CN112308360A - 一种基于熵权值法修正ahp法的岩质基坑安全评价方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,其特征在于:包括以下步骤:1)选定基坑风险评判因素,建立递阶层次机构,按基坑风险评判因素搭建评价基坑安全的二级模糊综合评价模型;2)对整个基坑开挖施工安全进行等级划分;3)依据层次分析法,对基坑风险评判因素进行分层,对于同一层的基坑风险评判因素进行两两比较,建立评判矩阵;对每一层各因素相对重要性给出判断;4)计算所有基坑风险评判因素的熵及熵权,构造基坑风险评判因素权重列向量C=(C1,C2,L L Cn)T;在主观权重和客观权重结合的过程中,引入熵值Hi作为组合权重值,进行综合权重每个分量计算;综合权重每个分量计算公式为:Qi=hiWi+(1‑hi)Ci。本发明的优点在于它能克服现有技术的弊端,设计合理新颖。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,属于建筑领域。
背景技术
近年来,随着城市化建设不断发展。用地紧张使城市中高层、超高层建筑数量在较短时间内得到快速提升。同时,人们将发展目标也瞄准到城市地下空间。地铁、地下停车场、地下商场等建筑物也在同一时间内大量兴建。为充分利用城市地下空间,基坑向更深更大这一方向不断发展。越来越多基坑开挖深度远超五米这一标准,甚至已经达到四五十米深。而近年来,基坑事故导致周边路面破坏,周围建筑物开裂、倾斜甚至坍塌,周围地下管线破坏等现象屡见不鲜。这无疑对设计、施工到管理每一个环节都提出了更高要求。因此合理准确地对基坑稳定性进行评估也具有重要意义。
目前常采用的风险评估方法主要有:专家调查法、层次分析法、模糊综合评价法、故障树法、WBS法、贝叶斯法以及熵权值法等。其中贝叶斯法由于其自身局限性难以在基坑安全评估中得到充分发挥。故障树法需要较多的人力、物理等且对每个环节要求较严,一旦某个环节出现问题,将对最终评价结果造成较大影响。层次分析法人为主观性太强,过于强调经验的作用;熵权法较为客观,但因在当前的岩质基坑基坑研究领域尚未形成一套公认的标准评价指标模型,所以单纯以熵权法作权重分析,很容易偏离实际结果。如果将两者相结合,可以得到一个综合权重,既避免了两者之间的矛盾,又弥补了各自的缺陷。根据熵权值法修正AHP法建立的专家自身权重数学模型,就可以对专家的评价水平进行评定。将其应用于基坑评价过程中,就可确定各专家评分结果的合理性及各专家意见的权重,以使评价指标权重的确定更加科学合理。近年来,安全评价虽在基坑中应用已得到广泛应用,由于岩质基坑有别于软土基坑,且岩体内部损伤和破裂是引发基坑失稳的重要原因。以往对基坑所建立安全评价都是以监测数据作为风险控制指标,各监测项目构建成风险评价体系,对基坑安全性做出评价。而常规基坑监测并没有加入对岩体内部损伤及破裂的监测,更没有进行定量分析。所以至今没有一套合适的岩质基坑安全评价方法
众多学者对基坑稳定性评估进行研究。何锡兴等人通过分析基坑施工风险因素,评估基坑风险,确定基坑风险等级;包小华等人利用模糊综合评价法,构造基坑风险评判矩阵,定量分析了基坑风险等级;张弛等人利用模糊综合评价法对基坑地表沉降进行建模,确定周围建筑物及地下管线的风险等级;涂建等人借助层次分析法理论从基坑渗漏水情况、基坑外周围环境情况、基坑围护结构变形情况、基坑内环境情况四个方面十一个指标组成了基坑工程综合健康评价体系的评价指标系统。由于影响基坑稳定性因素众多,施工风险难以定量描述。因此,根据工程经验和专家知识描述其性质及影响,熵在信息论中是对不确定性的一种定量化的度量,熵权由评价因素传达给决策者的信息量的多少来决定。若评价者在某评价因素上的赋值差异较大,则熵值较小,该指标对系统的比较作用越大,该评价因素包含和传递的信息量就越大,因此赋予较高的权重。用熵权值法修正AHP法进行风险评价具有现实意义。
发明内容
本发明提供一种基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,对整个基坑开挖施工阶段安全性进行评价,以达到提高安全性的目的。
本发明采取的技术方案是,一种基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,包括以下步骤:
