一种基于模糊综合评判法的软土基坑安全评价方法与流程

本发明属于岩土工程防灾减灾工程领域，具体涉及一种基于模糊综合评判法的软土基坑安全评价方法。

背景技术：

近年来全国各主要一、二线城市用地越来越紧张，充分开发利用城市地下空间是城市发展的必然趋势。上海、宁波、杭州等城市开挖的大量软土软土深基坑工程实践表明，基坑平面尺寸和深度对基坑支护体系的稳定和变形有着重要影响，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，特别是软土显著的流变特性、被扰动地层土体的应力路径的变化性和基坑无规则的开挖支撑，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；侯艳娟对建筑物的安全风险分析及评估采用了模糊综合评判法。王鸣晓基于对某车站基坑工程实例，采用二级模糊综合评判法进行了工程风险评估，并对其中的关键风险提出了针对性施工建议，对工程的顺利实施起到了指导作用。贺跃光等基于监测数据，采用层次分析法对某地铁基坑工程风险进行动态模糊识别和评估，得出各种风险事件的风险等级，并提出相应对策，保障工程安全。

综上，虽然风险评估法已经在基坑工程中获得了广泛的应用，然而，针对软弱地层条件下建筑物深基坑施工过程中安全性的定量评价研究尚未开展。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于模糊综合评判法的软土基坑安全评价方法，以达到提高施工过程安全性目的。

一种基于模糊综合评判法的软土基坑安全评价方法，包括以下步骤：

步骤1、确定基坑风险评估因素，构建三级模糊综合评判模型；

步骤2、对软土深基坑的安全等级进行划分，并设定每个风险评估因素对应不同安全等级的阈值；

步骤3、根据不同风险评估因素对应不同安全等级的阈值和各安全等级的隶属函数，确定基坑各风险评价因素相对安全等级的隶属程度；

步骤4、构建第一级风险评估因素构造矩阵及权重、第二级风险评估因素构造矩阵及权重，确定第三级评判因素权重，并进行一致性检验；

步骤5、根据第三级评判因素在安全等级的隶属函数值和第三级评判因素权重，对第三级评判因素进行模糊综合评判，根据第三级评判结果和第二级评判因素权重，对第二级评判因素进行模糊综合评判，根据第二级评判结果和第一级评判因素权重，对第一级评判因素进行模糊综合评判；

步骤6、根据第一级评判结果，确定模糊子集中隶属度最大的值，其对应的安全等级即为软土基坑安全等级。

步骤1所述的确定基坑风险评估因素，构建三级模糊综合评判模型，具体为：

第一级风险评估因素：基坑本体和周边环境；

第二级风险评估因素：墙体测斜、支撑轴力、桩顶竖向位移、建筑物沉降、地表沉降和桩顶水平位移；

第三级风险评估因素：累计值和速率。

步骤2所述的对软土深基坑的安全等级进行划分，具体包括：I级安全状态、II级较安全状态、III级黄色预警、IV级橙色预警和V级红色预警。

步骤3所述的各安全等级的隶属函数，具体如下：

其中，A(x)表示隶属函数，δ表示第三级风险评估因素实际值，δ₁表示II级较安全状态等级阈值，δ₂表示III级黄色预警等级阈值，δ₃表示IV级橙色预警等级阈值，δ₄表示V级红色预警等级阈值。

步骤5所述的根据第三级评判因素在安全等级的隶属函数值和第三级评判因素权重，对第三级评判因素进行模糊综合评判，根据第三级评判结果和第二级评判因素权重，对第二级评判因素进行模糊综合评判，根据第二级评判结果和第一级评判因素权重，对第一级评判因素进行模糊综合评判；具体为：

将第三级评判因素权重矩阵与第三级评判因素在安全等级的隶属函数矩阵相乘，获得第三级评判模糊子集，将第三级评判结果子集进行组合获得第二级因素集的判断矩阵，将第二级评判因素权重矩阵与第二级因素集的判断矩阵相乘，获得第二级评判模糊子集，将第二级评判结果子集进行组合获得第一级因素集的判断矩阵，将第一级评判因素权重矩阵与第一级因素集的判断矩阵相乘，获得第一级评判模糊子集。

本发明优点：

本发明提出一种基于模糊综合评判法的软土基坑安全评价方法，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为围护体测斜、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，结合实测数据，确定基坑安全评价指标；将软土深基坑的安全等级划分为安全状态、较安全状态、黄色预警、橙色预警、红色预警五个等级，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的安全评价模型，本发明对工程的顺利实施起到了指导作用，得出各种风险事件的风险等级，并提出相应对策，提出了针对性施工建议，对保障工程安全具有重要的意义，具体可以指导软土深基坑工程和边坡工程的安全评价。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的基于模糊综合评判法的软土基坑安全评价方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，基于模糊综合评判法的软土基坑安全评价方法，方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、确定基坑风险评估因素，构建三级模糊综合评判模型；

