重要构筑物旁地震液化带处治方案优选分析

秦 猛

(广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001)

0 引言

抗液化地基处理措施主要来自两类设计思想：(1)阻止孔隙水压力的产生和发展；(2)控制液化产生的过大变形。不良地基的地质环境也是复杂多变的，选择正确的地基处理方案是工程建设安全的基础[1]。常用的方案优化比选方法有模糊物元的聚类分析法、模糊综合评价方法、遗传算法、灰色理论方法、层次分析方法等。层次分析方法可以让评价过程由复杂变得极具条理化，利用评价指标可使系统内较复杂的关系不断条理化、层次化，区别各自对评价结果的影响情况，还包括针对部分只能定性评价的要素进行方便、合适的处理[2-4]。本文依托新疆地区某高速公路重要构筑物地震液化带地基处治工程，通过建立层次分析模型，构造判断矩阵，计算分析得出病害处治的最佳方案。

1 工程概况

该线路为高速公路建设项目，标段起始桩号为K54+000，终点桩号为K89+000，线路总里程34.993 km。项目所属地区的地貌为典型的风积砂丘、荒漠盐碱地和农田湿地。根据地质勘查资料显示，项目沿线多处在7～8烈度区，其设计基本地震加速度0.15～0.20 g，项目沿线地区地层为粉、细砂和粉土、粉质黏土，且地下水位较高，满足导致地震液化的基本条件。其中K75+300～K79+500、K85+520～K89+000路段地震液化等级分别为中等和严重，且沿线有分布桥涵通道及大中型桥梁、民房等多个重要构筑物。

2 常用地震液化带处治方案

为保证高速公路路基稳定性，需采取措施对其周边一定区域内的地基进行抗液化处理。根据《公路工程抗震设计规范》(JGT B02-2013)的要求，地震液化带可液化地基加固的处理方法有砂桩、碎石桩、石灰桩、强夯等。结合工程建设项目中常用的地震液化带地基处治方法，如表1有6种可选方案。

基于该合同段地震液化带区域多重要构筑物的实际情况，在选择处治方案的时候，不仅要保证处治方案达到地基加固的效果，尽可能地减少施工对构筑物产生的影响，还需考虑到施工产生的费用，尽量保证其经济效益，同时还要考虑到环保因素，保证可持续发展性。综合上述处治方案的特点，初步选取砂砾桩法、砂桩挤密法和碎石桩排水法3种方案作为此次高速公路地震液化带不良地基段处治待选方案。

表1 地震液化带地基加固处理方法的适用范围和优缺点对比表

3 处治方案比选

不良地基处治方案的优化因为设备、经济、技术等众多因素的影响，各类因素相互作用、相互关联形成一个十分复杂的系统。首先按照问题的特性和应达到的目的，把问题分散成层次不同的众多因素，利用因素间的隶属关系和相互影响，我们把它分层聚类地组合起来，构造一个递阶的、有序的层次结构模型[5]；然后按照基本的原则和系统的特点，对比分析各层因素，其基本步骤是[6-8]：(1)建立层次结构模型；(2)构造成对比矩阵；(3)计算单排序权向量，然后检验其一致性；(4)计算总排序权向量，然后检验其一致性。

3.1 建立层次结构分析模型

对上述地震液化带处治方案的选择，涉及到众多的复杂因素，其中经济、技术、工期、环保4项指标最为重要，因此选取其作为方案比选的评价指标。根据层次分析法的定义，把评价目标、影响因素、不同方案区分成不相同的层次，构建了基于层次分析法的地震液化带处治方案比选结构模型如图1所示。

图1 地震液化带处治结构层次模型示意图

3.2 构建判断矩阵

层次分析法中最重要的就是判断矩阵的构建，它表示下一层次中部分元素对于上一层次中某元素的相对重要性。判断矩阵指标权重值通过专家讨论和分析来确定，配置方法根据统一的Saaty 1～9级判断矩阵标准度表，对指标进行两两比较。专家现场讨论和分析，对指标的相对重要程度作出评价。

3.2.1 A-C层判断矩阵

对地震液化带的治理从经济、技术、工期、环保四个方面考虑。从这四方面来看，技术可靠是首要因素，第二是经济因素，维持经济建设与环境保护可持续性发展已是国民经济发展的战略，认为环保要素高于工期。通过专家讨论分析，得出A-C层判断矩阵D如表2所示。

