基于AHP-FCE方法的氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)估

劉 鑫,李之隆,甘亮琴,盛 柯,洪寶寧

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,河海大學(xué),江蘇 南京 210098; 3.河海大學(xué)隧道與地下工程研究所,江蘇 南京 210098; 4.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098)

基于AHP-FCE方法的氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)估

劉 鑫1,2,3,李之隆1,2,4,甘亮琴1,2,4,盛 柯1,2,4,洪寶寧1,2,4

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,河海大學(xué),江蘇 南京 210098; 3.河海大學(xué)隧道與地下工程研究所,江蘇 南京 210098; 4.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098)

為提高氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性能,將層次分析法(AHP)和模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)相結(jié)合,對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土耐久性進(jìn)行綜合全面評(píng)估。基于氣泡混合輕質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì),從初步設(shè)計(jì)、施工工藝和運(yùn)行管理角度出發(fā),選擇相應(yīng)的影響因子,建立了影響因子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn);建立了基于目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的氣泡混合輕質(zhì)土耐久性綜合評(píng)估模型,通過(guò)AHP法確定下一層次相對(duì)于上一層次的影響權(quán)重,并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),證明了影響因子權(quán)值分配的合理性;構(gòu)建了適用于各影響因子的隸屬函數(shù),計(jì)算相應(yīng)的隸屬度,并給出模糊綜合評(píng)價(jià)的具體方法;以廣東某高速公路S03標(biāo)段收費(fèi)島范圍的輕質(zhì)土路基為實(shí)例,對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行耐久性綜合評(píng)估,證明了AHP-FCE方法的實(shí)用性與可靠性。

氣泡混合輕質(zhì)土;輕質(zhì)土耐久性;層次分析法(AHP);模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE);輕質(zhì)土路基;高速公路收費(fèi)島范圍路基

氣泡混合輕質(zhì)土因具有輕質(zhì)性、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、固化后自立性等優(yōu)點(diǎn)[1]而在工程上的應(yīng)用越來(lái)越多,但其力學(xué)性能有很多不可預(yù)知性,尤其是耐久性問(wèn)題。氣泡混合輕質(zhì)土耐久性是指其抵抗氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用及其他破壞的能力。由于耐久性不足而造成的工程結(jié)構(gòu)破壞在國(guó)內(nèi)外屢見(jiàn)不鮮,不僅影響到結(jié)構(gòu)的正常使用,還造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前關(guān)于氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性問(wèn)題已有了一些研究,如Neramitkomburi等[2]研究添加黏土和粉煤灰廢料的氣泡輕質(zhì)土的干濕循環(huán)強(qiáng)度,建立了干濕循環(huán)級(jí)數(shù)與強(qiáng)度的方程,并驗(yàn)證了方程的適用性。Kang等[3]考察了不同水泥含量的氣泡混合輕質(zhì)土在室外低溫、地面以下以及浸水環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度變化,并比較了全部長(zhǎng)期浸水、干濕循環(huán)和部分浸水試樣的密度和抗壓強(qiáng)度;Park等[4]運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模以預(yù)測(cè)氣泡混合輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度; Kobayashi等[5]和Furukawa等[6]將短切纖維添加到氣泡混合輕質(zhì)土中以達(dá)到增加耐久性的目的;Kikuchi等[7]開(kāi)展了一系列氣泡混合輕質(zhì)土干濕循環(huán)耐久性試驗(yàn),并將試驗(yàn)結(jié)果與在工程中應(yīng)用了10 a的輕質(zhì)土進(jìn)行對(duì)比;顧歡達(dá)等[8-9]利用試驗(yàn)手段探討了干濕循環(huán)環(huán)境和酸雨環(huán)境下氣泡混合輕質(zhì)土的穩(wěn)定性狀;劉楷等[10]開(kāi)展了氣泡混合輕質(zhì)土干濕循環(huán)和硫酸鈉耐久性試驗(yàn);章?tīng)N林等[11]通過(guò)凍融循環(huán)和酸堿腐蝕試驗(yàn)說(shuō)明凍融破壞和酸堿腐蝕明顯降低了氣泡輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度,增大了其質(zhì)量損失和吸水率。這些研究都僅考慮到1個(gè)或2個(gè)影響因子,但在實(shí)際工程中,氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性問(wèn)題不是簡(jiǎn)單地由單一因子引起的,而是由多種因子相互影響、共同作用導(dǎo)致的,難以用精確的數(shù)學(xué)和力學(xué)函數(shù)來(lái)表達(dá)它們之間的關(guān)系,因此筆者采用模糊綜合評(píng)價(jià)理論對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性開(kāi)展研究。