本发明实施例中，进行现场数据检测，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；综合考虑基坑监测的实际情况，将基坑风险评估因素划分为三层，如表1所示；

表1基坑风险评估因素划分

本发明实施例中，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：u＝(u₁，u₂)；

第二层次：u₁＝(c₁，c₂，c₃，c₄)；u₂＝(c₅，c₆)；

第三层次：c₁＝(w₁，w₂)；c₂＝(w₃)；c₃＝(w₄，w₅)；c₄＝(w₆，w₇)；c₅＝(w₈，w₉)；c₆＝(w₁₀，w₁₁)；

实施例1，贝岭基坑2010年8月16日开挖至第三层土体底部，基坑本体和周边地表、建筑物未出现明显变形，基坑处于安全状态，监测数据如表2所示；

表2各因素指标值(8月16日)

步骤2、对软土深基坑的安全等级进行划分，并设定每个风险评估因素对应不同安全等级的阈值；

本发明实施例中，软土深基坑的安全等级划分为：I安全状态、II较安全状态、III黄色预警、IV橙色预警、V红色预警五个等级，各等级的特征及相应的处理措施见表3；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，即设定每个风险评估因素对应不同安全等级的阈值，见表4；

表3软土深基坑工程安全综合评价等级

表4安全评价指标

注：墙体测斜、墙顶竖向位移和地表沉降的累计值都取相对于开挖深度的无量纲变形量，支撑轴力累计值取实测钢支撑轴力除以相应的轴力设计值；

步骤3、根据不同风险评估因素对应不同安全等级的阈值和各安全等级的隶属函数，确定基坑各风险评价因素相对安全等级的隶属程度；

本发明实施例中，利用模糊综合评价方法对基坑进行风险评估，该方法基于层次模型，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；

本发明实施例中，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5所示，进行基坑风险评价各因素评价；

表5隶属函数

其中，A(x)表示隶属函数，δ表示第三级风险评估因素实际值，δ₁表示II级较安全状态等级阈值，δ₂表示III级黄色预警等级阈值，δ₃表示IV级橙色预警等级阈值，δ₄表示V级红色预警等级阈值。

步骤4、构建第一级风险评估因素构造矩阵及权重、第二级风险评估因素构造矩阵及权重，确定第三级评判因素权重，并进行一致性检验；

本发明实施例中，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如表6至表8所示；

表6第一层评判因素构造矩阵及权重

表7基坑本体各评判因素矩阵及权重

表8周边环境评判因素构造矩阵及权重

本发明实施例中，采用最大变形速率比采用最大变形值来判断基坑的危险性更加准确，更加及时；据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；

本发明实施例中，为确保所求得指标权重的逻辑一致性，在得到判断矩阵(表6至表8中各层评判因素构造矩阵)的最大特征值λ_max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＝(λ_max-n)/(n-1) (1)

其中，λ_max-构造矩阵的最大特征值；n表示构造矩阵维数，本发明实施例中，表6为2维，表7为4维，表8为2维；。

以表6为例：

得λ_max＝2

表7则为：

得λ_max＝4

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9所示。

表9平均随机一致性指标RI

③求出一致性比例CR；

CR＝CI/RI (2)

本发明实施例中，根据表6至表8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λ_max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；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5、根据第三级评判因素在安全等级的隶属函数值和第三级评判因素权重，对第三级评判因素进行模糊综合评判，根据第三级评判结果和第二级评判因素权重，对第二级评判因素进行模糊综合评判，根据第二级评判结果和第一级评判因素权重，对第一级评判因素进行模糊综合评判；

本发明实施例中，对第三级模糊综合评判：

第三级评判因素在安全等级的隶属函数矩阵，具体公式如下：

R₁₂＝(支撑轴力)＝(0.6 1 0.4 0 0)

将第三级评判因素权重矩阵与第三级评判因素在安全等级的隶属函数矩阵相乘，获得第三级评判模糊子集：

墙体测斜评判模糊子集B₁₁＝K₁₁·R₁₁＝(0.054 0.988 0.946 0.012 0.006)

支撑轴力评判模糊子集B₁₂＝K₁₂·R₁₂＝(0.6 1 0.4 0 0)

桩顶竖向位移评判模糊子集B₁₃＝K₁₃·R₁₃＝(0.652 1 0.348 0 0)

