基于模糊理論的鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險評價

馬永峰 周丁恒 李鳳嶺 黃赫

摘 要：沿海地區(qū)鉆孔灌注樁易發(fā)生縮孔、塌孔現(xiàn)象，正確地對鉆孔灌注樁孔壁行穩(wěn)定性進行分析與評價，對地基處理效果具有重要影響。首先，對鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性有關(guān)的參數(shù)進行了分類，建立了指標(biāo)相互獨立的鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險指標(biāo)體系，并應(yīng)用模糊理論建立了鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險評價模型；其次，基于鉆孔灌注樁專家系統(tǒng)對風(fēng)險指標(biāo)體系中各指標(biāo)的評估，得出了各指標(biāo)的權(quán)重，并將風(fēng)險指標(biāo)劃分為3個級別，建立了分級標(biāo)準(zhǔn)后，提出了鉆孔灌注樁施工是孔壁穩(wěn)定性等級的劃分方法；最后，基于MATLAB軟件編制了灌注樁塌孔風(fēng)險評價和等級分區(qū)的計算評價軟件。工程應(yīng)用實例表明建立的鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險指標(biāo)體系和風(fēng)險評價模型可應(yīng)用于評估鉆孔灌注樁施工時孔壁穩(wěn)定性等級。

關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁；模糊理論；風(fēng)險指標(biāo)體系；風(fēng)險評價模型

中圖分類號： TU443 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：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

沿海地區(qū)地質(zhì)條件較差，多為軟土底層，鉆孔灌注樁鉆孔時，孔壁狀態(tài)不穩(wěn)定，易發(fā)生縮孔、塌孔的現(xiàn)象，會造成資源浪費和環(huán)境問題[1-3]3 281-3 284，所以研究鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性具有重要的經(jīng)濟價值和社會效益。影響軟土地區(qū)鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性因素有地質(zhì)條件、泥漿重度、孔隙水壓力、孔徑、孔深和施工方法等，鉆孔灌注樁孔壁坍塌風(fēng)險因素具有多樣性、復(fù)雜性及不確定性特點[4-9]86-88，難以直接定量判定，而模糊數(shù)學(xué)方法[10-11]可針對這些特點處理不確定信息，從而定量分析各風(fēng)險因素對孔壁穩(wěn)定性影響的程度。目前國內(nèi)外研究尚未出現(xiàn)灌注樁塌孔風(fēng)險的模糊理論相關(guān)研究，本文應(yīng)用模糊理論對鉆孔灌注樁孔壁坍塌風(fēng)險進行分析，以期為鉆孔灌注樁施工控制提供指導(dǎo)和參考。

1 風(fēng)險評價指標(biāo)體系的建立

1.1 評價因子的選取原則

根據(jù)文獻[2-4]3 285，2 498，89對鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性相關(guān)研究，影響鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險的因素主要有：1）松散砂土層厚度；2）砂土層占土層比例；3）砂層平均標(biāo)準(zhǔn)貫入度；4） 砂土相對密度；5）砂土平均粒徑；6）砂土不均勻系數(shù)；7）鉆孔土層結(jié)構(gòu)；8）鉆孔設(shè)計深度；9）地下水埋深；10）地下水位變幅；11）軟土層厚度；12）軟土層占土層比例；13）鉆孔直徑；14）粘性土的平均液性指數(shù)；15）砂土平均含水率。

孔壁土體坍塌主要發(fā)生在砂土層，因此在對鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險綜合評價時將砂土層作為重點研究對象，基于各項工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察關(guān)鍵指標(biāo)之間相關(guān)關(guān)系的分析，主要選取了3類影響因子：地質(zhì)條件、工程條件和地下水條件，且從中分析選取了10個重要評價因子，由此構(gòu)建了鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險綜合評價指標(biāo)體系（見圖1）。

1） 砂土層厚度。砂土層對灌注樁孔壁穩(wěn)定性有關(guān)鍵性影響，其粘聚力理論值為零，且結(jié)構(gòu)較為松散，對灌注樁鉆孔施工孔壁穩(wěn)定性存在很大威脅。

