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基于多层次模糊综合评价方法选取软土地基处理方案的研究

来源:用户上传      作者: 李泰松

  摘 要:随着天津临港工业区建设步伐不断加快,大批基建工程相继在此展开,如天津大功率机车检修基地等项目,这些工程都面临着大面积软土地基处理问题。而且软土地基加固的费用占很大的总投资比重,因此需要对处理方案从技术和经济上进行对比分析,最后优选出最佳方案。本文根据天津临港工业区大功率机车检修基地软土地基处理方案本身特点,选取技术可行性、经济合理性、环境影响三个指标建立软土地基处理方案优选的评价体系。采用专家评分法确定评价指标的权重,采用软土地基方案优选的模糊多层次评价模型对临港工业区软土地基处理方案进行优选,优选结果与实际工程选用方案一致。
  关键词:软土地基;评价模型;权重;评语;处理方法
  Abstract: With Tianjin Harbor Industrial Park continues to accelerate the pace of construction, a large number of infrastructure projects have been started in this, such as high-power locomotive maintenance base in Tianjin project, faced with a large area of soft soil foundation treatment. Strengthening soft foundation costs account for a large proportion of the total investment, therefore, we need the technical and economic comparative analysis of treatment options. Finally, select the best solution.In this paper,according to high-power locomotive maintenance base in Tianjin Harbor Industrial Park characteristics of the program itself, select the technical feasibility, economic reasonableness and environmental impact of three indicators to establish optimal evaluation system about soil foundation processing program. Using Expert score to determine the weight of evaluation, the use of fuzzy soft optimal multi-level program evaluation model to prefer soft ground treatment options, preferred choice of program results consistent with the actual project.
  Key words: soft soil foundation, evaluation model, weight, remark, processing method
  引言
  选择软土地基处理方案需要考虑很多因素,比如工期、造价、处理效果、材料来源及消耗、机具条件、施工因素、环境影响等。任何一种处理方案要完全满足以上各方面要求,找到一种完全理想化的处理方案几乎是不可能完成的。我们只能考虑这些因素哪些相对比较重要、不同处理方案在多大程度上能够满足这些要求,最终通过对比分析得出一个总体上最合适的处理方案。但是,这些要考虑的因素有些可以定量分析,有些则具有模糊性质,只能定性分析,它们相互关联和制约,构成了一个复杂系统。而目前方案的决策选择基本上还是凭借个人经验进行,没有科学定量的评价体系,经常造成成本上的浪费,也不能达到预期效果。因此加强地基处理方案的决策分析研究,将决策方法数值化、科学化具有非常重要的意义。