桩顶水平位移评判模糊子集B₁₄＝K₁₄·R₁₄＝(0.312 0.824 0.688 0.176 0.088)

地表沉降评判模糊子集B₂₁＝K₂₁·R₂₁＝(0.692 0.4558 0.308 0 0)

建筑物沉降评判模糊子集B₂₂＝K₂₂.R₂₂＝(0.06 0.648 0.94 0.352 0.117)

本发明实施例中，对第二级模糊综合评判：

第二级因素集的判断矩阵，具体公式如下：

将第二级评判因素权重矩阵与第二级因素集的判断矩阵相乘，获得第二级评判模糊子集：

基坑本体评判模糊子集：

周边环境评判模糊子集：

本发明实施例中，对第一级模糊综合评判：

第一级因素集的判断矩阵，具体公式如下：

将第一级评判因素权重矩阵与第一级因素集的判断矩阵相乘，获得第一级评判模糊子集：

步骤6、根据第一级评判结果，确定模糊子集中隶属度最大的值，其对应的安全等级即为软土基坑安全等级。

本发明实施例中，得出各个等级的隶属度分别为I级0.2400，II级0.8820，III级0.7601，IV级0.0908，V级0.0336；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(0.8820)，故安全等级为II级，软土深基坑工程处于较安全状态，模糊综合评判结果与8月16日的实际情况相符。

实施例2：

8月28日，CX3测点围护桩位移累计变化量最大值为32.94mm，CX1测点变形速率达到5.3mm.d^-1，各项目监测数据及指标值如表10所示；上海轨道交通工程风险咨询单位认为基坑体系存在一定的安全隐患，施工风险较大，现场应召开监测数据分析会议，同时发出黄色预警提示；

经各单位调查分析，认为第三层土体开挖到底板浇注期间共历时25d，基坑开挖暴露时间较长，受土体流变特性影响较大，土体水平抗力系数和主动区主动土压力下降较多，使得8月12日至8月28日期间，各测点位移变化较大；另外，此期间基坑遭遇两次强降雨，虽然采取了措施，但坑内降水效果不明显，这也加速了此时期内基坑围护体的变形；在挖土结束至底板浇筑完成期间，土体最大水平位移仍有一定程度的增加，该期间的位移增量一般认为是土体的蠕变所致；

表10各因素指标值(8月28日)

同样根据前述方法，确定基坑安全等级。

本发明实施例中，对第三级模糊综合评判：

第三级评判因素在安全等级的隶属函数矩阵，具体公式如下：

R₁₂＝(支撑轴力)＝(0 0.8 1 0.2 0.067)

将第三级评判因素权重矩阵与第三级评判因素在安全等级的隶属函数矩阵相乘，获得第三级评判模糊子集：

墙体测斜评判模糊子集B₁₁＝K₁₁·R₁₁＝(00.5 1 0.5 0.25)

支撑轴力评判模糊子集B₁₂＝K₁₂·R₁₂＝(00.8 1 0.2 0.067)

桩顶竖向位移评判模糊子集B₁₃＝K₁₃·R₁₃＝(0.3 0.84 0.7 0.16 0.08)

桩顶水平位移评判模糊子集B₁₄＝K₁₄·R₁₄＝(0.06 0.6 0.62 0.4 0.28)

地表沉降评判模糊子集B₂₁＝k₂₁·R₂₁＝(0.6 0.52 0.4 0.04 0.0132)

建筑物沉降评判模糊子集B₂₂＝K₂₂·R₂₂＝(0.6 0.36 0.16 0.4 0.2132)

本发明实施例中，对第二级模糊综合评判：

第二级因素集的判断矩阵，具体公式如下：

将第二级评判因素权重矩阵与第二级因素集的判断矩阵相乘，获得第二级评判模糊子集：

基坑本体评判模糊子集：

周边环境评判模糊子集：

本发明实施例中，对第一级模糊综合评判：

第一级因素集的判断矩阵，具体公式如下：

将第一级评判因素权重矩阵与第一级因素集的判断矩阵相乘，获得第一级评判模糊子集：

本发明实施例中，得出各个等级的隶属度分别为I级0.1811，II级0.5544，III级0.7431，IV级0.3756，V级0.1923。根据最大隶属度原则，当日基坑工程安全性对III级的隶属度最高(0.7431)，故安全等级为III级，软土深基坑工程处于黄色预警状态，模糊综合评判结果与8月28日的实际情况相符；

综合上述说明基坑开挖变形存在一定的时间效应。基坑开挖后应及时进行支护，避免基坑长时间暴露，导致安全事故。