灌注樁承載力的Usher與灰色理論預(yù)測(cè)模型研究★

詹 鵬 王少東 方光秀*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

灌注樁承載力的Usher與灰色理論預(yù)測(cè)模型研究★

詹 鵬 王少東 方光秀*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

采用灰色理論GM(1,1)模型和Usher曲線模型預(yù)測(cè)了單樁的極限承載力，指出其模型具有合理性和精確性，并運(yùn)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型算法，通過工程實(shí)例分析表明：灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)原始數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)較精確；Usher模型對(duì)樁極限承載力的預(yù)測(cè)具有較高的精度。

鉆孔灌注樁，極限承載力，灰色預(yù)測(cè)模型，Usher曲線模型，預(yù)測(cè)

0 引言

鉆孔灌注樁由于對(duì)周圍環(huán)境沒有振動(dòng)、擠土效應(yīng)，又具有單樁承載力高、對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但不同地區(qū)不同的地質(zhì)條件，不同的施工工藝而導(dǎo)致規(guī)范推薦的鉆孔灌注樁單樁承載力估算公式的計(jì)算參數(shù)適用性降低，實(shí)驗(yàn)證明規(guī)范推薦值和地質(zhì)報(bào)告值過于保守[2]?；疑到y(tǒng)理論是我國(guó)著名控制論專家鄧聚龍教授于1982年創(chuàng)立的。它是基于小部分已知信息或部分未知信息的小樣本研究，并對(duì)已知部分信息的采集和開發(fā)，從中提取有用的信息，最終能夠有效控制系統(tǒng)運(yùn)行行為和正確認(rèn)識(shí)與描述事物演化規(guī)律的理論[3]。Usher曲線是用來描述增長(zhǎng)信息隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型(S型曲線)，由美國(guó)學(xué)者Usher提名而得名[4]。如何在土木工程領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大該曲線模型的適用范圍，提高其適應(yīng)能力，就成為一個(gè)值得研究的問題?；诨疑到y(tǒng)理論、Usher曲線來擬合鉆孔灌注樁的單樁豎向極限承載力隨沉降的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)單樁的極限承載力值，具有重要的實(shí)用價(jià)值。本文結(jié)合文獻(xiàn)[5]的凌海陳家風(fēng)電場(chǎng)工程的S2,S3樁荷載值和沉降值，利用灰色系統(tǒng)理論、Usher權(quán)限來預(yù)測(cè)鉆孔灌注樁單樁豎向極限承載力，并驗(yàn)證其模型的精度，供類似工程借鑒。

1 灰色預(yù)測(cè)模型的建立

1.1 非等步長(zhǎng)G(1,1)模型建立

灰色預(yù)測(cè)模型(Grey Model)為一階微分方程且只有一個(gè)自變量，記為GM(1,1)模型。對(duì)于樁荷載與沉降的關(guān)系，由于只有一個(gè)自變量，故可采用灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)[3]。

通過單樁靜載試驗(yàn)，將荷載實(shí)測(cè)值作為一定范圍的灰變量，把沉降看做廣義時(shí)間上的數(shù)值，則可得到根據(jù)荷載序列建立的GM(1,1)白化模型。GM(1,1)灰微分方程[6]為：

x(0)(k)+a×z(1)(k)=b。

基于以上微分方程，建立與靜載荷試驗(yàn)Q(i)和所對(duì)應(yīng)的沉降值S(i)有關(guān)的微分方程。

荷載原始值及對(duì)應(yīng)的沉降為：

做一次累減成：

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論的建模方法，可建立一階線性動(dòng)態(tài)微分方程，記為GM(1,1)模型：

(1)

其中,a為發(fā)展系數(shù),mm-1；b為灰作用量,kN/mm。

由最小二乘法，可以求得:

[a,b]T=(DTD)-1DTY。

其中：

從中解微分方程可得：

(2)

(3)

式(2)，式(3)即為Q—S曲線的灰色模型公式。

最終非等步長(zhǎng)GM(1,1)的單樁極限承載力為：

(4)

