基于Choquet模糊积分的钻孔灌注桩施工风险评价.pdf

第3 4 卷第4 期2023年8 月文章编号：16 7 1-6 90 6(2 0 2 3)0 4 0 0 590 5基于Choquet模糊积分的钻孔灌注桩施工风险评价中原工学院学报JOURNAL OF ZHONGYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.34No.4Aug.2023胡鹏志，祝彦知，纠永志（中原工学院建筑工程学院，河南郑州4 50 0 0 7）摘要：针对多指标且指标间具有模糊性的钻孔灌注桩施工安全风险评价问题，基于Choquet模糊积分，利用层次分析法确定各层和各指标的权重并计算出模糊测度。利用Choquet模糊积分算子对指标的评价值进行聚合，建立了桥梁工程钻孔灌注桩的施工风险评价模型。应用该模型对广西省荔浦市东环大桥工程钻孔灌注桩的部分施工的安全风险进行了评价，结果可为桩基施工工作的决策及实践提供参考。关键词：模糊积分；模糊测度；层次分析法；钻孔灌注桩中图分类号：TU714Risk evaluation of bored pile construction based文献标志码：Aon Choquet fuzzy integralDOI:10.3969/j.issn.16716906.2023.04.009HU Pengzhi,ZHU Yanzhi,JIU Yongzhi(School of Architectural and Civil Engineering,Zhongyuan University ofTechnology,Zhengzhou 450007,China)Abstract:Based on choquet fuzzy integral,we uses analytic hierarchy process to determine theweight of each layer and index and calculate the fuzzy measure in response to the construction safetyrisk assessment of bored pile with multiple indicators and fuzziness between indicators.The construc-tion risk evaluation model of bored pile in bridge engineering is established by aggregating the evalua-tion value of the index with Choquet fuzzy integral operator.This model is applied to evaluate thesafety risk of some construction sections of the bored pile of the East Ring Bridge Project in Lipu City,Guangxi Province,the results can provide a reference for the decision-making and practice of pilefoundation construction.Key words:fuzzy integral;fuzzy measure;analytic hierarchy process;bored piles桩基础作为深基础中应用最广的基础形式，广泛地应用于桥梁建设中。钻孔灌注桩在施工过程中因受到环境因素和人为因素影响，常会出现钢护筒变形、掉钻、卡钻、斜孔、塌孔等一系列问题。钻孔灌注桩的施工工序较多且施工工艺复杂，具有典型的风险性，且施工安全的具体影响因素具有相当的不确定性。因此，开展施工风险评估并及时化解风险具有十分重要的意义。造成钻孔灌注桩施工风险的因素很多，且各因素之间的关系非常模糊,对其很难进行直观描述和求解，所以常采用综合评价方法进行评估。国内外学者分别采用层次分析法、模糊综合评判法、灰联法及风险矩阵收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 2基金项目：河南省高等学校重点科研项目（2 1A630042）引文格式：胡鹏志，祝彦知，纠永志.基于Choquet模糊积分的钻孔灌注桩施工风险评价J.