基于模糊理论的钻孔灌注桩塌孔风险评价

2017-09-03马永峰周丁恒李凤岭黄赫

安徽理工大学学报·自然科学版 2017年5期

马永峰周丁恒李凤岭黄赫

摘要：沿海地区钻孔灌注桩易发生缩孔、塌孔现象，正确地对钻孔灌注桩孔壁行稳定性进行分析与评价，对地基处理效果具有重要影响。首先，对钻孔灌注桩孔壁稳定性有关的参数进行了分类，建立了指标相互独立的钻孔灌注桩塌孔风险指标体系，并应用模糊理论建立了钻孔灌注桩塌孔风险评价模型；其次，基于钻孔灌注桩专家系统对风险指标体系中各指标的评估，得出了各指标的权重，并将风险指标划分为3个级别，建立了分级标准后，提出了钻孔灌注桩施工是孔壁稳定性等级的划分方法；最后，基于MATLAB软件编制了灌注桩塌孔风险评价和等级分区的计算评价软件。工程应用实例表明建立的钻孔灌注桩塌孔风险指标体系和风险评价模型可应用于评估钻孔灌注桩施工时孔壁稳定性等级。

关键词：钻孔灌注桩；模糊理论；风险指标体系；风险评价模型

中图分類号： TU443 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）05-0018-07

Abstract：For bored pile in coastal area， shrinkage and collapse tend to occur easily. Analysis and evaluation of hole-wall stability has an important influence on foundation treatment effect. Firstly， parameters and indexes related to the hole-wall stability of bored pile were classified and the index system for evaluating the risk of bored pile collapse was established. The model for evaluating the collapse risk of bored pile was established by using the fuzzy clustering identification theory. Then， the weights of the indexes affecting the hole-wall stability of bored pile were determined by experts， grading the risk indexes with three levels. The method for classifying the stability grades of bored pile and corresponding standard were proposed accordingly. Finally， software of risk collapse assessment and degree division was programmed. The application indicated that the proposed model and index system were feasible in assessing the grades of hole-wall stability in the construction of bored pile.

Key words：bored pile；fuzzy theory；risk index system；risk evaluation model

沿海地区地质条件较差，多为软土底层，钻孔灌注桩钻孔时，孔壁状态不稳定，易发生缩孔、塌孔的现象，会造成资源浪费和环境问题[1-3]3 281-3 284，所以研究钻孔灌注桩孔壁稳定性具有重要的经济价值和社会效益。影响软土地区钻孔灌注桩孔壁稳定性因素有地质条件、泥浆重度、孔隙水压力、孔径、孔深和施工方法等，钻孔灌注桩孔壁坍塌风险因素具有多样性、复杂性及不确定性特点[4-9]86-88，难以直接定量判定，而模糊数学方法[10-11]可针对这些特点处理不确定信息，从而定量分析各风险因素对孔壁稳定性影响的程度。目前国内外研究尚未出现灌注桩塌孔风险的模糊理论相关研究，本文应用模糊理论对钻孔灌注桩孔壁坍塌风险进行分析，以期为钻孔灌注桩施工控制提供指导和参考。

1 风险评价指标体系的建立

1.1 评价因子的选取原则

根据文献[2-4]3 285，2 498，89对钻孔灌注桩孔壁稳定性相关研究，影响钻孔灌注桩孔壁塌孔风险的因素主要有：1）松散砂土层厚度；2）砂土层占土层比例；3）砂层平均标准贯入度；4）砂土相对密度；5）砂土平均粒径；6）砂土不均匀系数；7）钻孔土层结构；8）钻孔设计深度；9）地下水埋深；10）地下水位变幅；11）软土层厚度；12）软土层占土层比例；13）钻孔直径；14）粘性土的平均液性指数；15）砂土平均含水率。

孔壁土体坍塌主要发生在砂土层，因此在对钻孔灌注桩孔壁塌孔风险综合评价时将砂土层作为重点研究对象，基于各项工程地质与水文地质勘察关键指标之间相关关系的分析，主要选取了3类影响因子：地质条件、工程条件和地下水条件，且从中分析选取了10个重要评价因子，由此构建了钻孔灌注桩孔壁塌孔风险综合评价指标体系（见图1）。