模糊綜合評(píng)價(jià)(fuzzy comprehensive evaluation, FCE)是對(duì)具有相互聯(lián)系、相互影響的多個(gè)因素的事物做出評(píng)價(jià)的一種多因素決策方法,其理論基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué),對(duì)某些具有模糊性、難以定量的因素利用模糊合成進(jìn)行定量化。由于在進(jìn)行氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)價(jià)時(shí)影響因子眾多,使用的評(píng)語(yǔ)也常帶有模糊性,所以宜采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法。但在應(yīng)用模糊評(píng)價(jià)方法時(shí),影響因子的權(quán)重是專(zhuān)家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出的,帶有很強(qiáng)的主觀性；而層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)能把定性因子定量化,并能在一定程度上減少主觀臆測(cè)的影響,使評(píng)價(jià)更科學(xué)化?；贏HP的模糊綜合評(píng)價(jià)方法(AHP-FCE)已逐漸發(fā)展成熟,文獻(xiàn)[12-14]將AHP-FCE方法應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)價(jià)中,取得了一些重要的成果。這些工程實(shí)踐和成果證實(shí)了該方法在耐久性評(píng)價(jià)中應(yīng)用的可行性。氣泡混合輕質(zhì)土作為一種新型材料,目前對(duì)其耐久性方面的研究較少,而且沒(méi)有確切的評(píng)價(jià)方法,因此開(kāi)展基于AHP-FCE方法的氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)價(jià)研究具有重大的工程意義。

綜上,在氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性評(píng)價(jià)過(guò)程中,不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行單一評(píng)價(jià),同時(shí)也不能不分主次地將各影響因子同等對(duì)待。因此,筆者基于AHP-FCE方法,選擇相應(yīng)的影響因子,賦予它們合理的權(quán)重,同時(shí),結(jié)合影響因子的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),確立合理的隸屬函數(shù),給出模糊綜合評(píng)價(jià)的具體方法。在此基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的氣泡混合輕質(zhì)土耐久性作出綜合全面的評(píng)估。

1 影響因子及其等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 氣泡混合輕質(zhì)土耐久性影響因子選擇

考慮到影響氣泡混合輕質(zhì)土耐久性的因素很多,而且影響氣泡混合輕質(zhì)土耐久性等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的檢測(cè)項(xiàng)目也很多,根據(jù)CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》[15]中的相關(guān)要求并結(jié)合氣泡混合輕質(zhì)土的基本物理力學(xué)性質(zhì),影響氣泡混合輕質(zhì)土耐久性的因素從初步設(shè)計(jì)、施工工藝、運(yùn)行管理3個(gè)方面進(jìn)行考慮。

a. 初步設(shè)計(jì)。工程建設(shè)需要科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案,在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮材料配比和結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)工程建設(shè)就會(huì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性受到初步設(shè)計(jì)的影響,從設(shè)計(jì)角度選擇6個(gè)影響因子:濕密度、抗壓強(qiáng)度、填筑高寬比、安全系數(shù)、銜接面坡率和鋼絲網(wǎng)設(shè)置情況。

b. 施工工藝。氣泡混合輕質(zhì)土對(duì)施工工藝有嚴(yán)格的要求,不同的施工工藝對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性有不同程度的影響,從施工工藝角度選擇7個(gè)影響因子:制備設(shè)備、攪拌充分程度、流值、單層澆筑厚度、單層澆筑時(shí)間、層間澆筑間隔時(shí)間和施工環(huán)境。

c. 運(yùn)行管理。氣泡混合輕質(zhì)土的后期管理對(duì)耐久性的影響是至關(guān)重要的。若嚴(yán)重超載必然導(dǎo)致氣泡混合輕質(zhì)土開(kāi)裂,縮短壽命;長(zhǎng)期泡在水里也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。除此之外,還有溫度變化、化學(xué)腐蝕等因素。因此,從運(yùn)行管理角度選擇5個(gè)影響因子:養(yǎng)護(hù)時(shí)間、車(chē)輛荷載、排水情況、化學(xué)腐蝕和溫度變化。

