CN110807576A - 一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法 - Google Patents

一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法，具体涉及岩土工程稳定评价领域。将基坑工程安全风险因素划分为基坑本体和周边环境两部分，其中基坑本体的风险因素包括围护体测斜、支撑轴力、桩顶竖向位移和桩顶水平位移；周边环境的风险因素为地表沉降和建筑物沉降；以累计变形量和变化速率作为各因素的风险评估模型数据，确定基坑安全评价指标；将软土深基坑的安全等级划分为稳定状态、较稳定状态、极限稳定状态、欠稳定状态、不稳定状态五个等级，建立软土深基坑工程安全评价等级；采用三级模糊综合评判法，建立软土深基坑工程安全评价模型。并结合实施例，进行定量评价，验证三级模糊综合评判模型的可靠性。

Description

一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法
技术领域
本发明涉及一种软土基坑安全评价方法，属岩土工程防灾减灾工程领域， 适用于基坑、边坡等工程的安全评价。具体可以指导软土深基坑工程和边坡工程 的安全评价，提出了针对性施工建议，确保施工安全。
背景技术
随着国民经济的快速发展，我国已经成为世界上具有最大规模资源开发 与土木建设工程的国家。大量的基础设施建设面临不可避免高填深挖，形成大量 基坑工程，而基坑稳定与否对整个工程的安全性及经济性等起着重要的控制作 用，很大程度上影响着工程建设的投资及使用效益。近年来随着科技的进步，基 坑围护技术已经相当完善，但因基坑工程具有复杂性、不确定性，基坑失稳事故 仍时有发生，特别是在软土层，基坑围护结构变形随开挖方式、空间结构、开挖 时间以及开挖深度的不同而改变，导致部分基坑周围地层位移过大且无法准确预 测，严重损害了邻近的城市建筑和管线设施。因此，越来越多的软土深基坑工程 开展了工程安全风险评估工作。钱七虎院士肯定了工程风险评估的作用与重要 性，对我国当前安全风险评估存在问题提出了宝贵的建议。目前风险评估方法主要包括：专家调查法和层次分析法、WBS方法和故障树法、地面沉降评估理论 与方法、模糊隶属曲线法、贝叶斯网络风险评估等。但目前针对超深软土基坑的 安全评价方法尚未形成。因此，基于模糊数学和层次分析法开展超深软土基坑的 安全评价具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种科学合理的超深软土 基坑安全评价方法，以达到提高超深软土基坑安全性目的。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于模糊综合评判法的超深软土基 坑安全评价方法具体包括：
一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法，包括以下步骤：
步骤(1)：确定深基坑工程概况，进行风险评估因素分析；
步骤(2)：结合工程特点，确定深基坑工程安全综合评价等级和安全评 价指标；
步骤(3)：基于模糊数学原理，构造合适的隶属函数；
步骤(4)：构造风险评估矩阵，确定各风险因素权重；
步骤(5)：进行基坑风险综合整体一致性检验；
步骤(6)：将现场监测数据代入表4的隶属函数中，确定相应风险等级 的隶属程度，得到R11，R12，R13，R14，R21和R22；根据第三层隶属度矩阵R11， R12，R13，R14，R21和R22和相应层级的权重A11，A12，A13，A14，A21和A22计算 得到第三层级的模糊综合评判结果B11＝A11R11，B12＝A12R12，B13＝A13R13，B14＝ A14R14，B21＝A21R21和B22＝A22R22。
步骤(7)：构造第二层次因素集的评判矩阵为R1＝(B11，B12，B13，B14)T， R2＝(B21，B22)T。作第二层次模糊综合评判得B1＝A1·R1，B2＝A2·R2，
步骤(8)：构造第一层次因素集的评判矩阵为R＝(B1，B2)T。作第一层次 模糊综合评判得B＝A·R，依据最大隶属度原则，确定基于实时监测数据的软土 深基坑工程安全评价等级；
