CN104632207A - 测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，包括以下步骤：确定塌孔测试研究区域；采集塌孔测试研究区域的钻孔几何要素并计算钻孔的理论体积V_i和实际体积；确定塌孔定性因素和定量因素并分别给予定性因素和定量因素定义；确定致塌反应矩阵；确定钻孔塌孔率和塌孔基准变量；建立塌孔致塌因素相关性评价方程；对致塌因素相关性评价方程进行精度评价；应用相关性评价方程的复相关系数、对塌孔致塌因素相关性预测方程评价精度进行分析和评价；分析和评价各塌孔致塌因素的影响程度和作用大小，确定出塌孔的主要致塌因素和次要致塌因素。本发明通过对定性变量按照其取值进行划分，对灌注桩塌孔孔壁影响因素的分析与评价具有重要实用价值。

Description

测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法

技术领域

本发明涉及固定建筑物和测试测量技术领域，涉及在灌注桩孔过程中对桩孔壁致塌影响因素的判断，具体涉及一种测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法。

背景技术

钻孔灌注桩孔壁坍塌破坏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”。在中国东南沿海地区广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的软弱黏性土层。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相当大的沉降和沉降差，其承载力和稳定性也往往不能满足工程要求，因此灌注桩成为该地区地基处理的常见方式。然而，钻孔灌注桩孔壁失稳问题是钻孔灌注桩的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、塌孔等工程质量事故。

钻孔灌注桩孔壁土体不稳定的形成、发展并最终导致孔壁坍塌是一个非线性、复杂的***过程，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稳定性的各种因素的综合作用。但是，上述致塌因素对孔壁坍塌的作用大小与影响程度又各不相同，其致塌因素不仅众多，而且构成与致塌机理和作用规律极其复杂，其中，其致塌影响因素可划分为定量致塌因素和定性致塌因素。因此，如何测定其致塌因素的影响程度与作用的大小，找出和查清钻孔灌注桩塌孔的主要因素和次要因素，确定各致塌因素中塌孔形成的决定性因素与条件，对于钻孔灌注桩塌孔风险的定量分析与评价及稳定性预测，有效的确定塌孔的主要防治因素和防治方案的优化将具有重要的应用价值与意义。

目前，国内外还没有成熟的确定孔壁坍塌影响因素的有效定量评价方法。总体来说，目前国内外在钻孔灌注桩孔壁稳定性影响因素研究和分析评价研究领域的主要代表性方法可以分为三类：

一是利用力学分析模型，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性与孔壁坍塌影响因素之间的关系，并最终提出相应的孔壁防塌技术措施，但是这种方法需要建立在比较多的假设之上且很难将定性的影响因素考虑进去；

二是利用有限元软件，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，并根据孔壁稳定性的影响因素提出治理措施。但是该方法只是针对指定的工程或区域内孔壁坍塌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；

三是以统计学、运筹学、***学等学科综合交叉的定量、半定量方法。该方法是通过统计数据建立模型，利用模型对致塌因素进行定量分析，该类方法不足之处是只能对定量致塌因素进行建模分析，无法对定性致塌因素进行分析与评价，因此得出模型与实际的塌孔存在差距，导致量化指标与实际误差较大，条件不同得出结果不同，预测效果往往不理想，影响对钻孔灌注桩塌孔进一步的治理。

鉴于目前孔壁坍塌影响因素评价方法所存在的局限与不足，本发明拟运用数量化理论基本原理，将所有孔壁坍塌定性和定量致塌因素对孔壁稳定性的作用与影响进行了定量分析与评价，以此建立了塌孔的定性和定量致塌因素相关性评价模型，从而可确定塌孔的主要致塌因素和次要致塌因素。

发明内容

本发明的目的是针对目前孔壁稳定性与坍塌评价方法所存在的局限与不足，提供了一种测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，本发明能够确定塌孔的主要致塌因素和次要致塌因素，为钻孔灌注桩塌孔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。

