基于AHP-Fuzzy的营运高速公路深厚软基病害处治技术适用性评价方法

顾绍付，刘维正，徐林荣，石志国

基于AHP-Fuzzy的营运高速公路深厚软基病害处治技术适用性评价方法

顾绍付，刘维正，徐林荣，石志国

(中南大学 土木工程院，湖南 长沙 410075)

针对营运高速公路软基病害处治技术选择盲目性较大的问题，结合营运高速公路的特点，建立考虑施工状况及工艺、处治效果、安全经济性和环境影响4个因素的深厚软基病害处治技术评价指标体系，基于层次分析—模糊数学理论(AHP- Fuzzy)，采用AHP法确定各指标权重，利用Fuzzy理论进行多层次综合评判，据此提出了软基病害处治技术的适用性评价方法，并采用该方法对软基侧移滑塌和差异沉降2种典型病害情况进行工程案例分析。研究结果表明：对于轻度、中度和重度软基侧移病害，钢花管注浆法、高压旋喷桩法和预应力混凝土管桩法分别为最优方案；对于轻度、中度和重度差异沉降病害，钢花管注浆法、高压旋喷桩法、微型桩法分别为最优方案。研究成果为营运高速公路深厚软基病害处治技术决策提供可靠依据，并为进一步完善软土地区高速公路的运营养护及性能提升提供理论支撑。

营运高速公路；软基病害处治；适用性评价；层次分析法；工程案例

随着我国经济水平不断提升，沿海地区高速交通迎来了快速发展，但该区域内分布大量含水率大、压缩性高、强度低、渗透性低的深厚软土地基，部分高速公路由于前期软基处治方法不当，加上外部环境和荷载的扰动作用，在营运期往往易出现不均匀沉降、路面开裂、滑移破坏等病害[1−3]。但目前营运高速公路软基病害处治加固方案基本是依据工程经验进行决策，具有一定的盲目性，导致病害处治后又反复出现[4]。如何选择合理有效的病害处治技术是目前运管部门面临的问题，而营运高速公路软基病害处治技术适用性评价方法的建立对处治方案的决策具有重要作用。目前关于软基处治决策评估的方法主要有神经网格法[5]、专家评判 法[6]、范例推理法[7]、模糊评价法[8−10]和层次分析法[11−13]等。而由于软基处治评估涉及因素众多，采用单一的评估方法效果不理想，因此许多学者采用了将多种方法相结合的方式，例如：尹利华等[6]引入了专家评判法和模糊综合评价法，构建了过滤式模糊推理模型；颜可珍等[11]综合运用区间数学理论法、层次分析法和区间关联分析法，建立了软土路基处理方案优选的区间层次决策法；TANG等[12]采用层次分析法和GRAP法相结合的灰色多层次评价模型对软土地基处理方法进行了选择；蔡雨等[14]基于范例推理基本原理，以六参数评价指标，建立蛛网相似结构的软基处理决策模型。采用模糊评价方法能对软基处理技术和方案进行综合评价，但难以把握主次容易遗漏一些有用的信息，采用层次分析法能够充分把握事物的主要影响因素，因此将这2种方法相结合就能得到既客观又全面的结论[15]，但目前该方法主要用于施工期高速公路软基处治方法评价，用于营运期软基病害处治评价尚不多见。因此，本文结合营运高速公路的特点，建立深厚软基病害处治技术指标体系，基于AHP-Fuzzy理论，提出相应的适用性评价方法，并对软基侧移和差异沉降2种典型病害的工程案例进行分析，以期为今后类似工程病害处治技术决策提供可靠依据。

1 深厚软基病害处治技术适用性评价指标体系

由于软基病害处治技术适用性评价涉及许多方面，而各方面又受到多种因素的影响，同时营运高速公路软基病害处治与建设期软基病害处治相比，其对已有工程依赖性更高，要求处治方案的针对性和时效性更强，对社会服务性和技术经济性要求更高。为了得到综合考虑各因素影响的营运高速公路软基病害处治技术适用性评价系统，建立从目标层A到准则层B再到指标层C的分层次评价体系，准则层从施工状况及工艺B1，处治效果B2，安全经济性B3，环境影响B44个方面进行分析，并引入相应的评价指标，建立了如图1所示的营运高速公路软基病害处治技术适用性评价体系。

