基于模糊理论的加筋土挡墙灾后风险评估

刘欣, 黄华华,2*, 魏友良

(1.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆市 400074； 2.重庆中设工程设计股份有限公司)

土工合成材料加筋土挡墙作为一种新型挡土结构于20世纪80年代由法国工程师Henri Vidal提出。该结构通过在填土中铺设水平土工合成材料筋材形成加筋土，利用筋材与土体之间的相互摩擦、等效围压机理来达到限制土体变形、增强土体强度、提高地基承载力和边坡稳定性的目的。加筋土挡墙以其造价低、施工方便快捷、耐久性好以及其柔性材料所具有的对填土变形的良好适应性等优点而得到广泛关注和研究。尤其在中国地震灾害频发的西部山区，加筋土挡墙所具备的柔性抗震吸能能力，使其在交通、城建等多个领域得到迅速推广。但在实际工程中，由于加筋材料的力学性能、筋土作用机理等都比较复杂，再加上工程施工以及后期维护时的不确定性导致西部山区大量加筋土挡墙在灾后存在安全风险。而目前中国对加筋土挡墙的灾后风险评估仍没有明确的方法和标准，还停留在对重力式挡墙进行安全评价的内容，主要是进行挡墙的外部检测、强度检测以及墙后取土进行土工试验，再结合专家的工程经验判断加筋土挡墙结构的安全状况。由于评估内容缺乏针对性、专家评估的主观性以及影响加筋土挡墙结构安全因素的复杂性，导致评估结果往往存在偏差。鉴于挡墙结构安全分析的多指标量值的测定较困难，该文综合考虑加筋土挡墙灾后的结构安全风险和环境影响风险，采用模糊数学原理建立加筋土挡墙灾后风险多层次模糊综合评估模型，定量分析处理原本难以测量的定性问题，排除主观因素干扰，给出合理、有效的评估结果，从而科学地指导加筋土挡墙的维护加固工作。

1 加筋土挡墙灾后风险评估指标体系建立

以科学性、系统性、实用性为原则，依据相关规范对加筋土挡墙结构设计、施工以及安全评价的规定，并结合加筋土挡墙的常见破坏特征，建立针对加筋土挡墙灾后风险评估的指标体系。风险评估主要从结构安全风险和环境影响风险两个环节进行，其中结构安全风险评估主要包括加筋土挡墙的表观状况、内部状况、排水系统3个方面，环境影响风险评估主要包括结构物所处区域的水文地质、使用环境、结构物破环造成损失3个方面。具体评估指标的选取主要考虑加筋土挡墙的常见破坏特征和评估指标的可操作性。指标体系见表1。

1.1 表观状况

加筋土挡墙结构的墙面破坏形式主要包括：墙身及墙顶开裂，局部沉陷或凸起，蜂窝麻面，面板发生错动沉降进而引起填土材料的外流，以及墙面发生倾斜等。总体外观上，JTJ 035-1991《公路加筋土工程施工技术规范》规定：墙面板应光洁无破损、平顺美观，板缝均匀，线形顺适，沉降缝上下贯通顺直，取弃土位置合理。结构开裂方面，应根据裂缝发展方向、缝宽等信息判断开裂原因，受力裂缝需及时处理。墙面倾斜度方面，JTG F80/1-2004《公路工程质量检验评定标准》规定：对于垂直的墙体，向外倾斜不超过墙体高度的0.5%且不大于5 cm，向内倾斜不超过墙体高度的1%且不大于10 cm。面板错动沉降引起填土材料的外流会导致路堤不均匀沉降、承载能力降低，对加筋土挡墙结构的安全有较大的影响，应重点关注。