为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案：

一种测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法,包括以下步骤：

(1)确定塌孔测试研究区域；

(2)采集塌孔测试研究区域的钻孔几何要素并计算钻孔的理论体积V_i和实际体积

(3)确定塌孔定性因素和定量因素并分别给予定性因素和定量因素定义；

设塌孔的定性影响因素为δ₁，δ₂,…δ_m，设塌孔的定量因素为x₁，x₂，x₃，…，x_h；

(4)确定致塌反应矩阵；

(5)确定钻孔塌孔率和塌孔基准变量；

将第i(i＝1～p)个钻孔孔壁坍塌体积V_坍塌i和理论体积V_i之比定义为塌孔率，塌孔率即为塌孔基准变量；

(6)建立塌孔致塌因素相关性评价方程；

(7)对致塌因素相关性评价方程进行精度评价；

应用相关性评价方程的复相关系数、对塌孔致塌因素相关性预测方程评价精度进行分析和评价；

(8)分析和评价各塌孔致塌因素的影响程度和作用大小，确定出塌孔的主要致塌因素和次要致塌因素。

本发明的根本特点是在分析塌孔产生的泥浆因子、泥浆液面的相对高度、孔口超载、地下水因子、成孔的时间等定量致塌因素和定性致塌因素量化的基础之上，利用数量化理论基本原理，将所有定性和定量致塌因素对塌孔的作用与影响进行了定量分析与评价，以此为基础，建立了塌孔的定性和定量致塌因素相关性评价模型，实现了定性因素和定量因素到定量变量的转化，完成了定性和定量致塌因素对孔壁坍塌的致塌程度和作用大小的定量分析与评价，从而可确定塌孔的主要致塌因素和次要致塌因素，为钻孔灌注桩塌孔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。

进一步地，所述的步骤(2)包括以下步骤：

1)根据步骤(1)确定的塌孔测试研究区域，在该区域内对所有出现塌孔现场的桩位进行几何要素的测量，采用井径仪对钻孔孔壁的变化做实时记录，测定孔壁的横向位移变化，并将数据记录录入Excel表格中；

2)根据各个钻孔的设计半径D_i和实际深度H_i，确定各钻孔的理论计算体积V_i，再根据记录的横向位移的变化值，计算出钻孔的实际体积

3)步骤2)中的计算公式为：

①钻孔的理论体积

若钻孔的设计的半径为D_i和实际深度为H_i，则其钻孔的理论体积为：

V_i＝πD_i ²H_i            (1)

②钻孔的实际体积

根据实测钻孔半径平均值及实际深度Hi，可以确定其钻孔的实际体积为：

$\stackrel{\‾}{V_i}=\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{D_i}}^2{H}_i---\left(2\right)$

进一步地，所述的步骤(3)包括以下步骤：

1)塌孔致塌因素的确定遵守的原则为：

①所确定的因素应该具有代表性，且与钻孔孔壁稳定性具有密切关系；

②各因素具有相对独立性，相互关联性较小；

③致塌因素可分为定性致塌因素和定量致塌因素；

定性因素是指只能定性描述，不可量化或不易量化的致塌因素；定量因素是指可以定量评价的致塌因素。

2)根据步骤1)所述的原则，其定性致塌因素和定量致塌因素及其赋值方法如下：

①定性致塌因素为：地层性质与结构，孔口超载，软弱层，机械碰撞，泥浆循环方式…；

将定性致塌因素定义为塌孔的定性变量δ₁，δ₂,…δ_m，共m个；

第一个定性影响因素δ₁有r₁个定性评价取值，c₁₁，c₁₂，…，c_1r1；

第二个定性因素δ₂有r₂个定性评价取值，c₂₁，c₂₂，…，c_2r2；

第m个定量变量δ_m有r_m个定性评价取值，c_m1，c_m2，…，c_mrm；

令则总共有a个定性评价取值；

根据以上定义，称δ_i(j，k)(i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，m，k＝1，2，…，r_j)为j定性因素的k定性评价取值在第i组数据中的反映，并按下式确定：

