孫 可，王俊明，戴煜坤

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，鎮(zhèn)江 212100) (2.江蘇地質(zhì)基樁工程公司，鎮(zhèn)江 212001) (3.鎮(zhèn)江高校投資建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，鎮(zhèn)江 212003)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程逐步加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅猛，基坑工程事故有明顯增多的趨勢(shì)，不但增加工程經(jīng)濟(jì)投入，延誤工期，而且會(huì)危及附近群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成不良社會(huì)影響[1-4].為保證基坑工程健康安全的建設(shè)及使用，常結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡檢及各類監(jiān)測(cè)合理評(píng)估基坑狀態(tài)，了解基坑已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的病害，判斷是否應(yīng)當(dāng)采取必要的整治措施，以確?；庸こ痰陌踩煽縖5-6].

目前對(duì)于基坑工程可靠性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究頗有進(jìn)展.文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形進(jìn)行分析，提出一種基于可靠度理論的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形概率預(yù)測(cè)方法；文獻(xiàn)[8]與文獻(xiàn)[9]分析了基坑支護(hù)體系中各類失效模式的不同產(chǎn)生機(jī)理、以及不確定性因素的影響，并進(jìn)行了可靠性分析方法以及系統(tǒng)可靠性的相關(guān)評(píng)價(jià)工作；文獻(xiàn)[10-11]從影響基坑位移的因素和基坑自身位移特征方面入手，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的位移觀測(cè)值，提出一種基于灰色理論的基坑變形預(yù)測(cè)預(yù)警模型；文獻(xiàn)[12-15]分別利用事故樹(shù)分析方法對(duì)深基坑支護(hù)情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究；此外文獻(xiàn)[16]還將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用到了深基坑工程的變形預(yù)測(cè)中.可見(jiàn)基坑工程可靠性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究大都集中于基坑本體支護(hù)結(jié)構(gòu)或某一重點(diǎn)指標(biāo)，評(píng)價(jià)方法眾多，側(cè)重點(diǎn)不一.隨著信息化施工及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，基坑工程監(jiān)測(cè)手段逐漸完善，監(jiān)測(cè)指標(biāo)也逐漸增多，由基坑本體結(jié)構(gòu)延伸至周邊環(huán)境及結(jié)構(gòu)物，雖然各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)安全與否可參照文獻(xiàn)[17]內(nèi)給定的預(yù)警值來(lái)進(jìn)行定性評(píng)判，但如何利用各項(xiàng)指標(biāo)的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)定量判定基坑整體的健康狀態(tài)尚無(wú)定論.

文中擬利用模糊層次分析法，建立一個(gè)基坑工程健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，給出各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的參考賦值并構(gòu)建四級(jí)健康隸屬度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)從各具體監(jiān)測(cè)指標(biāo)到基坑整體健康程度的定量判定；最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際基坑工程進(jìn)行健康狀態(tài)的定量計(jì)算與評(píng)價(jià)，驗(yàn)證該方法的可行性.

1 模糊層次分析流程

模糊層次分析法，是模糊數(shù)學(xué)及層次分析法相結(jié)合的一種綜合評(píng)判方法.其中，利用模糊變換原理和最大隸屬原則可綜合考慮被評(píng)價(jià)事物與其各項(xiàng)屬性關(guān)聯(lián)程度，對(duì)其進(jìn)行等級(jí)或類別評(píng)定；層次分析法則可將復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題按照特定準(zhǔn)則分解為多個(gè)單獨(dú)的指標(biāo)或若干層次，再通過(guò)量化計(jì)算方法得到各指標(biāo)的評(píng)價(jià)分值，為目標(biāo)提供最優(yōu)化評(píng)價(jià)決策，針對(duì)基坑工程的健康評(píng)價(jià)流程如圖1.