1）砂土层厚度。砂土层对灌注桩孔壁稳定性有关键性影响，其粘聚力理论值为零，且结构较为松散，对灌注桩钻孔施工孔壁稳定性存在很大威胁。

2）砂层占土层比例。由于砂土对灌注桩工程钻孔施工孔壁稳定性存在很大威胁，不同钻孔的砂层在设计钻孔沿深度方向上的比例不同，灌注桩钻孔的整体稳定性也不尽相同，因此该参数可作为一项反映灌注桩施工孔壁的整体稳定性程度评价指标。

3）砂层平均标贯度。砂土标贯数与土体的物理力学性质及密实程度紧密相关，将砂土层标贯数作为一项塌孔风险评价指标是有效而适用的。

4）砂土相对密度。该参数是砂性土紧密程度的指标，对于建筑物和地基的稳定性，特别是在震动稳定性方面具有重要的意义。密实的砂具有较高的抗剪强度及较低的压缩性，在震动情况下液化的可能性小。而松散的砂，其稳定性差，压缩性高；对于饱和的砂土，在震动情况下，还容易产生液化，是评价建筑物地基土的稳定性重要指标。

5）砂土平均粒径。构成土骨架固体颗粒粒径的大小影响土层承载力、压缩性，对土的物理力学性质与工程性质起着重要作用。

6）砂土不均匀系数。不均匀系数Cu越小，土体级配越均匀，则该级配越不良好，孔壁稳定性越低；不均匀系数Cu越大，级配越好，说明在较粗的粒间空隙越被较细粒的颗粒所填充，因而土的密實度较好，相应的钻孔孔壁土体强度和稳定性越好。因此，砂土的不均匀系数能较为准确的反映钻孔灌注桩施工孔壁稳定性，可作为一项场地塌孔风险评价指标。

7）钻孔土层结构。根据文献[2-4]3 285，2 498，89，一些地域上部底层以粉细砂为主，局部夹杂些粘土层，且在土层交界处孔壁土体有较大的坍塌破坏，可见钻孔土层结构的复杂程度对灌注桩施工孔壁稳定性的影响不容忽视。

8）钻孔设计深度。钻孔深度的增加，土体卸荷也随之增大，孔壁土体重分布应力越大。且钻孔越深，土体被反复带出，钻杆及其引起孔内稳定液运动，对钻孔周围孔壁土体扰动更加频繁，对孔壁土体的稳定是不利的。

9）地下水埋深。地下水位的增加，地下水对孔壁土体的径向压强增大，对钻孔孔壁产生明显的致塌作用，同时地下水也会对土体的物理力学参数造成不同程度的弱化。

10）地下水位变幅。部分沿海区域灌注桩工程施工场地临海岸线，地下水位易受到潮汐的作用而产生周期性的变化，其场地从东到西潮汐由不规则全日潮逐步转变为规则全日潮，日潮性质增强，半日潮性质减弱。由于潮汐作用引起的不同的地下水位变化幅度，对孔壁稳定性影响也因此存在差异。

1.2 评价指标分级

选取各个定量影响因子的3个中间值作为钻孔灌注桩孔壁塌孔风险模糊综合评判的评价指标影响分级标准。对于定量评价指标，将该项指标的最大值与最小值之间的数值进行4等分，并从中选取3个中间值作为该项指标钻孔灌注桩孔壁塌孔风险模糊综合评判的分级标准αi1、αi2和αi3。其计算步骤如下

对于1.1节图1中10个定量评价指标，C1、C2、C5、C8、C9指标数值越大，钻孔灌注桩塌孔风险越大，本文将上述指标定义为与孔壁稳定性正相关的定量评价指标；C3、C4、C6、C10指标数值越大，钻孔灌注桩塌孔风险越大，故将上述指标定义为与孔壁稳定性负相关的定量评价指标。钻孔灌注桩塌孔风险分为低风险、中风险、高风险3个等级，分别用符号αi1、αi2和αi3表示。