在步骤(1)中，以深圳平安国际金融中心超深基坑工程为背景，进行超 深软土基坑工程风险评价因素分析，将基坑风险评估因素划分为三层。其中第一 层次因素包括：基坑本体(a1)和周边环境(a2)个因素。第二层次因素包括：围 护体测斜(b1)、支撑轴力(b2)、桩顶竖向位移(b3)、桩顶水平位移(b4)、地 表沉降(b5)、建筑物沉降(b6)6个因素。第三次因素包括：墙体测斜累计(c1)、 墙体测斜速率(c2)、支撑轴力累计(c3)、桩顶竖向位移累计(c4)、桩顶竖向位 移速率(c5)、桩顶水平位移累计(c6)、桩顶水平位移速率(c7)、地表沉降累计 (c8)、地表沉降速率(c9)、建筑物沉降累计(c10)和建筑物沉降速率(c11)， 总计11个因素，构建三级模糊综合评判数学模型，并将各项的变形值和变形速 率作为模型基本参数。
表1 基坑风险评估因素划分
Figure BDA0002229142580000021
根据表1建立三级模糊综合评判模型，三个层次的因素集为：
第一层次：a＝(a1，a2)。
第二层次：a1＝(b1，b2，b3，b4)；a2＝(b5，b6)。
第三层次：b1＝(c1，c2)；b2＝(c3)；b3＝(c4，c5)；b4＝(c6，c7)；b5＝(c8， c9)；b6＝(c10，c11)。
步骤(2)中，其特征在于结合深圳市轨道交通工程风险分级标准，对超 深软土基坑安全等级进行划分，具体包括稳定状态、较稳定状态、极限稳定状态、 欠稳定状态、不稳定状态五个等级，并制定相应的处理措施；设软土深基坑工程 安全模糊综合评价等级为：V＝(v1，v2，v3，v4，v5)＝(I,II,III,IV,V)。并确定 软土深基坑工程各单因素评价指标。
表2 软土深基坑工程安全综合评价等级
Figure BDA0002229142580000031
表3 安全评价指标
Figure BDA0002229142580000032
步骤(3)中，认为软土深基坑风险评价各因素对其安全等级的隶属程度，可采用隶属函数来表示。隶属函数越大，表示相应的隶属度越高。采用的隶属函数，见表4所示。
表4 隶属函数
Figure BDA0002229142580000041
注:其中：δ1、δ2、δ3、δ4分别对应于表3所列软土深基坑工程处于较安全、极限稳定状态、欠稳定状态、不 稳定状态的指标控制值。
步骤(4)根据层次分析法的原理，采用1～9标度法对软土深基坑工程安 全评价指标体系的各个因素构造判断矩阵，取其最大特征值对应的特征向量，作 为权重并进行一致性检验。根据表1确定各层评判因素构造矩阵及权重。
表5 第一层评判因素构造矩阵及权重
Figure BDA0002229142580000042
表6 基坑本体各评判因素矩阵及权重
Figure BDA0002229142580000051
表7 周边环境评判因素构造矩阵及权重
采用最大变形速率判断基坑的危险性。因此此第三层评判因素最大累计变形值权重 取0.4，最大变形速率取0.6，支撑轴力权重为1。
步骤(5)进行基坑风险综合整体一致性检验
为确保所求得指标权重的逻辑一致性，在得到判断矩阵的最大特征值λmax后，应进行 一致性检验。检验方法如下：
①求出一致性检验指标CI。
CI＝(λmax-n)/(n-1) (1)
式中：λmax—构造矩阵的最大特征值；n—构造矩阵维数。
②确定平均随机一致性指标RI。
平均随机一致性指标RI如表8所示。
表8 平均随机一致性指标RI
Figure BDA0002229142580000053
③求出一致性比例CR。
CR＝CI/RI (2)
根据表5至表7中各层评判因素构造矩阵结果，得到各层评判因素判断 矩阵的最大特征值λmax分别为2、4、2。将其代入式(1)和式(2)得各层评判 因素CR均为0。而一般认为，当CR＜0.1时，就可认为判断矩阵的一致性是可 以接受的，可用其特征向量作为权重向量。反之，应对构造的判断矩阵进行适当 的修正。据此判定构造的各层次判断矩阵具有整体一致性。
步骤(6)：将现场监测数据代入表4的隶属函数中，确定相应风险等级 的隶属程度，得到R11，R12，R13，R14，R21和R22；根据第三层隶属度矩阵R11， R12，R13，R14，R21和R22和相应层级的权重A11，A12，A13，A14，A21和A22计算 得到第三层级的模糊综合评判结果B11＝A11R11，B12＝A12R12，B13＝A13R13，B14＝ A14R14，B21＝A21R21和B22＝A22R22。