1.2 内部状况

内部状况的评估主要包括：筋材变形滑移、土体的压实度和强度、墙身混凝土强度、地基类型。其中，筋材在土体中的破坏模式主要为筋材变形过大被拉断和筋材与土体发生相对滑移。对于贴有应变片的加筋土挡墙，可通过测定筋材的实际应变值判断其变形滑移情况；对于未设置监测系统的挡墙，可通过观测挡墙与其他构造物连接部位的筋材变形滑移情况并结合墙身倾斜、填土沉降等现象进行综合判断。对墙背填土的要求包括：符合设计文件要求的压实度、强度、水稳定性等，均可通过土工试验进行评价。地基类型影响地基承载能力，若承载能力不足，可能导致路堤出现不均匀沉降、挡墙前端地面拱起等现象，影响挡墙的外部稳定性。

1.3 排水系统

挡墙的排水系统包括：填土内部排水系统、路面排水系统和坡脚排水系统。排水系统是否能有效发挥作用将直接影响加筋土挡墙的安全状况，可通过排水系统设置的完整性、规范性以及后期的维护情况对其进行评价。

1.4 水文地质

水文地质的评估指标主要包括：当地的降雨状况、地下水状况以及当地发生地质灾害的频率。不利的降雨及地下水情况将影响墙背填土材料的强度、稳定性以及土体与筋材的摩擦力，对加筋土挡墙结构的安全形成潜在风险。此外，地质灾害对挡墙的整体稳定性有较大影响，因此当地发生地质灾害的频率是对挡墙进行风险评估的指标之一。

1.5 使用环境

加筋土挡墙使用环境的评估主要包括车流量和荷载组成的调查，将调查结果与设计文件进行对比。过大的车流量以及过多的超载现象可能造成路面结构的破坏，导致雨水下渗，影响土体的强度和筋土之间的摩擦力，从而影响加筋土挡墙结构的稳定性。

1.6 破坏损失

加筋土挡墙的破坏损失包括：人身安全损失、经济损失、不利的社会影响3个方面。若挡墙结构位于人类活动密集的地区或较重要的交通地段，一旦发生破坏将造成较大的生命财产损失和社会影响时，应对挡土墙进行连续监测直到确定其无安全风险。

2 加筋土挡墙灾后风险模糊综合评估

参照前文提出的加筋土挡墙灾后风险评估指标体系，评估自上而下共分为3个层次，采用多层次模糊综合评估方法进行后续工作。

2.1 建立评价因素集

第1层次评价因素集：U={A1,A2}。

第2层次评价因素集：A1={B1,B2,B3}；A2={B4,B5,B6}。

第3层次评价因素集：B1={C1,C2,C3,C4}；B2={C5,C6,C7,C8,C9}；B3={C10,C11,C12}；B4={C13,C14,C15}；B5={C16,C17}；B6={C18,C19,C20}。

2.2 建立权重集

从多层次评估模型的第2层开始，对影响上一层指标的同级指标进行两两指标之间的重要程度对比，直到第4层，从而构造判断矩阵Y：

式中：yij为指标i与指标j的重要程度的比值；yji为指标j与指标i的重要程度的比值；且yii=1，yij*yji=1。

传统1～9标度法在遇到指标较多、规模较大的问题时，所构造的判断矩阵较易产生一致性检验不满足要求，且调整困难的缺陷，该文以典型判断矩阵Z为例，比较几种常用标度的一致性，提出ln(9e/9)～ln(17e/1)标度法。该标度所代表的具体含义见表2；不同标度法下典型判断矩阵的一致性检验结果见表3。

表2 矩阵判断标度

表3 不同标度法所得的C.R.值

从表3可以看出：对数标度法的一致性最好，指数标度法和分数标度法的一致性次之，1～9标度法的一致性最差。

2.2.1 权重的确定方法

(1)

判断矩阵Y的最大特征值max可由下列公式近似得到，其中(YW)i表示YW的第i个分量。

(2)

对判断矩阵A进行一致性检验，用一致性指标C.I.衡量其不一致程度，并引入各阶矩阵的随机指标R.I.，两者的比值称为一致性比率C.R.。

(3)

(4)

当C.R.<0.10时，则认为判断矩阵Y的一致性较好，否则应对判断矩阵进行修正，直到满足一致性检验的标准。若判断矩阵一致性良好，则对特征向量W进行归一化得到权重向量W′。