表2 准则层对目标层的判断矩阵表

3.2.2 C-P层判断矩阵

同理，基于各种处治方法的特点，可以得到构造方案层对准则层判断矩阵C1-P、C2-P、C3-P、C4-P，如表3～6所示。

3.3 层次单排序及一致性检验

判断矩阵是分析者凭个人知识和经验建立起来的，不可避免地会受到人主观因素的影响，导致误差产生。为使判断结果更好地与实际状况相吻合，应检验其一致性[9]。

表3 C1-P方案层对准则层判断矩阵表

表4 C2-P方案层对准则层判断矩阵表

表5 C3-P方案层对准则层判断矩阵表

表6 C4-P方案层对准则层判断矩阵表

判断矩阵D经|λI-D|=0求解，采用Matlab求解得到其最大特征值λmax=4.156 9，该特征值对应归一化特征向量为ω，其中的值对应各影响因素的权值。

ω=(0.272 8，0.500 3，0.080 1，0.146 8)

对于4阶矩阵，查平均随机一致性指标RI取值表可知，RI=0.90，求得一致性指标CI和一致性比率CR。CI和CR按下式计算。

CR=0.058 1<0.1，显然D矩阵一致性检验合格，故权值可以应用。

同理，判断矩阵CK-P计算结果如下页表7所示。

显然，各判断矩阵一致性检验均满足要求，以上权值都能使用。

表7 判断矩阵CK-P计算结果表

3.4 层次总排序及一致性检验

将层次单排序中得到的数据，填入层次总排序表中。准则层中C1、C2、C3、C4对应的数值为A-C判断矩阵各影响因素的权值，P1、P2、P3为C1、C2、C3、C4对应的层次P的权值。对总体目标而言，计算得到三种方案的层次总排序结果如表8所示。

表8 层次总排序表

显然，层次总排序的一致性检验满足要求。根据层次分析法的结果，各方案的权值排序为：P3>P1>P2，故对依托工程附近有重要构筑物的地震液化带区域采用砂砾桩进行地基加固。

4 地基处治方案及效果评价

4.1 施工工序及质量控制要点

4.1.1 施工工序

设计砂砾桩桩径为50 cm，砂砾桩孔按三角形设置，桩间距为150 cm，桩长8 m，采用振动沉管施工技术。振动沉管施工机械包括：打桩机由振动机、套管、料斗三部分组成，基本施工流程如图2所示。

图2 施工流程图

4.1.2 质量控制要点

由于施工方法不当或施工关键技术不熟悉，会使地基的处置效果不佳，甚至造成质量问题。基于地基处治方法的特点，在具体施工环节需要从以下几个方面加强质量控制。

(1)防止出现断桩现象，保证桩身连续性。在施工过程中，必须按照工艺性试桩所得的成桩过程步骤和各项技术参数控制拔管的进度及高度，拔管的速度不宜过快。

(2)减少邻桩施工的影响，防止已成砂砾桩倾斜，保证桩管竖直度，砂砾桩施工顺序应该由外而内，相邻桩间隔跳跃施工，在施工过程中必须严格把控桩管的竖直度。

(3)为确保砂砾桩桩身的连续性及施工过程挤密均匀，施工过程中，必须按照设计的桩径、桩间距、桩长、实验所得的拔管高度和留振时间、砂砾灌入量、反插次数等施工参数进行施工。

4.2 地基处治效果评价

依据《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)中地震液化等级划分方法，采用标准贯入试验检测加固土的密实情况，以检验砂砾桩法对地震液化带不良地基处治效果。在施工结束后第21 d，选择在地震液化等级严重且线路周边有重要构筑物的路段，随机抽取5个点位做标贯试验，标贯试验结果如表9所示。

表9 标准贯入试验结果表

从表9可知，经砂砾桩改良后的地震液化带不良地基标贯击数较处治前有明显提高，表明土层的密实情况得到了明显改善；地基桩间土的实测标准贯入击数修正值都大于液化判别标准贯入锤击数的临界值，所以地基土由严重液化土转化为非液化土。由此说明砂砾桩对重要构筑物旁地震液化带不良地基具有良好的处治效果。

5 结语

(1)层次分析法适用于多种因素影响下的地震液化带处治方案优选，能够综合经济、技术成熟度、工期和环境因素的权重值分析得到处治不良地基的最优方案。

(2)不良地基土处理效果表明，层次分析法优选得到的砂砾桩法能有效改善化土层的密实情况，达到地基加固的效果，适用于处治重要构筑物旁高速公路地震液化带不良地基。