李元军

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着我国经济的不断发展，基础设施建设尤其是道路建设领域取得了很大成就，但我国地形复杂，软土分布广泛，如软基处理方法不当，就会影响道路在运营过程的服务性能和安全性能。就目前阶段软基处理方法多种多样[1]，这也为施工技术人员提供多种方案，但是在实际工程对软基处理方案进行选择时，往往凭借工程技术人员的主观经验来进行分析选择方案的情况经常存在，使得最终选择的方案由于缺失了全面性和客观性造成造价成本的提高或者处治效果不理想的现象，比较盲目局限。为了减少由于完全依靠经验来进行方案选择的局限和盲目，笔者提出采用定性和定量结合的层次分析法[2]对道路工程中软基处理方案进行最优选取，以期能够在软基处理方案选择上为相关工程问题提供合理的方法。

1 层次分析法原理

层次分析法是一种多目标的决策分析方法，具有需要信息量少及研究简单的优点，非常适用于仅用定性方式难以解决的问题，通过采用该法，可以达到定性转化为定量分析的目的，进而提高解决问题的客观性和实用性。采用该方法的关键是找出问题之间的内在因素并用树桩、阶梯形式的层次结构模型，根据各因素和各层之间的相对重要性关系构建判断矩阵，并以此通过排序和一致性检验来逐步解决问题。图1为层次分析法步骤示意图。

图1 层次分析法步骤示意图

1.1 构建模型和判断矩阵

a）构件层次分析法结构模型。层次分析结构模型是以解决问题相关因素为基础的，并逐层分为目标层、要素层及方案层等，模型简图见图2。构件模型的关键就是充分分析问题相关的内在因素及其从属关系。

图2 层次分析结构模型示意图

b）构造判断矩阵。判断矩阵[3]是整个层次分析法的核心和关键，其根据研究对象的不同情况各不相同，矩阵的构成元素表示相对重要性，其具体是由低层次的所有因素相对于高层次中某一因素进行两两比较而形成的。设某一因素层为集合｛A1，A2，…，An｝，则通过比较可得判断矩阵为：

式中 aij（i，j=1，2，…，n）表示因素 Ai与因素 Aj比较时相对重要程度，其中相对重要性的矩阵标度见表1所示。且判断矩阵有以下性质：aij＞0；aii=ajj=1；aji=1/aij。

表1 判断矩阵标度

1.2 排序和一致性检验

假设判断矩阵为A，其对应特征值为λ，且W为判断矩阵A的非零特征向量，则有AW=λW。令W=（W1，W2，…，Wn）T，W 中各个分值代表权重，是某层各个因素相对于上层的重要性单排序形成的结果。而层次总排序则是由最高层次向最低层次进行的重要性排序权值过程。通过一致性检验[3]，是为了满足工程人员主观和客观事物保持完整一致性的要求。其衡量指标为CR值（随机一致比例）。

2 软基处理方案确定

2.1 工程概况

某二级公路长12 km，设计速度为80 km/h，在K4+300—K8+700的桩号范围广泛分布着软土，且软基深度范围是5～10 m，平均深度为7.8 m，设计文件指出，该路段连接的两个地方对于经济的发展尤为重要，故其对于工期要求较紧，根据工程地质勘查报告可知相应土层性质指标见表2所示。

表2 主要土层性质指标

2.2 方案初选

道路软基处理方法按照处理深度可分为浅层软基处理方案（深度0～3 m）、中层软基处理方案（3～15 m）、深层软基处理方案（15 m以上），故结合本工程实例，软基处理深度为5～10 m，故属于中层软基处理范畴，常见的具体软基方案有塑料排水板法、强夯置换法、水泥搅拌桩法、袋装沙井法以及CFG桩法。但是该工程对工期要求较高，故排除需要长时间预压期的塑料排水板法和袋装沙井法，故备选的方案包括 CFG桩（C1）、水泥搅拌桩法（C2）以及强夯置换法（C3）3 种。

2.3 层次分析模型构建

为选择最优的软基处理方法，结合该工程有经验的技术人员的相关意见，从造价、技术和环境三方面找到影响选择软基处理方法的因素，分别包括工程造价（B1）、工期（B2）、处治效果（B3）、施工技术难度（B4）及环境影响（B5）等 5个因素，再结合 3个备选方案后，可以构建对应层次分析模型，如图3所示。

