基于模糊预测模型的桥梁桩基质量检测评估方法研究

陆朝昌

(广西壮族自治区靖西公路管理局，广西 百色 533000)

0 引言

桥梁结构由主梁上部结构、支撑体系和以桩基为主体的下部结构基础组成。桩基作为下部结构的重要组成部分，通过桩与周围土体之间的摩擦力和桩端支承力的作用，桩基可以将上部结构的荷载传递到较深的稳定土壤层或岩石上。桩基根据不同的施工工艺分为灌注桩，预制桩等。其中，灌注桩基础承载力高，抗震性能好，适用范围广。但灌注桩基施工技术较为复杂，质量控制有限。在施工过程中，可能存在混凝土离析、沉降变化或桩径变化等缺陷。桩基是隐蔽的工程，结构检测的方法是有限的。国内统计资料显示，我国桩基施工质量的合格率约为80%[1]。

桩基质量评估受到广泛关注，根据目前桩基检测方法，常用的有钻孔取芯法、声透射法和声反射法[2]。实际上，这些方法容易受主观因素影响客观评价结果。因此本文建立一种基于模糊推理的桩基检测评估体系，结合广西公路路网结构改造工程(百色段危桥改造工程)，通过基于模糊预测模型的评估结果与实际结果对比，为桩基检测质量评估提供了依据。

1 桩基质量评估技术研究现状

桩基是桥梁结构的基础，桩基质量直接影响到整座桥的安全运行和使用寿命。因此，在基础施工和运营过程中，及时对桩基承载力进行检测和评估是必须的。桩基质量检测的超声波透射法是最常见的，具有检测速度快、仪器简单、测量面积大等优点。

钻孔灌注桩在施工过程容易出现的问题如表1所示[3]，这些问题可能为以后桩基质量检测埋下隐患。

2 项目实例

本项目为广西公路路网结构改造工程(百色段危桥改造工程)G324线K1882+689四那桥施工图设计，旧桥位于国道G324线福州至昆明(田阳段)K1882+689处，于路线K1882+689处跨越四那河，该桥修建于1993年9月，设计荷载等级为汽-20，挂车-100。旧桥为实心板梁桥，桥梁全长35.65 m，桥面全宽18 m，桥面铺装为水泥混凝土铺装，有伸缩缝。桥台为重力式U型桥台，浆砌片石扩大基础；桥墩为实体墩，浆砌块石扩大基础。旧桥所在道路为二级公路，设计速度60 km/h，路基宽18 m，路面宽13 m。

四那桥位于百色市田阳县百育镇附近，桥梁跨越四那河，桥位所处地区为平原微丘区，河道两岸多为旱地，勘测时河沟有水，河床有淤积。县境内主要褶皱由南至北有五村短轴背斜、荣圩向斜、百色盆地、那丹复式向斜和甫缕背斜等。

3 构件模糊预测模型

模糊集合是模糊理论中最基本的概念，对于模糊集中的模糊变量，绝对分区并不能表达变量的属性，因此定义了一组相应的域X和U，对于集合U中的任意元素x，定义为函数βU(x)∈[0，1]，用于表示集合U的隶属度。集合U称为模糊集，βU(x)称为模糊集的隶属函数[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为：

在模糊理论中，确定隶属函数的方法主要依靠经验，属于不断检验实践阶段。这就要求在实践中不断修改和完善隶属函数，以获得可信的结果，对决策者的主观判断进行了表达和数值处理，确定了其在目标中的比例。

3.1 构造多层次模糊判断矩阵模型

要解决这个问题，首先，我们必须利用现有的知识和信息来解决这个问题；然后，通过运用层次分析法进行因子分析和结构分析，找出因素之间存在关联程度的强弱性，并根据多个元素之间的关系对复杂问题进行了划分。同一层次的元素是下一层的一些元素的规则，并由上层元素支配，如图1所示。

图1 多层次模糊判断矩阵模型结构图

层次分析法的核心是相互比较，层次水平反映因素之间存在关联程度的强弱性，但判断准则中的决策者并不总是在目标度量中具有相同的权重，它们都是占有一定比例的比重。决策者将标准与更高层次的目标进行比较，以确定低级元素对上层元素(即权重)的重要性。类似地，基于度量标准，成对地比较程序，以确定每个程序在确定单个属性时的相对优劣势。

在层次分析的过程中，为了做出量化的判断，关键是量化基于某一准则的任何两个方案的相对优越性。

3.2 层次总排序及其一致性检验

通常如果判断矩阵U满足uij=uik·ukj，k，i，j=(1，2，…，n)，进而可以判断矩阵是完全一致的。然而，在一般的决策问题中，判断因子与理想值之间的差异往往导致判断矩阵不总是一致的。根据矩阵理论，矩阵的特征值会随之变化，所以可以利用判断矩阵特征值检验判断矩阵的一致性。

