劉先珊　張同樂(lè)　牛萬(wàn)保

摘要：

采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行隨鉆參數(shù)的采樣與分析，建立了派生參數(shù)與直測(cè)參數(shù)的理論表達(dá)式，提出了多因素組合的地層比功模型，實(shí)現(xiàn)了地層地質(zhì)條件與隨鉆參數(shù)的有機(jī)結(jié)合。以重慶市某高壓變電站施工場(chǎng)地為依托，建立了不同地層如素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層及泥巖層的地層比功演化曲線，對(duì)比地勘信息可知，不同地層的比功值存在顯著差異?？梢?jiàn)，合理的地層比功閾值是辨識(shí)地層類型的重要參量。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)勘測(cè)孔附近不同地層的比功值閾值進(jìn)行保值優(yōu)化，通過(guò)地勘獲得的地層信息來(lái)驗(yàn)證閾值區(qū)間的可靠性。進(jìn)一步采用如上地層比功閾值對(duì)該區(qū)域的其他樁位所在地層進(jìn)行分析驗(yàn)證，說(shuō)明了地層比功閾值優(yōu)化的統(tǒng)計(jì)方法可行，其閾值區(qū)間合理，可用于其他賦存環(huán)境的地層比功閾值確定及地層識(shí)別。

關(guān)鍵詞：

旋挖鉆機(jī)；隨鉆參數(shù)；比功模型；統(tǒng)計(jì)分析；閾值優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）02005807

Abstract：

The drilling parameters in the rotary drilling process were sampled and analyzed using online monitoring system. The theoretical expressions between the derived parameters and direct sampling parameters were constructed， and the model of formation work ratio considering multifactor combinations was also proposed to realize the perfect integration of geological conditions and drilling parameters. With the case study of a construction field of the high voltage substation in Chongqing， the curves of different formations such as backfilled soil， silty clay sandstone and mudstone formations were described and compared with the geological survey， the comparison presented obvious difference of different formations. The above results indicated that rational work ratio thresholds were significant to identify the strata characteristics. And then， the work ratio threshold of different formations was optimized near the surveying piles based on the statistical analysis theory to prove the reliability of the threshold range of different formations according to the geological information. In addition， the threshold value were used to verify the formations far away from the surveying piles， the results deeply calibrated the proposed method and verified the rationality of the threshold values. Therefore， the proposed method to determine the threshold range based on formation work ratio model can be used to another different formations and strata identification.

Keywords：

rotary drilling rig；drilling parameters；work ratio model；statistical analysis；threshold optimization

旋挖鉆機(jī)作為嵌巖樁成孔的一種重要施工方式，其鉆進(jìn)過(guò)程中的隨鉆參數(shù)與地層物性特征關(guān)聯(lián)性研究不僅可以作為施工操作時(shí)的依據(jù)，還可為嵌巖持力層的判定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將旋挖鉆機(jī)工作過(guò)程中的隨鉆參數(shù)進(jìn)行采樣分析，并建立基于相關(guān)直測(cè)參數(shù)與派生參數(shù)的理論表達(dá)式，提出多因素組合控制的地層比功數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)隨鉆參數(shù)判定地層物性特征的目的 [13]。因此，比功法是將地層地質(zhì)賦存條件與隨鉆參數(shù)如鉆進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)速度、鉆矩、鉆進(jìn)率、接觸面積等因素綜合考慮，是一種針對(duì)時(shí)時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中多因素綜合指標(biāo)的地層辨識(shí)方法。比功值作為體現(xiàn)巖土參數(shù)指標(biāo)的重要參量，根據(jù)曲線的時(shí)空演化規(guī)律初步判定地層物性特征的變化。因此，以旋挖施工過(guò)程中的地層比功曲線的變化趨勢(shì)即可識(shí)別不同地層且進(jìn)行持力層辨識(shí)，使得施工過(guò)程具有可控性，提高了施工效率并終孔深度確定的可靠性。

