基于模糊层次分析法的基坑健康状态定量评价

孙 可，王俊明，戴煜坤

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，镇江 212100) (2.江苏地质基桩工程公司，镇江 212001) (3.镇江高校投资建设发展集团有限公司，镇江 212003)

随着我国城市化进程逐步加快，基础设施建设发展迅猛，基坑工程事故有明显增多的趋势，不但增加工程经济投入，延误工期，而且会危及附近群众的生命财产安全，造成不良社会影响[1-4].为保证基坑工程健康安全的建设及使用，常结合现场巡检及各类监测合理评估基坑状态，了解基坑已经发生或可能发生的病害，判断是否应当采取必要的整治措施，以确保基坑工程的安全可靠[5-6].

目前对于基坑工程可靠性及风险评估的研究颇有进展.文献[7]通过对基坑支护结构的受力及变形进行分析，提出一种基于可靠度理论的支护结构受力及变形概率预测方法；文献[8]与文献[9]分析了基坑支护体系中各类失效模式的不同产生机理、以及不确定性因素的影响，并进行了可靠性分析方法以及系统可靠性的相关评价工作；文献[10-11]从影响基坑位移的因素和基坑自身位移特征方面入手，结合现场的位移观测值，提出一种基于灰色理论的基坑变形预测预警模型；文献[12-15]分别利用事故树分析方法对深基坑支护情况进行风险评估研究；此外文献[16]还将神经网络方法应用到了深基坑工程的变形预测中.可见基坑工程可靠性及风险评估研究大都集中于基坑本体支护结构或某一重点指标，评价方法众多，侧重点不一.随着信息化施工及结构健康监测技术的发展，基坑工程监测手段逐渐完善，监测指标也逐渐增多，由基坑本体结构延伸至周边环境及结构物，虽然各项监测指标安全与否可参照文献[17]内给定的预警值来进行定性评判，但如何利用各项指标的海量监测数据来定量判定基坑整体的健康状态尚无定论.

文中拟利用模糊层次分析法，建立一个基坑工程健康评价指标体系，给出各项指标权重的参考赋值并构建四级健康隶属度函数，实现从各具体监测指标到基坑整体健康程度的定量判定；最后结合现场监测数据，对实际基坑工程进行健康状态的定量计算与评价，验证该方法的可行性.

1 模糊层次分析流程

模糊层次分析法，是模糊数学及层次分析法相结合的一种综合评判方法.其中，利用模糊变换原理和最大隶属原则可综合考虑被评价事物与其各项属性关联程度，对其进行等级或类别评定；层次分析法则可将复杂的多目标决策问题按照特定准则分解为多个单独的指标或若干层次，再通过量化计算方法得到各指标的评价分值，为目标提供最优化评价决策，针对基坑工程的健康评价流程如图1.

图1 基坑健康评价流程

先利用层次分析法将影响基坑健康的因素分解成多个不同评价层次，再依次确定不同层次内具体评价因子；结合指数标度法对各层内不同因子进行权重赋值；通过模糊数学方法建立单因子的量化评价隶属度函数，确定各评价因子健康区间及对应阈值；再将各时段监测指标数据代入模糊隶属度函数计算对应因子的健康评价值；最后将各单项因子的健康评价值代入综合评价算子计算基坑整体的健康评价值并最终判定基坑的健康状态.

2 健康评价模型

2.1 评价因子及权重赋值

利用层次分析法对决定基坑健康的因素由上至下进行逐层细分.顶层为基坑整体的健康状态，定义为评价因子T.

T由基坑本体结构及周边环境的健康状态共同决定，因此可分解得到下一层的评价因子：

(1)

式中：C1为基坑本体的健康状态，C2为基坑周边环境的健康状态.基坑本体的健康状态一般由围护墙、围护土体、立柱桩的位移情况以及支撑轴力的大小共同决定；基坑周边环境的健康状态一般由地下管线、建筑物及地表的沉降情况和地下水位变化来决定.因此可得到底层评价因子：

#0是规模最大的聚类，主要研究高端模拟教学试验、多种教学法相结合、团队合作学习在护理学基础教学中的应用价值与应用效果以及病理学、临床微生物学、药学等学科的实验教学体系的应用、改革与创新；#1主要研究循证护理、术后护理与术后健康教育、并发症、术中护理安全及防范措施等；#2主要研究早期糖尿病肾病评估与诊断以及糖尿病肾病的临床护理与治疗；#3主要研究植物药材挥发油的抗肿瘤作用及其化学成分的研究；#4主要研究轴扫技术在CT腹部检查中的作用以及体层摄影术在临床检查、诊断中的应用价值。

(2)

(3)

式中：P1～P5分别为围护墙体沉降、围护墙体水平位移、围护土体水平位移、立柱桩沉降及支撑轴力，P6～P9分别为地下管线沉降、建筑物沉降、地表沉降及地下水位.

上述层次结构内，各项评价因子对基坑整体健康状态的影响程度不尽相同，权重赋值方法尚无统一标准，参考文献[18]结合专家经验判断，两两对比同层因子的重要程度，利用层次分析法中提及的指数标度方法[19]给各层因子进行权重赋值，结果如图2.