在确定判断矩阵的层间因子权重时，必须先确定层间总排序关系，即各层的权重。对于三个目标层(目标、标准和方案层)：一般而言，只有一个目标层；标准图层U包含m个因素U1，U2，…Um，方案图层权重为u1，u2，…um。它们对于因素U1，U2，…，Um的层次单排序权值为：

4 基于模糊层次分析法的基桩质量综合评价

4.1 模糊变换

对于传统的综合评价技术，通常采用一些简单的数据值，通过总分法或加权求和法得到结果。而模糊综合评价需要建立模糊综合评价指标集U=(U1，U2，…，Un)，然后通过专家评价法得到模糊评价矩阵R=(ri，j)n×m，最后通过适当的模糊算子变换映射如下[5]：

4.2 构件基于模糊预测模型评价指标体系及计算步骤

采用基于模糊预测模型的桥梁桩基质量检测评估方法评价桩基质量时，试样的抗压强度、岩心取样长度、桩底沉渣厚度、芯样的表面状况是评价桩基施工质量的重要指标，因此，需要建立桩基施工质量评价指标体系。

在应用模糊层次分析法进行状态评价时，首先对底层指标进行综合评价，然后利用模糊理论对综合评价指标进行评价。具体步骤包括：

Step1 设置底层评估指标因素集；

Step2 确定评价集合；

Step3 建立底层指标评价矩阵；

Step4 状态综合评价。

4.3 评估指标分级及隶属度函数

在基于模糊预测模型的基桩质量检测综合评估指标体系中，存在两种指标，数据型指标和非数据型指标。数据型指标为可量化、可精确表示指标，例如芯样抗压强度、芯样长度和沉渣厚度等；非数据型指标为只能定性描述的指标，如芯样表面状况。

(1)芯样抗压强度，采用抗压强度系数Scof=Sr/Sd计算。

(2)芯样长度，采用芯样长度系数CLcof=CLm/CLd计算。

(3)沉渣厚度，采用桩底沉渣厚度d对其评分。

(4)芯样表面状况。

根据以上四种指标，可以构建基桩质量检测综合评估指标体系评分表，如表3所示。

表3 基桩质量检测综合评估指标体系评分表

4.4 评估指标权重计算

Step1构造判断矩阵，根据各指标的相对重要性，构造基桩施工质量评估指标体系判断矩阵。

Step2判断矩阵一致性检验，求解判断矩阵的最大特征根为λmax=3.59；CI=0.4；一致性指标CR=CI/RI=0.01<0.1，这表明上述判断矩阵构造合理[6]。

Step3求解权重向量，计算获取各指标的权重值ω=[0.41，0.18，0.22，0.20]。

4.5 评估结果分析

基于模糊综合评估理论和实际测试数据，对该桩进行质量评估，详细结果如表4所示。

从表4的评估结果可以看出，百色段危桥改造工程G324线四那桥1#～9#桩对Ⅱ类桩的隶属度最高，因此，判定该桩的质量为Ⅱ类。

4.6 评估结果与实际桩基检测对比

根据百色公路管理局中心试验室提供的百色段危桥改造工程G324线四那桥(中心桩号：K1882+689)基桩检测报告，采用超声波透射法，检测桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别。具体检测结果如下：

从后页表5的评估结果可以看出，百色段危桥改造工程桩基超声波检测钻孔灌注桩所筛选的3根，其中Ⅱ类桩2根、Ⅰ类桩1根，无Ⅲ、Ⅳ类桩。本次检测结果与基于模糊层次分析法的基桩质量综合评价结果相近，证明基于模糊预测模型的桥梁桩基质量检测评估方法能够对桥梁桩基状态进行有效的辨识，评估结果与实际结果接近，可以为桩基检测质量评估提供依据。

5 结语

本文建立一种基于模糊推理的桩基检测评估体系，结合广西公路路网结构改造工程(百色段危桥改造工程)，对影响基桩质量检测效果的因素进行分析，制订了相应的评估指标体系。根据模糊综合评估理论，建立模糊预测模型，计算得到各指标的权重，进而对检测数据统计分析，对基桩质量检测效果进行综合判定。基于模糊预测模型训练样本，优化评价指标体系，同时对桩基研究样本的检测系统评估，能够对桥梁桩基状态进行有效的辨识；最后通过基于模糊预测模型的评估结果与实际结果对比，为桩基检测质量评估提供了依据。

表5 G324线四那桥钻孔灌注桩实际检测检测结果汇总表