基于灰色關聯的特大橋灌注樁孔壁致塌敏感性因素研究

【中圖分類號】 U443.15⁺4

【文獻標志碼】 A

0 引言

隨著交通建設的快速發展，特大橋的數量越來越多，在橋梁工程中，鉆孔灌注樁因施工簡便、單樁承載力高等優點被廣泛應用，但施工過程中孔壁失穩是亟待解決的問題。為探求灌注樁孔壁致塌的機理，學者們進行了多方面研究，蘇清境[1對特大橋鉆孔灌注樁塌孔分析及處理措施進行了研究，研究表明，采用緩壓慢提方式降低鉆速、縮短工序時間等措施，可有效地抑制塌孔現象的發生；李學良等2依托京秦高速公路潮白河特大橋工程，對鉆孔灌注樁塌孔分析及處理措施進行了研究；聶守權[3采用數值模擬和層次分析法，對貴州某特大橋鉆孔灌注樁孔壁穩定性分析及評價進行了研究；張學偉等通過橋梁工程實例，對圍墾海域鉆孔灌注樁樁頭質量控制進行了研究。上述學者依托各橋梁工程，客觀地研究了特大橋鉆孔灌注樁塌孔因素，但對孔壁致塌因素的敏感性未進行評價。

在橋梁鉆孔灌注樁工程中，多數學者對鉆孔灌注樁的質量控制進行研究，侯耿峰[5]以東吾洋特大橋樁基施工為例，對深水大直徑超長鉆孔灌注樁質量控制措施進行了研究；楊云[6]以某實際項目灌注樁外觀缺陷修復為背景，對玻纖套筒技術在灌注樁缺陷修復中的應用進行了研究；雷皓等[依托某項目的樁基工程，對旋挖干成孔灌注樁施工過程控制及質量缺陷處理進行了研究；靳羽等[以寧夏S243省道運糧河大橋為背景，對缺陷鉆孔灌注樁的加固修復在實際工程中的應用進行了研究。上述學者對孔灌注樁施工過程質量控制進行了研究，對橋梁缺陷修復進行了分析。

然而，學者們的研究未涉特大橋灌注樁孔壁致塌敏感性因素評價。基于此，本文以重慶某特大橋工程為背景，采用灰色關聯分析法，對不同孔壁致塌因素與塌孔率關聯度進行了計算，分析了不同孔壁致塌因素對孔壁穩定性影響。

1 工程概況

本次研究以武漢某特大橋工程為背景，選取典型鉆孔灌柱樁為研究對象，灌柱樁鉆孔深度為 18.8m ，鉆孔直徑為1.86m ，護筒內徑為 2.05m ，埋設深度為 3.5m 。根據地質勘測報告，鉆孔區地表為素填土，素填土下依次為紅黏土、卵石、強風化灰巖，以及中風化灰巖。素填土呈灰褐色，主要成分為碎石土和黏性土，厚度為 1.5～10.8m ;紅黏土呈褐紅色，主要由碳酸鹽類巖石風化而成，富含鐵、鋁氧化物，孔隙比大，厚度為 0.8～2.1m ;卵石呈黃色和灰色，稍密，厚度為0.6～1.3m ;強風化灰巖呈淺灰色，結構松散，厚度為0.5～1.9m ；中風化灰巖呈灰白和灰黃色，主要礦物成分為長石、石英，穩定性差。

2灰色關聯分析法基本原理

灰色關聯分析法是一種用于研究系統中各因素之間關聯程度的統計分析方法，其核心思路是利用序列曲線形狀的相似程度來確定不同序列之間的關聯程度，并通過定量分析的方法，將影響事物的各因素變化趨勢進行比較，最后得出事物與其影響因素的關聯度。

在進行關聯分析前，先確定參考序列，參考序列又稱為母序列，是能反映系統行為特征的數據序列，作為分析標準及參考點。本次研究中選取塌孔率作為參考序列，設置為 ，塌孔率為孔壁坍塌的體積與樁孔理論總體積的比值，該比值鉆孔灌注樁孔壁坍塌的程度，塌孔率的計算公式為式（1）。

式中： ΔV_i 為樁深度i段塌孔體積 （m³ ）； V_di 為樁深度i段處設計直徑體積（ m³ ）。

根據依據JGJ 94-2008 《建筑樁基技術規范》和GB50202-2018 《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》，當鉆孔直徑超過規范標準限值，則超過部分確定為塌孔部分，鉆孔灌注樁偏差，如表1所示。

