基于模糊預測模型的橋梁樁基質量檢測評估方法研究

陸朝昌

(廣西壯族自治區靖西公路管理局，廣西 百色 533000)

0 引言

橋梁結構由主梁上部結構、支撐體系和以樁基為主體的下部結構基礎組成。樁基作為下部結構的重要組成部分，通過樁與周圍土體之間的摩擦力和樁端支承力的作用，樁基可以將上部結構的荷載傳遞到較深的穩定土壤層或巖石上。樁基根據不同的施工工藝分為灌注樁，預制樁等。其中，灌注樁基礎承載力高，抗震性能好，適用范圍廣。但灌注樁基施工技術較為復雜，質量控制有限。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，結構檢測的方法是有限的。國內統計資料顯示，我國樁基施工質量的合格率約為80%[1]。

樁基質量評估受到廣泛關注，根據目前樁基檢測方法，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，結合廣西公路路網結構改造工程(百色段危橋改造工程)，通過基于模糊預測模型的評估結果與實際結果對比，為樁基檢測質量評估提供了依據。

1 樁基質量評估技術研究現狀

樁基是橋梁結構的基礎，樁基質量直接影響到整座橋的安全運行和使用壽命。因此，在基礎施工和運營過程中，及時對樁基承載力進行檢測和評估是必須的。樁基質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、測量面積大等優點。

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

2 項目實例

本項目為廣西公路路網結構改造工程(百色段危橋改造工程)G324線K1882+689四那橋施工圖設計，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；橋墩為實體墩，漿砌塊石擴大基礎。舊橋所在道路為二級公路，設計速度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附近，橋梁跨越四那河，橋位所處地區為平原微丘區，河道兩岸多為旱地，勘測時河溝有水，河床有淤積。縣境內主要褶皺由南至北有五村短軸背斜、榮圩向斜、百色盆地、那丹復式向斜和甫縷背斜等。

3 構件模糊預測模型

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，絕對分區并不能表達變量的屬性，因此定義了一組相應的域X和U，對于集合U中的任意元素x，定義為函數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[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，確定隸屬函數的方法主要依靠經驗，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，以獲得可信的結果，對決策者的主觀判斷進行了表達和數值處理，確定了其在目標中的比例。

3.1 構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行因子分析和結構分析，找出因素之間存在關聯程度的強弱性，并根據多個元素之間的關系對復雜問題進行了劃分。同一層次的元素是下一層的一些元素的規則，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構圖

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聯程度的強弱性，但判斷準則中的決策者并不總是在目標度量中具有相同的權重，它們都是占有一定比例的比重。決策者將標準與更高層次的目標進行比較，以確定低級元素對上層元素(即權重)的重要性。類似地，基于度量標準，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劣勢。

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

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致判斷矩陣不總是一致的。根據矩陣理論，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重時，必須先確定層間總排序關系，即各層的權重。對于三個目標層(目標、標準和方案層)：一般而言，只有一個目標層；標準圖層U包含m個因素U1，U2，…Um，方案圖層權重為u1，u2，…um。它們對于因素U1，U2，…，Um的層次單排序權值為：

4 基于模糊層次分析法的基樁質量綜合評價

4.1 模糊變換

對于傳統的綜合評價技術，通常采用一些簡單的數據值，通過總分法或加權求和法得到結果。而模糊綜合評價需要建立模糊綜合評價指標集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，最后通過適當的模糊算子變換映射如下[5]：

4.2 構件基于模糊預測模型評價指標體系及計算步驟

采用基于模糊預測模型的橋梁樁基質量檢測評估方法評價樁基質量時，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量的重要指標，因此，需要建立樁基施工質量評價指標體系。

在應用模糊層次分析法進行狀態評價時，首先對底層指標進行綜合評價，然后利用模糊理論對綜合評價指標進行評價。具體步驟包括：

Step1 設置底層評估指標因素集；

Step2 確定評價集合；

Step3 建立底層指標評價矩陣；

Step4 狀態綜合評價。

4.3 評估指標分級及隸屬度函數

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

(1)芯樣抗壓強度，采用抗壓強度系數Scof=Sr/Sd計算。

(2)芯樣長度，采用芯樣長度系數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。

根據以上四種指標，可以構建基樁質量檢測綜合評估指標體系評分表，如表3所示。

表3 基樁質量檢測綜合評估指標體系評分表

4.4 評估指標權重計算

Step1構造判斷矩陣，根據各指標的相對重要性，構造基樁施工質量評估指標體系判斷矩陣。

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CR=CI/RI=0.01<0.1，這表明上述判斷矩陣構造合理[6]。

Step3求解權重向量，計算獲取各指標的權重值ω=[0.41，0.18，0.22，0.20]。

4.5 評估結果分析

基于模糊綜合評估理論和實際測試數據，對該樁進行質量評估，詳細結果如表4所示。

從表4的評估結果可以看出，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，判定該樁的質量為Ⅱ類。

4.6 評估結果與實際樁基檢測對比

根據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。具體檢測結果如下：

從后頁表5的評估結果可以看出，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。本次檢測結果與基于模糊層次分析法的基樁質量綜合評價結果相近，證明基于模糊預測模型的橋梁樁基質量檢測評估方法能夠對橋梁樁基狀態進行有效的辨識，評估結果與實際結果接近，可以為樁基檢測質量評估提供依據。

5 結語

本文建立一種基于模糊推理的樁基檢測評估體系，結合廣西公路路網結構改造工程(百色段危橋改造工程)，對影響基樁質量檢測效果的因素進行分析，制訂了相應的評估指標體系。根據模糊綜合評估理論，建立模糊預測模型，計算得到各指標的權重，進而對檢測數據統計分析，對基樁質量檢測效果進行綜合判定。基于模糊預測模型訓練樣本，優化評價指標體系，同時對樁基研究樣本的檢測系統評估，能夠對橋梁樁基狀態進行有效的辨識；最后通過基于模糊預測模型的評估結果與實際結果對比，為樁基檢測質量評估提供了依據。

表5 G324線四那橋鉆孔灌注樁實際檢測檢測結果匯總表