近年來(lái)，比功法作為工程師與科學(xué)家認(rèn)為較為合理的方法，實(shí)際應(yīng)用成果不多。劉寶林等[4]根據(jù)鉆孔深度的不同，將鉆柱孔壁環(huán)節(jié)作為主要的影響因素并從能量傳遞角度，提出了鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中的優(yōu)化原理。趙大軍等[5]就鉆機(jī)優(yōu)化鉆進(jìn)在施工過(guò)程中的鉆進(jìn)特點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究，提出了在鉆進(jìn)過(guò)程中的比功法的原理以及比功值范圍，并取得了豐碩的成果。

比功值作為識(shí)別地層的重要巖土參數(shù)，其不同地層的比功閾值區(qū)間的確定至關(guān)重要。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》可知，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)工程勘察試驗(yàn)的巖土力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析修正，可以將大樣本巖土參數(shù)結(jié)果直觀準(zhǔn)確簡(jiǎn)單有效的體現(xiàn)，且實(shí)際應(yīng)用中的可靠性高[68]。吳長(zhǎng)富等[9]歸納總結(jié)了現(xiàn)行規(guī)范巖土參數(shù)估計(jì)理論在勘察中的應(yīng)用，并指出巖土參數(shù)點(diǎn)估計(jì)與區(qū)間估計(jì)兩種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在實(shí)際勘察中存在的缺陷。黃一峰等[10]通過(guò)KS檢驗(yàn)法與經(jīng)典的概率分布函數(shù)做對(duì)比，為大樣本巖土參數(shù)概率分布推斷提供了新的途徑。卞世俊[11]提出采用不同方法降低標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)提高數(shù)理統(tǒng)計(jì)的精度，可以得到可靠度較高的巖土參數(shù)。張潤(rùn)明等[12]根據(jù)巖土體本身的特性認(rèn)為按照傳統(tǒng)的理論計(jì)算巖土參數(shù)的概率分布特征是不科學(xué)的，提出采取相關(guān)型參數(shù)區(qū)間估計(jì)方法。

鑒于巖土材料是地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)物，具有很強(qiáng)的空間變異性，但彼此間也有一定的相關(guān)聯(lián)性，因此，選取正確的數(shù)學(xué)模型，將復(fù)雜的巖土對(duì)象（即多個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系）聯(lián)系起來(lái)，然后轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)學(xué)描述十分關(guān)鍵[1315]。根據(jù)規(guī)范[6]可知，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)比功值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是可行的，其方法不僅僅可考慮巖土體及比功值的變異性與相關(guān)性，且能對(duì)變化的數(shù)據(jù)曲線給出合理的優(yōu)化區(qū)間[16]。在已有的研究基礎(chǔ)上，以重慶市江津某輸變電工程旋挖樁位隨鉆參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，用比功模型計(jì)算不同地層的比功值，用統(tǒng)計(jì)方法優(yōu)化上述比功值得到不同地層的比功閾值，與實(shí)際地勘信息對(duì)比，表明本文確定的地層特征是符合實(shí)際的，說(shuō)明閾值區(qū)間值是可靠的。并將該閾值用于非勘測(cè)孔樁位在旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中的地層辨識(shí)，進(jìn)一步驗(yàn)證了確定方法的可行性及閾值的合理性。

1工程簡(jiǎn)介

1.1工程概況

江津某輸變電工程場(chǎng)地原始地形屬剝蝕淺丘地貌及河流侵蝕溝谷地貌。場(chǎng)地類別屬中等復(fù)雜場(chǎng)地，巖土種類較多，較不均勻。平整場(chǎng)地后，在場(chǎng)地東南角及西北為填方地段，采用人工機(jī)械拋填并進(jìn)行強(qiáng)夯處理，填土厚度0～21.3 m，局部基巖出露，平場(chǎng)標(biāo)高約為303.0～305.0 m。

場(chǎng)地地層為內(nèi)陸河湖相沉積，巖土層劃分為：上覆第四系全新統(tǒng)素填土（Q4ml）、粉質(zhì)粘土（Q4dl+el），下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2S）泥巖與砂巖互層分布。基巖狀態(tài)分為強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化層巖體破碎～較破碎，質(zhì)較軟，結(jié)構(gòu)構(gòu)造欠清晰，中等風(fēng)化基巖巖體較完整，結(jié)構(gòu)構(gòu)造清晰，巖體為層狀結(jié)構(gòu)。