圖1 基坑健康評(píng)價(jià)流程

先利用層次分析法將影響基坑健康的因素分解成多個(gè)不同評(píng)價(jià)層次，再依次確定不同層次內(nèi)具體評(píng)價(jià)因子；結(jié)合指數(shù)標(biāo)度法對(duì)各層內(nèi)不同因子進(jìn)行權(quán)重賦值；通過(guò)模糊數(shù)學(xué)方法建立單因子的量化評(píng)價(jià)隸屬度函數(shù)，確定各評(píng)價(jià)因子健康區(qū)間及對(duì)應(yīng)閾值；再將各時(shí)段監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)代入模糊隸屬度函數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)因子的健康評(píng)價(jià)值；最后將各單項(xiàng)因子的健康評(píng)價(jià)值代入綜合評(píng)價(jià)算子計(jì)算基坑整體的健康評(píng)價(jià)值并最終判定基坑的健康狀態(tài).

2 健康評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)因子及權(quán)重賦值

利用層次分析法對(duì)決定基坑健康的因素由上至下進(jìn)行逐層細(xì)分.頂層為基坑整體的健康狀態(tài)，定義為評(píng)價(jià)因子T.

T由基坑本體結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的健康狀態(tài)共同決定，因此可分解得到下一層的評(píng)價(jià)因子：

(1)

式中：C1為基坑本體的健康狀態(tài)，C2為基坑周邊環(huán)境的健康狀態(tài).基坑本體的健康狀態(tài)一般由圍護(hù)墻、圍護(hù)土體、立柱樁的位移情況以及支撐軸力的大小共同決定；基坑周邊環(huán)境的健康狀態(tài)一般由地下管線、建筑物及地表的沉降情況和地下水位變化來(lái)決定.因此可得到底層評(píng)價(jià)因子：

#0是規(guī)模最大的聚類，主要研究高端模擬教學(xué)試驗(yàn)、多種教學(xué)法相結(jié)合、團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)在護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用效果以及病理學(xué)、臨床微生物學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的應(yīng)用、改革與創(chuàng)新；#1主要研究循證護(hù)理、術(shù)后護(hù)理與術(shù)后健康教育、并發(fā)癥、術(shù)中護(hù)理安全及防范措施等；#2主要研究早期糖尿病腎病評(píng)估與診斷以及糖尿病腎病的臨床護(hù)理與治療；#3主要研究植物藥材揮發(fā)油的抗腫瘤作用及其化學(xué)成分的研究；#4主要研究軸掃技術(shù)在CT腹部檢查中的作用以及體層攝影術(shù)在臨床檢查、診斷中的應(yīng)用價(jià)值。

(2)

(3)

式中：P1～P5分別為圍護(hù)墻體沉降、圍護(hù)墻體水平位移、圍護(hù)土體水平位移、立柱樁沉降及支撐軸力，P6～P9分別為地下管線沉降、建筑物沉降、地表沉降及地下水位.

上述層次結(jié)構(gòu)內(nèi)，各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子對(duì)基坑整體健康狀態(tài)的影響程度不盡相同，權(quán)重賦值方法尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參考文獻(xiàn)[18]結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)判斷，兩兩對(duì)比同層因子的重要程度，利用層次分析法中提及的指數(shù)標(biāo)度方法[19]給各層因子進(jìn)行權(quán)重賦值，結(jié)果如圖2.

圖2 健康評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)及因子權(quán)重賦值

2.2 健康狀態(tài)評(píng)價(jià)集

結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)的思路基本相同，大都通過(guò)等級(jí)劃分及評(píng)分的方式來(lái)實(shí)現(xiàn).文中將基坑各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的健康狀態(tài)劃分為A～D 4個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)非常健康、基本健康、亞健康和不健康，定義評(píng)價(jià)集H，記為：

H={H1,H2,H3,H4}

(4)

其中H1～H4分別對(duì)應(yīng)于A～D 4個(gè)健康等級(jí)，建立評(píng)價(jià)集的等級(jí)向量G：

(5)

2.3 健康等級(jí)隸屬度函數(shù)及評(píng)分區(qū)間

由于各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與基坑整體健康程度的相關(guān)程度并不明確，存在一定的模糊性，通過(guò)模糊隸屬度函數(shù)來(lái)計(jì)算基坑健康評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)內(nèi)底層因子對(duì)于健康評(píng)價(jià)集G的隸屬程度.假定基坑工程的健康程度與各項(xiàng)因子的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線性相關(guān)，可利用模糊數(shù)學(xué)中三角形分布及梯形分布的形式構(gòu)建健康等級(jí)隸屬度函數(shù)，如圖3.