1.2 氣泡混合輕質(zhì)土耐久性影響因子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

各影響因子取值的確定隨工程分類(lèi)、特點(diǎn)和評(píng)估目的不同而不同。根據(jù)現(xiàn)有氣泡混合輕質(zhì)土相關(guān)文獻(xiàn)資料以及本課題組的研究進(jìn)展,將影響因子的等級(jí)劃分如下:

a. 濕密度。氣泡混合輕質(zhì)土的濕密度范圍在500～1 200 kg/m3之間,填土路基密度范圍在1 900～2 000 kg/m3之間,比較兩者可以劃分為4個(gè)等級(jí)(表1)。

b. 抗壓強(qiáng)度。與密度的可調(diào)節(jié)性原理一樣,通過(guò)改變輕質(zhì)土中各種成分的比例,其強(qiáng)度可在0.3～5 MPa范圍內(nèi)調(diào)整。本文將抗壓強(qiáng)度分為4個(gè)等級(jí)(表1)。

c. 填筑高寬比。從穩(wěn)定性的角度考慮,高寬比不能過(guò)大,規(guī)范CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定高寬比大于2時(shí)需要采取錨固措施。本文選擇當(dāng)沒(méi)有錨固措施處理時(shí)將高寬比分為(0,1) 、[1,1.5) 、[1.5,2)、[2,∞)4個(gè)等級(jí)。

d. 安全系數(shù)。氣泡混合輕質(zhì)土路堤作為整體需要驗(yàn)算其穩(wěn)定性,本文選取包括地基在內(nèi)的抗傾覆驗(yàn)算的安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),將安全系數(shù)分為4個(gè)等級(jí)(表1)。

e. 銜接面坡率。氣泡混合輕質(zhì)土的直立性較好,但如果坡率過(guò)大,會(huì)引起開(kāi)裂甚至不穩(wěn)定的情況,規(guī)范也限定氣泡混合輕質(zhì)土的銜接面坡率不得超過(guò)1∶1。本文采用銜接面與水平面的夾角劃分等級(jí),當(dāng)夾角小于90°時(shí)輕質(zhì)土在路基土之上;反之,當(dāng)夾角大于90°時(shí)輕質(zhì)土在路基土之下。根據(jù)工程應(yīng)用情況分為4個(gè)等級(jí)(表1)。

f. 鋼絲網(wǎng)設(shè)置。鋼絲網(wǎng)設(shè)置應(yīng)符合一般規(guī)定,當(dāng)填筑高度小于5 m時(shí)應(yīng)分別在填筑體底部50 cm以?xún)?nèi)、頂部50 cm以?xún)?nèi)位置設(shè)置1層鋼絲網(wǎng);當(dāng)填筑高度為5～12 m時(shí),應(yīng)分別在填筑底部100 cm以?xún)?nèi)、頂部100 cm以?xún)?nèi)位置設(shè)置2層鋼絲網(wǎng)等。對(duì)鋼絲網(wǎng)設(shè)置的等級(jí)劃分主要取決于是否按以上規(guī)定設(shè)置。

g. 制備設(shè)備。對(duì)制備設(shè)備的評(píng)價(jià)主要取決于發(fā)泡設(shè)備,發(fā)泡設(shè)備宜采用壓縮空氣發(fā)泡劑水溶液混合的方式形成泡沫,不宜通過(guò)攪拌產(chǎn)生氣泡,應(yīng)具備穩(wěn)定的發(fā)泡倍率,產(chǎn)氣量大,氣壓大。

h. 攪拌充分程度。制作不同數(shù)量的輕質(zhì)土需要不同的攪拌時(shí)間,一般宜為5～10 min,攪拌時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短,水泥漿液和輕質(zhì)土的攪拌需要控制不同的攪拌速度。