2） 砂層占土層比例。由于砂土對灌注樁工程鉆孔施工孔壁穩(wěn)定性存在很大威脅，不同鉆孔的砂層在設(shè)計鉆孔沿深度方向上的比例不同，灌注樁鉆孔的整體穩(wěn)定性也不盡相同，因此該參數(shù)可作為一項反映灌注樁施工孔壁的整體穩(wěn)定性程度評價指標(biāo)。

3） 砂層平均標(biāo)貫度。砂土標(biāo)貫數(shù)與土體的物理力學(xué)性質(zhì)及密實程度緊密相關(guān)，將砂土層標(biāo)貫數(shù)作為一項塌孔風(fēng)險評價指標(biāo)是有效而適用的。

4） 砂土相對密度。該參數(shù)是砂性土緊密程度的指標(biāo)，對于建筑物和地基的穩(wěn)定性，特別是在震動穩(wěn)定性方面具有重要的意義。密實的砂具有較高的抗剪強度及較低的壓縮性，在震動情況下液化的可能性小。而松散的砂，其穩(wěn)定性差，壓縮性高；對于飽和的砂土，在震動情況下，還容易產(chǎn)生液化，是評價建筑物地基土的穩(wěn)定性重要指標(biāo)。

5） 砂土平均粒徑。構(gòu)成土骨架固體顆粒粒徑的大小影響土層承載力、壓縮性，對土的物理力學(xué)性質(zhì)與工程性質(zhì)起著重要作用。

6） 砂土不均勻系數(shù)。不均勻系數(shù)Cu越小，土體級配越均勻，則該級配越不良好，孔壁穩(wěn)定性越低；不均勻系數(shù)Cu越大，級配越好，說明在較粗的粒間空隙越被較細粒的顆粒所填充，因而土的密實度較好，相應(yīng)的鉆孔孔壁土體強度和穩(wěn)定性越好。因此，砂土的不均勻系數(shù)能較為準(zhǔn)確的反映鉆孔灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性，可作為一項場地塌孔風(fēng)險評價指標(biāo)。

7） 鉆孔土層結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻[2-4]3 285，2 498，89，一些地域上部底層以粉細砂為主，局部夾雜些粘土層，且在土層交界處孔壁土體有較大的坍塌破壞，可見鉆孔土層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度對灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性的影響不容忽視。

8） 鉆孔設(shè)計深度。鉆孔深度的增加，土體卸荷也隨之增大，孔壁土體重分布應(yīng)力越大。且鉆孔越深，土體被反復(fù)帶出，鉆桿及其引起孔內(nèi)穩(wěn)定液運動，對鉆孔周圍孔壁土體擾動更加頻繁，對孔壁土體的穩(wěn)定是不利的。

9） 地下水埋深。地下水位的增加，地下水對孔壁土體的徑向壓強增大，對鉆孔孔壁產(chǎn)生明顯的致塌作用，同時地下水也會對土體的物理力學(xué)參數(shù)造成不同程度的弱化。

10） 地下水位變幅。部分沿海區(qū)域灌注樁工程施工場地臨海岸線，地下水位易受到潮汐的作用而產(chǎn)生周期性的變化，其場地從東到西潮汐由不規(guī)則全日潮逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則全日潮，日潮性質(zhì)增強，半日潮性質(zhì)減弱。由于潮汐作用引起的不同的地下水位變化幅度，對孔壁穩(wěn)定性影響也因此存在差異。

1.2 評價指標(biāo)分級

選取各個定量影響因子的3個中間值作為鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險模糊綜合評判的評價指標(biāo)影響分級標(biāo)準(zhǔn)。對于定量評價指標(biāo)，將該項指標(biāo)的最大值與最小值之間的數(shù)值進行4等分，并從中選取3個中間值作為該項指標(biāo)鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險模糊綜合評判的分級標(biāo)準(zhǔn)αi1、αi2和αi3。其計算步驟如下

對于1.1節(jié)圖1中10個定量評價指標(biāo)，C1、C2、C5、C8、C9指標(biāo)數(shù)值越大，鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險越大，本文將上述指標(biāo)定義為與孔壁穩(wěn)定性正相關(guān)的定量評價指標(biāo)；C3、C4、C6、C10指標(biāo)數(shù)值越大，鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險越大，故將上述指標(biāo)定義為與孔壁穩(wěn)定性負相關(guān)的定量評價指標(biāo)。鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險分為低風(fēng)險、中風(fēng)險、高風(fēng)險3個等級，分別用符號αi1、αi2和αi3表示。

