秦 猛

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

抗液化地基處理措施主要來自兩類設(shè)計(jì)思想：(1)阻止孔隙水壓力的產(chǎn)生和發(fā)展；(2)控制液化產(chǎn)生的過大變形。不良地基的地質(zhì)環(huán)境也是復(fù)雜多變的，選擇正確的地基處理方案是工程建設(shè)安全的基礎(chǔ)[1]。常用的方案優(yōu)化比選方法有模糊物元的聚類分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)方法、遺傳算法、灰色理論方法、層次分析方法等。層次分析方法可以讓評(píng)價(jià)過程由復(fù)雜變得極具條理化，利用評(píng)價(jià)指標(biāo)可使系統(tǒng)內(nèi)較復(fù)雜的關(guān)系不斷條理化、層次化，區(qū)別各自對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響情況，還包括針對(duì)部分只能定性評(píng)價(jià)的要素進(jìn)行方便、合適的處理[2-4]。本文依托新疆地區(qū)某高速公路重要構(gòu)筑物地震液化帶地基處治工程，通過建立層次分析模型，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算分析得出病害處治的最佳方案。

1 工程概況

該線路為高速公路建設(shè)項(xiàng)目，標(biāo)段起始樁號(hào)為K54+000，終點(diǎn)樁號(hào)為K89+000，線路總里程34.993 km。項(xiàng)目所屬地區(qū)的地貌為典型的風(fēng)積砂丘、荒漠鹽堿地和農(nóng)田濕地。根據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示，項(xiàng)目沿線多處在7～8烈度區(qū)，其設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15～0.20 g，項(xiàng)目沿線地區(qū)地層為粉、細(xì)砂和粉土、粉質(zhì)黏土，且地下水位較高，滿足導(dǎo)致地震液化的基本條件。其中K75+300～K79+500、K85+520～K89+000路段地震液化等級(jí)分別為中等和嚴(yán)重，且沿線有分布橋涵通道及大中型橋梁、民房等多個(gè)重要構(gòu)筑物。

2 常用地震液化帶處治方案

為保證高速公路路基穩(wěn)定性，需采取措施對(duì)其周邊一定區(qū)域內(nèi)的地基進(jìn)行抗液化處理。根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGT B02-2013)的要求，地震液化帶可液化地基加固的處理方法有砂樁、碎石樁、石灰樁、強(qiáng)夯等。結(jié)合工程建設(shè)項(xiàng)目中常用的地震液化帶地基處治方法，如表1有6種可選方案。

基于該合同段地震液化帶區(qū)域多重要構(gòu)筑物的實(shí)際情況，在選擇處治方案的時(shí)候，不僅要保證處治方案達(dá)到地基加固的效果，盡可能地減少施工對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生的影響，還需考慮到施工產(chǎn)生的費(fèi)用，盡量保證其經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還要考慮到環(huán)保因素，保證可持續(xù)發(fā)展性。綜合上述處治方案的特點(diǎn)，初步選取砂礫樁法、砂樁擠密法和碎石樁排水法3種方案作為此次高速公路地震液化帶不良地基段處治待選方案。

表1 地震液化帶地基加固處理方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

3 處治方案比選

不良地基處治方案的優(yōu)化因?yàn)樵O(shè)備、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等眾多因素的影響，各類因素相互作用、相互關(guān)聯(lián)形成一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。首先按照問題的特性和應(yīng)達(dá)到的目的，把問題分散成層次不同的眾多因素，利用因素間的隸屬關(guān)系和相互影響，我們把它分層聚類地組合起來，構(gòu)造一個(gè)遞階的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型[5]；然后按照基本的原則和系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)比分析各層因素，其基本步驟是[6-8]：(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型；(2)構(gòu)造成對(duì)比矩陣；(3)計(jì)算單排序權(quán)向量，然后檢驗(yàn)其一致性；(4)計(jì)算總排序權(quán)向量，然后檢驗(yàn)其一致性。

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)分析模型

對(duì)上述地震液化帶處治方案的選擇，涉及到眾多的復(fù)雜因素，其中經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、工期、環(huán)保4項(xiàng)指標(biāo)最為重要，因此選取其作為方案比選的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)層次分析法的定義，把評(píng)價(jià)目標(biāo)、影響因素、不同方案區(qū)分成不相同的層次，構(gòu)建了基于層次分析法的地震液化帶處治方案比選結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 地震液化帶處治結(jié)構(gòu)層次模型示意圖

3.2 構(gòu)建判斷矩陣

層次分析法中最重要的就是判斷矩陣的構(gòu)建，它表示下一層次中部分元素對(duì)于上一層次中某元素的相對(duì)重要性。判斷矩陣指標(biāo)權(quán)重值通過專家討論和分析來確定，配置方法根據(jù)統(tǒng)一的Saaty 1～9級(jí)判斷矩陣標(biāo)準(zhǔn)度表，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。專家現(xiàn)場(chǎng)討論和分析，對(duì)指標(biāo)的相對(duì)重要程度作出評(píng)價(jià)。

3.2.1 A-C層判斷矩陣

對(duì)地震液化帶的治理從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、工期、環(huán)保四個(gè)方面考慮。從這四方面來看，技術(shù)可靠是首要因素，第二是經(jīng)濟(jì)因素，維持經(jīng)濟(jì)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)可持續(xù)性發(fā)展已是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略，認(rèn)為環(huán)保要素高于工期。通過專家討論分析，得出A-C層判斷矩陣D如表2所示。