②塌孔的定量因素为：钻孔深度，钻孔半径，泥浆比重，地下水位埋深，成孔时间，钻进速度，护筒高度…；

将塌孔的定量因素定义为塌孔的定量变量x₁，x₂，x₃，…，x_h,共h个；

根据钻孔灌注桩孔壁坍塌定量影响因素具体数值，将各定量致塌因素进行赋值：x_i(u)(u＝1，2，…，h_i)。

进一步地，所述的步骤(3)中的步骤2)中：

致塌因素考虑地层性质与结构δ₁时，其值可分别取c₁₁地层为单一黏性土层；c₁₂地层为其他结构地层，其中地层为单一黏性土层时δ₁(1,1)＝0；地层为其他地层时δ₁(1,2)＝1；

致塌因素考虑孔口超载δ₂时，其值可分为c₂₁孔口有超载和c₂₂为孔口无超载，其中孔口存在超载，δ₂(1,1)＝1；孔口无超载，δ₂(1,2)＝0；

致塌因素考虑软弱夹层δ₃时，其值可分别取c₃₁存在软弱夹层；c₃₂不存在软弱夹层，其中存在软弱夹层δ₃(1,1)＝1；不存在软弱夹层时δ₃(1,2)＝0；

致塌因素考虑机械碰撞δ₄时，其值可分别取c₄₁存在机械碰撞；c₄₂不存在机械碰撞，其中存在机械碰撞时δ₄(1,1)＝1；不存在机械碰撞时δ₄(1,2)＝0；

致塌因素考虑泥浆循环方式δ₅时，其值可分别取c₅₁正循环；c₅₂反循环，其中泥浆正循环时δ₅(1,1)＝1；泥浆反循环时δ₅(1,2)＝0；…，依次类推。

进一步地，所述的步骤(4)包括以下步骤：

根据步骤(3)所确定的h个定量变量和m个定性变量，定量变量在第i组数据中的数据为x_i(u)(u＝1，2，…，h_i，i＝1，2，…，p),

假定观测了p组数据，可确定致塌因素反应矩阵如下：

$X=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(1\right),\·\·\·,x_1\left(h\right),{\mathrm{\δ}}_1\left(\mathrm{1,1}\right),\·\·\·,{\mathrm{\δ}}_1(1,r_1),\·\·\·,{\mathrm{\δ}}_1\left({m,r}_m\right)\\ x_2\left(1\right),\·\·\·,x_2\left(h\right),{\mathrm{\δ}}_2\left(\mathrm{1,1}\right),\·\·\·,{\mathrm{\δ}}_2(1,r_1),\·\·\·,{\mathrm{\δ}}_2(m,r_m)\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ x_p\left(1\right),\·\·\·,x_p\left(h\right),{\mathrm{\δ}}_p\left(\mathrm{1,1}\right),\·\·\·,{\mathrm{\δ}}_p\left({1,r}_1\right),\·\·\·,{\mathrm{\δ}}_p\left({m,r}_m\right)\end{array}\right]---\left(4\right).$

进一步地，所述的步骤(5)为：

将第i(i＝1～p)个钻孔孔壁坍塌体积V_坍塌i和理论体积V_i之比定义为塌孔率，将塌孔率作为塌孔基准变量(y_i)与评价钻孔孔壁稳定性程度的评价参数，其计算公式为：

其中：钻孔灌注桩孔壁塌孔的数量p应满足p>a+h。

进一步地，所述的步骤(6)包括以下步骤：

1)根据数量化理论基本原理，其塌孔基准变量与各定性致塌变量及其值的反应遵从下列线性模型：

$y_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k)b_{\mathrm{jk}}+{\mathrm{\ϵ}}_i,i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(6\right)$

y_i是塌孔基准变量y在第i个样本中的测定值，为第定性变量第k值的常数(得分)，ε_i是第i次抽取随机误差；

2)根据最小二乘原理寻求系数的最小二乘估计值使得

$q=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^2=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[y_i-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{r_j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k)b_{\mathrm{jk}}]}^2---\left(7\right)$

为最小值，为此，求q关于的偏导数并令其等于0，以此求出的值；

3)在解出之后，便得到以下得致塌因素相关性评价方程：

$\hat{y}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k){\hat{b}}_{\mathrm{jk}}---\left(8\right)$