图1 软基处治方案指标体系分层递阶结构

2 深厚软基病害处治技术适用性评价方法

2.1 AHP-Fuzzy综合评判法基本流程

多层次模糊综合评价法(AHP-Fuzzy)是将层次分析法(AHP)与模糊数学(Fuzzy)相结合的一种方法，其核心是根据分层次评价体系，将定性指标数量化，将定量指标无量纲化。将相同的因素归并到同一层次，并按照各因素之间的隶属关系和关联程度分组，形成一个不相交的多层次结构模型[16−17]。其基本流程如图2所示。

图2 AHP-Fuzzy综合评价法流程图

2.2 确定影响因素权重

准则层和指标层采用AHP法确定权重值，AHP法由Satty[17]提出的，其主要步骤如下。

2.2.1 构建评判矩阵

将递阶层次模型内每一层次的影响因素两两进行比较来对其重要性作出评价，采用数值1~9及其倒数标度方法(如表1所示)，基于每2个因素之间的重要程度差异引入相应的标度值而形成判断矩阵。

2.2.2 层次单排序

通过评判矩阵得到每个指标矩阵所对应的最大特征根max，根据特征根求解式(1)得到解向量。

=max(1)

对向量进行归一化处理，计算公式见(2)~(4)，得到同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值，这一过程为层次单 排序。

1)计算判断矩阵每一行元素的乘积M

2)计算M出的次方根W

其中：为判断矩阵阶数。

表1 层次分析法标度值含义

2.2.3 一致性检验

进行层次单排序的一致性检验，按式(5)计算一致性指标。

当随机一致性比率=/＜0.1时，认为层次单排序的一致性符合要求。为平均随机一致性指标。当判断矩阵为二阶时，不必检验，因为该矩阵总有完全一致性。

2.3 综合评定

公路软基处理方案中难以定量评价的影响因素可采用模糊评语表示，评语用7个等级(很好、好、较好、一般、较差、差、很差)描述，具体取值如表2所示。

表2 处治方案评语隶属度等级表

3 工程实例

3.1 西部沿海高速公路软基侧移处治

3.1.1 工程病害情况

广东西部沿海高速公路全线于2002年4月建成通车，其中台山段地处沿海滩涂区，整条线路分布有大范围的超软弱地基，共计34.2 km软基段，约占全路段40.7%。主要土层分布如下：人工填土层，平均厚度为6.94 m；淤泥或淤泥质土，平均厚度为13.94 m；粉质黏土，平均厚度为2.28 m；砾砂，平均厚度5.40 m；全风化花岗岩基岩。该路段在运营通车2 a后，路面出现了较长的纵向连续裂缝，2007年开裂程度加重，2008年，2009年和2010年分别进行了处治，但裂缝依然反射到铣刨重铺过的路面，虽然经过多次修补，路面裂缝仍继续有发展趋势，对公路运营安全很不利。根据《公路技术状况评定标准》[18]并结合广东营运高速公路病害特点，按照裂缝宽度及裂缝分布密集程度，将侧移病害分为轻度、中度、重度3种类型。其中缝宽≤2 mm且支缝少为轻度侧移，2 mm＜缝宽≤4 mm且支缝较多为中度侧移，其中缝宽＞4 mm且裂缝分散为重度侧移。该路段3种类型病害均有发生，其中重度侧移病害占比较高。

3.1.2 处治技术适用性评价

1) 提出处治方案

考虑到软基病害类型对不同处治方案的处治效果有很大影响，参考已有的一些工程案例，提出反压护道法S1，高压旋喷桩法S2，微型桩法S3，钢花管注浆法S4，水泥土搅拌桩法S5和预应力混凝土管桩法S6共6种处治方案。

