基于模糊預(yù)測模型的橋梁樁基質(zhì)量檢測評估方法研究

陸朝昌

(廣西壯族自治區(qū)靖西公路管理局，廣西 百色 533000)

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)由主梁上部結(jié)構(gòu)、支撐體系和以樁基為主體的下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)組成。樁基作為下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，通過樁與周圍土體之間的摩擦力和樁端支承力的作用，樁基可以將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到較深的穩(wěn)定土壤層或巖石上。樁基根據(jù)不同的施工工藝分為灌注樁，預(yù)制樁等。其中，灌注樁基礎(chǔ)承載力高，抗震性能好，適用范圍廣。但灌注樁基施工技術(shù)較為復(fù)雜，質(zhì)量控制有限。在施工過程中，可能存在混凝土離析、沉降變化或樁徑變化等缺陷。樁基是隱蔽的工程，結(jié)構(gòu)檢測的方法是有限的。國內(nèi)統(tǒng)計資料顯示，我國樁基施工質(zhì)量的合格率約為80%[1]。

樁基質(zhì)量評估受到廣泛關(guān)注，根據(jù)目前樁基檢測方法，常用的有鉆孔取芯法、聲透射法和聲反射法[2]。實際上，這些方法容易受主觀因素影響客觀評價結(jié)果。因此本文建立一種基于模糊推理的樁基檢測評估體系，結(jié)合廣西公路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)改造工程(百色段危橋改造工程)，通過基于模糊預(yù)測模型的評估結(jié)果與實際結(jié)果對比，為樁基檢測質(zhì)量評估提供了依據(jù)。

1 樁基質(zhì)量評估技術(shù)研究現(xiàn)狀

樁基是橋梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，樁基質(zhì)量直接影響到整座橋的安全運行和使用壽命。因此，在基礎(chǔ)施工和運營過程中，及時對樁基承載力進(jìn)行檢測和評估是必須的。樁基質(zhì)量檢測的超聲波透射法是最常見的，具有檢測速度快、儀器簡單、測量面積大等優(yōu)點。

鉆孔灌注樁在施工過程容易出現(xiàn)的問題如表1所示[3]，這些問題可能為以后樁基質(zhì)量檢測埋下隱患。

2 項目實例

本項目為廣西公路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)改造工程(百色段危橋改造工程)G324線K1882+689四那橋施工圖設(shè)計，舊橋位于國道G324線福州至昆明(田陽段)K1882+689處，于路線K1882+689處跨越四那河，該橋修建于1993年9月，設(shè)計荷載等級為汽-20，掛車-100。舊橋為實心板梁橋，橋梁全長35.65 m，橋面全寬18 m，橋面鋪裝為水泥混凝土鋪裝，有伸縮縫。橋臺為重力式U型橋臺，漿砌片石擴大基礎(chǔ)；橋墩為實體墩，漿砌塊石擴大基礎(chǔ)。舊橋所在道路為二級公路，設(shè)計速度60 km/h，路基寬18 m，路面寬13 m。

四那橋位于百色市田陽縣百育鎮(zhèn)附近，橋梁跨越四那河，橋位所處地區(qū)為平原微丘區(qū)，河道兩岸多為旱地，勘測時河溝有水，河床有淤積?？h境內(nèi)主要褶皺由南至北有五村短軸背斜、榮圩向斜、百色盆地、那丹復(fù)式向斜和甫縷背斜等。

3 構(gòu)件模糊預(yù)測模型

模糊集合是模糊理論中最基本的概念，對于模糊集中的模糊變量，絕對分區(qū)并不能表達(dá)變量的屬性，因此定義了一組相應(yīng)的域X和U，對于集合U中的任意元素x，定義為函數(shù)βU(x)∈[0，1]，用于表示集合U的隸屬度。集合U稱為模糊集，βU(x)稱為模糊集的隸屬函數(shù)[4]。

模糊集合一般可以用下式表示：

多元素的模糊集合一般表示為：

在模糊理論中，確定隸屬函數(shù)的方法主要依靠經(jīng)驗，屬于不斷檢驗實踐階段。這就要求在實踐中不斷修改和完善隸屬函數(shù)，以獲得可信的結(jié)果，對決策者的主觀判斷進(jìn)行了表達(dá)和數(shù)值處理，確定了其在目標(biāo)中的比例。