对于定性评价指标C7钻孔地层结构，根据土层夹层复杂程度对其属性进行赋值，地层中不含有软黏土、砂层夹层的其复杂程度定义为一般，赋值为1；含有1-2层软黏土、砂土夹层的定义为较复杂，赋值为2；含有3层及以上软黏土、砂土夹层的定义为复杂土层，赋值为3。

将评价等级分为三个等级，即对应的钻孔灌注桩孔壁塌孔风险级集合{低、中、高}，各参评因子计算值得及相应分级标准如表1所示。

2 基于模糊理论的塌孔风险评价模型

2.1 塌孔风险模糊综合分析与评价模型的建立

钻孔灌注桩孔壁塌孔风险综合评价因子集合为{砂土层厚度、砂层总厚度比例、砂层标贯度、砂土相对密度、砂土平均粒径、砂土不均匀系数、钻孔地层结构、钻孔设计深度、钻孔设计直径；地下水变幅、地下水水位埋深}。综合评判集确定为钻孔灌注桩孔壁塌孔风险等级集{低、中、高}。

2.2 模糊综合评判法权重确定

常用的模糊综合评价中模糊权重的确定方法主要有专家调查法、层次分析法和超标倍数法。在对钻孔灌注桩孔壁塌孔风险进行模糊综合评价时，需要考虑到各影响因子对孔壁塌孔风险贡献差异，为了客观地分析确定各单因素对孔壁稳定性作用的大小，突出塌孔风险评价中的主要影响因子的作用，且又考虑到不同影响因子标准值的差异，采用超标倍数赋权法确定各影响因子的权重，并将权重归一化。

2.3 隶属度的确定

隶属函数是用于表征模糊集合的数学工具。对于普通集合A，它可以理解为某个论域U上的一个子集。为了描述论域U中任一元素u是否属于集合A，通常可以用0或1标志。用0表示u不属于A，而用1表示属于A，从而得到了U上的一个二值函数A（u），它表征了U的元素u对普通集合的从属关系，通常称为A的特征函数。为了描述元素u对U上的一个模糊集合的隶属关系，由于这种关系的不分明性，它将用从区间[0，1]中所取的数值代替0，1这两值来描述，记为（u），数值（u）表示元素隶属于模糊集的程度，论域U上的函数μ即为模糊集的隶属函数，而（u）即为u对不同评价等级的隶属度。

通过对影响因子统计与回归分析发现，孔壁塌孔率随着影响因子变化呈非线性变化，且随着影响因子接近不利状态，孔壁塌值呈现孔率加速增大。因此影响因子愈接近不利状态，灌注桩塌孔风险愈敏感，根据评价指标的分级标准特征及对影响因子统计与回归分析，确定采用的隶属函数为抛物型隶属函数。定量因素直接采用三次抛物型隶属函数来确定评价因素对质量等级的隶属度；定性因素可按照一定准则作数量化处理。对于分级标准Ai，抛物型隶属函数的图形及所对应的函数公式如图2所示。

3 工程实例

3.1 工程概况

中委2 000万吨炼厂占地面积约6km2。建设周期超过4年，投资额为500亿人民币以上，其中基础及地基处理费用近20亿人民币，工期1年以上。场区地貌单元榕江三角洲平原，地形较平坦开阔。根据岩土工程勘察成果，场区地基土主要为第四系人工填土层、第四系全新统的风-水堆积层、沼泽相沉积层、海陆相交互沉积层、第四系上更新统的海陆相交互沉积层、冲积层、洪积层、残积层以及燕山期花岗岩组成。揭露岩层分别为全风化层、强风化层、中风化层，局部为微风化层。工程场区地基特殊的松散地层地质条件与地下水动力因素，造成了一至四联合装置约2 000根灌注桩及约20 000根CFG桩在钻孔过程中发生大量的塌孔问题，尤其在8～10m左右的位置较为严重。孔壁失稳问题不仅仅造成钻孔灌注桩成桩质量无法保证，带来较大工程安全隐患，造成大量工期的延误，致使经济成本上的严重浪费。因此，钻孔灌注桩工程施工孔壁稳定性评价及塌孔加固治理问题亟待解决。