中原工学院学报，2 0 2 3，3 4（4）：59一6 3.HU Pengzhi,ZHU Yanzhi,JIU Yongzhi.Risk evaluation of bored pile construction based on Choquet fuzzy integralJI.Journal ofZhongyuan University of Technology,2023,34(4):59-63.60法等对钻孔灌注桩的施工风险进行了评价，均取得了较好的效果。王详等1采用多因素层次分析法对熔岩地区隧道盾构法施工风险进行了评价，结果与现场施工情况拟合度较好。李星勇等2 采用层次分析法建立了非线性模糊综合评价模型，并对深大基坑施工风险进行了评价。于坤朋等3 1以重庆某工程的钻孔灌注桩为例，采用层次分析法对其进行了施工风险分析。马永峰等L4利用模糊理论建立了钻孔灌注桩塌孔风险评价体系，应用模糊综合评判法对施工过程中的风险进行了分区。冯攀等5利用模糊综合评判方法和层次分析法对某建筑钻孔灌注桩施工风险进行分级评估，取得了满意的效果。Prascevic等6 1提出了一种基于梯形模糊数的模糊层次分析法的权重确定方法，利用模糊数及其乘积的期望值来确定评价方案的特征值和特征向量，并将该方法用在塞尔维亚某个建筑项目的风险评估中,取得了较好的效果。Alvand 等提出了一种基于故障模式和影响分析、逐步权重分析和模糊环境下的加权综合方法的集成模型，并将该模型用于伊朗某道路建设项目的风险研究，提高了风险识别的准确性。通常认为，综合评价指标体系应该是完整的、有代表性的、独立的，工程项目中常因为没有独立性和完整性兼备的综合评价指标体系，而降低了对综合评价指标体系中指标间独立性的控制，从而出现指标相互作用的情况。钻孔灌注桩的施工工序较多，当出现多个质量问题时，所产生的风险相互影响，而这些风险并不是简单的线性相加。对此，传统的评估方法是：必须预先假设指标是独立的，并采用线性加法对这些独立指标进行线性相加，以此作为评估的基础。而模糊积分和模糊测度则放宽了对指标间独立性的要求，只要求其具有单调性。因此，越来越多的研究选用模糊积分来评价指标间具有模糊性的项目。1基于模糊积分的钻孔灌注桩施工风险评价方法1.1模糊测度和模糊积分在综合评价中，模糊测度可用来表示单一指标或指标集的重要程度。因为模糊测度是用单调性替代可加性的集函数，所以能更准确地量化主观评价。随着对模糊数学的不断研究，现在已经有非可加模糊测度、拟测度、g模糊测度、似然模糊测度、k可加模糊测度等多种模糊测度，本文采用g.模糊测度。模糊积分形式较多，应用比较广泛的有Sugeno积分和Choquet中原工学院学报积分，本文采用Choquet积分。下面引人g,模糊测度和 Choquet 积分Es-11。定义1:令入E（-1,),有限集合X=（1，2，,c,，I X|=n 3,若(X,P(X)为可测空间,集函数g：P(X)0,1,且满足下列条件：(1)g;(p)=0,gx(X)=1;(2)VA,BEP(X),ANB=$,AUBX,(3)g(AUB)=g;(A)+g(B)+g,(A)gi(B)则称g:为入的模糊测度。令gi=g（）为变量,（i=l,2,n)的模糊密度：ga()-2g.+22gig.+,=112-1+1-gigg=+1(1+g.)-1l=1当g（1，2，,a,=1时,I(1+入g:)1=入+1i-1则入的值可以确定,其中g；的值可以利用专家调查法打分确定。当入和g，（i=1,2，,n)的值确定后，集合A二X的g模糊测度可由式（1)求解。定义2:设有限集X=(ai,2，,),hX-0,1满足h(ai)h(cz）h(a n）,则可测函数h关于入的模糊测度gx的Choquet模糊积分为：e=Jxh()og(.)=2h(i)-h(i-1)ga(A,)=h(;)8:(g)-1式中：“。为模糊算子;h(o）=0;A,=（i,i+1，,c,;0;=g(A,)-g;(A;+1);g(An+1)=0。1.2模糊测度的计算模糊测度是处于同一系统内被评价因素的相对重要程度的度量数值。本文用层次分析法来计算模糊测度。层次分析法是一种多准则决策方法，可以对多指标、多层级的项目问题进行定性和定量分析，使复杂的问题清晰明了。先将问题分解成多个因素，再将这些因素按照隶属关系组成递阶层次结构，通过事先确定的标度方法对各要素进行两两比较来确定各要素在系统中的相对重要程度，最后结合技术人员的意见，确定各要素的相对重要性排序。本文采用9 标度法得到比较值矩阵，对比较值数据进行归纳整理后得到判断矩阵A。可使用算数平均法、几何平均法、最小二乘法和特征根方法求解判断矩阵A中各要素的权重。本文将使用特征根法计算满足AW=入maxW条件的特征值与特征向量。