2.2.2 权重集的确定

邀请专家对各层同级指标之间的重要程度进行评价，按照表2给出的标度系统构造判断矩阵Y，并进行一致性检验，得到各层权重集W，归一化计算得到权重向量W′，见表4。

2.3 建立评判集

建立加筋土挡墙灾后风险评估评语集M={一级，二级，三级，四级，五级}。为了更方便直观地反映各指标的风险状况，分别进行评分，并对各风险等级进行决策划分，见表5。

2.4 评判矩阵的确定

参照前文提出的评语集，邀请专家对加筋土挡墙灾后风险评估体系中的指标层进行评分，得到各因素的评判集，再将指标下各因素的评判集作为行向量组成矩阵，得到该指标的评判矩阵：

表4 各层判断矩阵及其计算结果

表5 风险水平分级

2.5 得分评价

根据评价模型K=W′*R和归一化计算，最终得到加筋土挡墙灾后风险评估各风险级的权重因子集K′。结合表5中给出的各风险级的特征分数进行最终得分计算：

Q=ζ1k1+ζ2k2+ζ3k3+ζ4k4+ζ5k5

(5)

考虑到影响加筋土挡墙灾后风险评估结果的因素较多，为了简化计算同时又能快速准确找出导致其风险评估结果较差的指标，进而采取针对性的决策措施，可采用顺向设限筛查法进行处理，即先对整个评估系统进行得分评价，若得分>70，则认为系统风险较低，筛查结束；若得分<70，则认为系统存在风险，继续对其下一层子系统进行得分评价，直至筛查到第4层指标层得到评分<60的指标，及时对其制定针对性的应对措施。

3 实例分析

云南省昭通市鲁甸县用于某一级公路路基的加筋土挡墙，高度8.5 m，长度60 m，加筋方案采用顶部满铺土工格栅，中部加短格栅，墙体混凝土材料设计强度为C40。2014年8月3日，当地发生6.5级地震，加筋土挡墙位于震中地区，同年9月当地主管部门组织专家对其进行灾后风险评估。

参照该文建立的评语集，邀请专家结合现场调查结果对评估体系指标层进行评分得到评判矩阵Rij：

对风险评估体系进行1级综合评价：

对风险评估体系进行2级综合评价：

对风险评估体系进行3级综合评价：

最后，加筋土挡墙灾后风险评估得分：

Q=0.123×90+0.357×80+0.268×65+0.203×50+0.049×30=68.67<70。

说明该加筋土挡墙灾后存在一定安全风险，需要对其子系统进行得分评价，通过计算得到加筋土挡墙灾后风险评估子系统得分见表6。

表6 风险评估子系统得分

由表6可知，应进一步对结构安全风险的子系统进行评分，具体评分结果见表7。

表7 结构安全风险子系统得分

由表7可知：应进一步对表观状况和排水系统所包含的指标进行评分，具体评分结果见表8。

结合该加筋土挡墙灾后风险评估得分和需要评估

表8 需要评估的指标得分

指标的得分结果，分析得出结论：该加筋土挡墙灾后风险评估等级为3级，即具有一定风险，需要对墙身外观、墙顶外观、填土内部排水和坡脚排水检测中存在的问题进行处理，并对该挡墙进行连续监测。

4 结语

针对加筋土挡墙灾后风险评估工作中存在的问题，提出了AHP-模糊综合评估法。该方法将层次分析法和模糊理论相结合，以加筋土挡墙的破坏特征和评估指标的可操作性为基础，建立了反映加筋土挡墙灾后风险情况的指标体系，并利用模糊理论构建了多级模糊评估模型对指标体系进行风险等级评估。具体评估过程中，针对1～9标度系统的缺陷，提出了采用一致性检验效果更好的ln(9e/9)～ln(17e/1)标度系统构造判断矩阵。在得到加筋土挡墙灾后风险等级的基础上，提出以70分为界，对评估系统进行顺向筛查，核实风险较大的指标，以利于制定针对性的决策措施。最后根据相关的工程实例，证明了该风险评估方法具有一定的实用性。