  1.工程概况
  天津市滨海新区临港工业区位于海河入海口南侧滩涂浅海区,是通过围海造陆而形成的新兴工业区。工程所处地区为冲海积平原,地形平坦开阔,场地周围均为围海造地区,大部分为规划预留用地,场地东侧为渤海26路,西侧为华能电厂,南侧为长江道,北侧为蓝星项目。
  新建天津和谐型大功率机车检修基地属全路新建5个和谐型大功率机车检修基地之一。检修基地内满足管辖区内3000台和谐型电力机车保有量,2年修每年1000台检修任务量,近期满足年检修500台2年修机车、200台6年修机车以及新造200台大功率客运电力机车规模。基地位于天津市滨海新区临港工业区一期东南侧。征地1131亩,其中基地占地1039亩,该地块为吹填造陆工程。基地新建房屋229916平方米,铺轨11.704Km,铁路线与基地西侧的天碱车场接轨。主要工程包括轨道线路、站场、路基、桥涵、机务、通信、信息、信号、电气化、电力、给排水环保、制造生产区厂房、检修生产区厂房、厂前区综合楼、理化楼、单身公寓;生产辅助区房屋、其他运营生产设备及建筑物等工程、大临工程等。
  2.工程分析评价
  2.1 场地稳定性和适宜性评价
  本场地地层有第四系全新统人工填土层(Qml)、第Ⅰ海相层(Q42m)、第Ⅱ陆相层(Q41al、 Q41h)、第Ⅲ陆相层(Q3eal)、第Ⅱ海相层(Q3dmc)、第Ⅳ陆相层(Q3cal),岩性主要为吹填土、黏性土、淤泥质土、淤泥、粉土、粉砂及细砂。
  地表普遍分布第四系全新统人工填土层(Qml),岩性为吹填土,成分以粉砂、细砂、淤泥、淤泥质土为主,土质不均,结构松散,密实程度差。   第Ⅰ海相层(Q42m),岩性以粉质黏土、粉土、黏土、淤泥质土为主;淤泥质土含水量高,高压缩性,高灵敏度,低强度,弱渗透性,呈层状分布,工程性质差。
  第Ⅱ陆相层(Q41al、 Q41h)上部为湖沼相沉积层,该层厚度较小,工程性质较差;下部为河床~河漫滩相沉积层,以粉土、粉质黏土为主,夹黏土层,含姜石及贝壳,底部出现“混粒土”。该层土质较密实,为良好的持力层。
  第Ⅲ陆相层(Q3eal)由粉土、粉质黏土及砂层组成,含姜石。本层工程性质及抗震性能较好。
  第Ⅱ海相层(Q3dmc)、第Ⅳ陆相层(Q3cal),以粉细砂为主,层状分布,密实饱和状,底部为黏性土层,多呈软塑~可塑状,局部为粉土层,含贝壳,工程性质较好。
  本工点地下水位较高,并且含水层呈层状分布,在垂直水平方向具有明显差异。基坑开挖过程中在水压力作用下易产生潜蚀、突水及管涌现象,设计时必须采取支护及止、降水措施,同时还应充分考虑浮托力作用。
  场地属稳定场地,适宜建筑物建设。但场地内存在软弱地层,工程地质条件较差,应针对具体工程要求采取适宜的处理措施。本工点距海边较近,且地下水与地表水互为补给,水文地质条件较为复杂,应采取适当的降排水措施。
  2.2基坑岩土工程问题分析与评价
  (1)基坑围护结构
  本工点开挖深度为5~6米,范围内土体主要为吹填土、淤泥、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土层,土质松软,直立性差,不具备放坡开挖的地质条件,应采取支护措施。基坑范围内地下水水位0.00~0.90m,地下水水位较高,须采取止水措施。基坑围护结构采用钻孔灌注桩加桩间止水帷幕、多排内支撑支护方案。围护结构应根据不同方案经计算确定。
  (2)基坑底隆起
  由于基坑内开挖土方而形成基坑内、外水土压力差,可能造成坑底土体向上隆起;基坑坑底隆起降低了土体的强度,严重时造成周围土体的流失,危及基坑及附近建筑物的安全。另外,基坑开挖后造成坑底土卸荷回弹引起坑底隆起,设计时宜结合上述条件,并根据地层情况等因素进行检算。为防止基坑坑底隆起,需加强坑底土体强度。但不宜采取注浆方式加固基坑底部。
  综上所述,在基坑开挖前应采取降水等措施,将地下水水位降至开挖面下一定深度,止水帷幕以达到抗渗流为目的。
  (3)地表变形
