基于多因素層次分析法的建筑樁基方案比選

摘要：為確保房屋建筑樁基選型的合理性，依據(jù)巖土工程勘察成果，考慮工程造價、進度、質(zhì)量、環(huán)境等因素，采用多因素層次分析法對各類樁型的適宜性進行評價比選。結(jié)果表明：依據(jù)地層參數(shù)及建筑物荷載的要求，可選擇靜壓預(yù)制樁、長螺旋鉆孔灌注樁及沖擊成孔灌注樁作為基礎(chǔ)類型。通過多因素層次分析法得出，在該場地上，靜壓預(yù)制樁、長螺旋鉆孔灌注樁及沖擊成孔灌注樁在適宜性方面存在差異。評價結(jié)果顯示，長螺旋鉆孔灌注樁在該區(qū)域建筑樁基方案中具有最強的適用性，其次是沖擊成孔灌注樁和靜壓預(yù)制樁。研究成果可為選擇和指導(dǎo)該區(qū)域建筑樁基方案提供參考。

關(guān)鍵詞：巖土工程勘察；建筑；樁基礎(chǔ)；層次分析法

中圖分類號：TU47"""""""""""" 文獻標(biāo)識碼：A""""""""""" 文章編號：

Comparative Selection of Building Pile Foundation Schemes Based on Multi-Factor Analytic Hierarchy Process

SONG Jian

（Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510000，China）

Abstract： To ensure the rationality of pile foundation selection for building construction， based on the results of geotechnical engineering investigation， considering factors such as project cost， progress， quality， and environment， the suitability of various pile types is evaluated and compared using the multi factor analytic hierarchy process. The results indicate that， based on the requirements of geological parameters and building loads， static pressure prefabricated piles， long spiral drilled cast-in-place piles， and impact drilled cast-in-place piles can be selected as the foundation types. Through the multiple factor analytic hierarchy process， it was found that there are differences in the suitability of static pressure prefabricated piles， long spiral drilled cast-in-place piles， and impact drilled cast-in-place piles on this site. The evaluation results show that the long spiral drilled pile has the strongest applicability in the construction pile foundation scheme in this area， followed by the impact drilled pile and the static pressure prefabricated pile. The research results can provide reference for selecting and guiding pile foundation schemes for buildings in the region.

Keywords： geotechnical investigation; architecture; pile foundation; analytic hierarchy process

0 引言

近年來，隨著市政建設(shè)的快速發(fā)展，且為滿足設(shè)計需要，建筑規(guī)模普遍較大，因此樁基礎(chǔ)的應(yīng)用也逐步增加；為確保設(shè)計成果的準(zhǔn)確性，有必要先進行勘察成果分析[1-2]。目前，馬坤等[3]進行了建筑樁基施工技術(shù)分析；李昊[4]分析了高層建筑樁型的合理性；郝義蓉[5]評價了建筑樁基的施工質(zhì)量。上述研究充分說明開展建筑樁基研究的必要性，但多是側(cè)重樁基設(shè)計、施工方面的相關(guān)研究，未涉及樁基設(shè)計前的勘察成果分析，也較少涉及不同樁型的適宜性評價，因此需要進一步研究。本文以某市政建筑為例，首先對其勘察結(jié)果進行分析，并采用層次分析法評價各類樁型的適宜性，以期為后續(xù)設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

本文以廣東省廣州市某市政建筑為例，該擬建項目位于市中心，用地面積為6 291.45 m2，平面形態(tài)不規(guī)則，具多邊形特征，且結(jié)合設(shè)計資料，該項目設(shè)計6棟建筑，地下均是2層，其中，4棟建筑為純住宅建筑，上部設(shè)計33層，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，屬高層建筑；2棟建筑為辦公樓，上部設(shè)計18層，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)。

在近接環(huán)境條件方面，項目區(qū)東側(cè)、南側(cè)和北側(cè)分別近接建筑1～3，其中，近接建筑1為住宅樓，上部設(shè)計8層，無地下室，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，凈距約20.7 m～21.6 m；近接建筑2為工業(yè)廠房，高度10.4 m，鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為獨立基礎(chǔ)，凈距約8.2 m～10.8 m；近接建筑3為住宅樓，上部設(shè)計18層，地下1層，基礎(chǔ)形式為樁基，凈距約14.8 m～17.2 m。西側(cè)近接道路，具有良好的運營條件，凈距約12.2 m～13.8 m。

根據(jù)勘察和設(shè)計資料，圖1展示了基坑平面形態(tài)及近接環(huán)境示意圖。

由于該項目位于市中心，周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜，為確保上部建筑運營安全性，需對基礎(chǔ)形式進行研究。考慮到上部荷載較重且天然基礎(chǔ)的適宜性受限，采用樁基更具合理性。為了實現(xiàn)合理的基礎(chǔ)設(shè)計，前期巖土工程勘察工作尤為關(guān)鍵。因此，后續(xù)將重點進行巖土工程勘察成果分析和樁基方案篩選。