1.2 灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型群

用原始序列之荷載—沉降序列建立的GM(1,1)模型為全數(shù)據(jù)GM(1,1)模型。

灰色系統(tǒng)在發(fā)展過程中會(huì)有一些不可避免的因素進(jìn)入系統(tǒng)，影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。所以必須考慮隨時(shí)間的推移進(jìn)入的新信息，同時(shí)將老信息剔除。因此，從預(yù)測(cè)角度來看，新陳代謝信息GM(1,1)模型是最理想的模型。

2 灰色預(yù)測(cè)模型的精度檢驗(yàn)

在原有GM(1,1)模型下建立殘差序列，對(duì)殘差序列進(jìn)行灰預(yù)測(cè)，最終預(yù)測(cè)由GM(1,1)和殘差GM(1,1)兩部分組成。由此建立高精度GM(1,1)灰色預(yù)測(cè)模型，即帶殘差的非等步長(zhǎng)GM(1,1)單樁極限承載力預(yù)測(cè)模型。

C++是Microsoft公司開發(fā)的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言。其是C語言、C++語言的進(jìn)一步優(yōu)化，具有現(xiàn)代化、安全、面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，利用C++編寫代碼，可以自動(dòng)生成訪問CLR服務(wù)的托管代碼。

后驗(yàn)差比值為：

(5)

小誤差概率：

(6)

根據(jù)C和T兩個(gè)指標(biāo)，可綜合評(píng)定預(yù)測(cè)模型的精度，指標(biāo)C越小越好，C越小表示R2大而R1越小，R2越大表示原始數(shù)據(jù)(荷載)方差大，即原始數(shù)據(jù)離散程度大，R1小表示殘差方差小，即殘差離散程度小，C小就表明盡管原始數(shù)據(jù)很離散，而模型所得計(jì)算值與實(shí)際值之差并不太離散。指標(biāo)T越大越好，T越大，表明殘差與殘差平均值之差小于給定值0.674 5R1的點(diǎn)較多，即擬合值(預(yù)測(cè)值)分布比較均勻。一般將模型的精度分為四級(jí)，如表1所示。如果不合格，則根據(jù)式(5)建立殘差GM(1,1)模型，將殘差的預(yù)測(cè)值加到原來的預(yù)測(cè)值上。

表1 預(yù)測(cè)精度表

最終帶殘差的非等步長(zhǎng)GM(1,1)的單樁極限承載力模型為：

(7)

其中，a為發(fā)展系數(shù)；b為灰作用量；aε為殘差發(fā)展系數(shù)；bε為殘差灰作用量。

3 Usher曲線模型預(yù)測(cè)

Usher曲線模型不但在生物領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且現(xiàn)在土建領(lǐng)域預(yù)測(cè)模型中開始逐步應(yīng)用[7]。Usher曲線的微分方程：

其中，y為模型函數(shù)；a為增長(zhǎng)速度因子；b為形狀因子；ym為極限值。

(8)

由于樁的荷載—沉降關(guān)系也屬于增長(zhǎng)類曲線，故可設(shè)樁頂荷載Q為因變量,樁頂沉降S看作廣義時(shí)間,Qu作為y的極限值，可得：

(9)

其中，a，b，c，Qu均為模型參數(shù)，根據(jù)樁的靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合的方法，一并確定。

4 工程實(shí)例分析

采用文獻(xiàn)[5]的凌海陳家風(fēng)電場(chǎng)工程的S2,S3樁荷載值和沉降值，選用樁長(zhǎng)17 m,20 m，樁徑800 mm的鉆孔灌注樁。

根據(jù)工程實(shí)踐，單純求樁的極限承載力沒有實(shí)際意義，按照GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)陡降段明顯時(shí)，單樁豎向極限承載力取相應(yīng)于陡降段起點(diǎn)的荷載值[8]。因此，均取陡降段明顯時(shí)陡降段起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值為單樁豎向極限荷載。

運(yùn)用上述公式，建立S2樁,S3樁的全數(shù)據(jù)GM(1,1)模型和Usher模型，并通過MATLAB 2010軟件進(jìn)行模擬和計(jì)算，由計(jì)算出的后驗(yàn)差比值、小誤差概率，評(píng)定該灰色模型的精度，且驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型是否合格、是否滿足工程要求。