式中入max为2023年第3 4 卷(1)(2)(3)第4 期A的最大特征根;W为入max的正规化特征向量;W的分量W(i=1,2，,n)为对应的单因素元素的相对重要程度。模糊测度表示的是属性的重要程度，由定义1可知，g模糊测度取值范围在0 1之间，且每个属性的重要程度之和不必为1。为满足要求，本文采用改进的方根法计算模糊测度12 w;=a,Jj=1W;其中,;E(0,1),则w=(w1,W2，,w,),为指标的模糊测度。1.3钻孔灌注桩施工风险评价模型钻孔灌注桩普遍存在的施工风险有掉钻、卡钻、斜孔、塌孔、卡管、堵管、灌注质量缺陷等。本文对施工工序进行分解，结合实际工程中的地质条件和现场设备、施工人员配置情况对施工工序逐项进行风险识别，列出风险因素清单，同时也使用问卷调查的方式向业主代表、设计院代表、施工方代表和行业内专家征询意见。最后结合风险因素清单和专家意见确定了最终的风险因素清单，建立层次结构模型如表1所示。表1灌注桩施工风险评价指标模型Tab.1NModel for evaluating risk indicatorsfor pile construction第一层第二层掉钻、卡钻1斜孔、塌孔2钻孔灌注桩施工风险卡管、堵管3灌注质量缺陷42工程实例分析本文以广西荔浦市东环大桥工程为例，对该工程的钻孔灌注桩施工安全风险进行评价。胡鹏志，等：基于Choquet模糊积分的钻孔灌注桩施工风险评价风险评价步骤如下：第1步：将钻孔灌注桩施工安全风险等级划分为优、良、中、差4 个等级，等级的具体含义见表2。表2 评价等级及说明Tab.2Evaluation levels and description评价等级优指标相关方面表现优秀，要继续保持良2指标相关方面表现良好，呈现需改进态势中指标相关方面表现一般，需要进一步加强差指标相关方面表现较差，急需全面加强第2 步：采用层次分析法求解模糊测度。通过现场调查和问卷调查，整理了工程技术人员对钻孔灌注桩施工风险因素的重要性排序,并列表求解模糊测度，见表3 一表7 所示。表3 第一层指标模糊测度第三层Tab.3Fuzzy measures of first tier indicators岩层软硬不均111回旋扭矩大121钻具应力集中13钻杆不稳定2 1岩层倾角大22岩层裂隙发育2 3混凝土离析3 1超过初凝时间3 2导管悬空高度3 3孔底沉渣4 1灌注深度4 2导管管径4 361东环大桥全长2 4 7 m，上部结构采用8 3 0 m装配式预应力先简支后连续小箱梁设计，下部结构的桥台采用桩柱式桥台，桥墩采用三柱式盖梁墩，基础采用桩基础。从钻探资料可知，沿线桥梁桥位处上覆盖层主要为黏土、卵石土，或者杂填土，下覆盖层为泥岩，风化程度为强风化到微风化，且桥位处岩溶发育程度较低，桥梁基础均采用桩基础，桩基设计均按端承桩设计，桩端(4)进人中风化岩层的深度不小于2 m，共使用直径(5)180cm、长度17 3 7 m的灌注桩3 0 根。11/3223243入max=4,C.I.=0,R.I.=0.89,C.R.=00.1,满足一致性检验。表4 第二层指标模糊测度Tab.4Fuzzy measure of the i index in the second tier1a11a1213说明231/21/211113/23/211a12121/21240.2362/30.4712/30.47110.7071131/21/410.4360.2180.87362入mx=3,C.I.=0,R.I.=0.52,C.R.=00.1,满足一致性检验。表5第二层2 指标模糊测度Tab.5Fuzzy measure of the&2 index in the second tier2212113221/3231/2max=3,C.I.=0,R.I.=0.52,C.R.=00.1,满足一致性检验。表6 第二层3 指标模糊测度Tab.5Fuzzy measure of the&s index in the second tier331a311329/5332/5Amax=3,C.I.=0,R.I.=0.52,C.R.=00.1,满足一致性检验。表7 第二层4 指标模糊测度Tab.7Fuzzy measure of the&4 index in the second tier441411421431/5Amax=3,C.I.=0,R.I.=0.52,C.R.=00.1,满足一致性检验。第3 步：求各层指标的入值，计算各层指标集的入模糊测度，结果见表8。第4 步：由专家确定二层指标的模糊隶属度评价矩阵。