對于定性評價指標(biāo)C7鉆孔地層結(jié)構(gòu)，根據(jù)土層夾層復(fù)雜程度對其屬性進行賦值，地層中不含有軟黏土、砂層夾層的其復(fù)雜程度定義為一般，賦值為1；含有1-2層軟黏土、砂土夾層的定義為較復(fù)雜，賦值為2；含有3層及以上軟黏土、砂土夾層的定義為復(fù)雜土層，賦值為3。

將評價等級分為三個等級，即對應(yīng)的鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險級集合{低、中、高}，各參評因子計算值得及相應(yīng)分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2 基于模糊理論的塌孔風(fēng)險評價模型

2.1 塌孔風(fēng)險模糊綜合分析與評價模型的建立

鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險綜合評價因子集合為{砂土層厚度、砂層總厚度比例、砂層標(biāo)貫度、砂土相對密度、砂土平均粒徑、砂土不均勻系數(shù)、鉆孔地層結(jié)構(gòu)、鉆孔設(shè)計深度、鉆孔設(shè)計直徑；地下水變幅、地下水水位埋深}。綜合評判集確定為鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險等級集{低、中、高}。

2.2 模糊綜合評判法權(quán)重確定

常用的模糊綜合評價中模糊權(quán)重的確定方法主要有專家調(diào)查法、層次分析法和超標(biāo)倍數(shù)法。在對鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險進行模糊綜合評價時，需要考慮到各影響因子對孔壁塌孔風(fēng)險貢獻差異，為了客觀地分析確定各單因素對孔壁穩(wěn)定性作用的大小，突出塌孔風(fēng)險評價中的主要影響因子的作用，且又考慮到不同影響因子標(biāo)準(zhǔn)值的差異，采用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法確定各影響因子的權(quán)重，并將權(quán)重歸一化。

2.3 隸屬度的確定

隸屬函數(shù)是用于表征模糊集合的數(shù)學(xué)工具。對于普通集合A，它可以理解為某個論域U上的一個子集。為了描述論域U中任一元素u是否屬于集合A，通常可以用0或1標(biāo)志。用0表示u不屬于A，而用1表示屬于A，從而得到了U上的一個二值函數(shù)A（u），它表征了U的元素u對普通集合的從屬關(guān)系，通常稱為A的特征函數(shù)。為了描述元素u對U上的一個模糊集合的隸屬關(guān)系，由于這種關(guān)系的不分明性，它將用從區(qū)間[0，1]中所取的數(shù)值代替0，1這兩值來描述，記為（u），數(shù)值（u）表示元素隸屬于模糊集的程度，論域U上的函數(shù)μ即為模糊集的隸屬函數(shù)，而（u）即為u對不同評價等級的隸屬度。

通過對影響因子統(tǒng)計與回歸分析發(fā)現(xiàn)，孔壁塌孔率隨著影響因子變化呈非線性變化，且隨著影響因子接近不利狀態(tài)，孔壁塌值呈現(xiàn)孔率加速增大。因此影響因子愈接近不利狀態(tài)，灌注樁塌孔風(fēng)險愈敏感，根據(jù)評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)特征及對影響因子統(tǒng)計與回歸分析，確定采用的隸屬函數(shù)為拋物型隸屬函數(shù)。定量因素直接采用三次拋物型隸屬函數(shù)來確定評價因素對質(zhì)量等級的隸屬度；定性因素可按照一定準(zhǔn)則作數(shù)量化處理。對于分級標(biāo)準(zhǔn)Ai， 拋物型隸屬函數(shù)的圖形及所對應(yīng)的函數(shù)公式如圖2所示。