3.1 構(gòu)造多層次模糊判斷矩陣模型

要解決這個問題，首先，我們必須利用現(xiàn)有的知識和信息來解決這個問題；然后，通過運用層次分析法進(jìn)行因子分析和結(jié)構(gòu)分析，找出因素之間存在關(guān)聯(lián)程度的強弱性，并根據(jù)多個元素之間的關(guān)系對復(fù)雜問題進(jìn)行了劃分。同一層次的元素是下一層的一些元素的規(guī)則，并由上層元素支配，如圖1所示。

圖1 多層次模糊判斷矩陣模型結(jié)構(gòu)圖

層次分析法的核心是相互比較，層次水平反映因素之間存在關(guān)聯(lián)程度的強弱性，但判斷準(zhǔn)則中的決策者并不總是在目標(biāo)度量中具有相同的權(quán)重，它們都是占有一定比例的比重。決策者將標(biāo)準(zhǔn)與更高層次的目標(biāo)進(jìn)行比較，以確定低級元素對上層元素(即權(quán)重)的重要性。類似地，基于度量標(biāo)準(zhǔn)，成對地比較程序，以確定每個程序在確定單個屬性時的相對優(yōu)劣勢。

在層次分析的過程中，為了做出量化的判斷，關(guān)鍵是量化基于某一準(zhǔn)則的任何兩個方案的相對優(yōu)越性。

3.2 層次總排序及其一致性檢驗

通常如果判斷矩陣U滿足uij=uik·ukj，k，i，j=(1，2，…，n)，進(jìn)而可以判斷矩陣是完全一致的。然而，在一般的決策問題中，判斷因子與理想值之間的差異往往導(dǎo)致判斷矩陣不總是一致的。根據(jù)矩陣?yán)碚?，矩陣的特征值會隨之變化，所以可以利用判斷矩陣特征值檢驗判斷矩陣的一致性。

在確定判斷矩陣的層間因子權(quán)重時，必須先確定層間總排序關(guān)系，即各層的權(quán)重。對于三個目標(biāo)層(目標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)和方案層)：一般而言，只有一個目標(biāo)層；標(biāo)準(zhǔn)圖層U包含m個因素U1，U2，…Um，方案圖層權(quán)重為u1，u2，…um。它們對于因素U1，U2，…，Um的層次單排序權(quán)值為：

4 基于模糊層次分析法的基樁質(zhì)量綜合評價

4.1 模糊變換

對于傳統(tǒng)的綜合評價技術(shù)，通常采用一些簡單的數(shù)據(jù)值，通過總分法或加權(quán)求和法得到結(jié)果。而模糊綜合評價需要建立模糊綜合評價指標(biāo)集U=(U1，U2，…，Un)，然后通過專家評價法得到模糊評價矩陣R=(ri，j)n×m，最后通過適當(dāng)?shù)哪：阕幼儞Q映射如下[5]：

4.2 構(gòu)件基于模糊預(yù)測模型評價指標(biāo)體系及計算步驟

采用基于模糊預(yù)測模型的橋梁樁基質(zhì)量檢測評估方法評價樁基質(zhì)量時，試樣的抗壓強度、巖心取樣長度、樁底沉渣厚度、芯樣的表面狀況是評價樁基施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此，需要建立樁基施工質(zhì)量評價指標(biāo)體系。

在應(yīng)用模糊層次分析法進(jìn)行狀態(tài)評價時，首先對底層指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，然后利用模糊理論對綜合評價指標(biāo)進(jìn)行評價。具體步驟包括：

Step1 設(shè)置底層評估指標(biāo)因素集；

Step2 確定評價集合；

Step3 建立底層指標(biāo)評價矩陣；

Step4 狀態(tài)綜合評價。

4.3 評估指標(biāo)分級及隸屬度函數(shù)

