劉 賀,張弘強(qiáng),劉 斌
1.吉林大學(xué)交通學(xué)院,長(zhǎng)春 130022
2.吉林農(nóng)業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 四平 136001
3.遼寧城建設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧 撫順 113008
隨著地下空間的不斷開(kāi)發(fā),深基坑工程呈現(xiàn)出規(guī)模不斷擴(kuò)大、深度不斷加深的發(fā)展趨勢(shì),因此,確?;邮┕ぐ踩蔀樯罨庸こ痰氖滓蝿?wù)。深基坑工程的變形不僅涉及土的力學(xué)特性,還受到土與結(jié)構(gòu)相互作用、地下水位和環(huán)境溫度等因素的影響,開(kāi)挖過(guò)程其變形具有明顯的時(shí)間和空間效應(yīng)。所以,深基坑安全施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。深基坑變形預(yù)測(cè)是確保深基坑施工安全的一項(xiàng)重要措施,在施工方案調(diào)整和施工風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避等方面具有重要的實(shí)用價(jià)值[1]。
針對(duì)深基坑變形預(yù)測(cè)方法,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者展開(kāi)了相應(yīng)的研究,將數(shù)值模擬方法應(yīng)用到基坑變形預(yù)測(cè)中[2-4]。該方法的基本思想是建立基坑有限元分析模型,在有限元分析模型中輸入計(jì)算參數(shù),對(duì)基坑的變形進(jìn)行計(jì)算。由于深基坑工程是一個(gè)動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性過(guò)程,加上內(nèi)部和外部參數(shù)的不確定性,導(dǎo)致有限元模型的輸入?yún)?shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算。
由于數(shù)值模擬方法難以對(duì)基坑變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),系統(tǒng)分析方法在基坑變形預(yù)測(cè)中得以廣泛應(yīng)用。常用的基坑變形預(yù)測(cè)系統(tǒng)分析方法主要包括時(shí)間序列分析[5]、灰色系統(tǒng)理論[6]、模擬退火算法[7]、遺傳算法[8-9]以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論[10-11]等。 其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論具有較強(qiáng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力,對(duì)于高度復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題具有良好的模擬能力,能較好地模擬基坑變形的發(fā)展規(guī)律。針對(duì)復(fù)雜多因素影響系統(tǒng),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠克服其他系統(tǒng)分析方法的不足,建立準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)基坑變形預(yù)測(cè)。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法存在對(duì)初始權(quán)值和閥值較為敏感、容易陷入局部極小值和收斂速度慢等缺點(diǎn)。利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,能夠改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能,提高深基坑變形預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[12]。
粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization,PSO)是由J.Kennedy和R.C.Eberhart[13]根據(jù)鳥(niǎo)群覓食過(guò)程中的遷徙和聚集現(xiàn)象提出的一種基于群體智能原理的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化算法。它采用種群的全局搜索策略和簡(jiǎn)單位移-速度模式在解空間搜索最優(yōu)解;通過(guò)粒子的不斷更新,完成解空間的動(dòng)態(tài)全面搜索[14];采用粒子群優(yōu)化算法改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)粒子迭代求出全局優(yōu)化初始權(quán)值和閾值,應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可以提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能[15]。
筆者采用粒子群算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的閥值和初始權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化,建立了基坑變形預(yù)測(cè)模型,提出了深基坑變形預(yù)測(cè)方法。將前期實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù),對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)雍罄m(xù)變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
三層BP網(wǎng)絡(luò)能夠模擬復(fù)雜非線(xiàn)性的輸入輸出關(guān)系[16]。筆者采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基坑變形預(yù)測(cè)模型進(jìn)行基坑變形預(yù)測(cè)。采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由輸入層、隱含層和輸出層組成。
1.1.1 輸入層設(shè)計(jì)
基坑的變形受開(kāi)挖形式、開(kāi)挖深度、地下水位以及土壓力等眾多因素的影響。隨著基坑的開(kāi)挖,變形是一個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程,具有極強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)。把影響因素直接作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入變量,難以對(duì)基坑變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。綜合考慮各因素對(duì)變形的影響,把前期實(shí)測(cè)變形值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入變量,預(yù)測(cè)基坑后續(xù)變形值。