1)选定基坑风险评判因素,建立递阶层次机构,按基坑风险评判因素搭建评价基坑安全的二级模糊综合评价模型;
2)对整个基坑开挖施工安全进行等级划分;
3)依据层次分析法,对基坑风险评判因素进行分层,对于同一层的基坑风险评判因素进行两两比较,建立评判矩阵;对每一层各因素相对重要性给出判断;
4)计算所有基坑风险评判因素的熵及熵权,构造基坑风险评判因素权重列向量C=(C1,C2,……Cn)T;在主观权重和客观权重结合的过程中,引入熵值Hi作为组合权重值,进行综合权重每个分量计算;综合权重每个分量计算公式为:Qi=hiWi+(1-hi)Ci;
5)针对基坑风险评判因素,通过专家评判法对基坑风险评判因素的各项指标进行赋值;通过专家赋值的方法确认各基坑风险评判因素关于评价级的隶属度,得到模糊关系矩阵;
6)根据模糊变换原理,将权重向量与模糊关系矩阵进行复合运算,便得到综合评判结果。
优化的,上述基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,在步骤1)中,根据基坑风险评判因素构建的二级模糊综合评价模型包括第一级风险评估因素和第二级风险评估因素,第一级风险评估因素包括支护结构安全指标、周边环境安全指标、基坑内环境安全指标;第二级风险评估因素包括竖向变形、水平变形、锚索轴力、地下管线变形、周边建筑变形、周边车辆荷载、微震强度定级、微震频率、土体内部压力、基坑内底部起。
优化的,上述基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,在步骤2)中,所述对基坑安全等级进行划分,包括很安全、安全、较安全、不安全,基坑安全等级的很安全得分4分,基坑安全等级的安全得分3分,基坑安全等级的较安全得分2分,基坑安全等级的不安全得分1分。
优化的,上述基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,在步骤3)中,就影响整个基坑安全性若干个同层指标对其影响上一层指标的程度进行两两对比,并请相关领域数名专家采用1至9标度法对其两两对比结果进行打分;评判矩阵中主对角线都为1,其余主对角线两侧元素互为倒数;根据判断矩阵进行层次单排序及层次总排序,进而确定评价因素和评价因子权重;通过层次单排序对位于同一层的基坑风险评判因素进行重要性排序,通过解特征值问题求出特征向量作为层次单排序的权重值,解特征值问题为Aω=λmaxω,其中A为判断矩阵,λmax为A的最大特征根,ω为A对应于λmax的特征向量,ωi为相应元素层次单排序的权重值。
优化的,上述基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,步骤3)中,对判断矩阵A的特征根的步骤包括:a)对C的元粗按列归一化,得 i,j=1,2,...,n;b)按行相加,求得 c)对归一化,求得W=[w1,w2,...,wn]T,将得出权向量后计算评判矩阵最大特征根λmax,
优化的,上述基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,步骤3)中,需要对判断矩阵的一致性进行验证,判断矩阵的一致性验证过程为,引入检验判断矩阵一致性的指标CI与修正系数RI的比值CR来检验评判者判断思维的一致性,若CR<0.1,则判断矩阵具有满意的一致性,否则就需要调整判断矩阵的最初取值。
优化的,上述基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,步骤4)中,由公式得出专家评价水平向量E(ei1,ei2……ein),由此建立基于熵权的专家评价结果评定模型,专家对给定问题的评价水平可以通过基于熵权的专家评价结果评定模型,用其给出的评价结果的不确定性来衡量;不确定性的程度用熵值Hi表示,熵值Hi越小,则专家的评价水平越高,评价结果的可信度越高;反之,熵值Hi越大,专家的评价结果可信度则越低;专家在各目标评价过程中所对应的权重,可用下式表示C的值越大,表示专家i的意见在评价中占的比重越大。
优化的,上述基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,在步骤5)和步骤6)中,通过专家赋值的方法确认各因素关于评价级的隶属度,Rij表示某个被评事物从因素Ci来看对Vj等级模糊子集的隶属度,即根据模糊变换原理,将权重向量W与模糊关系矩阵 R进行复合运算,便得到综合评判结果S。