圖3 健康等級(jí)隸屬度函數(shù)

圖3中，K1～K3為劃分4個(gè)健康區(qū)間的界限值，取值隨評(píng)價(jià)因子對(duì)象的不同而有所區(qū)別，可結(jié)合文獻(xiàn)[17]來(lái)確定.圖3中，4個(gè)健康等級(jí)A～D的隸屬度函數(shù)分別為：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：x為自變量，取各項(xiàng)底層評(píng)價(jià)因子P1～P9的監(jiān)測(cè)值；a1～a4為區(qū)間分段參數(shù)，它們與K1～K3存在以下線性關(guān)系：

(10)

(11)

用等級(jí)向量G乘以隸屬度矩陣Q，可得到底層因子的健康評(píng)價(jià)值R：

(12)

結(jié)合上文模糊隸屬度函數(shù)的線性特征，等分確定4個(gè)健康等級(jí)所對(duì)應(yīng)的評(píng)分區(qū)間，列于表1.后續(xù)基坑健康評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)內(nèi)各項(xiàng)因子健康狀態(tài)的評(píng)定均可對(duì)照此表進(jìn)行.

表1 健康狀態(tài)量化分級(jí)表

2.4 綜合評(píng)價(jià)算子

綜合評(píng)價(jià)算子是運(yùn)用多個(gè)子指標(biāo)求取總體評(píng)價(jià)結(jié)果的數(shù)學(xué)運(yùn)算[18].針對(duì)影響基坑健康的各項(xiàng)底層評(píng)價(jià)因子一般會(huì)布設(shè)多組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異對(duì)基坑健康的影響程度不盡相同，為突出最危測(cè)點(diǎn)且兼顧其它所有測(cè)點(diǎn)的共同影響，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)算子S：

S=α·S1+β·S2

(13)

式中：S1取值為所有測(cè)點(diǎn)中最低的健康評(píng)價(jià)值Rmin，S2取其它測(cè)點(diǎn)健康評(píng)價(jià)值的均值；α與β分別代表S1與S2的權(quán)重，建議參考帕累托定律取值α=0.8，β=0.2.

3 工程算例

3.1 工程概況及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

上海元祖夢(mèng)世界基坑工程項(xiàng)目基底建筑面積2.18萬(wàn)平方米，在場(chǎng)地淺部70 m深度范圍內(nèi)的地基土均屬第四紀(jì)沉積物，主要由粘性土、粉性土、砂性土組成，場(chǎng)地實(shí)測(cè)地下水穩(wěn)定水位埋深在0.50～2.00 m 之間.為確保基坑工程及其周圍環(huán)境在施工期間的安全穩(wěn)定，結(jié)合圍護(hù)設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定[18]，布設(shè)多組測(cè)點(diǎn)對(duì)影響基坑健康的底層因子集(P1～P9)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，限于篇幅，僅展示某一時(shí)刻P3(圍護(hù)土體水平位移)的21個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖4.