4)将上式以矩形形式表示：Y＝X*b+E，其中，X称为反应矩阵，Y为样本矩阵，b为系数矩阵，E为误差矩阵，用最小二乘法可得出满足正规方程系数b得估计值的解为：

$\hat{b}={[X^T*X]}^{-1}*X^T*Y---\left(9\right)$

5)据此建立因变量估计值的表示式为：对于兼有定性和定量说明变量的情形时得到的预测方程是：

$\hat{y}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k){\hat{b}}_{\mathrm{jk}}+\underset{u=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{b}}_{u}X\left(u\right),u=\mathrm{1,2},\·\·\·,h---\left(10\right)$

6)根据最小二乘法原理求出b_u及b_jk的最小二乘估计值是可以证明，和是b_u和b_jk的最小方差线性无偏估计值，从而得到预测方程如下：

$\hat{y}=d_0+\underset{u=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{b}}_u{x}_i\left(u\right)+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{r_j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k){\hat{b}}_{\mathrm{jk}}---\left(11\right).$

进一步地，所述的步骤(7)包括以下步骤：

应用相关性评价方程的复相关系数、对塌孔致塌因素相关性预测方程评价精度进行分析和评价，其分析方法如下：

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{P}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,S_e=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-{\hat{y}}_i)}^2---\left(12\right)$

确定回归平方和最终确定复相关系数为：

$R=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\hat{y}}}{{\mathrm{\σ}}_y}=\sqrt{\frac{S_R}{S_T}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{y}}_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}{\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}---\left(13\right)$

复相关系数0≤R≤1，其值越接近于1，说明方程预测精度越高；

当R≥α时，方程符合精度要求，α为设定值，α≥0.6；

当R小于α时，方程不符合精度要求，剔除样本中的异常数据，重新计算复相关系数，直至其大于α为止。

进一步地，所述的步骤(8)包括以下步骤：

1)应用数量化理论的塌孔致塌因素相关性评价方程偏相关系数，对各致塌因素对塌孔的贡献与影响程度进行分析和评价；

2)考虑每个定性定量因素单独对基准变量的贡献，进而从众多因子中分辨出主导因子、次要因子及不显著因子，现计算各定性定量变量的偏相关系数，为此，做出相关矩阵R₀：

$R_0=\left[\begin{array}{ccccc}{r}_{11}& r_{12}& ...& r_{1m}& r_{1y}\\ r_{21}& r_{22}& ...& r_{2m}& r_{2y}\\ & ...& & ...& \\ r_{m1}& r_{m2}& ...& r_{\mathrm{mm}}& r_{\mathrm{my}}\\ r_{y1}& r_{y2}& ...& r_{\mathrm{ym}}& r_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]---\left(14\right)$

其中： $\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{ij}}=\frac{L_{X_i{X}_j}}{\sqrt{L_{X_i{X}_i}{L}_{X_j{X}_j}}}& r_{\mathrm{iy}}=\frac{L_{X_{i}Y}}{\sqrt{L_{X_i{X}_i}{L}_{\mathrm{YY}}}}\end{array}$

r_ij表示影响因素X_i与X_j之间的相关系数，r_iy表示影响因素与基准变量y之间的相关系数(i≠j，当i＝j时，r_ij＝1)；

3)求出R₀的逆矩阵R₀ ^-1，R₀ ^-1中的元素记为C_ji，则偏相关系数r可按下式计算：

$\begin{array}{cc}r=\frac{{-C}_{\mathrm{iy}}}{\sqrt{C_{\mathrm{ii}}{C}_{\mathrm{yy}}}}(i=\mathrm{1,2},...,m)& ---\left(15\right)\end{array}$

4)偏相关系数r越大，说明致塌因子对塌孔的贡献越大，对各因素得出的偏相关系数进行比较，取值越大说明所对应的致塌因素对塌孔的影响与作用越大。

本发明通过对定性变量按照其取值进行划分，实现定性变量到定量变量的转化，解决了各因素之间多重相关性相互转化问题，提出了利用偏相关系数综合分析和评价不同致塌因素其影响与作用大小的方法，对灌注桩塌孔孔壁影响因素的分析与评价具有重要实用价值。