优化的,上述基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,在步骤6)中,二级模糊矩阵Ri与子制约层综合权重向量Qi相乘合成二级模糊综合评价结果矩阵R;二级模糊综合评价矩阵R与该层权重向量Q相乘得到一级模糊综合评价结果S;根据第一级评判结果,通过加权平均数法对该基坑工程的综合健康评价结果进行处理,其对应的安全等级即为岩质基坑安全等级。
本发明可以使定性的分析通过定量的形式表达出来。使不精准的评判变得数字化具体化,使整个评判过程更加科学化。本申请的方案中考虑了微震监,将微震监测结果融入到评价体系内,可评价岩体内部破裂损伤,从微观层面评估预测基坑稳定性,对岩质基坑开挖施工具有创新性和指导性。现行模糊安全评价模型多以最大隶属度法来评判,评价结果只考虑了主要影响作用的那个因素,忽略了其他因素,这种算法有时会忽略许多重要信息,使计算结果不精确。而该发明专利采用加权平均法,该方法兼顾了各元素的权重大小,评价结果体现了被评价对象的整体特征。
附图说明
图1为本申请的模糊综合评价模型;
图2为专家采用1至9标度法进行打分的具体评分标准表格;
图3为平均随机一致性指标RI的取值表。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
本发明为一种基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,包括以下步骤:
1)选定基坑风险评判因素,建立递阶层次机构,按基坑风险评判因素搭建评价基坑安全的二级模糊综合评价模型;
2)对整个基坑开挖施工安全进行等级划分;
3)依据层次分析法,对基坑风险评判因素进行分层,对于同一层的基坑风险评判因素进行两两比较,建立评判矩阵;对每一层各因素相对重要性给出判断;
4)计算所有基坑风险评判因素的熵及熵权,构造基坑风险评判因素权重列向量 C=(C1,C2,……Cn)T;在主观权重和客观权重结合的过程中,引入熵值Hi作为组合权重值,进行综合权重每个分量计算;综合权重每个分量计算公式为:Qi=hiWi+(1-hi)Ci;
5)针对基坑风险评判因素,通过专家评判法对基坑风险评判因素的各项指标进行赋值;通过专家赋值的方法确认各基坑风险评判因素关于评价级的隶属度,得到模糊关系矩阵;
6)根据模糊变换原理,将权重向量与模糊关系矩阵进行复合运算,便得到综合评判结果。
在步骤1)中,根据基坑风险评判因素构建的二级模糊综合评价模型包括第一级风险评估因素和第二级风险评估因素,第一级风险评估因素包括支护结构安全指标、周边环境安全指标、基坑内环境安全指标;第二级风险评估因素包括竖向变形、水平变形、锚索轴力、地下管线变形、周边建筑变形、周边车辆荷载、微震强度定级、微震频率、土体内部压力、基坑内底部起。
在步骤2)中,所述对基坑安全等级进行划分,包括很安全、安全、较安全、不安全,基坑安全等级的很安全得分4分,基坑安全等级的安全得分3分,基坑安全等级的较安全得分2分,基坑安全等级的不安全得分1分。
构造判断矩阵是层次分析法中最为重要的一步。它是就影响整个基坑安全性n个同层指标对其影响上一层指标的程度进行两两对比。请相关领域数名专家采用1~9标度法对其两两对比结果进行打分,具体评分标准如表1所示。评判矩阵中主对角线都为1,因为所有因素相对比自身而言都同等重要, Aω=λmaxω其余主对角线两侧元素互为倒数。根据判断矩阵进行层次单排序及层次总排序,进而确定评价因素和评价因子权重。层次单排序的目的在于对本层因素进行重要性排序,层次单排序的权重值可通过解特征值问题即Aω=λmaxω,求出特征向量而得到。式中A为判断矩阵,λmax为 A的最大特征根,ω为A对应于λmax的特征向量,ωi为相应元素层次单排序的权重值。其中本专利采用近似简易的和法求特征根。具体步骤为:a)对C的元粗按列归一化,得 i,j=1,2,...,n;b)按行相加,求得c)对归一化,求得
需进行一致性检验。引入检验判断矩阵一致性的指标CI与修正系数RI的比值CR来检验评判者判断思维的一致性,其中RI取值参照表3所示。