場(chǎng)地內(nèi)的所有旋挖樁采用中聯(lián)重科ZR220A施工，該鉆機(jī)參數(shù)配置合理，生產(chǎn)效率高，且有多種鉆桿選擇，匹配不同鉆具即可進(jìn)行不同類型巖土層如素填土層、粘土層、砂層、凍土層、卵石層和中風(fēng)化巖層等的旋挖作業(yè)，以滿足日益復(fù)雜的施工要求，具有廣泛的用途和很強(qiáng)的適應(yīng)性[17]。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2比功模型

為了進(jìn)行鉆進(jìn)過(guò)程中的地層識(shí)別，基于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得鉆進(jìn)直測(cè)參數(shù)（圖1），并推導(dǎo)派生參數(shù)（圖1）表達(dá)式，針對(duì)各參數(shù)的時(shí)空演化曲線分析鉆進(jìn)參數(shù)與地層物性特征的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)控制鉆進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)速度等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)鉆進(jìn)速度。因此，綜合考慮各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合旋挖施工場(chǎng)地的地層條件與鉆進(jìn)方法，建立考慮轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、鉆進(jìn)率、給進(jìn)力、鉆孔直徑等多因素綜合影響的數(shù)學(xué)模型，即為地層比功模型，如式（1）所示，可根據(jù)地層比功與鉆進(jìn)深度的變化趨勢(shì)來(lái)鑒別地層的變化特征。

e=F[]A+2π[]Anω[]u（1）

式中：e為比功；F為給進(jìn)力；A為鉆孔面積；n為轉(zhuǎn)速；ω為轉(zhuǎn)矩；u為機(jī)械鉆速。比功法綜合考慮了給進(jìn)力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、鉆進(jìn)率、鉆孔直徑等鉆進(jìn)主要參數(shù)，可較好地識(shí)別地層。

對(duì)此方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，將地層分為了3大類：土層、破碎松散層、巖層。由于上述3種地層的物性特征不同，鉆進(jìn)過(guò)程中的隨鉆參數(shù)及派生參數(shù)差異較大，計(jì)算表明其不同地層的比功值差異顯著，且范圍變化很大，地層區(qū)分較為模糊，比功閾值區(qū)間有待進(jìn)一步優(yōu)化。鑒于巖土體賦存環(huán)境的各向異性及力學(xué)參數(shù)的隨機(jī)性，不同地層的比功值閾值確定也需考慮如上影響因素，因此，本文提出基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的地層比功值閾值優(yōu)化，能對(duì)不同地層分界進(jìn)行準(zhǔn)確確定。

根據(jù)本依托工程地質(zhì)勘查情況，將施工場(chǎng)地旋挖樁所在地層劃分為素填土層，粉質(zhì)粘土層，砂巖層以及泥巖層。由于不同地層的比功值差異大，因此，基于挖鉆鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的直測(cè)參數(shù)以及多個(gè)派生參數(shù)推導(dǎo)而來(lái)的比功值（圖1）也將產(chǎn)生顯著變化，即上述4種地層的比功值隨著鉆進(jìn)過(guò)程不斷變化。對(duì)所有勘測(cè)孔附近的旋挖鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析并計(jì)算每個(gè)樁位鉆進(jìn)過(guò)程中的比功值，由于實(shí)際施工過(guò)程的不精準(zhǔn)性，對(duì)地勘信息完備的勘測(cè)孔附近樁位地層比功值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到保值率更高的地層比功閾值區(qū)間，更準(zhǔn)確進(jìn)行地層識(shí)別。

2比功值的統(tǒng)計(jì)分析方法及實(shí)施步驟

在現(xiàn)有的巖土參數(shù)的計(jì)算方法中，是在概率的分布和對(duì)數(shù)值進(jìn)行估算的情況下進(jìn)行的。對(duì)于某些未知參數(shù)如巖土力學(xué)參數(shù)，若想估計(jì)出一個(gè)滿足工程需要的參數(shù)范圍，并期望確定這個(gè)范圍包含未知參數(shù)真值的可信程度，這個(gè)范圍通常是以區(qū)間的形式給出，這種形式的估計(jì)稱為區(qū)間估計(jì)。區(qū)間估計(jì)是通過(guò)參數(shù)置信區(qū)間的置信度來(lái)衡量的。