图2 健康评价层次结构及因子权重赋值

2.2 健康状态评价集

结构健康评价的思路基本相同，大都通过等级划分及评分的方式来实现.文中将基坑各项评价因子的健康状态划分为A～D 4个等级，分别对应非常健康、基本健康、亚健康和不健康，定义评价集H，记为：

H={H1,H2,H3,H4}

(4)

其中H1～H4分别对应于A～D 4个健康等级，建立评价集的等级向量G：

(5)

2.3 健康等级隶属度函数及评分区间

由于各项监测指标与基坑整体健康程度的相关程度并不明确，存在一定的模糊性，通过模糊隶属度函数来计算基坑健康评价层次结构内底层因子对于健康评价集G的隶属程度.假定基坑工程的健康程度与各项因子的实际监测数据线性相关，可利用模糊数学中三角形分布及梯形分布的形式构建健康等级隶属度函数，如图3.

图3 健康等级隶属度函数

图3中，K1～K3为划分4个健康区间的界限值，取值随评价因子对象的不同而有所区别，可结合文献[17]来确定.图3中，4个健康等级A～D的隶属度函数分别为：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：x为自变量，取各项底层评价因子P1～P9的监测值；a1～a4为区间分段参数，它们与K1～K3存在以下线性关系：

(10)

(11)

用等级向量G乘以隶属度矩阵Q，可得到底层因子的健康评价值R：

(12)

结合上文模糊隶属度函数的线性特征，等分确定4个健康等级所对应的评分区间，列于表1.后续基坑健康评价层次结构内各项因子健康状态的评定均可对照此表进行.

表1 健康状态量化分级表

2.4 综合评价算子

综合评价算子是运用多个子指标求取总体评价结果的数学运算[18].针对影响基坑健康的各项底层评价因子一般会布设多组测点进行数据采集，由于各测点监测数据的差异对基坑健康的影响程度不尽相同，为突出最危测点且兼顾其它所有测点的共同影响，构建综合评价算子S：

S=α·S1+β·S2

(13)

式中：S1取值为所有测点中最低的健康评价值Rmin，S2取其它测点健康评价值的均值；α与β分别代表S1与S2的权重，建议参考帕累托定律取值α=0.8，β=0.2.

3 工程算例

3.1 工程概况及数据监测

上海元祖梦世界基坑工程项目基底建筑面积2.18万平方米，在场地浅部70 m深度范围内的地基土均属第四纪沉积物，主要由粘性土、粉性土、砂性土组成，场地实测地下水稳定水位埋深在0.50～2.00 m 之间.为确保基坑工程及其周围环境在施工期间的安全稳定，结合围护设计的技术标准及规定[18]，布设多组测点对影响基坑健康的底层因子集(P1～P9)进行数据监测，限于篇幅，仅展示某一时刻P3(围护土体水平位移)的21个测点监测数据，如图4.

图4 特定时刻围护土体水平位移

3.2 健康评价

基坑整体健康状态评价需结合前文健康评价层次结构划分及因子权重赋值来进行，首先进行单因子的健康值计算，以围护土体水平位移P3因子的健康评价为例展开计算.参考文献[17]内规定的标准预警值，先将P3因子的健康区间进行等比区间划分如下：

通过表2可以确定P3因子的健康区间界限值K1、K2、K3分别为10、30、50；将其代入式(10)，可以得到P3因子的健康区间分段参数a1～a4的值：

表2 P3因子健康区间划分

将a1～a4的值代入式(6～9)，即可得到P3因子的4个健康等级隶属度函数，再把图4中TX1-TX21测点的最大水平位移监测值依次代入，可分别得到21个测点对4个健康等级的隶属度矩阵Q，结合式(12)，即可求得21个测点的健康评价值R，结果见图5.

图5 围护土体水平位移及健康评价值

将图5中最低健康值，即TX4测点的健康值1.35以及其余20个测点健康评价值的均值代入式(13)，可求得P3因子的综合健康评价值为1.55.

同样的方法可求得除P3外其余底层评价因子的健康值，再结合图2基坑健康评价层次结构及因子权重，逐层向上加权计算，可以获得上海元祖梦世界基坑工程某监测时段内的整体健康评价值为2.55，各层因子的具体健康值如图6.

图6 健康评价结果

参照表1，判定基坑的健康等级为B，处于基本健康状态.P3因子拉低了基坑整体健康值，后期需要重点监视TX4测点的围护土体水平位移，甚至采取必要整治措施.

最后可将各监测时段数据分批代入计算，获得半年内基坑健康状况随时间的演化情况.如图7，上海元祖梦世界基坑工程的健康状态随时间呈指数函数趋势下降，在监测最初的30天内健康值下降较快，由3.3降低到2.6左右；后期随时间增加，健康值逐渐趋于稳定并保持在2.5附近，处于相对健康的状态.

图7 健康状态随时间的演化

通过查看定期现场人工巡检记录，基坑支护结构未出现明显变形、开裂以及渗漏情况，周边管线及建筑亦未发生破坏，可认为基坑一直处于较为健康的状态，与文中的评价结果基本吻合.

4 结论

文中的主要工作是利用模糊层次分析方法建立基坑工程的健康状态定量评价模型，取得的具体成果如下：

(1) 利用层次分析法对影响基坑健康的各项因素进行细分，建立多层次的基坑健康评价因子体系；并利用指数标度法对各因子进行了权重赋值.

(2) 利用模糊数学方法，构建了评价因子的4级健康隶属度函数以及综合评价算子，可实现从底层因子到基坑整体的健康状态量化评价.

(3) 结合上海元祖梦世界基坑监测项目，利用建立的健康评价模型对该基坑工程进行全监测周期健康值计算，并最终判定基坑处于基本健康状态，与现场巡检情况相符，具有一定可行性.