表1鉆孔灌注樁成孔樁徑偏差 單位： mm

將參考序列與評價指標結合，構建評價指標序列矩陣，構建的矩陣，如式（2）所示。

由于影響塌孔率的各影響因素的指標不統一，因此將影響塌孔率的各影響因素采用初值法進行無量綱處理，計算公式為式（3）。

結合式（2） ～ 式（3），將無量綱處理的數據代人序列矩陣中，則無量綱后的序列矩陣為式（4）。

計算參考序列與各評價指標的絕對差值，計算公式為式（5）：

計算參考序列與評價指標序列的關聯系數，計算公式為式（6）。

式中： Δ（max） 為序列差絕對值最大值； Δ（min） 為序列差絕對值最小值； ξ 為分辨系數，其值在 0～1 之間，一般取值0.5。

將通過公式（6）計算的每個評價指標與參數序列的關聯系數進行匯總，建立關聯系數矩陣 Q ，見式（7）。

根據式（7）計算結果，取 m 個關聯系數的平均值，即得到評價指標序列與參考序列的關聯度，計算公式為式（8）。

3選取影響孔壁穩定性因素

根據工程施工資料，在鉆孔過程中，發生塌孔的主要區域中填土層，本次研究以填土層為研究目標，通過施工經理和專業施工技術員評價，選取影響孔壁穩定性的10個因素作為評價指標，設置編號為 A1～A10 ，各評價批標分別為：A1為填土層厚度（m）；A2為填土不均勻系數;A3為填土重度0 kN/m³ ）；A4為填土層厚度占設計孔深比例 （% ）;A5為填土內摩擦角 （^°） ；A6為鉆孔設計深度（m）；A7為填土平均粒徑（ mm， ;A8為填土粘聚力（ kPa） ；A9鉆孔地層結構，以現場地層為基礎，設置素填土為1，紅黏土為2，以此方式設置地層結構指標；A10鉆孔設計直徑 τ（m） 。

從施工現場選取10個不同的塌孔樣本，設置編號為B1～B10，根據施工資料和JTG 3363～2019 《公路橋涵地基與基礎設計規范》選取影響孔壁穩定性各因素參數。以塌孔率作為參考序列，設置編號為A0，影響孔壁穩定性各因素為比較序列，建立的評價序列如表2所示。

4不同孔壁致塌因素與塌孔率關聯度計算

根據式（3）～式（4），結合表2，對塌孔率及影響孔壁穩定性各因素進行無量綱化處理，處理后的評價序列，如表3所示。

根據式（5），結合表3，計算影響孔壁穩定性各因素與塌孔率差的絕對值，計算結果如表4所示。

根據表4數據，計算得二級最大差值為0.7994，二級最小差為0，然后結合式（6）～式（7），計算影響孔壁穩定性各因素與塌孔率的關聯系數，如表5所示

根據式（8），結合表5，計算可得影響孔壁穩定性各因素與塌孔率的關聯度，如表6所示。

根據影響孔壁穩定性各因素與塌孔率的關聯度，可得各因素關聯度曲線，如圖1所示。

圖1各因素與塌孔率關聯度

由圖1可知，在影響孔壁穩定性各因素與塌孔率的關聯度中，相比其他因素，填土層厚度占設計孔深比例與塌孔率的關聯度最大，最大關聯度為0.7858；填土層厚度與塌孔率的關聯度次之，關聯度為0.7505；填土平均粒徑與塌孔率的關聯度為第三，關聯度為0.7476。根據上述分析，填土層厚度占設計孔深比例和填土層厚度，是影響灌注樁鉆孔時塌孔的主要因素，在鉆孔中應重點關注。

表2塌孔率與各影響因素關聯分析

表3無量綱化后評價序列

表4各影響因素與塌孔率差絕對值

表5各影響因素與塌孔率關聯系數

表6各影響因素與塌孔率關聯度

5不同孔壁致塌因素對孔壁穩定性影響的分析

將塌孔率關聯度前三的影響因素作為研究對象，在不同填土層厚度占設計孔深比例、不同填土層厚度，以及不同填土平均粒徑下，塌孔率的變化，如圖2所示。

圖2不同影響因素下塌孔率變化

由圖2（a）可知，隨著填土層厚度占設計孔深比例的增大，鉆孔時的塌孔率逐漸增大。當填土層厚度占設計孔深比例為 26.4% 時，鉆孔時的塌孔率為0.093；當填土層厚度占設計孔深比例增大至 34.95% 時，鉆孔時的塌孔率增大至0.178，相比設計孔深比例為 26.4% 時增大了 91.4% ，增大幅度明顯。根據上述分析，填土層厚度占設計孔深比例是影響塌孔率的主要因素。

由圖2（b）可知，隨著填土層厚的增大，鉆孔時的塌孔率呈先減小再增大趨勢，相比其他厚度時，當填土厚度為 9.4m 時，鉆孔時的塌孔率最大，最大值為0.178；當填土厚度增大至 11.3m 時，相比填土厚度為 9.4m 時，鉆孔時的塌孔率減小了 47.75% ，當填土厚度增大至 13.3m 時，相比填土厚度為 11.3m 時，鉆孔時的塌孔率增大了 80.64% ，土層厚度僅增大了 2.0m ，而鉆孔時的塌孔率增大幅度已超過 50% ，由此可知，填土層厚度的變化，對鉆孔時的塌孔率影響大。