i. 流值。根據(jù)規(guī)范要求,流值宜控制在180 mm左右,本文將流值分為4個(gè)等級(jí)(表2)。

j. 單層澆筑厚度。為減小水化熱,氣泡混合輕質(zhì)土要采取分層分塊式澆筑,除空洞充填、管線(xiàn)回填工程外,單層澆筑厚度宜按0.3～0.8 m控制。

k. 單層澆筑時(shí)間。若水泥材料一樣,單層澆筑時(shí)間應(yīng)控制在水泥初凝時(shí)間內(nèi)。

l. 層間澆筑間隔時(shí)間。上一層的澆筑應(yīng)在下一層終凝后澆筑,一般輕質(zhì)土澆筑至終凝需要6～7 h,所以間隔時(shí)間至少7 h。

m. 施工環(huán)境。降雨、夏季高溫、冬季低溫等因素,根據(jù)施工期間記錄的天氣情況評(píng)判施工環(huán)境的好壞。

n. 養(yǎng)護(hù)時(shí)間。當(dāng)填筑體完成施工后,應(yīng)立即對(duì)填筑體表面覆蓋塑料薄膜或土工布保濕養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間不宜少于7 d。

o. 車(chē)輛荷載。荷載越大對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的壽命影響越大,超載頻率直接影響輕質(zhì)土的耐久性。

p. 排水情況。根據(jù)排水是否通暢、有無(wú)經(jīng)常積水決定排水情況的好壞。

q. 化學(xué)腐蝕。由于發(fā)泡劑呈堿性,因此氣泡混合輕質(zhì)土是一種堿性材料,對(duì)酸的抵抗能力較弱,酸性越強(qiáng)腐蝕越厲害。腐蝕程度應(yīng)低于10%。

r. 溫度變化。何國(guó)杰等[16]對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土做了凍融循環(huán)試驗(yàn),結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后氣泡混合輕質(zhì)土的強(qiáng)度和彈性模量有所下降,且下降速度由快轉(zhuǎn)慢,最后趨于平穩(wěn)。

將氣泡混合輕質(zhì)土耐久性分為4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí):優(yōu)秀、良好、一般、較差,以上述各影響因子等級(jí)劃分為依據(jù),建立影響因子的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),如表1、表2、表3所示。

表1 初步設(shè)計(jì)過(guò)程的影響因子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 施工工藝過(guò)程的影響因子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 運(yùn)行管理過(guò)程的影響因子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)估模型

Table 4 Evaluation model of durability of FMLS

2 氣泡混合輕質(zhì)土耐久性綜合評(píng)估模型

2.1 建立因素集與評(píng)語(yǔ)集

結(jié)合氣泡混合輕質(zhì)土耐久性的主要影響因子,構(gòu)建了表4所示的氣泡混合輕質(zhì)土耐久性綜合評(píng)估模型。基于AHP法將氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)估模型分為3個(gè)層次,目標(biāo)層是氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性,準(zhǔn)則層是初步設(shè)計(jì)、施工工藝和運(yùn)行管理3個(gè)方面,第3個(gè)層次為影響輕質(zhì)土耐久性的各個(gè)具體因子。該評(píng)估模型綜合考慮了氣泡混合輕質(zhì)土的特點(diǎn)、施工工藝及運(yùn)行維護(hù),涉及建設(shè)工程項(xiàng)目的實(shí)施階段和使用階段,較全面地反映氣泡混合輕質(zhì)土耐久性的影響因子,符合全面性、科學(xué)性及可行性的評(píng)價(jià)原則。

設(shè)Ui(i=1,2,…,n)為第i個(gè)影響因素,n為影響因素的個(gè)數(shù);uik(k=1,2,…,l)為第i個(gè)影響因素所對(duì)應(yīng)的第k個(gè)影響因子,l為第i個(gè)影響因素的影響因子個(gè)數(shù),當(dāng)i=1時(shí)l=6,當(dāng)i=2時(shí)l=7,當(dāng)i=3時(shí)l=5。{U}為因素集,{Ui}為第i個(gè)子因素集。根據(jù)氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)估模型建立因素集:

(1)

子因素集:

(4)

設(shè)vj(j=1,2,…,m)為評(píng)語(yǔ)集中第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，m為評(píng)價(jià)等級(jí)的個(gè)數(shù)，綜合評(píng)語(yǔ)集為{V}，則有

(5)

2.2 利用層次分析法確定權(quán)重

由于涉及數(shù)據(jù)較多,權(quán)重確定較煩瑣,以準(zhǔn)則層為例,確定初步設(shè)計(jì)、施工工藝、運(yùn)行管理三者的權(quán)重。通過(guò)兩兩因素比較,對(duì)它們的重要性引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度賦值。具體為:標(biāo)度1,表示兩因素相比,具有同樣的重要性;標(biāo)度3,表示兩因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要;標(biāo)度5,表示兩因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素明顯重要;標(biāo)度7,表示兩因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素強(qiáng)烈重要;標(biāo)度9,表示兩因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素極端重要;標(biāo)度2、4、6、8,表示上述相鄰兩判斷的中值;若一個(gè)因素與另一個(gè)因素比較得到一個(gè)值,則后者與前者比較的判斷為該值的倒數(shù)。