1.1.2 隱含層設(shè)計(jì)
確定隱含層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是隱含層設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)過(guò)多,會(huì)降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的泛化能力,增加樣本訓(xùn)練時(shí)間;節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)過(guò)少,則會(huì)降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法獲取訓(xùn)練樣本有效信息的能力。筆者采用公式(1)對(duì)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算,確定隱含層由10個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,即
式中:a為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù);b為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù);l為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)。
1.1.3 輸出層設(shè)計(jì)
Pureline函數(shù)是一個(gè)線(xiàn)性函數(shù),函數(shù)形式如圖1所示。筆者采用Pureline函數(shù)作為輸出層的傳遞函數(shù),能夠使輸出層對(duì)輸出值具有較好的敏感性。
圖1 Pureline函數(shù)曲線(xiàn)Fig.1 Pureline function curve
粒子群優(yōu)化算法[14]的基本思想為M個(gè)無(wú)質(zhì)量、無(wú)體積的粒子構(gòu)成一個(gè)粒子群,在D維搜索空間內(nèi)以一定速度飛行,尋找全局最優(yōu)解,飛行位置和速度分別由位置向量和速度向量確定。粒子在每一時(shí)刻跟蹤2個(gè)極值運(yùn)動(dòng),一個(gè)是粒子群的全局最優(yōu)位置,另一個(gè)是粒子自身最優(yōu)位置。
粒子群優(yōu)化算法通過(guò)迭代搜尋每個(gè)粒子的當(dāng)前最優(yōu)解,采用適應(yīng)度函數(shù)評(píng)價(jià)解的優(yōu)劣程度,比較粒子的適應(yīng)度函數(shù)值,確定全局最優(yōu)解。
粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中,粒子的個(gè)體極值點(diǎn)和全局最優(yōu)極值點(diǎn)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中權(quán)值和閾值的優(yōu)化終止條件都是基于粒子的適應(yīng)度來(lái)確定的。粒子的適應(yīng)度函數(shù)為
式中:Yi,j為第i個(gè)樣本的第j個(gè)理想輸出值;yi,j為第i個(gè)樣本的第j個(gè)實(shí)際輸出值;n為樣本數(shù);m=1,2,…,M,M為粒子種群規(guī)模,即粒子數(shù)。
將粒子群優(yōu)化算法的誤差要求作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法閾值和權(quán)值的優(yōu)化終止條件,誤差采用下式進(jìn)行計(jì)算:
粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的流程如下:
1)確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
2)初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值。
3)建立粒子群與權(quán)值和閾值的關(guān)系,對(duì)粒子群進(jìn)行初始化。
4)將基坑前期實(shí)測(cè)變形值作為輸入值,進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,通過(guò)式(4)、(5)計(jì)算適應(yīng)度,對(duì)適應(yīng)度進(jìn)行比較和評(píng)價(jià),按式(2)、(3)更新每個(gè)粒子的位置和速度。
5)通過(guò)式(6)計(jì)算粒子群優(yōu)化算法的誤差。如果誤差滿(mǎn)足要求,則終止優(yōu)化,輸出權(quán)值和閾值優(yōu)化結(jié)果;若誤差不滿(mǎn)足要求,則繼續(xù)優(yōu)化,重復(fù)步驟4),直到誤差滿(mǎn)足要求。
6)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中,采用優(yōu)化后的權(quán)值和閾值進(jìn)行樣本訓(xùn)練,形成基坑變形預(yù)測(cè)模型。
7)根據(jù)已有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)測(cè)點(diǎn)即將發(fā)生的變形。
選取長(zhǎng)春市火車(chē)站綜合交通換乘中心北廣場(chǎng)為實(shí)體工程?;?xùn)|西方向長(zhǎng)550m,南北方向?qū)?50 m;深度為7.45~14.00m,采用明挖施工形式。由于基坑?xùn)|側(cè)較淺,采用兩級(jí)放坡開(kāi)挖,網(wǎng)噴混凝土護(hù)面對(duì)土質(zhì)邊坡進(jìn)行防護(hù)。其余3面開(kāi)挖深度較深,采用1級(jí)放坡開(kāi)挖,坡率為1∶1。同時(shí)采用鉆孔灌注樁和網(wǎng)噴混凝土護(hù)面進(jìn)行防護(hù),圍護(hù)樁徑1.0m,中心間距1.2m??辈旖Y(jié)果表明,擬建場(chǎng)地地層沉積具有一定的規(guī)律性,場(chǎng)地地層主要由三部分組成:地表一般分布有道路結(jié)構(gòu)層和人工堆積雜填土層,厚度為1.00~4.20m;中間部分為第四系沖擊黏性土和沖洪積砂土,由粉質(zhì)黏土、黏土和粗砂組成,其中粉質(zhì)黏土的厚度為5.1~21.8m,黏土厚度為5.20~10.80m,粗砂厚度為0.70~4.00m;最下層為白堊紀(jì)泥巖。