专家对给定问题的评价水平可以通过此模型,用其给出的评价结果的不确定性来衡量,不确定性的程度用熵值Hi表示,熵值Hi越小,则专家的评价水平越高,评价结果的可信度越高;反之,熵值Hi越大,专家的评价结果可信度则越低。故专家在各目标评价过程中所对应的权重,可用下式表示:
C的值越大,表示专家i的意见在评价中占的比重越大。
建立基坑风险评估因素集C及评价级V。通过专家赋值的方法确认各因素关于评价级的隶属度。Rij表示某个被评事物从因素Ci来看对Vj等级模糊子集的隶属度,即根据模糊变换原理,将权重向量W与模糊关系矩阵R进行复合运算,便得到综合评判结果S,
下面以青岛某地铁车站基坑为例,详细说明本申请的技术方案在整个基坑开挖过程中安全评估过程。
确定基坑开挖过程风险评估因素,建立模糊综合评价模型。如表2所示
对整个基坑开挖建立安全等级划分,为计算方便,本专利对基坑开挖过程安全性得分实行4分制。即“很安全、安全、较安全、不安全”得分分别为4分、3分、2分、1分。
对于同一层的影响因素都由三名专家进行两两比较,建立评判矩阵。对每一层对各因素相对重要性给出判断。采用1~9标度法进行对比。计算结果如下:
第一层评价指标Ci对于目标层C的评判矩阵及相对权重值(专家1)
第一层评价指标Ci对于目标层C的评判矩阵及相对权重值(专家2)
第一层评价指标Ci对于目标层C的评判矩阵及相对权重值(专家3)
第一层评价指标Ci对于目标层C的主观权重汇总
按照熵权值法,建立专家自身权重熵值模型,计算专家各自权重。计算结果如下表所示:
由计算结果可知,专家1、3的熵值最小,评价结果可靠度最高,其意见在评价过程中所占比重应最大;专家2的熵值最大,评价结果可靠度最差,其意见所占比重应最小。
第二层评价指标C1i对于第一层指标C1的评判矩阵及相对权重值(专家1)
第二层评价指标C1i对于第一层指标C1的评判矩阵及相对权重值(专家2)
第二层评价指标C1i对于第一层指标C1的评判矩阵及相对权重值(专家3)
第二层评价指标C1i对于第一层评价指标C1的主观权重汇总
按照熵权值法,建立专家自身权重熵值模型,计算专家各自权重。计算结果如下表所示:
求得:Q11=0.310,Q12=0.378,Q13=0.345。
第二层评价指标C2j对于第一层指标C2的评判矩阵及相对权重值(专家1)
第二层评价指标C2j对于第一层指标C2的评判矩阵及相对权重值(专家2)
第二层评价指标C2j对于第一层指标C2的评判矩阵及相对权重值(专家3)
第二层评价指标C2i对于第一层评价指标C2的主观权重汇总
按照熵权值法,建立专家自身权重熵值模型,计算专家各自权重。计算结果如下表所示:
求得:Q21=0.090,Q22=0.559,Q23=0.224,Q24=0.127。
第二层评价指标C3j对于第一层指标C3的评判矩阵及相对权重值(专家一)
第二层评价指标C3j对于第一层指标C3的评判矩阵及相对权重值(专家2)
第二层评价指标C3j对于第一层指标C3的评判矩阵及相对权重值(专家3)
第二层评价指标C2i对于第一层评价指标C2的主观权重汇总
专家1 | 专家2 | 专家3 | 平均权重 | |
微震等级C<sub>31</sub> | 0.14 | 0.17 | 0.14 | 0.15 |
土体压力C<sub>32</sub> | 0.23 | 0.17 | 0.23 | 0.21 |
底部隆起C<sub>33</sub> | 0.49 | 0.33 | 0.49 | 0.44 |
微震频率C<sub>34</sub> | 0.14 | 0.33 | 0.14 | 0.20 |
按照熵权值法,建立专家自身权重熵值模型,计算专家各自权重。计算结果如下表所示:
求得:Q31=0.151,Q32=0.208,Q33=0.431,Q34=0.210。
下面以支护结构安全指标C1为例,由相关专家按赋值标准构造判断矩阵。
支护结构安全指标C<sub>1</sub> | 竖向变形C<sub>11</sub> | 水平变形C<sub>12</sub> | 锚索轴力C<sub>13</sub> |
竖向变形C<sub>11</sub> | 1 | 3 | 1 |
水平变形C<sub>12</sub> | 1/3 | 1 | 1/3 |
锚索轴力C<sub>13</sub> | 1 | 3 | 1 |
对C1各元素按列进行归一化得到矩阵:
一致性检验:
从而该判断矩阵具有一致性。