图3 道路软基处理方案优选层次分析模型

2.4 构造判断矩阵

通过专家调查和经验可得，A层与B层相对重要性A-B矩阵如式（2）：

同理将C层各方案两两比较可得到关于B层因素 B1、B2、B3、B4和 B5的相对重要性矩阵，具体如式（3）：

2.5 矩阵结果汇总

为了方便运算使问题简单化，采用层次分析软件对构造的数据进行处理和分析，可分别得到A-B和B-C相关的矩阵权重信息，分别见表3～表8。

表3 A-B层次判断矩阵计算结果

表4 B1-C层次判断矩阵计算结果

注：λmax=3.024 7，CR=0.023 7，满足检验。表5 B2-C层次判断矩阵计算结果

表6 B3-C层次判断矩阵计算结果

表7 B4-C层次判断矩阵计算结果

表8 B5-C层次判断矩阵计算结果

2.6 确定最优方案

汇总表3～表8结果，可得方案C的层次总排序计算结果，见表9。

表9 方案C的层次总排序计算结果

由表9可知，方案和C1、C2和C3的总排序权重分别为0.265 8、0.423 0、0.311 2，方案C2的权值最高，故决定采用的最优的软基处理方案为C2（水泥搅拌桩法）。

3 实施方案与效果评价

3.1 水泥搅拌桩的设计

水泥搅拌桩[4]是一种综合物理和化学反应来处理软基的方法，主要通过搅拌机将固化剂（水泥和水配成的浆液）喷入软基中，通过搅拌从而利用物理化学反应来形成一定强度的桩体，从而达到软基加固的目的。在具体设计时，为了增强路基整体的稳定性以及受力的均匀性，在路基两侧铺设反压护道（边坡比例为1∶1.5，设计高度为2 m），并在桩顶端铺设50 cm砂垫层，水泥搅拌桩布置采取等边三角形，桩土应力比为4，桩的直径和布置间距分别为0.5 m及1.5 m，由于处理深度为5～10 m，故采取桩长为11 m。具体处理方案示意图如图4所示。

图4 水泥搅拌桩软基处理方案示意图

3.2 施工工艺和控制

根据水泥搅拌桩设计相关参数，为达到最佳的处理软基效果，对水泥搅拌桩大面积施工时要采取严格的施工工艺，该工程采用三喷四搅的工艺流程：桩机就位→制备水泥浆→搅拌下沉（不喷浆）→搅拌提升（喷浆）→重复搅拌下沉（喷浆）→关闭搅拌机并清洗→移位。在施工过程中的质量监控是关键环节，最为重要的是控制好水灰比和喷浆量，由于水泥量是形成桩身强度的基本要素，该参数的大小直接与成桩的质量相关。在实际施工时，应该采用比重计现场测定水泥浆的参数，并将比重参数与水灰比进行相关分析以控制水灰比；同时利用流量计控制喷浆量。

3.3 效果评价

在施工成桩7 d后，为检查水泥搅拌桩成桩的均匀性以及成桩桩径，对其桩头进行浅部开挖处理，并抽检总桩数的5%作为代表，结果表明搅拌桩不良成桩的比例仅有0.7%而且成桩均匀，桩径基本达到设计要求。

为了直观反映通过层次分析模型法优选的软基处理方案的效果，结合JTGD30—2015《公路路基设计规范》等对工后沉降测量的要求[5-6]来判断。

表10 公路路基容许工后沉降 m

结合工程实例，在软基路段桩号范围K4+300—K8+700内选择6个代表性桩号进行工后沉降抽检测量，结果见表11。

表11 代表性桩号工后沉降情况

从表11可知在代表性桩号中，工后沉降最小值为路桥分界处的19.7 mm，最大值为一般路段的29.3 mm，均符合规范要求[5]。可见，采用水泥搅拌桩法处理该公路软基后，可以有效减少工后沉降，保证较好的处理效果，同时也表明层次分析法在道路软基处理方法选择中的应用是科学可行的。

4 结语

结合工程实例，为解决由于软基处理方法失误造成的资源浪费及处治效果不良的问题，采用层次分析法构建软基处理方案结构模型，并用层次分析软件对数据进行处理，得出最佳方案为水泥搅拌桩法。通过对水泥搅拌桩的设计、施工和效果分析研究，结果表明工后沉降得到了有效控制，处置效果良好，满足设计要求，为相关道路工程软基处理方案的选择问题方面提供借鉴。在具体采用该方法时，要结合具体的工程实例进行分析，以便得到最佳的选择方案。