由圖2（c）可知，隨著填土平均粒徑的增大，鉆孔時的塌孔率呈上下波動變化，相比其他粒徑，當填土平均粒徑為27～28mm 時，鉆孔時的塌孔率最大，最大值為0.178；當填土平均粒徑為 29mm 時，鉆孔時的塌孔率最小，最小值為0.093；相比填土平均粒徑為 27～28mm 時減小了 25.28% 。當填土平均粒徑為 30mm 時，鉆孔時的塌孔率為0.168，相比填土平均粒徑為 29mm 時增大 80.64% ，土層填土平均粒徑僅增大了 1mm ，而鉆孔時的塌孔率增大幅度已超過 50% 。當填土平均粒徑大于 26mm 時，相比其他粒徑，填土平均粒徑小幅度變化，將會引起鉆孔時的塌孔率大幅度變化。

由圖2可知，隨著填土層厚度占設計孔深比例的增大，鉆孔時的塌孔率逐漸增大，填土層厚度占設計孔深比例越大，鉆孔時的塌孔率越大，填土層厚度占設計孔深比例是影響塌孔率的主要因素。隨著填土厚度的增大，鉆孔時的塌孔率呈先減小再增大趨勢，相比其他土層厚度，土層厚度增大了 2.0m 時，鉆孔時的塌孔率增大了 80.64% ，填土層厚度的變化，對鉆孔時的塌孔率影響大。在不同填土平均粒徑下，當填土平均粒徑大于 26mm 時，相比其他粒徑，填土平均粒徑小幅度變化，將會引起鉆孔時的塌孔率大幅度變化。

6 工程建議

在特大橋鉆孔灌注樁鉆孔工程中，當填土層厚度占設計孔深的比例小于 10% 時，相比其他比例，鉆孔時孔壁坍塌的風險相對較??；當填土層厚度占設計孔深的比例大于 30% 時，鉆孔時孔壁坍塌的風險將顯著增大，在鉆孔過程中應謹慎施工；當填土層厚度占設計孔深的比例未超過 20% 時，可采用常規的泥漿護壁方式進行護壁，泥漿密度控制在 1.1～ 1.2g/cm³ 左右，通過足夠的靜水壓力平衡地層壓力，防止塌孔現象發生。當填土層厚度占設計孔深的比例超過 20% ，除了泥漿護壁外，還應考慮采用鋼護筒跟進的方式進行護壁。

在進行灌注樁鉆孔前，應精確測量每個樁位處填土層的厚度，快速獲取地層結構信息，記錄準確數據。當填土層厚度小于 3m 時，應適當增加泥漿的粘度和比重，增強孔壁穩定性。當填土層厚度大于 3m 時，應考慮采用加長鋼護筒的方法進行護壁，在鋼護筒埋設過程中，要保證其垂直度偏差不超過 1% ，且護筒底部應與填土層緊密貼合，防止泥漿泄漏和地下水滲入導致塌孔。若填土平均粒徑小于 0.1mm 時，在泥漿中可添加適量的膨潤土和纖維素等外加劑，提高泥漿的粘度和抗沖刷能力。若填土平均粒徑大于 30mm 時，在鉆進過程中，應采用慢轉速、慢進尺的方式，同時及時補充泥漿，確保泥漿液面始終高于地下水位 1～2m ，防止孔壁因失穩而塌孔。

7結論

（1）在影響孔壁穩定性各因素與塌孔率的關聯度中，填土層厚度占設計孔深比例與塌孔率的關聯度為0.7858，填土層厚度與塌孔率的關聯度為0.7505，填土平均粒徑與塌孔率的關聯度為0.7476，相比其他因素，填土層厚度占設計孔深比例與塌孔率的關聯度最大，填土層厚度與塌孔率的關聯度次之，填土平均粒徑與塌孔率的關聯度為第三，

（2）隨著填土層厚度占設計孔深比例的增大，鉆孔時的塌孔率逐漸增大，填土層厚度占設計孔深比例越大，鉆孔時的塌孔率越大。在填土層厚度增大條件下，相比其他土層厚度，當土層厚度增大 2.0m 時，鉆孔時的塌孔率增大80.64% ，填土層厚度的變化，對鉆孔時的塌孔率影響大。當填土平均粒徑大于 26mm 時，相比其他粒徑，填土平均粒徑小幅度變化，將會引起鉆孔時的塌孔率大幅度變化。

（3）在特大橋鉆孔灌注樁鉆孔工程中，當填土層厚度占設計孔深的比例大于 30% 時，鉆孔時孔壁坍塌的風險將顯著增大，在鉆孔過程中應謹慎施工。當填土層厚度大于 3m 時，應考慮采用加長鋼護筒的方法進行護壁。若填土平均粒徑大于 30mm 時，在鉆進過程中應及時補充泥漿，確保泥漿液面始終高于地下水位 1～2m ，防止孔壁因失穩而塌孔。

參考文獻

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