潛在滑坡體對(duì)橋梁樁基安全影響的評(píng)價(jià)分析

楊 凱

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京市100160）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在山區(qū)建設(shè)道路橋梁愈加增多。由于沖溝區(qū)的存在，在滑坡作用下樁基的受力變大，此外使用以及維護(hù)的不適當(dāng)也會(huì)對(duì)橋梁的耐久性、安全性、適用性產(chǎn)生不利影響。因滑坡發(fā)生存在偶然性、不確定性、危害性，故而科學(xué)評(píng)估沖溝區(qū)橋梁樁基周?chē)鷰r體發(fā)生滑坡的可能性，提前做好防治措施，對(duì)于減少人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁樁基的安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了一系列研究。馮忠居等[1]對(duì)工程進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，并應(yīng)用層次分析法進(jìn)行了分析，研究了多雨沖溝區(qū)在役橋梁樁基礎(chǔ)工程中的安全影響因素和安全評(píng)價(jià)方法，并由此提出相應(yīng)的安全保障措施。焦生軍等[2]采用層次分析法，對(duì)既有橋梁評(píng)價(jià)方法的概念、內(nèi)容、自身特征及評(píng)價(jià)與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的相互關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)描述，并提出相應(yīng)的實(shí)施措施。禹智濤等[3]運(yùn)用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，建立綜合評(píng)價(jià)模型，并修正了評(píng)價(jià)中的相關(guān)參數(shù)，為橋梁的維修加固提供相應(yīng)的處治技術(shù)。徐家云等[4]人研究了模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)理論在公路橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用情況，利用超安全度與模糊綜合評(píng)價(jià)來(lái)評(píng)斷橋梁的最終技術(shù)狀態(tài)等級(jí)。王有志等[5]通過(guò)分析橋梁結(jié)構(gòu)部位的受力特征，建立了多層次綜合評(píng)價(jià)模型，根據(jù)層次分析法的基本原理，最終建立了評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)體系的評(píng)價(jià)方法。目前，大多研究都只采用了單一的評(píng)價(jià)方法，各種評(píng)價(jià)方法也各有利弊，因此交互使用不同的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于建立更加全面的安全評(píng)價(jià)體系及提出更加安全的保護(hù)措施具有重要意義。

本文主要基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)某高速公路沖溝區(qū)橋梁樁基的安全影響因素、危險(xiǎn)度的劃分及相應(yīng)的防護(hù)措施進(jìn)行分析，建立滑坡沖溝區(qū)的安全評(píng)價(jià)模型，并根據(jù)安全等級(jí)提出相應(yīng)的安全防護(hù)措施。

1 依托工程簡(jiǎn)介

某高速公路工程路線(xiàn)設(shè)大橋跨越某河流，橋梁與河流交角約80°，橋位處河寬80 m，河兩岸橫坡較陡，上部陡坎處出露部分為厚層砂巖，中下部為堆積部分為崩坡積，厚2～5 m，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)自流井組粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖，巖層傾向?yàn)镹W350°，傾角6°，產(chǎn)狀350°∠6°，巖層傾向坡內(nèi)，整體穩(wěn)定。橋位區(qū)地貌屬中低山侵蝕河谷地貌，區(qū)內(nèi)最低海拔430 m，最高點(diǎn)為東、南側(cè)山梁，海拔1 000-1 500 m，相對(duì)高差約570-1 070 m，區(qū)內(nèi)主千山脈延伸方向一般呈北東- 南西向，地形受構(gòu)造和巖性控制明顯，斜坡植被茂盛，如圖1 所示。

圖1 河流兩岸的橋梁樁基

2 滑坡沖溝區(qū)附近橋梁安全的影響因素

在沖溝區(qū)處的橋梁樁基，由于經(jīng)常處于滑坡區(qū)，且在雨水作用下極易導(dǎo)致滑坡對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生巨大危害。因此有必要對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)依托工程的調(diào)研，沖溝區(qū)附近影響橋梁樁基安全的因素主要分為人為因素和自然因素兩大類(lèi)。