2) 形成评判矩阵

根据表1中的层次分析标度，将准则层施工状况及工艺、处治效果分别对安全经济性和环境影响4个影响因素按1:2的关系配对进行重要性评价，参考类似工程实例，基于本工程特点，可得施工状况及工艺与安全经济性同等重要，与环境影响相较介于同等重要与稍微重要之间；处治效果与安全经济性相较，介于同等重要与稍微重要之间，比环境影响稍微重要，得到准则层判断矩阵如表3所示。

表3 准则层权重评判矩阵

同理构建4个指标层评价矩阵，在施工状况及工艺指标中，参考文献[19]，由于不同路段的软基处治方法不完全相同，其中在建设期处治措施和施工工艺复杂程度对营运期病害处治影响更大，而软土性质相差不大，其影响较小，因此可以得到如表4所示评判矩阵；在处治效果指标中，利用数值模拟方法对路基侧移病害分析，得到针对路基侧移病害进行处治效果评价时，应将侧向位移速率和稳定系数重要性进行适当提升，可得到表5所示评判矩阵；在安全经济性指标中，由于营运期高速对通车时间及成本控制要求更高，所以将该系数重要性进行提升；而环境影响指标中，由于既有高速公路处在营运期间，对路线运营和邻近建筑影响更大，所以应提高其权重的重要性，从而可得到如表6~7所示的评判矩阵。

表4 施工状况及工艺指标B1权重评判矩阵

表5 处治效果指标B2权重评判矩阵

表6 安全经济性指标B3权重评判矩阵

表7 环境影响指标B4权重评判矩阵

3) 权重计算

以准则层B为例，计算指标层权重：

由评判表表3可知，指标层判断矩阵为：

将判断矩阵各行元素相乘，得到向量：

将乘积开=4次方，得到向量：

归一化处理得到向量：

同理可得其他指标的权重及一致性计算结果，如表8所示。

表8 判断矩阵一致性指标计算结果

以轻度侧移病害为例，结合以往类似处治工程相关资料及数值模拟分析结果，并根据隶属等级表表2以及层级分析计算所得每个指标的权重值可以获得营运高速公路深厚软基路段路基侧移轻度病害处治技术的评语等级，如表9所示。

表9 轻度软基侧移病害处治技术评价指标评语等级汇总

4) 综合指数计算

其对应的权重向量为

[0.3867 0.2124 0.1192 0.2124 0.0693]T

[0 0.0531 0.01062 0.0531 0.1671 0.3739 0.2466]

[0 0.1002 0.2081 0.1526 0.1751 0.1899 0.0894]

计算得到综合评价指数S

[0.0705 0.1531 0.1023 0.0645 0.1801 0.2662

0.1633]×[−3 −2 −1 0 1 2 3]=0582 4

同理可得其他处治方案的综合评价指数，所有综合评价指数结果如图3所示。

图3 软基侧移处治方案综合评价指数

将根据AHP-Fuzzy法得到的推荐方案与实际工程采用的软基侧移处治方案进行比较，可得到如表10所示结果。从表10可以看出，对于轻度和中度侧移病害，实际方案采用了备选方案，这是因为从图3和图5可以看到，优选方案和备选方案的综合评价指数相差较小，因此从经济和施工等方面考虑方案选取了备选方案。对于重度病害，实际方案采用了最优方案与其他方案组合的方式，这种组合方案结合了2种方案的优点，在实际工程中也验证了其处治效果比单一的最优方案要更好。

表10 软基侧移病害处治方案

3.1.3 处治效果分析

表11给出了实际软基侧移病害处治方案的一些主要参数，其中桩长与桩间距要根据不同路段的软土厚度进行相应调整，微型桩采用梅花形布桩形式，其他处治方法采用矩形布桩形式。