附图说明

图1本发明流程示意框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

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塌孔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，有时也会演变成较为严重塌孔问题。选取二联合场地25个钻孔的实测值进行分析研究。

1.塌孔测试与钻孔几何要素的确定

该研究区域内钻孔设计半径D_i为400mm，在施工过程中采用井径仪对钻孔孔壁的变化做实时测量并记录，测定孔壁的横向位移变化值，并将数据记录录入Excel表格中。根据各个钻孔的设计半径D_i和实际深度H_i，确定各钻孔的理论计算体积V_i，再根据记录的横向位移的变化值，计算出钻孔的实际体积并分别录入Excel表格中。其具体步骤如下：

1)钻孔的理论体积

若钻孔的设计的半径为D_i和实际深度为H_i，则其理论计算体积为：

V_i＝πD_i ²H_i         (1)

2)钻孔的实际体积

根据实测钻孔半径平均值及实际深度H_i可以确定其钻孔的实际体积为：

$\stackrel{\‾}{V_i}=\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{D_i}}^2{H}_i---\left(2\right)$

2.塌孔定性和定量致塌因素的取值与致塌因素反应矩阵的确定

根据塌孔致塌因子即致塌变量的选取原则，本实施例中塌孔的致塌因子分析如下：

(1)定量因子及致塌定量变量：

1)稳定液比重x1，单位为1，反映稳定液的性能指标对孔壁稳定性的影响；

2)孔内液面x2，单位为m，反映泥浆液水头高度产生的静水压力对孔壁稳定性的影响；

3)钻孔深度x3，单位为m，反映钻孔的深度对孔壁稳定性的影响；

4)地下水位埋深x4，单位m，反映地下水的变化对孔壁稳定性的影响；

5)成孔时间x5，单位为小时，反映地层蠕变性质对钻孔孔壁稳定性的影响；

6)砂层厚度占孔深的比例x6，单位为1，反映砂层厚度对孔壁稳定性的影响；

7)砂性土的平均标准贯入试验锤击数x7，单位为1，反映砂层性质对孔壁稳定性的影响；

8)粘性土的平均液性指数x8，单位为1，反映粘性土的状态对孔壁稳定性的影响。

(2)定性因子及定性变量：

1)钻孔地层结构δ₁。类目1：钻孔所揭露地层砂层为单一结构；类目2：其他；

2)钻孔揭露软弱地层情况δ₂。类目1：有软弱淤泥质层；类目2：无；

3)孔口超载δ₃：类目1：有静超载或动载；类目2：无。

3.钻孔塌孔率与塌孔基准变量的确定

根据项目现场资料的收集、整理及井径仪实测数据，选取典型研究区域内25个钻孔灌注桩样本，将第i(i＝1～p)个钻孔孔壁坍塌体积V_坍塌i和理论体积V_i之比作为塌孔基准变量(y_i)，其计算结果如表2：

4.建立塌孔致塌因素相关性评价方程

运用数量化理论基本原理，求得区域钻孔灌注桩孔壁坍塌程度的预测方程如下：

y＝-0.7026x1+0.0178x2+0.0028x3-0.0113x4+0.0015x5-0.01x6-0.0004x7+0.0032x8-0(1,1)+0.0083(1,2)+0.6371(2,1)+0.6226(2,2)-0.0108(3,1)+0(3,2)

5.塌孔致塌因素相关性评价方程评价精度的评价

运用MATLAB7.0的计算平台，编程分析该预测模型的准确性，本实施例中的α设置为0.85，得出分析结果如下：

$R=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\hat{y}}}{{\mathrm{\σ}}_y}=\sqrt{\frac{S_R}{S_T}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{25}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{y}}_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}{\underset{i=1}{\overset{25}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}=0.95$

经过计算得出复相关系数R＝0.95。复相关系数大于0.85，说明该预测模型较为精确，基准变量与各类目之间的线性相关关系为高度相关。

6.塌孔致塌因素致塌程度与作用大小的定量分析与评价

运用数量化理论的基本原理，利用大型数据统计分析软件MATLAB7.0进行程序编写，最后计算出各影响因素的偏相关系数，并根据偏相关系数对个影响因素对孔壁坍塌程度的贡献大小，并分析其贡献排序如表1：

