一种软土层钻孔缩径层位与影响因素的测定方法与流程

本发明涉及软土地基钻孔灌注桩孔壁缩径变形问题防治领域，具体涉及一种软土层钻孔缩径层位与影响因素的测定方法。

背景技术：

在我国长江、珠江三角洲等沿海地区地区广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的黏性软土与淤泥质土层，含水量大、强度低、压缩性高、透水性差、埋藏深厚是该类土的特点，在荷载作用下会产生很大的沉降和沉降差，其承载力和稳定性也往往不能满足工程要求，因此钻孔灌注桩成为该地区地基处理最常用与最有效的地基加固措施。然而，钻孔灌注桩孔壁缩径是钻孔灌注桩在软土地基施工过程中普遍存在并一直备受困扰的重大工程问题，在施工过程中稍有不慎，极易发生缩径等工程质量事故。钻孔灌注桩孔壁缩径变形一直是影响和决定钻孔灌注桩工程质量与施工进度的关键因素与难题，并已逐渐成为很多大孔径钻孔灌注桩工程质量与施工进度的“瓶颈”。

灌注桩钻孔孔壁缩径是一个复杂的系统变化过程，其孔壁土体不稳定的形成、发展不仅与地区的工程地质背景条件和施工工艺条件等存在着密切的相关关系，而且又往往取决于影响孔壁缩径的各种因素的综合作用。但是，上述影响因素对孔壁缩径的作用大小与影响程度又各不相同，其影响因素不仅众多，而且各因素间相互作用规律极其复杂。因此，如何测定孔壁缩径各影响因素的影响程度与作用的大小，找出钻孔灌注桩孔壁缩径的主要影响因素和次要影响因素，确定各因素中缩径形成的决定性因素与条件，对于确保钻孔灌注桩施工质量，以及有效的确定孔壁缩径的主要影响因素和防治方案，具有重要的理论研究意义及重大的实际工程应用价值。

目前，国内外还没有成熟的对工程区域钻孔灌注桩孔壁稳定性评价理论方法。总体来说，目前国内外在钻孔灌注桩孔壁缩径治理因素研究与分析评价研究领域的主要代表性方法可以分为三类：一是力学解析法，该方法应用弹性力学和塑性力学中的屈服准则，通过分析各个影响因素条件下孔壁周围应力的分布，推导出了钻孔灌注桩施工过程中孔壁稳定的条件，但理论解析法有其自身的局限性，这种方法需要建立在比较多的假设条件之上，且不能同时考虑多因素的影响；二是通过分析地层性质、地下水活动情况及稳定泥浆液等影响因素与孔壁稳定性的相关关系，建立孔壁稳定性数学模型。该方法是利用统计数据建立起来的模型对孔壁缩径防治因素进行定量分析。由于该类方法无法对定性孔壁缩径防治因素进行分析与评价，因此得出的模型与实际存在差距，导致量化指标与实际误差较大，运用不同的统计学处理方法会得出不同的结果，预测效果往往不理想，影响对钻孔灌注桩孔壁缩径进一步的治理；三是利用有限元软件，对影响孔壁稳定性的各个因素进行模拟分析，定性的判别钻孔灌注桩孔壁稳定性，然而该方法只是针对指定的工程或区域内钻孔缩径影响因素的分析及稳定性的评价，而无法得出一个统一的分析方法，很难推广使用，具有一定的局限性。

技术实现要素：

目前孔壁稳定性与孔壁缩径治理因素测定方法所存在的局限与不足，提供了一种软土层钻孔缩径层位与影响因素的测定方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

步骤一：钻孔孔壁缩径测试与钻孔几何要素的确定

首先确定待评价钻孔灌注桩孔壁缩径的测试区域范围，在该区域内对所有出现孔壁缩径的桩位进行几何要素的测量，采用JJC-1D型灌注桩孔径检测系统对实验钻孔直径沿钻孔深度进行检测，按深度每隔125mm测量一组数据，将数据录入Excel表格中。根据检测数据将钻孔直径绘制成沿深度变化的曲线，并根据《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008与《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002中针对灌注桩钻孔孔径允许偏差的规定，将钻孔实际直径小于设计直径50mm的部分划分为缩径部分，确定缩径部分M个土层孔径变化值D_i。

步骤二：钻孔孔壁缩径率基准评价参数的确定

根据工程地质勘探资料，确定钻孔孔壁缩径黏性软土与淤泥质土层层数N与每层厚度M_i。依此本发明提出将钻孔缩径段累计钻孔缩径值与缩径段对应孔径设计值之比的均值定义为评价单个钻孔孔壁缩径率的基准变量。

设钻孔以一定深度125mm为单位测量其钻孔各对应位置的孔径值D_i，则钻孔孔壁缩径率的基准变量为：

1)钻孔每层软土层孔壁缩径率：

2)钻孔孔壁整体缩径率的基准变量：

式中：D₀—钻孔孔径设计值；

D_i—钻孔孔径实际值；

M—每层软土层测量数据组数；

N—软土层层数。

步骤三：不同土层缩径变形影响率与主次要缩径变形层位的确定

根据钻孔每层软土层孔壁缩径率与钻孔孔壁整体缩径率，可确定不同软土层缩径变形影响率，即钻孔每层软土层孔壁缩径率与钻孔孔壁整体缩径率之比：

式中：ξ_j—第j层软土层缩径变形影响率。

根据不同软土层缩径变形影响率大小，可对钻孔主次要缩径变形层位进行定量评价与排序：将前50％缩径变形影响率对应的的土层定为主要缩径变形层位，而其它土层为次要缩径变形层位。