根據(jù)巖土工程的實(shí)際情況和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，認(rèn)為巖土參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本量n<30屬于小樣本容量情況，反之，為大樣本容量情況。本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果均為大樣本情況，其分析方法如下。

確定樣本容量n后，需要確定分位點(diǎn)，即對(duì)于給出的置信水平1-α，來(lái)確定分位點(diǎn)。最后利用不等式變形得到未知參數(shù)的置信區(qū)間：x±ua[]2·σ[]n。相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)如下：

樣本均值：x=ni=0xi

樣本標(biāo)準(zhǔn)差：σ=ni=1（xi-x）2[]n-1

平均誤差：μx=σ[]n

置信上限：λ1=x-uα/2·σ[]n

置信下限：λ2=x+uα/2·σ[]n

計(jì)算完區(qū)間估計(jì)，將采取類似“3σ法則”來(lái)檢驗(yàn)此區(qū)間優(yōu)化方法的合理性，即另采集若干同類巖土層的不同比功值參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算該數(shù)據(jù)落在優(yōu)化后的區(qū)間的比例。

3勘測(cè)孔附近樁位的地層比功值統(tǒng)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

收集整理了該場(chǎng)地全部樁位旋挖鉆進(jìn)的隨鉆參數(shù)及計(jì)算的比功值。其中，勘測(cè)孔附近樁位共有10根：包括素填土層比功值數(shù)據(jù)182組，粉質(zhì)粘土層比功值數(shù)據(jù)46組，砂巖層比功值數(shù)據(jù)34組，泥巖層比功值數(shù)據(jù)49組。

3.2數(shù)據(jù)分析

由于不同樁位中等風(fēng)化基巖的天然、飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度具有變異性，相同巖土層的比功值分布概率考慮符合正態(tài)分布。獲得勘測(cè)孔附近樣本樁孔的地層結(jié)構(gòu)和相應(yīng)比功值后，對(duì)不同地層的比功值進(jìn)行分析，以確定保值率在95%時(shí)的比功置信區(qū)間。如下將對(duì)素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層以及泥巖層四類巖土層的比功值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

基于SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層以及泥巖層4類巖土層的比功值分別進(jìn)行分析，根據(jù)可用的有效數(shù)據(jù)的概率分布，相當(dāng)于找到一個(gè)合適的數(shù)組范圍來(lái)估算特定某場(chǎng)地巖土屬性[18]。其數(shù)據(jù)分布直方圖見(jiàn)圖2～5，分析結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，4種巖土層的比功值分布規(guī)律不盡相同，素填土層、粉質(zhì)粘土層及砂巖層的比功值分布規(guī)律均符合正態(tài)分布規(guī)律，而泥巖層比功值的分布規(guī)律符合偏正態(tài)分布規(guī)律，在大樣本數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，正態(tài)分布規(guī)律可以充分利用樣本自身所提供的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)隨鉆參數(shù)如給進(jìn)力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速度及鉆孔直徑等參數(shù)的時(shí)空演化曲線可知地層比功值與與巖土體的固有屬性關(guān)系密切。也即地層比功值是地層的固有屬性，是同一施工場(chǎng)地巖土層承載能力評(píng)價(jià)的特征值，可用來(lái)判定地層類型。通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合實(shí)際地看資料，得到4種地層——素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層以及泥巖層，各層所對(duì)應(yīng)的比功值閾值區(qū)間，對(duì)應(yīng)于保值率為95%時(shí)的保值優(yōu)化區(qū)間分別為4.83～29.17、31.86～49.78、51.57～70.73、72.79～15246 MPa。