通過(guò)大量資料分析和咨詢(xún)專(zhuān)家,對(duì)初步設(shè)計(jì)、施工工藝和運(yùn)行管理三者之間的相對(duì)重要性進(jìn)行綜合客觀比較,得到它們的判斷矩陣A,計(jì)算判斷矩陣的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量:

(6)

據(jù)此判斷矩陣的最大特征值λmax和權(quán)重W:

(7)

式中:α——最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量;α——特征向量的元素。

為了驗(yàn)證權(quán)值的分配是否合理,需要對(duì)判斷矩陣作一致性檢驗(yàn),公式為

(8)

式中:CR——一致性比例;CI——一致性指標(biāo),CI=(λmax-n)/(n-1);RI——平均一致性指標(biāo),n=1～9對(duì)應(yīng)的RI分別為0.00、0.00、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)得CR=0.043<0.10,因此判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性,證明權(quán)值分配是合理的。

指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的權(quán)重的確定方法和步驟同上,判斷矩陣Ai(i=1,2,3)分別為

(9)

通過(guò)計(jì)算得指標(biāo)層的權(quán)重值Wi(i=1,2,…,n)如下:W1=(0.091 0.3 0.131 0.401 0.045 0.033),W2=(0.351 0.34 0.041 0.148 0.065 0.034 0.127),W3=(0.398 0.276 0.08 0.174 0.072)。一致性比例CR分別為0.054、0.08、0.031,均小于0.1,說(shuō)明權(quán)值分配合理。

2.3 隸屬函數(shù)的確定

表5 定性因子的語(yǔ)言變量得分隸屬度

對(duì)于定性因子(如制備設(shè)備、攪拌充分程度等)建立語(yǔ)言變量,對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)予以賦分(1分、2分、3分、4分),4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)各得分的隸屬度如表5所示。

2.4 模糊綜合評(píng)估

設(shè)rikj為第i個(gè)影響因素所對(duì)應(yīng)的第k個(gè)影響因子對(duì)評(píng)語(yǔ)集中第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度,則單個(gè)影響因子的模糊評(píng)價(jià)向量可表示為Rik=(rik1rik2…rikm),組合所有單個(gè)影響因子的模糊評(píng)價(jià)向量,即可得到子因素集的模糊評(píng)價(jià)矩陣:

(10)

根據(jù)子因素集{Ui}所對(duì)應(yīng)的權(quán)重Wi,可得第i個(gè)影響因素的影響因子的一級(jí)綜合評(píng)價(jià):

(11)

式中:*——廣義模糊合成運(yùn)算;bij——第i個(gè)影響因素對(duì)第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度。

(12)

最后,根據(jù)最大隸屬度原則,選擇綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B中最大的評(píng)價(jià)指標(biāo)bj作為氣泡混合輕質(zhì)土耐久性的最終評(píng)價(jià)結(jié)果,即氣泡混合輕質(zhì)土耐久性總體來(lái)講隸屬于第j等級(jí)。

3 工 程 實(shí) 例

廣東某高速公路S03標(biāo)段收費(fèi)島范圍的輕質(zhì)土路基,里程樁號(hào):K30+893.745～K31+303.926。長(zhǎng)度410.181 m,起端最窄處95.07 m,末端最窄處47.01 m,中間最大寬度114.4 m。氣泡混合輕質(zhì)土路基厚度5.2 m。立面設(shè)計(jì)考慮到分塊澆筑和橫向坡度的因素,設(shè)計(jì)有臺(tái)階,臺(tái)階高度一般為20 cm。各影響因子原始數(shù)據(jù)如下:(a)設(shè)計(jì)因素。濕密度為7 200 kg/m3,強(qiáng)度為0.8 MPa,高寬比為0.06,安全系數(shù)為1.93,銜接面坡率為90°,鋼絲網(wǎng)情況優(yōu)秀。(b)施工因素。制備設(shè)備優(yōu)秀,攪拌充分程度良好,流值為180 mm,單層澆注厚度為50 cm,單層澆筑時(shí)間即初凝時(shí)間,澆筑間隔時(shí)間為8 h,施工環(huán)境良好。(c)管理因素。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為15 d,車(chē)輛荷載情況為少量荷載,排水情況一般,無(wú)化學(xué)腐蝕,溫度變化極小。