步骤四：钻孔灌注桩孔壁缩径影响因素的确定

在测试区域内对钻孔灌注桩土层进行工程地质与水文地质勘探与测试，并确定m个影响灌注桩孔壁缩径变形的因素与数值：x₁，x₂，……，x_m，如x₁：缩径土压缩系数a(Mpa-¹)；x₂：缩径土孔隙比e；x₃：缩径土层黏粒含量(％)；x₄：缩径土内摩擦角(°)；x₅:缩径土黏聚力c(Kpa)；x₆：缩径土层厚度占总孔深的比例(％)；x₇：缩径土层容重(KN/m³)；x₈：缩径土平均含水量(％)；x₉：地下水埋深(m)；x₁₀：泥浆比重；x₁₁：孔口液面高度(m)。

将测得数据分别对应各个评价单元录入EXCEL表格。

步骤五：缩径变形影响因素初始化决策矩阵的确定

1)选择缩径变形基准评价参数作为基准变量，记作：

X₀＝(x₀(1),x₀(2),…,x₀(k)…,x₀(n)) (4)

式中：x₀(k)－第k个测试钻孔的缩径变形基准评价参数值。

2)根据n组钻孔测试数据，可确定m个缩径影响因素初始化决策矩阵如下：

式中：x_i(k)－第k个钻孔的第i个缩径影响因素数值。

步骤六：缩径变形影响因素标准化决策矩阵的确定

采用初值化法对指标序列进行无量纲化，初值化法按式(6)计算：

则数据序列无量纲化后形成标准化决策矩阵：

步骤七：缩径变形影响因素灰色关联系数的确定

根据步骤五中标准化决策矩阵，计算每个比较指标序列与基准序列的序列差绝对值。按式(8)计算：

Δ_oi(k)＝|x_o′(k)-x_i′(k)|i＝1,2,…,m；k＝1,2,…,n (8)

确定两极差即差序列中的最大值和最小值，记为△(max)和△(min)，则：

计算关联系数:

式中：ξ为分辨系数，其意义是削弱最大绝对值太大引起的失真，提高关联度之间的差异显著性，在(0，1)之间取值，ξ越小，关联系数间的差异越大，区分能力越强，通常ξ取0.5。

步骤八：孔壁缩径变形主要、次要与不显著因素的确定

1)平均关联系数的确定:考虑每个影响因素单独对基准变量的贡献，进而从众多因子中分辨出主要因子、次要因子及不显著因子，先计算各影响因素的关联系数大小。为此，比较序列X_i与基准序列X₀的关联程度是通过n个关联系数来反映的，因此，根据式(12)求n个关联系数的平均值就可确定X_i与X₀关联度：

2)主要、次要与不显著孔壁缩径影响因素的确定：关联度越大，说明孔壁缩径影响因素对钻孔缩径的关联与作用就越大。对各因素得出的关联度进行比较，取值越大说明所对应的孔壁缩径影响因素对钻孔缩径的影响与作用越大。因此，根据关联度的大小，将关联度值0.66≤γ_0i＜1确定为主要孔壁缩径影响因素；将关联度值0.33≤γ_0i＜0.66确定为次要孔壁缩径影响因素；将关联度值0＜γ_0i＜0.33确定为不显著孔壁缩径影响因素。

本发明的有益效果是：利用灰色关联分析基本理论，将所有钻孔灌注桩孔壁缩径影响因素对孔壁稳定性的作用与影响进行了定量分析与评价，以此为基础，建立了钻孔孔壁缩径影响因素的灰色关联度评价模型，完成了钻孔孔壁缩径影响因素对孔壁缩径作用大小的定量分析与评价，从而可确定钻孔孔壁缩径的主要影响因素、次要影响因素及不显著影响因素，为钻孔灌注桩孔壁缩径风险的预测与有效优化防治措施及方案的确定提供了设计依据。

通过对孔壁缩径影响因素灰色关联分析，解决了各因素之间多重相关性相互转化问题，提出了利用关联度综合分析确定和评价不同钻孔缩径防治因素其影响与作用大小的方法，对灌注桩钻孔缩径防治因素的分析与评价具有重要实用价值。

附图说明

图1为本发明的技术方案流程图；

图2为本发明的钻孔体积分析计算模型。

具体实施方式

为清晰的说明本发明的实施方式，下面以某重油加工项目灌注桩工程为例对该地区钻孔灌注桩孔壁缩径问题进行分析与评价。

该工程项目区域内重要装置及管廊全部采用桩基基础，灌注桩大约2000根。但由于该工程区地基特殊的松散地层地质条件与地下水动力等因素，在钻孔灌注桩施工中，常常出现比较大的钻孔孔壁变形现象，常出现较为严重缩径问题。选取三联合10个钻孔的实测值进行分析研究。