3.2 评价范围及评价单元划分

根据钻孔灌注桩工程施工平面布置图确定钻孔灌注桩施工区域，划定钻孔灌注桩孔壁稳定性与塌孔风险评价区域的边界，将塌孔风险评价区域等分成N个a×a （m）的正方形评价单元。

选取广东石化项目二联合钻孔灌注桩工程施工场区为研究区域，对二联合施工场区钻孔灌注桩孔壁塌孔风险进行模糊综合分析与评价。根据勘察钻孔的分布情况以及工程地质与水文地质资料的统计分析，将二联合塌孔风险综合评价区域划分为165个25×25m的计算单元（见图3），分别对每个单元的孔壁稳定性与险钻孔塌孔风险等级进行评价。

3.3 模糊分区综合评价

钻孔灌注桩孔壁坍塌受多种因素制约，某一研究区域钻孔灌注桩孔壁塌孔风险具有一定的随机性或非确定性，但仍可以一定的发生概率说明该区域塌孔风险性大小，这种风险性评价若以某一研究区域钻孔灌注桩孔壁坍塌的概率大小（危险程度）为对象，根据风险度（风险概率）大小，可将研究区划分为若干代表不同危险强度的区域。

对评价区域进行划分的165个评价单元分别赋值，根据统计数据计算方法如下：

2）利用MATLAB计算软件对模糊矩阵和权重矩阵进行计算；

3）得出每个单元的评价结果，根据最大隶属度原则确定评价等级。

下面以二联合区域的评价单元1为例进行计算过程演示：

1）首先根据隶属度程序计算出隶属度值，从而确定模糊矩阵R。

2）权重矩阵

A=（0.200 454 0.105 402 0.098 280 0.108 407 0.104 692 0.090 328 0.038 027 0.113 866 0.080 125 0.060 518）

3）通过相乘计算得出评价结果C

C=AR=（0.04 0.16 0.43），根据最大隶属度原则，此四个数值中0.43最大，属于高级，所以1号评价单元钻孔塌孔风险属于——高风险区，按照上述计算程序计算所有评价单元。

R=0010010.090.1700.030.33000.390.020.240.0500010.010.4400.020.4100.240.050（10）

采用图像处理软件对二联合灌注桩工程施工场区塌孔风险进行分区。将模糊综合评价结果对165个评价单元对应分别赋值，输出风险评价图；先前对评价区域是按矩形区域进行划分的，但是在现实评价中各等级风险区并不是严格的矩形区域。因此，为了整体上展示钻孔塌孔分区情况及钻孔塌孔风险的平面分布规律，根据增大安全系数原则，将中、高风险区中所包含局部小范围低风险区划分为相应的中风险区与高风险區，并细化了各等级塌孔风险区的边界，最终输出细化的灌注桩工程场区塌孔风险分区图（见图5）。

由灌注桩工程场区塌孔风险分区图（见图4）可以看出塌孔高风险区主要分布于场区的东南部三角形区域，沿南部边界自东向西约200m左右，沿东部边界自南向北约150m左右。塌孔中风险区主要分布于施工场区的西北部，期间有部分高风险区及中风险区呈岛型分布。塌孔低险区主要分布于施工场区的中部及西南部。在三种不同塌孔风险等级分区进行钻孔施工时，发生塌孔风险的概率不同，因此可根据灌注桩工程场区塌孔风险等级分区图指导施工场区孔壁塌孔问题防治。

4.4 计算机评价软件与程序

采用MATLAB软件编制了工程场区塌孔风险评价和等级分区计算机评价软件，具体操作界面窗口如图5所示。

4 结论

本文建立了钻孔灌注桩塌孔风险指标体系，并建立了钻孔灌注桩塌孔风险评价模型，分析了更为合理和具有操作性的钻孔灌注桩孔壁稳定性安全等级的划分方法。将研究成果应用于中国-委内瑞拉联合投资的广东揭阳2 000万吨炼厂钻孔灌注桩塌孔风险评估中，计算并确定了塌孔风险分区，该实例应用分析表明，本文建立的钻孔灌注桩塌孔风险指标体系和风险评价模型及相应的评估软件，可以较好地评估灌注桩孔壁稳定性。