4工程實(shí)例應(yīng)用

為驗(yàn)證如上地層比功閾值區(qū)間的合理性。現(xiàn)選取依托項(xiàng)目中一根靠近已知勘測(cè)線的樁構(gòu)架19#樁，該樁位于場(chǎng)地1-1勘測(cè)線上、ZY3勘測(cè)孔下方1.381 m處。根據(jù)已知勘測(cè)線的情況，推斷出19#樁在鉆深0～17.6 m時(shí)處于素填土層，17.6～188 m時(shí)處于粉質(zhì)粘土層，18.8～19.4 m時(shí)處于砂巖層，194 m以下時(shí)處于泥巖層。

統(tǒng)計(jì)該根樁比功值數(shù)據(jù)共有42組，比功值隨鉆深度的變化曲線如圖6所示。由圖可得，隨鉆深的變化，比功值呈現(xiàn)階梯形變化，即可得到樁身鉆深0～17.76、 17.76～18.84、18.84～19.2、19.2～201 m時(shí)的比功值范圍變化較大，與地勘資料中地層的變化是一致的。該根樁42組數(shù)據(jù)中，處于4種土層的優(yōu)化區(qū)間內(nèi)的百分比分別為100%、95%、100%、100%。因此，以比功值的變化來(lái)識(shí)別地層是可行的，并且，比功值區(qū)間的劃分也是合理符合實(shí)際的。

另外，對(duì)全部非勘測(cè)孔附近的68根樁位的比功值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：包括素填土層比功值796組，粉質(zhì)粘土層比功值208組，砂巖層比功值130組，泥巖層比功值138組?；谝延械牡貙颖裙﹂撝祬^(qū)間，對(duì)68根樁位比功值進(jìn)行再次統(tǒng)計(jì)分析，反饋分析該區(qū)間對(duì)未知區(qū)域地層識(shí)別的保值率，如表2所示，非勘測(cè)孔附近各土層比功值的保值率均在90%以上，表明統(tǒng)計(jì)方法優(yōu)化確定的閾值區(qū)間可靠性較高，對(duì)勘測(cè)孔較少的場(chǎng)地進(jìn)行其他樁位地層辨識(shí)是可行的。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)重慶某地區(qū)旋挖樁施工的全程監(jiān)測(cè)工況參數(shù)后處理得到的各土層比功值的統(tǒng)計(jì)分析，給出了素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層以及泥巖層4種土層的比功值保值率為95%的優(yōu)化區(qū)間，并結(jié)合工程中非勘測(cè)孔附近樁地層的反饋分析，說(shuō)明本文提出的地層比功閾值優(yōu)化統(tǒng)計(jì)方法是可行的。結(jié)論如下：

1） 統(tǒng)計(jì)結(jié)果源于重慶市地區(qū)實(shí)際工程實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相對(duì)于趙大軍等[5]的推薦值來(lái)說(shuō)，其結(jié)果在地層識(shí)別的工作中更具有區(qū)域代表性和區(qū)域適用性。

2） 地層比功值是對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中的地層特征進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)的重要參量，但不同地層的比功閾值區(qū)間確定是關(guān)鍵?；谔岢龅慕y(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了地層比功閾值區(qū)間的確定，并對(duì)非勘測(cè)孔附近地層比功值保值率進(jìn)行了反饋分析，其保值率均能保持在90%以上，說(shuō)明該方法用于復(fù)雜賦存環(huán)境中的地層辨識(shí)是可行的。

3）數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，主要針對(duì)本項(xiàng)目的四種地層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，鑒于其他賦存環(huán)境中的地層比功值隨機(jī)性及變異性，需對(duì)基于多種環(huán)境中多因素協(xié)同控制比功值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得更多符合實(shí)際的比功值分布模型，隨著資料的豐富和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，閾值優(yōu)化的統(tǒng)計(jì)分析還需進(jìn)一步完善。

4）雖然，主要采集的是重慶市具有代表性的巖土層，但對(duì)其他區(qū)域的不同巖層而言，采用比功模型及統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行閾值區(qū)間優(yōu)化并進(jìn)行地層識(shí)別仍是可行的。可見(jiàn)，對(duì)于重慶地區(qū)而言本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有一定的代表性和適用性，尤其是針對(duì)地層分布類似的土層，本文的結(jié)果可供參考使用。

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