772110.60.20.20Hi=120.80.200La130.50.40.10772210.70.300H2=220.60.30.10L230.50.30.10中原工学院学报22233212/33/21321335/95/219/22/91424315151/517374742023年第3 4 卷7172310.6 0.40H:=320.50.4 0.10LC330.80.10.1072C410.6 0.10.20.10.857H4=420.400.50.10.286LC430.50.30.100.429表8钻孔灌注桩评价指标模糊测度Tab.8Fuzzy measure of evaluation index of bored pile层数指标12一层340.476a110.859二层10.191二层2二层30.700二层40.7000.140740重要程度入值0.2360.4710.4710.7070.436120.218130.873210.857220.286230.429310.476320.859330.191410.700420.700430.140利用Choquet模糊积分算子将二层指标的入模糊测度值和评语n:(i=1,2,3,4)下的模糊隶属度值进行合成。由矩阵H计算指标1,12，13 在，2，3，7 4下的Choquet模糊积分值为：ei(nm)=0.601,er(n2)=0.375,ei(ms)=0.146,el(mi)=0同理由矩阵H2、H 3、H 4 计算指标21，2 2，2 3，31,32，C 3 3,4 1,4 2，a 在n，m2，3，n 下的 Cho-quet模糊积分值，将结果整理得到一层指标i，2，rs，a 4 的Choquet模糊积分评价向量：ei=(0.601,0.375,0.146,0)e2=(0.196,0.561,0.194,0.223)e3=(0.597,0.393,0.091,0)e4=(0.332,0.428,0.203,0.115)从而得到一层指标a1,2，3，4 在评语n1m2，-0.91-0.890.89-0.880.86第4 期n3，n 下的Choquet模糊积分评价矩阵H,并归一化得：71门10.6010.3750.146H=C20.1960.5610.1940.223a30.5970.3930.091LC40.3320.4280.2030.115第5步：求得准则层指标模糊积分评价值为：e(mi)=0.483,e(nz)=0.486,e(ms)=0.190,e(n)=0.151第6 步;对指标1,2,3,在评语n2，n 4下的Choquet模糊积分评价值归一化得：e=(0.369,0.371,0.145,0.115)按照最大隶属度原则，可以判断该工程钻孔灌注桩施工安全等级为“良好”，需要进一步完善各项指标，从一层指标的Choquet模糊积分评价矩阵可知，该工程在防止卡钻和堵管等方面措施较好，要继续保持。3结语基于Choquet模糊积分，建立了钻孔灌注桩施工风险评价模型，并将其应用于广西省荔浦市东环大桥项目的灌注桩施工风险评价，研究成果可为钻孔灌注桩施工风险评价提供参考。参考文献1王祥，徐甜，冉军，等.岩溶地区地铁隧道盾构施工风险识别与评价研究J.铁道勘察，2 0 2 3，4 9（3）：5一11.2李兴勇，李经宇，张国永，等.洛阳龙门站综合交通枢纽深大基坑施工风险评价及控制J.河南大学学报（自然科学版），2 0 2 2，52（6）：7 4 57 55.3于坤朋，吴同情，范昕然.层次分析法在嵌岩灌注桩施工风险分析中的应用J.重庆科技学院学报（自然科学版)，2 0 16，18(6)：116 119.4 马永峰，周丁恒，李凤岭，等.基于模棚理论的钻孔灌注胡鹏志，等：基于Choquet模糊积分的钻孔灌注桩施工风险评价2017,37(5)：18 2 4.5冯樊，李楠.基于模糊数学的钻孔灌注桩施工风险评727363桩塌孔风险评价J.安徽理工大学学报（自然科学版），74估J.四川建材，2 0 17，4 3（6：6 7-6 9.06PRASCEVIC N,PRASCEVIC Z.Application of fuzzyAHP for ranking and selection of alternatives in construc-0tion project management J.Journal of Civil Engineeringand Management,2017,23(8):11231135.7 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