3 工程實例

3.1 工程概況

中委2 000萬噸煉廠占地面積約6km2。建設(shè)周期超過4年，投資額為500億人民幣以上，其中基礎(chǔ)及地基處理費用近20億人民幣，工期1年以上。場區(qū)地貌單元榕江三角洲平原，地形較平坦開闊。根據(jù)巖土工程勘察成果，場區(qū)地基土主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)的風(fēng)-水堆積層、沼澤相沉積層、海陸相交互沉積層、第四系上更新統(tǒng)的海陸相交互沉積層、沖積層、洪積層、殘積層以及燕山期花崗巖組成。揭露巖層分別為全風(fēng)化層、強風(fēng)化層、中風(fēng)化層，局部為微風(fēng)化層。工程場區(qū)地基特殊的松散地層地質(zhì)條件與地下水動力因素，造成了一至四聯(lián)合裝置約2 000根灌注樁及約20 000根CFG樁在鉆孔過程中發(fā)生大量的塌孔問題，尤其在8～10m左右的位置較為嚴(yán)重。孔壁失穩(wěn)問題不僅僅造成鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量無法保證，帶來較大工程安全隱患，造成大量工期的延誤，致使經(jīng)濟成本上的嚴(yán)重浪費。因此，鉆孔灌注樁工程施工孔壁穩(wěn)定性評價及塌孔加固治理問題亟待解決。

3.2 評價范圍及評價單元劃分

根據(jù)鉆孔灌注樁工程施工平面布置圖確定鉆孔灌注樁施工區(qū)域，劃定鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性與塌孔風(fēng)險評價區(qū)域的邊界，將塌孔風(fēng)險評價區(qū)域等分成N個a×a （m）的正方形評價單元。

選取廣東石化項目二聯(lián)合鉆孔灌注樁工程施工場區(qū)為研究區(qū)域，對二聯(lián)合施工場區(qū)鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險進行模糊綜合分析與評價。根據(jù)勘察鉆孔的分布情況以及工程地質(zhì)與水文地質(zhì)資料的統(tǒng)計分析，將二聯(lián)合塌孔風(fēng)險綜合評價區(qū)域劃分為165個25×25m的計算單元（見圖3），分別對每個單元的孔壁穩(wěn)定性與險鉆孔塌孔風(fēng)險等級進行評價。

3.3 模糊分區(qū)綜合評價

鉆孔灌注樁孔壁坍塌受多種因素制約，某一研究區(qū)域鉆孔灌注樁孔壁塌孔風(fēng)險具有一定的隨機性或非確定性，但仍可以一定的發(fā)生概率說明該區(qū)域塌孔風(fēng)險性大小，這種風(fēng)險性評價若以某一研究區(qū)域鉆孔灌注樁孔壁坍塌的概率大?。ㄎｋU程度）為對象，根據(jù)風(fēng)險度（風(fēng)險概率）大小，可將研究區(qū)劃分為若干代表不同危險強度的區(qū)域。

對評價區(qū)域進行劃分的165個評價單元分別賦值，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算方法如下：

2） 利用MATLAB計算軟件對模糊矩陣和權(quán)重矩陣進行計算；

3） 得出每個單元的評價結(jié)果，根據(jù)最大隸屬度原則確定評價等級。

下面以二聯(lián)合區(qū)域的評價單元1為例進行計算過程演示：

1） 首先根據(jù)隸屬度程序計算出隸屬度值，從而確定模糊矩陣R。

2） 權(quán)重矩陣

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） 通過相乘計算得出評價結(jié)果C

C=AR=（0.04 0.16 0.43），根據(jù)最大隸屬度原則，此四個數(shù)值中0.43最大，屬于高級，所以1號評價單元鉆孔塌孔風(fēng)險屬于——高風(fēng)險區(qū)，按照上述計算程序計算所有評價單元。

R=0010010.090.1700.030.33000.390.020.240.0500010.010.4400.020.4100.240.050（10）

采用圖像處理軟件對二聯(lián)合灌注樁工程施工場區(qū)塌孔風(fēng)險進行分區(qū)。將模糊綜合評價結(jié)果對165個評價單元對應(yīng)分別賦值，輸出風(fēng)險評價圖；先前對評價區(qū)域是按矩形區(qū)域進行劃分的，但是在現(xiàn)實評價中各等級風(fēng)險區(qū)并不是嚴(yán)格的矩形區(qū)域。因此，為了整體上展示鉆孔塌孔分區(qū)情況及鉆孔塌孔風(fēng)險的平面分布規(guī)律，根據(jù)增大安全系數(shù)原則，將中、高風(fēng)險區(qū)中所包含局部小范圍低風(fēng)險區(qū)劃分為相應(yīng)的中風(fēng)險區(qū)與高風(fēng)險區(qū)，并細化了各等級塌孔風(fēng)險區(qū)的邊界，最終輸出細化的灌注樁工程場區(qū)塌孔風(fēng)險分區(qū)圖（見圖5）。