图4为西部高速开阳路段某断面坡脚处水平位移曲线，该路段采用微型桩进行软基侧移处治。从图4(a)可看出，在未采用微型桩处治前，随着时间的增加，软基侧移增长的很快，截至2013年10月累计水平位移已达105 mm，其中5月至10月变形速率更是达到8.8 mm/月；采用微型桩处治后，路基水平位移增长明显减慢，经过21个月左右，水平位移增长基本趋于稳定，最大水平位移增加不到8 mm，表明微型桩处治软基侧移效果很好，微型桩处治方案这也正是适用性综合评价的备选方案，表明采用AHP-Fuzzy法给出的推荐方案能为实际工程软基侧移病害处治提供有效参考依据。

表11 侧移病害处治方案主要参数

图4 处治前后深层水平位移实测结果

3.2 江肇高速公路软基路段差异沉降处治

3.2.1 工程病害情况

江肇高速公路软基主要为第四系河流相或三角洲相淤泥、淤泥质亚黏土、淤泥质砂层，主要分布于三角洲冲积平原。在施工期根据软土层埋深、厚度等因素选取了不同软基处理方法：软土深度不超过15 m时，采用了水泥搅拌桩复合地基堆载预压处治；当软土深度在15～25 m时，采用CFG桩复合地基堆载预压处治；当软土深度超过25 m时，采用管桩复合地基堆载预压处治。该高速公路二期于2012年12月正式通车，其后多处路桥过渡路段软基产生较大的工后沉降，部分路段差异沉降现象比较严重，2013年对软基沉降较为严重的路段进行加铺调平，然而截至2014年11月份，软基段仍有7个测点的沉降速率大于10 mm/月，60个测点的沉降速率大于5 mm/月，其中典型断面最大沉降速率为14.25 mm/月，2014年最大沉降量193.80 mm，最大累计工后沉降值达435.40 mm，严重影响高速公路营运舒适与安全。差异沉降病害程度主要按照最大差异沉降量为划分标准，其中最大沉降量≤4 cm且产生轻微跳车为轻度病害，4 cm<最大沉降量≤8 cm且产生严重跳车为重度病害，根据该划分标准该路段3种类型病害均有发生，其中中度差异沉降病害占比较高。

3.2.2 处治技术适用性评价

根据前述介绍的AHP-Fuzzy方法，仍采用案例一中的6种处治方案，参考实例1计算过程，可得到在本案例中各处治方案的综合评价指数，结果如图4所示。

图5 软基差异沉降处治方案综合评价指数

由图5可以看到，对于营运高速公路深厚软基轻度沉降病害，钢花管注浆法可作为最优方案，微型桩法和水泥土搅拌桩法可作为备选方案；对于中度病害，高压旋喷桩法可作为最优方案，微型桩法和注浆钢管桩法可作为备选方案；对于差异沉降重度病害，微型桩法可作为最优方案，高压旋喷桩法和预应力混凝土管桩法可作为备选方案。

表12为差异沉降病害处治方案对比，从表中可以看到，对于轻度和中度侧移病害，实际方案分别采用了备选方案微型桩法和钢管注浆法，对于重度病害，实际方案采用了最优方案与其他方案组合的方式。

3.2.3 处治效果分析

表13为实际差异沉降病害处治方案的一些主要参数，其中微型桩采用梅花形布桩形式，其他处治方法采用矩形布桩形式。

表12 差异沉降病害处治方案

表13 差异沉降处治方案主要参数

图6为江肇高速公路软基路段各测点处治前后差异沉降对比。由图6可以看出，在进行软基差异沉降处治前，沉降速率S≥0.2 mm/d的测点占比超过一半，S≥0.14 mm/d的测点占比加起来占了2/3左右，S<0.14 mm/d的测点只有1/3；采用相应软基处治方案进行差异沉降处治后，各测点测得的S均小于0.14 mm/d，其中S<0.1 mm/d测点占比超过90%，通过对各测点的沉降监测可以看到软基差异沉降处置效果显著。