表2 鉆孔灌注樁靜載荷資料

鉆孔灌注樁靜載荷與沉降值，如表2所示。

S2樁三種灰色模型比較，如表3所示。

表3 S2樁三種灰色模型比較

S2樁Usher曲線模型的預(yù)測(cè)值、實(shí)測(cè)值、計(jì)算值，如表4所示。

表4 S2樁Usher曲線模型

S3樁三種灰色模型的預(yù)測(cè)值、實(shí)測(cè)值、計(jì)算值比較，如表5所示。

S3樁Usher曲線模型的預(yù)測(cè)值、實(shí)測(cè)值、計(jì)算值，如表6所示。

從表3～表6可知，經(jīng)三種灰色模型預(yù)測(cè)，S2，S3樁的相對(duì)誤差沒有超過5%，根據(jù)后驗(yàn)差比值C和小誤差概率T，通過查表1得出，預(yù)測(cè)極限承載力的精度等級(jí)為好。

表5 S3樁三種灰色模型比較

表6 S3樁Usher曲線模型

經(jīng)Usher曲線模型預(yù)測(cè)，S2樁的相對(duì)誤差沒有超過2.19%，S3樁相對(duì)誤差沒有超過3.56%，預(yù)測(cè)精度高。S2樁各預(yù)測(cè)模型圖像，如圖1所示；S3樁各預(yù)測(cè)模型圖像如圖2所示。

從圖1和圖2可知，實(shí)測(cè)Q—S值作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)列計(jì)算得到的單樁極限承載力預(yù)測(cè)值與極限承載力實(shí)測(cè)值基本相同，二者吻合較好。

5 結(jié)語

1)非等步長(zhǎng)GM(1，1)模型預(yù)測(cè)單樁極限承載力的精度與豎向靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)級(jí)數(shù)有密切關(guān)系。

2)通過設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，可知現(xiàn)行規(guī)范對(duì)鉆孔灌注樁的承載力計(jì)算比較保守，建議該地區(qū)在規(guī)范的設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上乘以1.1～1.15的系數(shù)。

3)根據(jù)工程實(shí)例分析，新陳代謝GM(1,1)模型比全數(shù)據(jù)GM(1,1)、新信息GM(1,1)模型預(yù)測(cè)精度更高。Usher模型對(duì)樁極限承載力的預(yù)測(cè)效果比灰色理論模型要好，特別是在曲線的尾部。基于該模型樁頂極限荷載預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差絕對(duì)值平均為2.88%，具有較高的精度。

[1] 楊位光.地基及基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

[2] 王 華,李連營(yíng),孫云文.估算鉆孔灌注樁單樁豎向承載力有關(guān)問題探討[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(2):15-21.

[3] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1988.

[4] 蔣建平.樁極限承載力的Usher模型預(yù)測(cè)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9)：11-15.

[5] 剛紹壯.大直徑鉆孔灌注樁承載特性分析[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2012：38-51.

[6] 鄧聚龍.灰預(yù)測(cè)與灰決策[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002.

[7] SIEW-Ann Tan.Hyperbolic method for settlement in clays with vertical drains[J].Geotech J,1994,31(1):125-131.

[8] GB 50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Study on prediction model of Usher curve and grey theory of the pile vertical ultimate bearing capacity★

ZHAN Peng WANG Shao-dong FANG Guang-xiu*

(CollegeofEngineeringYanbianUniversity,Yanji133002,China)

Use grey theory GM(1,1)model and Usher curve model to predict ultimate bearing capacity of single pile, points out the model is reasonable and accurate. MATLAB software to realize predictive model algorithm, and by analyzing engineering instance, indicate: grey prediction model to the original data more accurate， Usher model has higher accuracy for the forecast of ultimate bearing capacity of pile.

cast-in-place pile, ultimate bearing capacity, grey forecasting model, Usher curve model, predict

1009-6825(2014)11-0067-03

2014-01-21★：延大科技發(fā)展基金資助金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013-G)

詹 鵬(1989- ),男,在讀碩士； 王少東(1991- )，男，在讀碩士； 方光秀(1967- ),男,博士,副教授

TU473.4

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