  由于基坑周边及底部以新近完成的吹填土为主,该土层有较明显触变及流变特性,在动力作用下土体强度极易降低,使基坑发生侧向位移,基坑支撑不及时或维护结构漏水均可使基坑变形,进而引发地表变形。
  吹填土分布区域广,因填土成分复杂,结构松散,填筑时间短,采取真空预压处理后,仍存在一定的残余沉降,为防止地表变形,应控制降水规模及强度、挖土深度,及时支撑基坑。
  (4)地下水的降水控制
  基坑开挖范围内为吹填土,吹填土成分以粉砂、淤泥、淤泥质土为主,其土层经验渗透系数K≤0.5m/d,下部分布粉砂及粉土层,砂层经验渗透系数约为2.0~3.5m/d。可以管井降水方法,达到降水、降压的目的。水位降深应达到基坑底下0.5~1.0m。不宜采用坑外降水方案。
  因附近均为吹填土,为防止基坑外潜水流失,同时控制地下水抽降强度,要求止水结构不漏水。
  2.3地下水及地表水腐蚀性评价
  (1)地表水腐蚀性评价
  15m以上地下水判定:依据《岩土工程勘察规范》按Ⅱ类环境类型评价:地下水对混凝土结构具强腐蚀性。地下水在干湿交替作用下对钢筋混凝土结构中钢筋具强腐蚀性;在长期浸水情况下具弱腐蚀性。
  依据《混凝土结构耐久性设计规范》评价:地下水在化学腐蚀环境下,对混凝土结构构件的环境作用等级为V-D。
  15m以下地下水判定:依据《岩土工程勘察规范》按Ⅱ类环境类型评价:地下水对混凝土结构具强腐蚀性。地下水在干湿交替作用下对钢筋混凝土结构中钢筋具强腐蚀性;在长期浸水情况下具弱腐蚀性。
  依据《混凝土结构耐久性设计规范》评价:地下水在化学腐蚀环境下,对混凝土结构构件的环境作用等级为V-D。
  (2)地表水腐蚀性评价
  依据《岩土工程勘察规范》按Ⅱ类环境类型评价:地表水对混凝土结构具强腐蚀性。地表水在干湿交替作用下对钢筋混凝土结构中钢筋具强腐蚀性;在长期浸水情况下具弱腐蚀性。
  依据《混凝土结构耐久性设计规范》评价:地表水在化学腐蚀环境下,对混凝土结构构件的环境作用等级为V-D。
  2.4环境土腐蚀性评价
  根据《岩土工程勘察规范》,环境土在Ⅱ类环境类型下:对混凝土结构具中腐蚀性;对钢筋混凝土结构中钢筋具强腐蚀性。
  依据《混凝土结构耐久性设计规范》评价:环境土在化学腐蚀环境下,对混凝土结构构件的环境作用等级为V-C。
  2.5设计参数
  设计参数见表1。
  3.软基处理方案
  3.1权重的确定
  本文选择了具有代表性的二十九位专家及有关人员进行软基处理方案因素权重的确定,被咨询人员既有公路界和岩土界科研、设计方面的人员,也有施工、管理方面的人员,他们均有中高级职称,经验丰富,熟悉软基处理的专业知识和管理,因此具有充分的代表性,评价结果具有较高的可信度。影响因素权重咨询表结果汇总见表3。
  3.2 工程地质条件评语等级的确定
  天津和谐型大功率机车检修基地征地1131亩,其中基地占地1039亩,基地新建房屋229916平方米,铺轨11.704Km。可以选择以下地基处理方案:
  方案一:真空联合堆载预压法,真空联合堆载预压法是天津港湾工程研究所的专利技术,具有加固效果显著,不需大量预压材料等特点,尤其适合于高压缩性超软土地基;   方案二:堆载预压法,堆载预压法是工程中广泛应用的一种软基加固方法,设计计算理论和施工监控技术成熟,施工工艺简单,加固效果可靠;
  方案三:动力排水固结法,其结合了堆载预压法和强夯法两种方法的优点。由于场地的淤泥厚度大,其下有严重液化的细砂层,采用动力排水固结法有利于消除液化,控制工后沉降;
  方案四:深层搅拌法,适宜处理淤泥、淤泥质土、粉土等含水量较高的粘性土。
  对上述四个方案,根据实践经验或逻辑推理可以确定各方案的各项指标的评语,评语的确定采用七等级划分法。
  1、 对“工程水文地质条件”,由于四个方法都可以对一定厚度的淤泥层进行处理,但是真空联合堆载预压法和动力排水固结法处理淤泥的深度大于另外两种方法,所以各个方案的评语依次为:
  ①“软土性质”:很适应、适应、适应、很适应;
  ②“地下水位高度”: 很适应、较适应、适应、很适应;
  ③“软土层厚度”: 适应、适应、适应、适应。
  2、 对“施工条件”,每个方法均要进行横向和竖向排水体的施工,真空联合堆载预压法可以迅速加载,堆载预压法需要逐步施加荷载,动力排水固结法需要逐遍夯击,搅拌法需要喷粉,所以各个方案的评语依次为:
