公式（2）計算出綜合的確定度Z，依據(jù)最大確定度原則得出樣本的風險等級。

■ （2）

公式中，μ為確定度，wi為風險對應(yīng)的權(quán)重。

搜集的樣本對應(yīng)的各風險等級的評價結(jié)果見表5。

本文采取了與模糊綜合評價法相對比的方式來驗證云模型的可行性，云模型所得結(jié)果與模糊綜合評價得出的結(jié)果相同，說明云模型是可行的，結(jié)果如表5所示。

評價結(jié)果表明，該深基坑工程風險隸屬于III與IV級風險較多，開工前應(yīng)做好相應(yīng)的風險控制，避免風險事件的發(fā)生。

4 ?結(jié)論

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，各種超高層建筑層出不窮，各種如隧道等地下工程的不斷增多，這些因素推動了深基坑工程的發(fā)展，也使深基坑工程的施工變得更加復(fù)雜，面臨的風險也不斷增加，然而深基坑工程施工時所面臨的風險多表現(xiàn)為模糊性和不確定性，一般評價模型很難對其風險進行合理的評價。本文通過建立云模型，利用云模型可以將定性指標與定量指標相互轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢，結(jié)合AHP法所得權(quán)重以及最大確定度原則，進行深基坑風險的評價，得出工程的風險等級，又將所得結(jié)果與模糊綜合評價這一方法所得結(jié)果相對比，確定了所建評價模型的可行性。在工程實例的分析中，基于云模型而建立的評價模型將定性的評價指標進行合理的轉(zhuǎn)換，使由于主觀原因影響評價結(jié)果準確性的問題得到解決，保證了最終評價結(jié)果科學合理。對深基坑風險等級的準確評價給以后的風險控制提供了科學的依據(jù)，對防止風險事件的發(fā)生起到了重要的作用。

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