由灌注樁工程場區(qū)塌孔風(fēng)險分區(qū)圖（見圖4）可以看出塌孔高風(fēng)險區(qū)主要分布于場區(qū)的東南部三角形區(qū)域，沿南部邊界自東向西約200m左右，沿東部邊界自南向北約150m左右。塌孔中風(fēng)險區(qū)主要分布于施工場區(qū)的西北部，期間有部分高風(fēng)險區(qū)及中風(fēng)險區(qū)呈島型分布。塌孔低險區(qū)主要分布于施工場區(qū)的中部及西南部。在三種不同塌孔風(fēng)險等級分區(qū)進行鉆孔施工時，發(fā)生塌孔風(fēng)險的概率不同，因此可根據(jù)灌注樁工程場區(qū)塌孔風(fēng)險等級分區(qū)圖指導(dǎo)施工場區(qū)孔壁塌孔問題防治。

4.4 計算機評價軟件與程序

采用MATLAB軟件編制了工程場區(qū)塌孔風(fēng)險評價和等級分區(qū)計算機評價軟件，具體操作界面窗口如圖5所示。

4 結(jié)論

本文建立了鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險指標(biāo)體系，并建立了鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險評價模型，分析了更為合理和具有操作性的鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性安全等級的劃分方法。將研究成果應(yīng)用于中國-委內(nèi)瑞拉聯(lián)合投資的廣東揭陽2 000萬噸煉廠鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險評估中， 計算并確定了塌孔風(fēng)險分區(qū)，該實例應(yīng)用分析表明，本文建立的鉆孔灌注樁塌孔風(fēng)險指標(biāo)體系和風(fēng)險評價模型及相應(yīng)的評估軟件，可以較好地評估灌注樁孔壁穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1] 王有志，常曉莉，王效平.復(fù)雜地質(zhì)條件下超長鉆孔灌注樁施工風(fēng)險分析[J].巖土力學(xué)，2006，27（S2）：769-773.

[2] 王云崗，章光，胡琦.鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（S1）：3 281-3 287.

[3] 李林， 李鏡培， 岳著文，等. 飽和黏土中鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性力學(xué)機制研究[J]. 巖土力學(xué)， 2016， 37（9）： 2 496-2 504.

[4] 王中文. 鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性的影響因素研究[J].公路交通科技， 2011， 28（1）： 86-90.

[5] 聶玉東， 周儒夏. 富綏松花江大橋樁基靜載對比試驗研究[J].巖土力學(xué)， 2012， 33（5）：1 327-1 332.

[6] 王忠福， 劉漢東，賈金祿， 等. 大直徑深長鉆孔灌注樁豎向承載力特性試驗研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（9）：2 663-2 610.

[7] 張瑞坤， 石名磊， 倪富健， 等. 黏性土中大直徑超長鉆孔灌注樁承載性狀及單樁沉降分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2013， 32（S2）： 4 190-4 198.

[8] 王旭， 蔣代軍， 劉德仁， 等. 低溫多年凍土地基大直徑鉆孔灌注樁未回凍狀態(tài)承載性質(zhì)試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2013， 32（9）： 1 807-1 812.

[9] 趙春風(fēng)， 陳洪祥， 趙程， 等. 考慮卸荷效應(yīng)鉆孔灌注樁孔徑時空變化規(guī)律研究[J]. 巖土力學(xué)， 2015， 36（S1）： 573-576.

[10] 彭祖增， 孫韞玉.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2004：130-131.

[11] 周泰文， 王曉星， 劉后邗. 模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)簡明教程[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1993：178-186.

（責(zé)任編輯：李 麗，編輯：丁 寒）