步骤(7)：构造第二层次因素集的评判矩阵为R1＝(B11，B12，B13，B14)T， R2＝(B21，B22)T。作第二层次模糊综合评判得B1＝A1·R1，B2＝A2·R2。
步骤(8)：构造第一层次因素集的评判矩阵为R＝(B1，B2)T。作第一层次 模糊综合评判得B＝A·R，依据最大隶属度原则，确定基于实时监测数据的软土 深基坑工程安全评价等级；
本发明的有益技术效果：本发明提出一种基于模糊综合评判法的超深软 土基坑安全评价方法，将软土超深基坑风险评判因素划分为2个一级风险评判因 素，6个二级风险评判因素和11个三级风险评判因素，上述风险评判因素是影 响软土深基坑安全性的典型因素，对软土深基坑施工风险评价具有重要作用；将 超深软土基坑风险等级划分为稳定、较稳定、极限稳定、欠稳定和不稳定五个等 级，建立超深软土基坑安全评价等级；将软土深基坑施工风险评判因素分为定量 指标和定性指标，分别构建定量指标对安全等级隶属函数和定性指标对各安全等 级隶属函数，确定超深软土基坑施工各风险评价因素相对各安全等级的隶属程 度。运用三级模糊综合评判法，建立超深软土深基坑施工风险评价模型，对超深 软土深基坑风险等级进行准确评价，并结合实测数据验证了模型的可靠性。。本 发明可结合现场监测结果计算超深软土基坑所处的安全状态，为及时制定相应对 策提供科学指导，对保障工程安全具有重要的意义。
附图说明
附图1一种基于模糊综合评价方法的深基坑安全评价方法流程图
具体实施方式
下面结合深圳平安国际金融中心超深基坑工程实测项目数据和本发明具 体流程如附图1，对本发明作进一步描述：
一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法，将软土超深基 坑风险评判因素划分为2个一级风险评判因素，6个二级风险评判因素和11个 三级风险评判因素，上述风险评判因素是影响软土深基坑安全性的典型因素，对 软土深基坑施工风险评价具有重要作用；将超深软土基坑风险等级划分为稳定、 较稳定、极限稳定、欠稳定和不稳定五个等级，建立超深软土基坑安全评价等级； 将软土深基坑施工风险评判因素分为定量指标和定性指标，分别构建定量指标对 安全等级隶属函数和定性指标对各安全等级隶属函数，确定超深软土基坑施工各 风险评价因素相对各安全等级的隶属程度。运用三级模糊综合评判法，建立超深 软土深基坑施工风险评价模型，对超深软土深基坑风险等级进行准确评价。该发 明包括以下步骤：
一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法，包括以下步骤：
步骤(1)：确定深基坑工程概况，进行风险评估因素分析；
步骤(2)：结合工程特点，确定深基坑工程安全综合评价等级和安全评 价指标；
步骤(3)：基于模糊数学原理，构造合适的隶属函数；
步骤(4)：构造风险评估矩阵，确定各风险因素权重；
步骤(5)：进行基坑风险综合整体一致性检验
步骤(6)：将现场监测数据代入表4的隶属函数中，确定相应风险等级 的隶属程度，得到R11，R12，R13，R14，R21和R22；根据第三层隶属度矩阵R11， R12，R13，R14，R21和R22和相应层级的权重A11，A12，A13，A14，A21和A22计算 得到第三层级的模糊综合评判结果B11＝A11R11，B12＝A12R12，B13＝A13R13，B14＝ A14R14，B21＝A21R21和B22＝A22R22。
步骤(7)：构造第二层次因素集的评判矩阵为R1＝(B11，B12，B13，B14)T， R2＝(B21，B22)T。作第二层次模糊综合评判得B1＝A1·R1，B2＝A2·R2，
步骤(8)：构造第一层次因素集的评判矩阵为R＝(B1，B2)T。作第一层次 模糊综合评判得B＝A·R，依据最大隶属度原则，确定基于实时监测数据的软土 深基坑工程安全评价等级；