對(duì)整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的基坑變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè),在基坑周?chē)膊荚O(shè)34個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn)和32個(gè)地面沉降測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示(其中H表示水平位移測(cè)點(diǎn),V表示地面沉降測(cè)點(diǎn))。由于在基坑監(jiān)測(cè)過(guò)程中實(shí)際的測(cè)點(diǎn)數(shù)較多,為了驗(yàn)證本文方法的有效性,只對(duì)8號(hào)水平位移測(cè)點(diǎn)H8和9號(hào)地面沉降測(cè)點(diǎn)V9的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。這兩個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑長(zhǎng)度的中點(diǎn),即深度最深的位置。
圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Layout of deformation measuring point
利用前15次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造訓(xùn)練樣本。指定測(cè)點(diǎn)的某次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輸出,測(cè)點(diǎn)之前的6次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入,則該測(cè)點(diǎn)的6次輸入數(shù)據(jù)和1次輸出數(shù)據(jù)構(gòu)成了1組訓(xùn)練樣本。利用前15次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共構(gòu)建了10組訓(xùn)練樣本。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有6個(gè)輸入變量和1個(gè)輸出變量,隱含層具有10個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)連接權(quán)值和閾值的個(gè)數(shù),確定粒子群的規(guī)模為20。
利用粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法對(duì)8號(hào)水平位移測(cè)點(diǎn)和9號(hào)地面沉降點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測(cè),并利用均方根誤差(RMSE)和平均百分比誤差(MAPE)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià):
式中:ti為第i個(gè)實(shí)測(cè)值;oi為第i個(gè)預(yù)測(cè)值;n為數(shù)據(jù)數(shù)。
8號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平位移預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示,9號(hào)地面沉降點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示。
圖3 8號(hào)水平位移測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.3 Prediction result of No.8horizontal displacement measuring point
圖4 9號(hào)地面沉降點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.4 Prediction result of No.9land subsidence point
由預(yù)測(cè)結(jié)果可知:1)8號(hào)水平位移測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果的RMSE=3.78%,MAPE=5.48%;9號(hào)地面沉降點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果的RMSE=5.62%,MAPE=3.23%。一般來(lái)說(shuō),在基坑監(jiān)測(cè)過(guò)程中,變形監(jiān)測(cè)的誤差小于8%即可,本文預(yù)測(cè)誤差均小于該誤差限值,這說(shuō)明本文提出的方法可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形。2)8號(hào)水平位移測(cè)點(diǎn)和9號(hào)地面沉降點(diǎn)的變化趨勢(shì)不一致,這是由于2個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)時(shí)間不同導(dǎo)致的,根據(jù)施工進(jìn)度,9號(hào)地面沉降點(diǎn)的布置及觀(guān)測(cè)時(shí)間要比8號(hào)水平位移測(cè)點(diǎn)早3個(gè)月左右。
1)針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在變形預(yù)測(cè)中存在的問(wèn)題,采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而形成了基于粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的深基坑變形預(yù)測(cè)方法。該方法僅利用前期的實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)同一測(cè)點(diǎn)的后續(xù)變形值。實(shí)際應(yīng)用表明,變形預(yù)測(cè)誤差均小于6%,滿(mǎn)足基坑變形監(jiān)測(cè)的要求,說(shuō)明本方法在深基坑開(kāi)挖的變形預(yù)測(cè)中可得到有效應(yīng)用。
2)基坑變形是評(píng)價(jià)基坑開(kāi)挖過(guò)程中安全性的一個(gè)重要參數(shù),本方法可以預(yù)測(cè)出一個(gè)較為準(zhǔn)確的理論參考值,在基坑監(jiān)測(cè)中可以把變形實(shí)測(cè)值與該理論參考值進(jìn)行比較來(lái)評(píng)價(jià)基坑的安全性。本研究為同類(lèi)工程的變形監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)提供了一種不同的思路。
在部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真或誤差過(guò)大的情況下,該方法如何給出一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)值,還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究,以便提高該方法的實(shí)用性。
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