根據(jù)氣泡混合輕質(zhì)土耐久性模糊評(píng)估模型得到各子因素集模糊評(píng)價(jià)矩陣如下:

(13)

則一級(jí)綜合模糊評(píng)價(jià)結(jié)果如下:

(14)

令因素集模糊評(píng)價(jià)矩陣R=(B1B2B3)T,則二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如下:

B=W·R=(0.535 0.250 0.162 0.053)

(15)

根據(jù)最大隸屬度原則,選擇綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B中最大的評(píng)價(jià)指標(biāo)b1=0.535作為氣泡混合輕質(zhì)土耐久性的最終評(píng)價(jià)結(jié)果,即本工程氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀。

結(jié)合該工程目前的具體運(yùn)營(yíng)情況,本文做出的耐久性模糊綜合評(píng)估結(jié)果接近于實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,說(shuō)明本文所建立的氣泡混合輕質(zhì)土耐久性模糊綜合評(píng)估模型是合理和準(zhǔn)確的,證明了AHP-FCE方法的實(shí)用性與可靠性。

4 結(jié) 論

a. 將AHP-FCE方法引入氣泡混合輕質(zhì)土耐久性評(píng)估中,基于氣泡混合輕質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì),從初步設(shè)計(jì)、施工工藝和運(yùn)行管理角度出發(fā),選擇相應(yīng)的影響因子,建立了影響因子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

b. 建立了基于目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的氣泡混合輕質(zhì)土耐久性綜合評(píng)估模型,通過(guò)AHP法確定下一層次相對(duì)于上一層次的影響權(quán)重,并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),證明了影響因子權(quán)值分配的合理性。

c. 構(gòu)建了適用于各影響因子的隸屬函數(shù),計(jì)算了相應(yīng)的隸屬度,并給出模糊綜合評(píng)價(jià)的具體方法。

d. 以廣東某高速公路S03標(biāo)段收費(fèi)島范圍的輕質(zhì)土路基為實(shí)例,對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行耐久性綜合評(píng)估,證明了AHP-FCE方法的實(shí)用性與可靠性。

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Durability assessment of foamed mixture lightweight soil based on analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation (AHP-FCE)

LIU Xin1，2，3, LI Zhilong1，2，4, GAN Liangqin1，2，4, SHENG Ke1，2，4, HONG Baoning1，2，4

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.JiangsuResearchCenterforGeotechnicalEngineeringTechnology,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.ResearchInstituteofTunnelandUndergroundEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 4.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to improve the durability of foamed mixture lightweight soil (FMLS), the analytic hierarchy process (AHP) and fuzzy comprehensive evaluation (FCE) were combined to comprehensively evaluate the durability of FMLS. Based on the physical and mechanical properties of FMLS, the influencing factors were selected from the point of view of preliminary design, construction technology, and operation management, and the grade classification of influencing factors was established. The comprehensive evaluation model of FMLS’ durability was established based on the target layer, criterion layer, and index layer. The weight of the lower layer relative to the upper layer was determined by the AHP, and the consistency check of the judgment matrix was conducted to prove the rationality of the distribution of influencing factors’ weight. The membership function suitable for each influencing factor was built to calculate the membership degree, and the specific method of fuzzy comprehensive evaluation is presented. Using the lightweight soil subgrade in the charging island along the S03 section of a highway in Guangdong Province as an example, its durability was evaluated, demonstrating the practicality and reliability of AHP-FCE.

foamed mixture lightweight soil; durability of lightweight soil; analytic hierarchy process (AHP); fuzzy comprehensive evaluation (FCE); lightweight soil subgrade; subgrade in charging island of highway

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.04.008

2016-07-27

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51609071);江蘇省自然科學(xué)基金青年基金(BK20140848);廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(科技-2015-02-013)

劉鑫(1984—),男,江蘇靖江人,副教授,博士,主要從事巖土微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與損傷研究。E-mail:liuxin100@hhu.edu.cn

TU47

A

1000-1980(2017)04-0332-08