针对已选定的影响因素,选取10名专家通过专家评判法对各项指标进行赋值。评价结果见下表,其中表格中数值代表选择相应选项的人数。经过整理,可得出各因素对应等级的隶属子集,从而得到模糊评价矩阵R。其中Rij表示某个被评事物从因素Ci来看对Vj等级模糊子集的隶属度,即
由上表可构造出二级指标模糊评价矩阵。
归一化得(0.104,0.629,0.267,0)
归一化得S2=(0.181,0.664,0.155,0)。
得到二级指标模糊评价矩阵后,可用相同方法构建一级指标模糊评价矩阵S;
模糊向量单值化:F=0.146×4+0.602×3+0.228×2+0×1=2.846。根据该基坑设立安全等级标准3.5≥F≥2.5。故安全等级为较安全状态。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不限于上述举例,本技术领域的普通技术人员,在本发明的实质范围内,作出的变化、改型、添加或替换,都应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)选定基坑风险评判因素,建立递阶层次机构,按基坑风险评判因素搭建评价基坑安全的二级模糊综合评价模型;
2)对整个基坑开挖施工安全进行等级划分;
3)依据层次分析法,对基坑风险评判因素进行分层,对于同一层的基坑风险评判因素进行两两比较,
建立评判矩阵;对每一层各因素相对重要性给出判断;
4)计算所有基坑风险评判因素的熵及熵权,构造基坑风险评判因素权重列向量C=(C1,C2,……Cn)T;在主观权重和客观权重结合的过程中,引入熵值Hi作为组合权重值,进行综合权重每个分量计算;综合权重每个分量计算公式为:Qi=hiWi+(1-hi)Ci;
5)针对基坑风险评判因素,通过专家评判法对基坑风险评判因素的各项指标进行赋值;通过专家赋值的方法确认各基坑风险评判因素关于评价级的隶属度,得到模糊关系矩阵;
6)根据模糊变换原理,将权重向量与模糊关系矩阵进行复合运算,便得到综合评判结果。
2.根据权利要求1所述的基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,其特征在于:在步骤1)中,根据基坑风险评判因素构建的二级模糊综合评价模型包括第一级风险评估因素和第二级风险评估因素,第一级风险评估因素包括支护结构安全指标、周边环境安全指标、基坑内环境安全指标;第二级风险评估因素包括竖向变形、水平变形、锚索轴力、地下管线变形、周边建筑变形、周边车辆荷载、微震强度定级、微震频率、土体内部压力、基坑内底部起。
3.根据权利要求1所述的基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,其特征在于:在步骤2)中,所述对基坑安全等级进行划分,包括很安全、安全、较安全、不安全,基坑安全等级的很安全得分4分,基坑安全等级的安全得分3分,基坑安全等级的较安全得分2分,基坑安全等级的不安全得分1分。
4.根据权利要求1所述的基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,其特征在于:在步骤3)中,就影响整个基坑安全性若干个同层指标对其影响上一层指标的程度进行两两对比,并请相关领域数名专家采用1至9标度法对其两两对比结果进行打分;评判矩阵中主对角线都为1,其余主对角线两侧元素互为倒数;根据判断矩阵进行层次单排序及层次总排序,进而确定评价因素和评价因子权重;通过层次单排序对位于同一层的基坑风险评判因素进行重要性排序,通过解特征值问题求出特征向量作为层次单排序的权重值,解特征值问题为Aω=λmaxω,其中A为判断矩阵,λmax为A的最大特征根,ω为A对应于λmax的特征向量,ωi为相应元素层次单排序的权重值。
9.根据权利要求1所述的基于熵权值法修正AHP法的岩质基坑安全评价方法,其特征在于:在步骤6)中,二级模糊矩阵Ri与子制约层综合权重向量Qi相乘合成二级模糊综合评价结果矩阵R;二级模糊综合评价矩阵R与该层权重向量Q相乘得到一级模糊综合评价结果S;根据第一级评判结果,通过加权平均数法对该基坑工程的综合健康评价结果进行处理,其对应的安全等级即为岩质基坑安全等级。
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