（1）人為因素：主要有樁基位置、樁基周?chē)鷹壏綏壴黐6-8]、施工規(guī)范程度、監(jiān)測(cè)意識(shí)、防護(hù)措施。

（2）自然因素：主要包括樁周巖土性質(zhì)、相對(duì)高差、坡度、植被覆蓋率、日最大降雨量、地震烈度

2.1 安全評(píng)價(jià)體系

為了簡(jiǎn)化層次分析法，借助多次模糊綜合評(píng)價(jià)方法，并由專(zhuān)家評(píng)價(jià)法確定影響橋梁安全性的各因素的權(quán)重和隸屬度。評(píng)價(jià)方法由20 人的專(zhuān)家組根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)照等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，給出每個(gè)指標(biāo)相應(yīng)等級(jí)，由每個(gè)等級(jí)下的專(zhuān)家比例確定相應(yīng)的隸屬度，并形成隸屬矩陣，然后采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算，最終確定橋梁樁基的危險(xiǎn)等級(jí)。

參考地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)方法將滑坡對(duì)橋梁樁基的危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為：Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)。其中Ⅰ級(jí)代表危險(xiǎn)度最?。虎蚣?jí)代表危險(xiǎn)度中等；Ⅲ級(jí)代表危險(xiǎn)度最大。具體詳見(jiàn)表1。

表1 單指標(biāo)危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

參加本次打分的人員有行業(yè)專(zhuān)家4 名，業(yè)主3名，施工單位10 名，設(shè)計(jì)院3 名。打分表見(jiàn)表2。

表2 專(zhuān)家打分表

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

2.2.1 系統(tǒng)層次分析評(píng)價(jià)法模型的建立

對(duì)于沖溝區(qū)滑坡處的橋梁樁基，經(jīng)過(guò)分析建立層次分析模型。其中：目標(biāo)層為滑坡對(duì)于樁基的危害；準(zhǔn)則層為人為因素、自然因素；指標(biāo)層（1）為樁周巖土特性、相對(duì)高度、坡度、植被覆蓋率、日最大降雨量、地震烈度；指標(biāo)層（2）為樁基位置、樁周不良堆載、監(jiān)測(cè)意識(shí)、防護(hù)措施。

2.2.2 指標(biāo)集及評(píng)語(yǔ)集的確定

（1）一級(jí)指標(biāo)

U= {U1，U2} = {自然因素，人為因素}

（2）二級(jí)指標(biāo)

U1= {U11，U12，U13，U14，U15，U16，U17}={樁 周 巖 土特性，相對(duì)高度，坡度，植被覆蓋率，日最大降雨量，地震烈度}

U2= {U21，U22，U23，U24}={樁基位置，樁周不良堆載，監(jiān)測(cè)意識(shí)，防護(hù)措施}

（3）評(píng)語(yǔ)集

V={V1，V2，V3}={Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)}

2.2.3 判斷矩陣及權(quán)重系數(shù)的確定

權(quán)重是指某一因素或指標(biāo)相對(duì)于某一事物的重要程度，其不同于一般的比重，體現(xiàn)的不僅僅是某一因素或指標(biāo)所占的百分比，強(qiáng)調(diào)的是因素或指標(biāo)的相對(duì)重要程度，傾向于貢獻(xiàn)度或重要性。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算

3.1 權(quán)重計(jì)算

（1）計(jì)算比較判斷矩陣每一行元素的乘積

式中：U為影響評(píng)價(jià)對(duì)象的因素合集，即滑坡對(duì)樁基造成危害的因素之和，評(píng)價(jià)時(shí)將U分為Ui和Uij兩級(jí)指標(biāo)；Ui為包括自然因素和人為因素兩類(lèi)的一級(jí)指標(biāo)；Uij為包括樁周巖土特性、相對(duì)高度等在內(nèi)的二級(jí)指標(biāo)；i、j分別為指標(biāo)在指標(biāo)集中的行、列編號(hào)；n是影響因素的個(gè)數(shù)。

例如：

（2）求Ui的第n次方根

式中：a'i為單個(gè)影響因素的數(shù)值大小，即：第i個(gè)影響因素Ui的絕對(duì)大小。

例如：

向量歸一化處理：

例如：

3.2 一致性檢驗(yàn)