图6 处治前后不同程度差异沉降病害比较

选取了案例2中几个典型中度差异沉降路段进行处治效果分析，如图7所示。可以看出：在处治完工前，K23+815处沉降量最大，其值为78.3 mm，而K23+200和K23+380处沉降量相对较小，分别为54.5 mm和57.6 mm，这是因为K23+815断面管桩施工对地基产生扰动，使地基土强度减弱，而此时注浆强度尚未形成，从而导致一些施工附加沉降。在856 d时，未处治路段、钢管注浆路段、钢管注浆+管桩路段沉降分别为112.7，82.8和106.3 mm，分别产生新的沉降为57.2，25.2和28 mm；1 126 d时3个路段沉降分别为124.3，89.7和111.6 mm，此阶段产生新的沉降为11.6，6.9和5.3 mm。可以看到在病害进行处治了的路段，超过856 d以后软基差异沉降已基本收敛，新产生的差异沉降量很小，而在未处治路段仍会产生较大的沉降，沉降未收敛。可以看到，对于路基中度差异沉降病害，采用钢花管注浆、钢花管注浆+预应力混凝土管桩的处治方案均有良好的处治效果，但是由于钢管注浆法对既有高速公路的运营影响小、工程造价较低，因此更适于作为中度差异沉降的处治方案，而钢花管注浆+预应力混凝土管桩更适用于中度差异沉降病害，表明采用AHP-Fuzzy法给出的推荐方案能为实际工程软基差异沉降病害处治提供有效参考依据。

图7 不同处治方案差异沉降处治效果

4 结论

1) 基于层次分析—模糊数学理论(AHP- Fuzzy)，综合施工状况及工艺、处治效果、安全经济性、环境影响因素的影响，建立了营运高速公路深厚软基病害处治指标体系，提出了软基病害处治适用性评价方法。

2) 针对软基侧移和差异沉降2种典型病害，分别确定了处治方案评价体系中准则层和指标层的权重，并进行了相应的单层次排序和一致性检验，获得了基于病害特征的处治方法综合评价指数的排序。

3) 对于路基侧移轻度、中度和重度病害，优选方案分别为钢花管注浆法、高压旋喷桩法、预应力混凝土管桩法；对于路基差异沉降轻度、中度和重度病害，优选方案分别为钢花管注浆法、高压旋喷桩法、微型桩桩法。并通过不同工程案例处治效果分析，证实了本文方法的可靠性，可为不同类型及等级的病害处治方案科学决策提供依据。

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Applicable evaluation method of treatment technology for deep soft foundation diseases of in-service highway based on AHP-Fuzzy theory

GU Shaofu, LIU Weizheng, XU Linrong, SHI Zhiguo

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In view of ineffective selections of remedial technologies for soft foundation problems of in-service highway, an evaluation index system for remedying deep soft foundation problems was developed according to the features of in-service highway. It considered four factors, i.e., construction conditions and technologies, treatment effect, safety and economy, and environmental impact. Based on the AHP-Fuzzy theory, the AHP method was used to determine the weight of each index, while the Fuzzy theory was used for multi-level comprehensive evaluation. The method for evaluating the applicability of different technologies for remedying soft foundation problems was proposed. It was then used to analyze two typical soft foundation problems such as side-slope sliding and differential settlement. The results show that for mild, moderate and severe levels of lateral displacement of soft foundation, the steel pipe grouting method, high-pressure rotary jet pile method and prestressed concrete pipe pile method are the optimal remedial measures respectively. For mild, moderate and severe levels of differential settlement, the steel pipe grouting method, high pressure rotary jet pile method and micro pile method are the optimal remedial measures, respectively. The results provide a reliable basis for the technical decision-making on the remedial treatment of deep soft foundation problems in in-service highways, and provide theoretical support for future improvement of operational maintenance and performance improvement of highways in the soft soil areas.

in-service highway; soft foundation problem treatment; applicability evaluation; analytic hierarchy process; project case study

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200125

TU470

A

1672 − 7029(2020)07 − 1710 − 10

2020−02−17

国家自然科学基金资助项目(51208517，51778634)；湖南省自然科学基金资助项目(2019JJ40344)

刘维正(1982−)，男，湖南邵阳人，副教授，博士，从事特殊土路基稳定与加固研究；E−mail：liuwz2011@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)