圖4 特定時(shí)刻圍護(hù)土體水平位移

3.2 健康評(píng)價(jià)

基坑整體健康狀態(tài)評(píng)價(jià)需結(jié)合前文健康評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)劃分及因子權(quán)重賦值來(lái)進(jìn)行，首先進(jìn)行單因子的健康值計(jì)算，以圍護(hù)土體水平位移P3因子的健康評(píng)價(jià)為例展開(kāi)計(jì)算.參考文獻(xiàn)[17]內(nèi)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)警值，先將P3因子的健康區(qū)間進(jìn)行等比區(qū)間劃分如下：

通過(guò)表2可以確定P3因子的健康區(qū)間界限值K1、K2、K3分別為10、30、50；將其代入式(10)，可以得到P3因子的健康區(qū)間分段參數(shù)a1～a4的值：

表2 P3因子健康區(qū)間劃分

將a1～a4的值代入式(6～9)，即可得到P3因子的4個(gè)健康等級(jí)隸屬度函數(shù)，再把圖4中TX1-TX21測(cè)點(diǎn)的最大水平位移監(jiān)測(cè)值依次代入，可分別得到21個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)4個(gè)健康等級(jí)的隸屬度矩陣Q，結(jié)合式(12)，即可求得21個(gè)測(cè)點(diǎn)的健康評(píng)價(jià)值R，結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 圍護(hù)土體水平位移及健康評(píng)價(jià)值

將圖5中最低健康值，即TX4測(cè)點(diǎn)的健康值1.35以及其余20個(gè)測(cè)點(diǎn)健康評(píng)價(jià)值的均值代入式(13)，可求得P3因子的綜合健康評(píng)價(jià)值為1.55.

同樣的方法可求得除P3外其余底層評(píng)價(jià)因子的健康值，再結(jié)合圖2基坑健康評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)及因子權(quán)重，逐層向上加權(quán)計(jì)算，可以獲得上海元祖夢(mèng)世界基坑工程某監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的整體健康評(píng)價(jià)值為2.55，各層因子的具體健康值如圖6.

圖6 健康評(píng)價(jià)結(jié)果

參照表1，判定基坑的健康等級(jí)為B，處于基本健康狀態(tài).P3因子拉低了基坑整體健康值，后期需要重點(diǎn)監(jiān)視TX4測(cè)點(diǎn)的圍護(hù)土體水平位移，甚至采取必要整治措施.

最后可將各監(jiān)測(cè)時(shí)段數(shù)據(jù)分批代入計(jì)算，獲得半年內(nèi)基坑健康狀況隨時(shí)間的演化情況.如圖7，上海元祖夢(mèng)世界基坑工程的健康狀態(tài)隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)趨勢(shì)下降，在監(jiān)測(cè)最初的30天內(nèi)健康值下降較快，由3.3降低到2.6左右；后期隨時(shí)間增加，健康值逐漸趨于穩(wěn)定并保持在2.5附近，處于相對(duì)健康的狀態(tài).

圖7 健康狀態(tài)隨時(shí)間的演化

通過(guò)查看定期現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢記錄，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯變形、開(kāi)裂以及滲漏情況，周邊管線及建筑亦未發(fā)生破壞，可認(rèn)為基坑一直處于較為健康的狀態(tài)，與文中的評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合.

4 結(jié)論

文中的主要工作是利用模糊層次分析方法建立基坑工程的健康狀態(tài)定量評(píng)價(jià)模型，取得的具體成果如下：

(1) 利用層次分析法對(duì)影響基坑健康的各項(xiàng)因素進(jìn)行細(xì)分，建立多層次的基坑健康評(píng)價(jià)因子體系；并利用指數(shù)標(biāo)度法對(duì)各因子進(jìn)行了權(quán)重賦值.

(2) 利用模糊數(shù)學(xué)方法，構(gòu)建了評(píng)價(jià)因子的4級(jí)健康隸屬度函數(shù)以及綜合評(píng)價(jià)算子，可實(shí)現(xiàn)從底層因子到基坑整體的健康狀態(tài)量化評(píng)價(jià).

(3) 結(jié)合上海元祖夢(mèng)世界基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，利用建立的健康評(píng)價(jià)模型對(duì)該基坑工程進(jìn)行全監(jiān)測(cè)周期健康值計(jì)算，并最終判定基坑處于基本健康狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)巡檢情況相符，具有一定可行性.