只有通過(guò)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，才能夠確定我們通過(guò)層次分析法確定的指標(biāo)值的是否合理，具體步驟如下：

計(jì)算判斷矩陣一致性的指標(biāo)CI：

式中：λ 為判斷矩陣的特征向量，而λmax為判斷矩陣最大特征根的平均值；n為樣本構(gòu)成的矩陣形成的維數(shù)。

計(jì)算一致性比率CR：

式中：RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，它是通過(guò)多次重復(fù)性隨機(jī)判斷矩陣特征根計(jì)算得出的算術(shù)平均值。

因?yàn)镃R= 0＜0.1，故此判斷矩陣的一次性合理，通過(guò)，歸一化權(quán)值為：Wi={0.5，0.5}。同理可以算出其他的權(quán)重系數(shù)。

（1）準(zhǔn)則層，指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 準(zhǔn)則層U 指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重系數(shù)

U= {U1，U2} = {自然因素，人為因素}

（2）指 標(biāo) 層（1）：U1= {U11，U12，U13，U14，U15，U16，U17}={樁周巖土特性，相對(duì)高度，坡度，植被覆蓋率，日最大降雨量，地震烈度}，判斷矩陣及權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 指標(biāo)層（1）判斷矩陣及權(quán)重系數(shù)

（3）指標(biāo)層（2）：U2= {U21，U22，U23，U24}={樁基位置，樁周不良堆載，監(jiān)測(cè)意識(shí)，防護(hù)措施}，判斷矩陣及權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表5。

表5 指標(biāo)層（2）判斷矩陣及權(quán)重系數(shù)

3.3 模糊關(guān)系矩陣的確定

根據(jù)表2 中的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層的值，采用因素相互比較的方式，得到準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層、目標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層兩者的影響關(guān)系，可以知道準(zhǔn)則層的判斷矩陣R1，R2分別為：

3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

（1）自然因素U1的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B1

根據(jù)表4 得到判斷矩陣中各因素對(duì)其準(zhǔn)則的權(quán)向量，指標(biāo)層（1）可歸一化為W1：

式中：W1為二級(jí)指標(biāo)集U1的權(quán)重集；rij為判斷矩陣中第i行第j列的元素；rik同理；n為元素個(gè)數(shù)。

則：

（2）人為因素U2的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B2

將表5 中指標(biāo)層（2）歸一化權(quán)值向量記為W2，算法同W1，則

式中：W2為二級(jí)指標(biāo)集U2的權(quán)重集。則：

二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

在判斷矩陣一次性合理的條件下，根據(jù)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以根據(jù)下式得到二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B：

式中：B為潛在滑坡體對(duì)橋梁樁基安全影響的隸屬函數(shù)值；R為一級(jí)指標(biāo)Ui的單因素評(píng)價(jià)矩陣，則R=]；W為一級(jí)指標(biāo)集的權(quán)重集，在3.2 小節(jié)中已知：Wi=｛0.5，0.5｝。

從上式計(jì)算結(jié)果可以知道隸屬于“Ⅰ”級(jí)的隸屬度為0.398 725；隸屬于“Ⅱ”級(jí)的隸屬度為0.547 05；隸屬于“Ⅲ”的隸屬度為0.054 725。根據(jù)最大隸屬度原則，我們可以知道在滑坡作用下橋梁樁基的安全程度等級(jí)為“Ⅱ”級(jí)，即危險(xiǎn)度為中等等級(jí)。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)實(shí)地調(diào)研，提出某高速公路工程中影響沖溝區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)工程安全的因素有人為因素和自然因素，即樁基位置、樁基周?chē)鷹壏綏壴?、施工?guī)范程度、監(jiān)測(cè)意識(shí)、防護(hù)措施、樁周巖土性質(zhì)、相對(duì)高差、坡度、植被覆蓋率、日最大降雨量、地震烈度等。

（2）結(jié)合層次分析法、模糊綜合分析法、專(zhuān)家打分法等，對(duì)橋梁樁基進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，確定了依托工程安全程度等級(jí)為“Ⅱ”級(jí)，即危險(xiǎn)度為中等。相關(guān)結(jié)論可為依托工程提供針對(duì)性指導(dǎo)。