对上述表格进行整理分析可知，稳定液比重在考虑的所有影响因素中贡献最大，而后各影响因素的作用权重分别为钻孔揭露软弱地层情况、钻孔深度、成孔时间、孔内液面高度、孔口超载、钻孔地层结构、地下水位的埋深、砂层厚度占总深度的比例、砂性土的平均标准贯入试验锤击数、粘性土的平均液性指数。

此研究区内塌孔的主要致塌因素为稳定液比重，钻孔揭露软弱地层情况，钻孔深度，成孔时间。上述评价结果与实际塌孔形成规律相吻合。证明了该方案对鉴别和评价塌孔致塌因素具有很大应用价值和意义。

表1各影响因素(项目)权重的对比分析表

表2灌注桩工程区域塌孔样本反映矩阵表

Claims (9)

1.一种测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法,其特征在于：包括以下步骤：

(1)确定塌孔测试研究区域；

(2)采集塌孔测试研究区域的钻孔几何要素并计算钻孔的理论体积V_i和实际体积

(3)确定塌孔定性致塌因素和定量致塌因素并分别给予定性致塌因素和定量致塌因素定义；

设塌孔的定性致塌因素为δ₁，δ₂,…δ_m的定性变量，设塌孔的定量致塌因素为x₁，x₂，x₃，…，x_h的定量变量；

(4)确定致塌反应矩阵；

(5)确定钻孔塌孔率和塌孔基准变量；

将第i(i＝1～p)个钻孔孔壁坍塌体积V_坍塌i和理论体积V_i之比定义为塌孔率，塌孔率即为塌孔基准变量；

(6)建立塌孔致塌因素相关性评价方程；

(7)对致塌因素相关性评价方程进行精度评价；

应用相关性评价方程的复相关系数、对塌孔致塌因素相关性预测方程评价精度进行分析和评价；

(8)分析和评价各塌孔致塌因素的影响程度和作用大小，确定出塌孔的主要致塌因素和次要致塌因素。

2.根据权利要求1所述的测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，其特征在于：所述的步骤(2)包括以下步骤：

1)根据步骤(1)确定的塌孔测试研究区域，在该区域内对所有出现塌孔现场的钻孔进行几何要素的测量，采用井径仪对钻孔孔壁的变化做实时记录，测定孔壁的横向位移变化，并将数据记录录入Excel表格中；

2)根据各个钻孔的设计半径D_i和实际深度H_i，确定各钻孔的理论计算体积V_i，再根据记录的横向位移的变化值，计算出钻孔的实际体积

3)步骤2)中的计算公式为：

①钻孔的理论体积

若钻孔的设计的半径为D_i和实际深度为H_i，则其钻孔的理论体积为：

V_i＝πD_i ²H_i   (1)

②钻孔的实际体积

根据实测钻孔半径平均值及实际深度Hi，其钻孔的实际体积为：

$\stackrel{\‾}{V_i}=\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{D_i}}^2{H}_i---\left(2\right)$

3.根据权利要求1所述的测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，其特征在于：所述的步骤(3)包括以下步骤：

1)塌孔致塌因素的确定遵守的原则为：

①所确定的致塌因素应该具有代表性，且与钻孔孔壁稳定性具有密切关系；

②各因素具有相对独立性，相互关联性较小；

③致塌因素可分为定性致塌因素和定量致塌因素；

2)根据步骤1)所述的原则，其定性致塌因素和定量致塌因素及其赋值方法如下：

①定性致塌因素为：地层性质与结构，孔口超载，软弱层，机械碰撞，泥浆循环方式…；

将定性致塌因素定义为塌孔的定性变量δ₁，δ₂,…δ_m，共m个；

第一个定性变量δ₁有r₁个定性评价取值，c₁₁，c₁₂，…，

第二个定性变量δ₂有r₂个定性评价取值，c₂₁，c₂₂，…，

第m个定性变量δ_m有r_m个定性评价取值，c_m1，c_m2，…，

令则总共有a个定性评价取值；

根据以上定义，称δ_i(j，k)(i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，m，k＝1，2，…，r_j)为j定性因素的k定性评价取值在第i组数据中的反映，并按下式确定：