2 巖土工程勘察成果

2.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

項目區(qū)以平原地貌為主，海拔高程108.4 m～115.3 m，高差約6.9 m，起伏較小，整體較為平坦。由勘察成果顯示，項目區(qū)內(nèi)地層主要有五層，自上而下的地層特征為：①填土層?；液稚Y(jié)構(gòu)松散，稍濕，骨架主要由建渣、卵碎石組成，孔隙多由黏性土充填，回填年限1年—2年，分布厚度0.9 m～1.6 m。②粉質(zhì)黏土層。黃褐色、灰色，可塑為主，局部為硬塑，切面光澤較為明顯，振搗反應(yīng)不顯著，具有相對較高的韌性和干強度，分布厚度5.8 m～8.8 m。③粉土層?；尹S色，稍密～中密，可塑為主，切面光澤稍明顯，具有相對較低的韌性和干強度，均勻性相對較好，分布厚度4.2 m～9.6 m。④砂巖層。暗紫紅色，強風(fēng)化，巖石風(fēng)化強烈，主要呈堅硬土狀夾少量碎塊狀，分布厚度2.4 m～4.6 m。⑤灰?guī)r層?；野咨?，中-微風(fēng)化，塊狀構(gòu)造，溶蝕現(xiàn)象較為明顯，其溶蝕程度主要受節(jié)理裂隙發(fā)育影響，巖芯多為短柱狀、長柱狀，敲擊聲清脆，較堅硬，最大揭露厚度14.4 m。

通過鉆探方法，可知項目區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的混合水位埋深為2.3 m～3.8 m，存在形式多為上層滯水、潛水和巖溶水，其中，上層滯水在填土層、粉質(zhì)黏土層偶見分布，水力聯(lián)系較弱；潛水多賦存于粉土層中，具微承壓特征，水頭高度高于含水層頂板約1.7 m；巖溶水賦存于灰?guī)r裂隙、溶穴中，局部富集特征明顯。

通過現(xiàn)場取樣試驗，項目區(qū)地下水類型多為HCO3-Ca2+·Na+型，其不會對混凝土結(jié)構(gòu)造成腐蝕，對鋼材腐蝕程度為微腐蝕。

2.2 巖土工程分析及評價

在勘察過程中，通過進行現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)試驗，對各類地層的物理力學(xué)參數(shù)求解；結(jié)合《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009年版），各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計公式：

（1）

式（1）中：φi為試驗參數(shù)的試驗值；φk為試驗參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；n為試驗個數(shù)；rs為修正系數(shù)。

通過統(tǒng)計，得到各類地層的力學(xué)參數(shù)見表1。

由表1可知，不同地層的承載力、壓縮模量或抗壓強度存在明顯差異，主要表現(xiàn)為土層承載力相對較低且具有較大的壓縮模量，難以滿足上部建筑承載力及變形控制要求，即使強風(fēng)化灰?guī)r的承載力也相對一般。因此，從承載力和變形角度來看，樁基礎(chǔ)更為適宜。

綜上所述，樁基礎(chǔ)在適宜性方面更加優(yōu)越，因此需進一步開展樁基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)分析。結(jié)合項目區(qū)類似經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)項目區(qū)周邊常用的樁基礎(chǔ)類型包括靜壓預(yù)制樁、長螺旋鉆孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁。根據(jù)現(xiàn)場觸探試驗結(jié)果和經(jīng)驗值得出的數(shù)據(jù)（見表2）。

由表2可知，不同類型的抗滑樁具有不同的樁側(cè)阻力和端阻參數(shù)，這也說明各類樁型在適宜性方面存在差異，并且證明了后續(xù)開展樁基方案篩選的必要性。

在地基均勻性評價方面，基巖面坡度通常＜10%，因此，具有均勻地基特征。

通過波速試驗報告得出項目區(qū)內(nèi)的等效剪切波速為271.2 m/s，覆蓋層厚度約28 m，那么項目區(qū)場地類別為Ⅱ類，屬中硬場地。結(jié)合鉆探資料，項目區(qū)內(nèi)未見液化地層，屬有利抗震地段。

由于該項目建筑上部荷載較重，天然基礎(chǔ)的適宜性較差，擬定基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，樁底持力層建議選擇中-微風(fēng)化灰?guī)r層。

3 樁基方案選擇分析

由上述勘察結(jié)果分析，基礎(chǔ)形式宜為樁基礎(chǔ)，可采用靜壓預(yù)制樁、長螺旋鉆孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁等不同類型的樁，下面重點進行樁型方案篩選。

3.1 分析方法的構(gòu)建

影響樁基類型選擇的因素較多，且各因素的影響程度存在明顯差異，難以量化評價，因此，提出采用層次分析法來構(gòu)建樁基方案選擇模型[6]。在該模型構(gòu)建中，將“高層建筑樁基篩選體系L”作為目標(biāo)層，其他結(jié)合工程經(jīng)驗，共計劃分了4個準(zhǔn)則層指標(biāo)，分別為工程造價因素Z1、工程進度因素Z2、工程質(zhì)量因素Z3和環(huán)境影響因素Z4；指標(biāo)層則是在準(zhǔn)則層基礎(chǔ)上進一步劃分，共計劃分了14個二級指標(biāo)。經(jīng)統(tǒng)計，得到高層建筑樁基篩選體系示意圖（見圖2）。