  ①“施工复杂程度”:较简单、较复杂、较复杂、一般;
  ②“设备要求”:一般、简单、一般、一般。
  3、对“理论计算和设计方法是否成熟”,动力排水固结法的理论尚不成熟,而真空联合堆载预压法、堆载预压法和深层搅拌法的理论比较完善且技术成熟,所以各个方案的评语依次为:较丰富、丰富、一般、丰富。
  4、对“国内外当地经验”,关于各个方法国内外可查询的资料很多,所以各个方案的评语依次为:丰富、很丰富、较丰富、丰富。
  5、对“质量监控水平”,由于国内的监控水平较高,所以各个方案的评语依次为:高、高、较高、较高。
  6、对“造价”,统计胡发宗[43-45]等人的资料可知:
  ①真空联合堆载(塑料板)预压法的造价约为370元/m2;
  ②堆载预压(塑料板)排水法的造价约为270元/m2;
  ③动力排水固结法的造价约为240元/m2:
  ④深层搅拌法:采用粉喷桩的造价约为500元/m2;
  将{370;270;240;500}中的各个数值除以500可以得到:{0.74;0.54;0.48;1}。对比{0;1/7;2/7;3/7:4/7:5/7:6/7;1)中的七个区间,可得各个方案“造价”的评语依次为:较高;一般;较低;高。
  7、对“工期”,真空联合堆载预压法、动力排水固结法和深层搅拌法的时间都比堆载预压法的短,所以各个方案的评语依次为:较短、长、较短、较短。
  8、对“是否就地取材”,现场场地附近无大量石料和土方,堆载预压法需从外地运输石料和土方,而真空联合堆载预压法、动力排水固结法及深层搅拌法基本都能就地取材,所以各个方案的评语依次为:部分、部分、全部、全部。
  9、对“噪音”,采用动力来进行处理的方法必然会造成一定的噪音,所以各个方案的评语依次为:小、小、较大、小。
  10、对“对空气、水质的影响”,深层搅拌法由于要喷粉或喷浆,可能会产生一点影响,其他方法就产生的影响很小,所以各个方案的评语依次为:依次为:很小、、很小、很小、小。
  11、对“对周围建筑物的影响”,由于现场附近很少有建筑物,所以各个方法的评语依次为:很小、很小、很小、很小。
  将上述各指标的经验或逻辑推理评语汇总,填入表5。
  3.3 综合评价系数的确定
  以方案一(真空联合堆载预压法)为例,计算综合价值系数
  1.计算各子因素()的评语隶属度
  ①工程水文地质条件:
  “软土性质”的评语为“很适应”,得到其的评语隶属度是:(0 0 0 0 0 0.33 0.67);
  “地下水位高度”的评语为“很适应”,得到其的评语隶属度是:( “软土层厚度”的评语为“不适应”,得到其的评语隶属度是:(0 0 0 0 0 0.33 0.67);
  “软土层厚度”的评语为“适应”,得到其的评语隶属度是:(0 0 0 0 0.25 0.5 0.25)
  故其评价矩阵为:
  明显可见,真空联合堆载预压法的综合价值系数最高,堆载预压排水法最低,深层搅拌法)和动力排水固结法的综合价值系数也较高,故将真空联合堆载预压方案作为模糊综合评判的最优方案,深层搅拌法和动力排水固结法也是较优的方案。
  4、结论
  本文对大面积软土地基处理的影响因素、方案选型、设计施工等进行了层次分析,同时考虑到使用传统数学方法很难建立评判模型,引入了模糊数学和层次分析法等进行非定量问题分析的理论,建立了关于选择软基处理方案的多层次分析综合模糊评判模型。再根据我国软土地基处理的现状,采用专家咨询法对软基处理效果和方案有较大影响的因素,如工程水文地质条件(包括软土性质、软土厚度等因素)、施工条件(包括施工复杂程度、施工设备要求)和环境影响等对软基处理效果的影响进行评价,得出其权重值,这样可以避免凭借个人经验作出决策造成巨大损失的现象发生。该方法综合考虑工程水文地质条件、施工条件、国内外经验、造价等多方面因素的影响,对初选处理方案建立模型进行计算,评价出其中的最优者。最后通过对天津临港工业区大机车检修基地大面积软土地基处理工程实例的具体计算,证明了该模型可以对软基处理方案提供科学合理的决策,并说明真空联合堆载预压法、深层搅拌法及动力排水固结法是适合处理大面积软土地基的良好方法。
  参考文献
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