进一步的在步骤(1)中，以深圳平安国际金融中心超深基坑工程为背景， 进行超深软土基坑工程风险评价因素分析。深圳平安国际金融中心超深基坑位于 深州市福田区，总占地面积1.9万m2，总建筑面积46.1万m2，为超高层办公楼， 地下室5层，基坑开挖面积约1.8万m2，开挖深度29.8～33.8m，基坑周长约 550m。将基坑风险评估因素划分为三层，如表1所示。。其中第一层次因素包 括：基坑本体(a1)和周边环境(a2)个因素。第二层次因素包括：围护体测斜(b1)、 支撑轴力(b2)、桩顶竖向位移(b3)、桩顶水平位移(b4)、地表沉降(b5)、建筑物沉降(b6)6个因素。第三次因素包括：墙体测斜累计(c1)、墙体测斜 速率(c2)、支撑轴力累计(c3)、桩顶竖向位移累计(c4)、桩顶竖向位移速 率(c5)、桩顶水平位移累计(c6)、桩顶水平位移速率(c7)、地表沉降累计 (c8)、地表沉降速率(c9)、建筑物沉降累计(c10)和建筑物沉降速率(c11)， 总计11个因素，构建三级模糊综合评判数学模型，并将各项的变形值和变形速 率作为模型基本参数。
根据表1建立三级模糊综合评判模型，三个层次的因素集为：
第一层次：a＝(a1，a2)。
第二层次：a1＝(b1，b2，b3，b4)；a2＝(b5，b6)。
第三层次：b1＝(c1，c2)；b2＝(c3)；b3＝(c4，c5)；b4＝(c6，c7)；b5＝(c8， c9)；b6＝(c10，c11)。
步骤(2)中，利用模糊综合评价方法对基坑进行风险评估，将评价指标 的隶属度与权重进行模糊运算，使计算结果更加客观。
结合深圳轨道交通工程风险分级标准，将软土深基坑的安全等级划分为稳定状 态、较稳定状态、极限稳定状态、欠稳定状态、不稳定状态五个等级，各等级的 特征及相应的处理措施见表2。由此，可设软土深基坑工程安全模糊综合评价等 级为：V＝(v1，v2，v3，v4，v5)＝(I,II,III,IV,V)。并确定软土深基坑工程各 单因素评价指标，见表3。
步骤(3)中，模糊数学理论认为基坑风险评价各因素对其安全等级的隶 属程度，可采用隶属函数来表示。隶属函数越大，表示相应的隶属度越高，采用 的隶属函数如表4所示。
步骤(4)中，根据层次分析法的原理，采用1～9标度法对软土深基坑工 程安全评价指标体系的各个因素构造判断矩阵，取其最大特征值对应的特征向 量，作为权重并进行一致性检验。根据表1确定各层评判因素构造矩阵及权重。 采用最大变形速率判断基坑的危险性。因此此第三层评判因素最大累计变形值权 重取0.4，最大变形速率取0.6，支撑轴力权重为1。
步骤(5)中进行基坑风险综合整体性检验
为确保所求得指标权重的逻辑一致性，在得到判断矩阵的最大特征值λmax后，应进行一致性检验。检验方法如下：
①按式(1)求出一致性检验指标CI。
式中：λmax—构造矩阵的最大特征值；n—构造矩阵维数。
②确定平均随机一致性指标RI。
平均随机一致性指标RI如表8所示。
③按式(2)求出一致性比例CR。
根据表5至表7中各层评判因素构造矩阵结果，得到各层评判因素判断 矩阵的最大特征值λmax分别为2、4、2。将其代入式(1)和式(2)得各层评判 因素CR均为0。而一般认为，当CR＜0.1时，就可认为判断矩阵的一致性是可 以接受的，可用其特征向量作为权重向量。反之，应对构造的判断矩阵进行适当 的修正。据此判定构造的各层次判断矩阵具有整体一致性。
步骤(6)中以深圳平安国际金融中心超深基坑某日现场围护体测斜、围护体顶 部水平位移、围护体顶部垂直位移和支撑轴力以及周边地表沉降和周边建筑物沉 降的累计变化量和变化速率监测数据为基础，如表9所示。
表9 各因素指标值
将现场监测数据代入表4的隶属函数中，确定相应风险等级的隶属程度， 得到R11，R12，R13，R14，R21和R22；
第三层次因素隶属度矩阵
Figure BDA0002229142580000092
R12＝(支撑轴力)＝(0 0.9 1 0.1 0)
Figure BDA0002229142580000093
Figure BDA0002229142580000094
Figure BDA0002229142580000095
Figure BDA0002229142580000096
根据第三层隶属度矩阵R11，R12，R13，R14，R21和R22和相应层级的权重A11，A12，A13，A14，A21和A22计算得到第三层级的模糊综合评判结果B11＝A11R11， B12＝A12R12，B13＝A13R13，B14＝A14R14，B21＝A21R21和B22＝A22R22。
作第三层次模糊综合评判，得
B11＝A11·R11＝(0.437 1 0.563 0 0)
B12＝A12·R12＝(0 0.9 1 0.1 0)
B13＝A13·R13＝(0 0.78 1 0.22 0.11)
B14＝A14·R14＝(0.264 0.8688 0.736 0.312 0.156)