在樁基篩選體系構(gòu)建基礎(chǔ)上，先利用1-9標(biāo)度法開展各指標(biāo)的權(quán)值計算，即先通過評價指標(biāo)間的相對重要性構(gòu)建出判斷矩陣，計算出判別指標(biāo)CI：

（2）

式（2）中：λmax為最大特征值；n為矩陣評價指標(biāo)個數(shù)。

通過指標(biāo)CI進一步計算一致性指標(biāo)CR：

（3）

式（3）中：RI為標(biāo)度指標(biāo)。

當(dāng)CR＜0.1時，說明判斷矩陣是合理有效的，此時將最大特征值對應(yīng)特征向量進行歸一化處理，對應(yīng)歸一化值即為相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)值。

其次，再通過專家法開展評價指標(biāo)的隸屬度計算，且為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，專家人數(shù)不應(yīng)低于15位；在統(tǒng)計過程中，應(yīng)先對比剔除奇異值，剩余數(shù)據(jù)進行均值計算即可得到相應(yīng)的隸屬度。

在各指標(biāo)權(quán)值、隸屬度基礎(chǔ)上，進一步利用P×C法開展各因素影響程度的量化分析，并將樁型篩選的量化評價標(biāo)準(zhǔn)制定為：①樁型適宜性為Ⅰ級，對應(yīng)評分為55，對應(yīng)適宜性得分范圍為0～65，此等級條件對應(yīng)的樁型適宜性很差。②樁型適宜性為Ⅱ級，對應(yīng)評分為70，對應(yīng)適宜性得分范圍為65～75，此等級條件對應(yīng)的樁型適宜性一般。③樁型適宜性為Ⅲ級，對應(yīng)評分為85，對應(yīng)適宜性得分范圍為75～90，此等級條件對應(yīng)的樁型適宜性較好。④樁型適宜性為Ⅳ級，對應(yīng)評分為95，對應(yīng)適宜性得分范圍為90～100，此等級條件對應(yīng)的樁型適宜性很好。

3.2 分析結(jié)果

經(jīng)過全面分析，本文以靜壓預(yù)制樁為例進行示范性分析。根據(jù)P×C法計算結(jié)果統(tǒng)計，在靜壓預(yù)制樁的14個二級指標(biāo)評價結(jié)果中，適宜性得分范圍為67.04～94.87，對應(yīng)適宜性等級為Ⅱ～Ⅳ（見表3）[7]。進一步類比推導(dǎo)得到靜壓預(yù)制樁的4個一級指標(biāo)評價結(jié)果（見表4）。

由表4可知，Z1至Z4指標(biāo)的適宜性得分存在一定差異，其變化范圍為80.72～91.22，除Z2指標(biāo)的適宜性等級為Ⅳ級，其余3個指標(biāo)的適宜性等級均為Ⅲ級。然后，根據(jù)一級指標(biāo)的計算結(jié)果，進一步得到靜壓預(yù)制樁在該實例中適宜性整體得分為85.45，對應(yīng)適宜性等級為Ⅲ級，因此，靜壓預(yù)制樁的樁型適宜性較好。

同理，用同樣方法長螺旋鉆孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁的適宜性評價，得到三類樁型的最終評價結(jié)果（見表5）。

由表5可知，三類樁型的適宜性存在一定差異。其中，以長螺旋鉆孔灌注樁的適宜性得分最高，達到90.26，適宜性等級為Ⅳ級，而其他兩類樁型均為Ⅲ級。因此，三類樁型的適宜性排序由好至差依次為：長螺旋鉆孔灌注樁＞沖擊成孔灌注樁＞靜壓預(yù)制樁。

根據(jù)該實例中的具體情況綜合考慮，長螺旋鉆孔灌注樁被認(rèn)為是最適宜性且非常適用的基礎(chǔ)類型。因此，在后續(xù)設(shè)計中建議將實例的基礎(chǔ)類型確定為長螺旋鉆孔灌注樁。

4 結(jié)論

1） 由于擬建建筑上部荷載較重，天然基礎(chǔ)的適宜性較差，擬定基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，樁底持力層建議選擇中-微風(fēng)化灰?guī)r層。同時，結(jié)合項目區(qū)類似經(jīng)驗，周邊常用的樁基礎(chǔ)類型包括靜壓預(yù)制樁、長螺旋鉆孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁，因此，將此三類樁型作為后續(xù)樁型篩選的基礎(chǔ)。

2） 經(jīng)多因素層次分析法分析，靜壓預(yù)制樁、長螺旋鉆孔灌注樁及沖擊成孔灌注樁在該項目中的適宜性存在差異，由評價結(jié)果判斷長螺旋鉆孔灌注樁適宜性相對最強，其次是沖擊成孔灌注樁和靜壓預(yù)制樁，因此，建議該項目樁基類型采用長螺旋鉆孔灌注樁。

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編輯：劉 巖