②定量致塌因素为：钻孔深度，钻孔半径，泥浆比重，地下水位埋深，成孔时间，钻进速度，护筒高度…；

将定量致塌因素定义为塌孔的定量变量x₁，x₂，x₃，…，x_h,共h个；

根据钻孔灌注桩孔壁坍塌定量影响因素具体数值，将各定量变量进行赋值：x_i(u)(u＝1，2，…，h_i)。

4.根据权利要求1所述的测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，其特征在于：所述的步骤(4)包括以下步骤：

根据步骤(3)所确定的h个定量变量和m个定性变量，定量变量在第i组数据中的数据为x_i(u)(u＝1，2，…，h_i，i＝1，2，…，p),

假定观测了p组数据，可确定致塌因素反应矩阵如下：

$X=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(1\right),...,x_1\left(h\right),{\mathrm{\δ}}_1\left(\mathrm{1,1}\right),...,{\mathrm{\δ}}_1(1,r_1),...,{\mathrm{\δ}}_1(m,r_m)\\ x_2\left(1\right),...,x_2\left(h\right),{\mathrm{\δ}}_2\left(\mathrm{1,1}\right),...,{\mathrm{\δ}}_2(1,r_1),...,{\mathrm{\δ}}_2(m,r_m)\\ ............................................................\\ x_p\left(1\right),...,x_p\left(h\right),{\mathrm{\δ}}_p\left(\mathrm{1,1}\right),...,{\mathrm{\δ}}_p(1,r_1),...,{\mathrm{\δ}}_p(m,r_m)\end{array}\right]---\left(4\right).$

5.根据权利要求1所述的测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，其特征在于：所述的步骤(5)为：

将第i(i＝1～p)个钻孔孔壁坍塌体积V_坍塌i和理论体积V_i之比定义为塌孔率，将塌孔率作为塌孔基准变量(y_i)与评价钻孔孔壁稳定性程度的评价参数，其计算公式为：

其中：钻孔灌注桩孔壁塌孔的数量p应满足p>a+h。

6.根据权利要求1所述的测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，其特征在于：所述的步骤(6)包括以下步骤：

1)根据数量化理论基本原理，其塌孔基准变量与各定性致塌变量及其值的反应遵从下列线性模型：

$y_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k)b_{\mathrm{jk}}+{\mathrm{\ϵ}}_i,i=\mathrm{1,2},...,n---\left(6\right)$

y_i是塌孔基准变量y在第i个样本中的测定值，为第定性变量第k值的常数(得分)，ε_i是第i次抽取随机误差；

2)根据最小二乘原理寻求系数的最小二乘估计值使得

$q=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^2=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[y_i-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{r_j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k)b_{\mathrm{jk}}]}^2---\left(7\right)$

为最小值，为此，求q关于的偏导数并令其等于0，以此求出的值；

3)在解出之后，便得到以下的致塌因素相关性评价方程：

$\hat{y}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k){\hat{b}}_{\mathrm{jk}}---\left(8\right)$

4)将上式以矩形形式表示：Y＝X*b+E，其中，X称为反应矩阵，Y为样本矩阵，b为系数矩阵，E为误差矩阵，用最小二乘法可得出满足正规方程系数b得估计值的解为：

$\hat{b}={[X^T*X]}^{-1}*X^T*Y---\left(9\right)$

5)据此建立因变量估计值的表示式为：对于兼有定性和定量变量的情形时得到的预测方程是：

$\hat{y}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k){\hat{b}}_{\mathrm{jk}}+\underset{u=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{b}}_{u}X\left(u\right),u=\mathrm{1,2},...,h---\left(10\right)$

6)根据最小二乘法原理求出b_u及b_jk的最小二乘估计值是可以证明，和是b_u和b_jk的最小方差线性无偏估计值，从而得到预测方程如下：

$\hat{y}=d_0+\underset{u=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{b}}_u{x}_i\left(u\right)+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{r_j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i(j,k){\hat{b}}_{\mathrm{jk}}---\left(11\right).$

7.根据权利要求1所述的测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，其特征在于：所述的步骤(7)包括以下步骤：