B21＝A21·R21＝(0.132 0.856 0.868 0.144 0.072)
B22＝A22·R22＝(0.336 0.752 0.664 0.248 0.084)
步骤(7)中构造第二层次因素集的评判矩阵为R1＝(B11，B12，B13，B14)T， R2＝(B21，B22)T。第二层次因素集的隶属度矩阵矩阵为：
Figure BDA0002229142580000101
Figure BDA0002229142580000102
作第二层次模糊综合评判得B1＝A1·R1，B2＝A2·R2，
Figure BDA0002229142580000104
步骤(8)中构造第一层次因素集的评判矩阵为R＝(B1，B2)T。
第一层次因素集的评判矩阵为：
Figure BDA0002229142580000105
作第一层次模糊综合评判得B＝A·R，得
作第一层次模糊综合评判，得
Figure BDA0002229142580000106
本工程软土深基坑安全等级的模糊子集为：
Figure BDA0002229142580000111
评判结果
依据最大隶属度原则，根据最大隶属度原则，当日软土深基坑工程安全 性对Ⅱ级的隶属度最高(0.8286)，故安全等级为Ⅱ级，软土深基坑工程处于较稳 定状态，模糊综合评判结果与当日实际情况相符。

Claims (4)

1.一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法，包括以下步骤：
步骤（1）：确定深基坑工程概况，进行风险评估因素分析；
步骤（2）：结合工程特点，确定深基坑工程安全综合评价等级和安全评价指标；
步骤（3）：基于模糊数学原理，构造合适的隶属函数；
步骤（4）：构造风险评估矩阵，确定各风险因素权重；
步骤（5）：进行基坑风险综合整体一致性检验；
步骤（6）：将现场监测数据代入表4的隶属函数中，确定相应风险等级的隶属程度，得到R 11，R 12，R 13，R 14，R 21和R 22；根据第三层隶属度矩阵R 11，R 12，R 13，R 14，R 21和R 22和相应层级的权重A 11，A 12，A 13，A 14，A 21和A 22计算得到第三层级的模糊综合评判结果B 11= A 11 R 11，B 12= A 12 R 12，B 13= A 13 R 13，B 14= A 14 R 14，B 21= A 21 R 21和B 22= A 22 R 22；
步骤（7）：构造第二层次因素集的评判矩阵为R 1=( B 11，B 12，B 13，B 14)T，R 2=( B 21，B 22)T；作第二层次模糊综合评判得B 1= A 1·R 1，B 2= A 2·R 2；
步骤（8）：构造第一层次因素集的评判矩阵为R=(B 1，B 2)T；作第一层次模糊综合评判得B= A·R，依据最大隶属度原则，确定基于实时监测数据的软土深基坑工程安全评价等级。
2.一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法，其特征在于基坑风险评估因素划分为三层；其中第一层次因素包括：基坑本体和周边环境；第二层次因素包括：围护体测斜、支撑轴力、桩顶竖向位移、桩顶水平位移、地表沉降、建筑物沉降；第三次因素包括：墙体测斜累计、墙体测斜速率、支撑轴力累计、桩顶竖向位移累计、桩顶竖向位移速率、桩顶水平位移累计、桩顶水平位移速率、地表沉降累计、地表沉降速率、建筑物沉降累计和建筑物沉降速率。
3.一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法，其特征在于监测主要内容包括：围护体测斜监测、围护体顶部水平位移监测、围护体顶部垂直位移监测、支撑轴力监测、周围地表沉降和周边建筑物沉降监测6项，并将各项的变形值和变形数据作为模型基本参数。
4.一种基于模糊综合评判法的超深软土基坑安全评价方法，其特征在于结合深圳市轨道交通工程风险分级标准，将软土深基坑的安全等级划分为稳定状态、较稳定状态、极限稳定状态、欠稳定状态、不稳定状态五个等级，并制定相应的处理措施；设软土深基坑工程安全模糊综合评价等级为：V=（v 1，v 2，v 3，v 4，v 5）=（I, II, III, IV, V）。
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