在基于模糊預(yù)測模型的基樁質(zhì)量檢測綜合評估指標(biāo)體系中，存在兩種指標(biāo)，數(shù)據(jù)型指標(biāo)和非數(shù)據(jù)型指標(biāo)。數(shù)據(jù)型指標(biāo)為可量化、可精確表示指標(biāo)，例如芯樣抗壓強度、芯樣長度和沉渣厚度等；非數(shù)據(jù)型指標(biāo)為只能定性描述的指標(biāo)，如芯樣表面狀況。

(1)芯樣抗壓強度，采用抗壓強度系數(shù)Scof=Sr/Sd計算。

(2)芯樣長度，采用芯樣長度系數(shù)CLcof=CLm/CLd計算。

(3)沉渣厚度，采用樁底沉渣厚度d對其評分。

(4)芯樣表面狀況。

根據(jù)以上四種指標(biāo)，可以構(gòu)建基樁質(zhì)量檢測綜合評估指標(biāo)體系評分表，如表3所示。

表3 基樁質(zhì)量檢測綜合評估指標(biāo)體系評分表

4.4 評估指標(biāo)權(quán)重計算

Step1構(gòu)造判斷矩陣，根據(jù)各指標(biāo)的相對重要性，構(gòu)造基樁施工質(zhì)量評估指標(biāo)體系判斷矩陣。

Step2判斷矩陣一致性檢驗，求解判斷矩陣的最大特征根為λmax=3.59；CI=0.4；一致性指標(biāo)CR=CI/RI=0.01<0.1，這表明上述判斷矩陣構(gòu)造合理[6]。

Step3求解權(quán)重向量，計算獲取各指標(biāo)的權(quán)重值ω=[0.41，0.18，0.22，0.20]。

4.5 評估結(jié)果分析

基于模糊綜合評估理論和實際測試數(shù)據(jù)，對該樁進(jìn)行質(zhì)量評估，詳細(xì)結(jié)果如表4所示。

從表4的評估結(jié)果可以看出，百色段危橋改造工程G324線四那橋1#～9#樁對Ⅱ類樁的隸屬度最高，因此，判定該樁的質(zhì)量為Ⅱ類。

4.6 評估結(jié)果與實際樁基檢測對比

根據(jù)百色公路管理局中心試驗室提供的百色段危橋改造工程G324線四那橋(中心樁號：K1882+689)基樁檢測報告，采用超聲波透射法，檢測樁身缺陷及其位置，判定樁身完整性類別。具體檢測結(jié)果如下：

從后頁表5的評估結(jié)果可以看出，百色段危橋改造工程樁基超聲波檢測鉆孔灌注樁所篩選的3根，其中Ⅱ類樁2根、Ⅰ類樁1根，無Ⅲ、Ⅳ類樁。本次檢測結(jié)果與基于模糊層次分析法的基樁質(zhì)量綜合評價結(jié)果相近，證明基于模糊預(yù)測模型的橋梁樁基質(zhì)量檢測評估方法能夠?qū)蛄簶痘鶢顟B(tài)進(jìn)行有效的辨識，評估結(jié)果與實際結(jié)果接近，可以為樁基檢測質(zhì)量評估提供依據(jù)。

5 結(jié)語

本文建立一種基于模糊推理的樁基檢測評估體系，結(jié)合廣西公路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)改造工程(百色段危橋改造工程)，對影響基樁質(zhì)量檢測效果的因素進(jìn)行分析，制訂了相應(yīng)的評估指標(biāo)體系。根據(jù)模糊綜合評估理論，建立模糊預(yù)測模型，計算得到各指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而對檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對基樁質(zhì)量檢測效果進(jìn)行綜合判定。基于模糊預(yù)測模型訓(xùn)練樣本，優(yōu)化評價指標(biāo)體系，同時對樁基研究樣本的檢測系統(tǒng)評估，能夠?qū)蛄簶痘鶢顟B(tài)進(jìn)行有效的辨識；最后通過基于模糊預(yù)測模型的評估結(jié)果與實際結(jié)果對比，為樁基檢測質(zhì)量評估提供了依據(jù)。

表5 G324線四那橋鉆孔灌注樁實際檢測檢測結(jié)果匯總表