应用相关性评价方程的复相关系数、对塌孔致塌因素相关性预测方程评价精度进行分析和评价，其分析方法如下：

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{P}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,S_e=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-{\hat{y}}_i)}^2---\left(12\right)$

确定回归平方和最终确定复相关系数为：

$R=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\hat{y}}}{{\mathrm{\σ}}_y}=\sqrt{\frac{S_R}{S_R}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{y}}_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}{\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}---\left(13\right)$

复相关系数0≤R≤1，其值越接近于1，说明方程预测精度越高；

当R≥α时，方程符合精度要求，α为设定值，α≥0.6；

当R小于α时，方程不符合精度要求，剔除样本中的异常数据，重新计算复相关系数，直至其大于α为止。

8.根据权利要求1所述的测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，其特征在于：所述的步骤(8)包括以下步骤：

1)应用数量化理论的塌孔致塌因素相关性评价方程偏相关系数，对各致塌因素对塌孔的贡献与影响程度进行分析和评价；

2)考虑每个定性因素和定量因素单独对基准变量的贡献，进而从众多因子中分辨出主导因子、次要因子及不显著因子，现计算各定性变量和定量变量的偏相关系数，为此，做出相关矩阵R₀：

$R_0=\left[\begin{array}{ccccc}{r}_{11}& r_{12}& ...& r_{1m}& r_{1y}\\ r_{21}& r_{22}& ...& r_{2m}& r_{2y}\\ & ...& & ...& \\ r_{m1}& r_{m2}& ...& r_{\mathrm{mm}}& r_{\mathrm{my}}\\ r_{y1}& r_{y2}& ...& r_{\mathrm{ym}}& r_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]---\left(14\right)$

其中： $\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{ij}}=\frac{L_{X_i{X}_j}}{\sqrt{L_{X_i{X}_i}{L}_{X_j{X}_j}}}& r_{\mathrm{iy}}=\frac{L_{X_{i}Y}}{\sqrt{L_{X_i{X}_i}{L}_{\mathrm{YY}}}}\end{array}$

r_ij表示影响因素X_i与X_j之间的相关系数，r_iy表示影响因素与基准变量y之间的相关系数(i≠j，当i＝j时，r_ij＝1)；

3)求出R₀的逆矩阵R₀ ^-1，R₀ ^-1中的元素记为C_ji，则偏相关系数r可按下式计算：

$r=\frac{-C_{\mathrm{iy}}}{\sqrt{C_{\mathrm{ii}}{C}_{\mathrm{yy}}}},(i=\mathrm{1,2},...,m)---\left(15\right)$

4)偏相关系数r越大，说明致塌因子对塌孔的贡献越大，对各因素得出的偏相关系数进行比较，取值越大说明所对应的致塌因素对塌孔的影响与作用越大。

9.根据权利要求3所述的测定钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的步骤2)中：

致塌因素考虑地层性质与结构δ₁时，其值可分别取c₁₁地层为单一黏性土层；c₁₂地层为其他结构地层，其中地层为单一黏性土层时δ₁(1,1)＝0；地层为其他地层时δ₁(1,2)＝1；

致塌因素考虑孔口超载δ₂时，其值可分为c₂₁孔口有超载和c₂₂为孔口无超载，其中孔口存在超载，δ₂(1,1)＝1；孔口无超载，δ₂(1,2)＝0；

致塌因素考虑软弱夹层δ₃时，其值可分别取c₃₁存在软弱夹层；c₃₂不存在软弱夹层，其中存在软弱夹层δ₃(1,1)＝1；不存在软弱夹层时δ₃(1,2)＝0；

致塌因素考虑机械碰撞δ₄时，其值可分别取c₄₁存在机械碰撞；c₄₂不存在机械碰撞，其中存在机械碰撞时δ₄(1,1)＝1；不存在机械碰撞时δ₄(1,2)＝0；

致塌因素考虑泥浆循环方式δ₅时，其值可分别取c₅₁正循环；c₅₂反循环，其中泥浆正循环时δ₅(1,1)＝1；泥浆反循环时δ₅(1,2)＝0；…，依次类推。