表2 準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣表

3.2.2 C-P層判斷矩陣

同理，基于各種處治方法的特點(diǎn)，可以得到構(gòu)造方案層對(duì)準(zhǔn)則層判斷矩陣C1-P、C2-P、C3-P、C4-P，如表3～6所示。

3.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣是分析者憑個(gè)人知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)建立起來的，不可避免地會(huì)受到人主觀因素的影響，導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。為使判斷結(jié)果更好地與實(shí)際狀況相吻合，應(yīng)檢驗(yàn)其一致性[9]。

表3 C1-P方案層對(duì)準(zhǔn)則層判斷矩陣表

表4 C2-P方案層對(duì)準(zhǔn)則層判斷矩陣表

表5 C3-P方案層對(duì)準(zhǔn)則層判斷矩陣表

表6 C4-P方案層對(duì)準(zhǔn)則層判斷矩陣表

判斷矩陣D經(jīng)|λI-D|=0求解，采用Matlab求解得到其最大特征值λmax=4.156 9，該特征值對(duì)應(yīng)歸一化特征向量為ω，其中的值對(duì)應(yīng)各影響因素的權(quán)值。

ω=(0.272 8，0.500 3，0.080 1，0.146 8)

對(duì)于4階矩陣，查平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值表可知，RI=0.90，求得一致性指標(biāo)CI和一致性比率CR。CI和CR按下式計(jì)算。

CR=0.058 1<0.1，顯然D矩陣一致性檢驗(yàn)合格，故權(quán)值可以應(yīng)用。

同理，判斷矩陣CK-P計(jì)算結(jié)果如下頁表7所示。

顯然，各判斷矩陣一致性檢驗(yàn)均滿足要求，以上權(quán)值都能使用。

表7 判斷矩陣CK-P計(jì)算結(jié)果表

3.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

將層次單排序中得到的數(shù)據(jù)，填入層次總排序表中。準(zhǔn)則層中C1、C2、C3、C4對(duì)應(yīng)的數(shù)值為A-C判斷矩陣各影響因素的權(quán)值，P1、P2、P3為C1、C2、C3、C4對(duì)應(yīng)的層次P的權(quán)值。對(duì)總體目標(biāo)而言，計(jì)算得到三種方案的層次總排序結(jié)果如表8所示。

表8 層次總排序表

顯然，層次總排序的一致性檢驗(yàn)滿足要求。根據(jù)層次分析法的結(jié)果，各方案的權(quán)值排序?yàn)椋篜3>P1>P2，故對(duì)依托工程附近有重要構(gòu)筑物的地震液化帶區(qū)域采用砂礫樁進(jìn)行地基加固。

4 地基處治方案及效果評(píng)價(jià)

4.1 施工工序及質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1.1 施工工序

設(shè)計(jì)砂礫樁樁徑為50 cm，砂礫樁孔按三角形設(shè)置，樁間距為150 cm，樁長(zhǎng)8 m，采用振動(dòng)沉管施工技術(shù)。振動(dòng)沉管施工機(jī)械包括：打樁機(jī)由振動(dòng)機(jī)、套管、料斗三部分組成，基本施工流程如圖2所示。

圖2 施工流程圖

4.1.2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

由于施工方法不當(dāng)或施工關(guān)鍵技術(shù)不熟悉，會(huì)使地基的處置效果不佳，甚至造成質(zhì)量問題。基于地基處治方法的特點(diǎn)，在具體施工環(huán)節(jié)需要從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)質(zhì)量控制。

(1)防止出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象，保證樁身連續(xù)性。在施工過程中，必須按照工藝性試樁所得的成樁過程步驟和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)控制拔管的進(jìn)度及高度，拔管的速度不宜過快。

(2)減少鄰樁施工的影響，防止已成砂礫樁傾斜，保證樁管豎直度，砂礫樁施工順序應(yīng)該由外而內(nèi)，相鄰樁間隔跳躍施工，在施工過程中必須嚴(yán)格把控樁管的豎直度。

(3)為確保砂礫樁樁身的連續(xù)性及施工過程擠密均勻，施工過程中，必須按照設(shè)計(jì)的樁徑、樁間距、樁長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)所得的拔管高度和留振時(shí)間、砂礫灌入量、反插次數(shù)等施工參數(shù)進(jìn)行施工。

4.2 地基處治效果評(píng)價(jià)

依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011)中地震液化等級(jí)劃分方法，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)加固土的密實(shí)情況，以檢驗(yàn)砂礫樁法對(duì)地震液化帶不良地基處治效果。在施工結(jié)束后第21 d，選擇在地震液化等級(jí)嚴(yán)重且線路周邊有重要構(gòu)筑物的路段，隨機(jī)抽取5個(gè)點(diǎn)位做標(biāo)貫試驗(yàn)，標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果表

從表9可知，經(jīng)砂礫樁改良后的地震液化帶不良地基標(biāo)貫擊數(shù)較處治前有明顯提高，表明土層的密實(shí)情況得到了明顯改善；地基樁間土的實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)修正值都大于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的臨界值，所以地基土由嚴(yán)重液化土轉(zhuǎn)化為非液化土。由此說明砂礫樁對(duì)重要構(gòu)筑物旁地震液化帶不良地基具有良好的處治效果。

5 結(jié)語

(1)層次分析法適用于多種因素影響下的地震液化帶處治方案優(yōu)選，能夠綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)成熟度、工期和環(huán)境因素的權(quán)重值分析得到處治不良地基的最優(yōu)方案。

(2)不良地基土處理效果表明，層次分析法優(yōu)選得到的砂礫樁法能有效改善化土層的密實(shí)情況，達(dá)到地基加固的效果，適用于處治重要構(gòu)筑物旁高速公路地震液化帶不良地基。