步骤一：钻孔孔壁缩径测试与钻孔几何要素的确定

采用JJC-1D型孔径检测系统对实验钻孔直径沿钻孔深度进行检测，按深度每隔125mm测量一组数据，将数据录入Excel表格中，以34#号钻孔为例(见表1)。

表1 34#号钻孔孔壁缩径孔径数据统计表

步骤二：钻孔孔壁缩径率基准评价参数的确定

3.16m—4.43m为第一层软弱土层，4.43m—6.30m为第二层软弱土层。将钻孔缩径段累计钻孔缩径值与缩径段对应孔径设计值之比的均值定义为评价单个钻孔孔壁缩径率的基准变量。则1号钻孔孔壁缩率基准评价参数为：

孔壁整体缩径基准变量为：

同理，其他钻孔基本评价参数分别为：0.1009，0.1304，0.1135，0.0962，0.1014，0.1137，0.0912，0.1，0.1015。

步骤三：不同土层缩径变形影响率与主次要缩径变形层位的确定

由于ξ₁＞ξ₂，所以在工程施工中要着重注意缩径变形影响率大的土层。

步骤四：钻孔灌注桩孔壁缩径影响因素的确定

根据广东石化项目地质勘查资料，确定以下工程地质和水文地质因素作为评价灌注桩孔壁稳定性影响因素指标：

x₁：缩径土压缩系数a(Mpa^-1)；x₂：缩径土孔隙比e；x₃：缩径土层黏粒含量(％)；x₄：缩径土内摩擦角(°)；x₅：缩径土黏聚力c(Kpa)；x₆：缩径土层厚度占总孔深的比例(％)；x₇：缩径土层容重(KN/m³)；x₈：缩径土平均含水量(％)；x₉：地下水埋深(m)；x₁₀：泥浆比重；x₁₁：孔口液面高度(m)。将测得数据分别与各个评价单元对应录入表2。

表2 C区灌注桩孔壁稳定性评价指标数据表

步骤五：缩径变形影响因素初始化决策矩阵的确定

假定观测了10组钻孔数据，根据步骤三中选取的影响灌注桩孔壁缩径变形的因素，可确定影响因素初始化决策矩阵如下：

步骤六：缩径变形影响因素标准化决策矩阵的确定

采用初值化法对指标序列进行无量纲化，初值化法按式(6)计算，则数据序列无量纲化后形成如下矩阵：

步骤七：缩径变形影响因素灰色关联系数的确定

根据步骤五中标准化决策矩阵，计算每个比较指标序列与参考序列的序列差绝对值。

确定两极差即差序列中的最大值和最小值为：Δ(max)＝1.11，Δ(min)＝0。

则关联系数为：

r(x₀(k),x₁(k))＝{1.000,0.685,0.447,0.546,0.705,0.614,0.554,0.728,0.638,0.638}

r(x₀(k),x₂(k))＝{1.000,0.529,0.331,0.464,0.573,0.477,0.402,0.597,0.403,0.430}

r(x₀(k),x₃(k))＝{1.000,0.649,0.487,0.619,0.780,0.624,0.545,0.681,0.607,0.591}

r(x₀(k),x₄(k))＝{1.000,0.648,0.407,0.540,0.780,0.619,0.495,0.794,0.644,0.612}

r(x₀(k),x₅(k))＝{1.000,0.731,0.470,0.519,0.657,0.659,0.568,0.769,0.715,0.668}

r(x₀(k),x₆(k))＝{1.000,0.987,0.445,0.491,0.799,0.764,0.593,0.694,0.648,0.621}

r(x₀(k),x₇(k))＝{1.000,0.604,0.486,0.574,0.701,0.591,0.524,0.723,0.638,0.682}

r(x₀(k),x₈(k))＝{1.000,0.657,0.471,0.686,0.725,0.627,0.735,0.765,0.652,0.631}

r(x₀(k),x₉(k))＝{1.000,0.533,0.457,0.518,0.474,0.474,0.440,0.530,0.539,0.449}

r(x₀(k),x₁₀(k))＝{1.000,0.746,0.545,0.653,0.799,0.741,0.652,0.849,0.758,0.750}

r(x₀(k),x₁₁(k))＝{1.000,0.792,0.572,0.782,0.668,0.786,0.724,0.517,0.448,0.949}

步骤八：孔壁缩径变形主要、次要与不显著因素的确定

考虑每个影响因素单独对基准变量的贡献，进而从众多因子中分辨出主要因子、次要因子及不显著因子，根据式(12)，计算各影响因素的关联度大小，见表3。

表3各评价指标关联度大小的对比分析表

关联度越大，说明缩径影响因素对缩径的贡献越大，对各因素得出的关联度进行比较，取值越大说明所对应的缩径因素对缩径的影响与作用越大。因此，泥浆比重、孔口液面高度、缩径土层比例、缩径土粘聚力为缩径最主要防治因素。上述评价结果与实际缩径形成规律相吻合，证明了本发明对鉴别和评价缩径影响因素具有很大应用价值和意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。