基于可拓學(xué)理論對(duì)港區(qū)軟基處理的沉降分析

易為民

(中鐵十九局集團(tuán)公司，南寧 530012)

軟土地基在外部的荷載的作用下，沉降大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且易于變形，會(huì)對(duì)其上修建的港口碼頭產(chǎn)生很大的危害，在工程建設(shè)中難以滿足工程需求，因此必須進(jìn)行加固處理。而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)吹填造陸工程在沿海地區(qū)頻繁發(fā)生，如何保證軟土地基的穩(wěn)定是亟需解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，灰色理論在沉降預(yù)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了很大的發(fā)展。楊濤［1，2］等以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了雙曲線法和指數(shù)法的分級(jí)填筑路堤沉降預(yù)測(cè)模型，并將預(yù)測(cè)值與三點(diǎn)法、灰色理論模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，表明雙曲線法比指數(shù)法的預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際。劉松玉［3］等基于Asaoka 法，提出了采用荷載上一級(jí)的擬合曲線來(lái)推算下一級(jí)的參數(shù)，是一種新穎的沉降預(yù)測(cè)方法;王偉［4］等人基于Weibull模型預(yù)測(cè)了依托工程的沉降，并與實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比;也有采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而提出的沉降預(yù)測(cè)模型，但都存在參數(shù)的不確定性［5－7］。本文結(jié)合可拓學(xué)理論，綜合考慮了表層沉降、分層沉降、孔隙水壓力、地下水位、傾向變形五個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。并采用VB 語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)了相關(guān)程序，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程，驗(yàn)證理論與程序的正確性，有效提高了軟基加固工程的施工效率。在物元模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了港區(qū)軟基處理的沉降分析模型，形成了監(jiān)測(cè)體系和實(shí)時(shí)沉降分析;對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了指標(biāo)歸一化、無(wú)量綱化預(yù)處理?？朔嘶疑碚撃Ｐ秃蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)軟土地基進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)時(shí)遇到的隱層數(shù)和樣本數(shù)量難確定等問(wèn)題，實(shí)時(shí)采用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行沉降分析，具有全面性和實(shí)效性。

1 工程概況

1.1 場(chǎng)地位置

虎門(mén)沙田港區(qū)二期工程位于東莞市虎門(mén)沙田港區(qū)西大坦作業(yè)區(qū)，距離沙田鎮(zhèn)約8 公里，場(chǎng)址西側(cè)水域?yàn)橹榻{子洋水道，地理位置如圖1。該工程擬建設(shè)2 個(gè)3 萬(wàn)噸級(jí)多用途泊位，即7、8#泊位工程。工程結(jié)構(gòu)按5 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船型設(shè)計(jì)，碼頭采用重力式大沉箱結(jié)構(gòu)。二期工程碼頭岸線長(zhǎng)678m。碼頭后方作為集裝箱道路堆場(chǎng)，陸域縱深775m，總面積約48.4 萬(wàn)m2。在對(duì)陸域進(jìn)行吹填之前，場(chǎng)地內(nèi)主要為農(nóng)田和魚(yú)塘，地形地貌比較簡(jiǎn)單，高程一般0.5 ～2.0 米。

碼頭后方陸域形成采用水上吹填方式，其填料主要為原港池的泥沙。為了滿足后期使用荷載對(duì)地基承載力的要求，對(duì)吹填地基進(jìn)行了加固處理。整個(gè)加固區(qū)劃分為A、B、C 三個(gè)區(qū)域，如圖2。其中，A 區(qū)靠近碼頭，采用砂樁處理方案;B、C 區(qū)為后方堆場(chǎng)區(qū)，自西往東劃分為B 區(qū)(B1、B2、B3 和B4)、C 區(qū)(C1 和C2)，主要采用豎井排水固結(jié)法進(jìn)行處理。

圖1 場(chǎng)地地理位置Fig.1 Site location

圖2 場(chǎng)地分區(qū)Fig.2 Field partition

1.2 土層條件

表1 場(chǎng)地土層情況Tab.1 Site soil conditions

土層層號(hào) 地層名稱(chēng) 土層厚度 狀態(tài)描述 標(biāo)貫擊數(shù)N (擊)容許承載力值fa (kPa)⑤3 粉細(xì)砂 3.35 中密～密實(shí)31.6 210⑤4 粉質(zhì)粘土 1.83 可塑狀 7.5 100⑤5 淤泥質(zhì)土 3.69 軟塑～可塑 5.8 70⑤6 中細(xì)砂 2.11 松散～稍密 9.6 110⑥1 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖 1.25 堅(jiān)硬土狀 ＞50 450⑦1 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖 1.51 軟質(zhì)巖，強(qiáng)度高 / 800⑦2 中風(fēng)化含礫砂巖 未揭穿 軟質(zhì)巖，強(qiáng)度高/1000

在軟基處理前，對(duì)整個(gè)堆載區(qū)進(jìn)行了鉆孔取樣，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和十字板試驗(yàn)。根據(jù)鉆探揭示，場(chǎng)地土層自上而下可劃分為四大時(shí)代成因?qū)?(1)第四系近代堆積層:①1 耕土、①2 素填土;(2)第四系海陸交互相沉積層:②1 淤泥(混、間砂)、③1 粉細(xì)砂、③2 中粗砂、③3 淤泥質(zhì)土間砂、④1 淤泥～淤泥質(zhì)土、④2 粉質(zhì)粘土、④3 淤泥;(3)第四系陸相沖積沉積層:⑤1 中粗砂、⑤2 中粗砂、⑤3 粉細(xì)砂、⑤4 粉質(zhì)粘土、⑤5 淤泥質(zhì)土、⑤6 中細(xì)砂;(4)第三系砂巖及其風(fēng)化層:⑥1 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑥2 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，⑦1 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑦2 中風(fēng)化含礫砂巖。各土層平均厚度、狀態(tài)描述及其評(píng)價(jià)如表1 所示。

1.3 軟基處理

(1)吹填。先對(duì)堆場(chǎng)陸域進(jìn)行吹填，場(chǎng)地達(dá)到3.5m 高程后抽干堆載區(qū)的積水。

(2)鋪設(shè)水平排水系統(tǒng)。堆載區(qū)晾曬一段時(shí)間后，在其上部鋪設(shè)土工布和土工柵格。然后，用小管先吹填1.3m 厚、含泥量不大于10%的中細(xì)砂過(guò)渡墊層，接著鋪設(shè)0.7m、含泥量不大于5%的中粗砂墊層作為水平排水系統(tǒng)，墊層頂標(biāo)高為5.5m。

(3)設(shè)置豎向排水系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，塑料排水板采用B 型排水板，正方形布置，間距1m。排水板上端超出排水砂墊層20cm，下端穿透待加固土層，進(jìn)入下臥硬層(N 大于5 擊)50cm。根據(jù)實(shí)際施工情況，現(xiàn)場(chǎng)塑料排水板打設(shè)深度在16m 左右，如圖3。

圖3 塑料排水板打設(shè)Fig.3 Construction of PVD

(4)堆載預(yù)壓。堆載設(shè)計(jì)方案如下:堆載后堆場(chǎng)控制標(biāo)高為9.5m;預(yù)壓填土高度為4.0 米，分四級(jí)堆載;達(dá)到沉降控制要求后進(jìn)行卸載，卸載標(biāo)高4.5m，預(yù)留10cm 壓沉量。

1.4 監(jiān)測(cè)方式

本工程設(shè)計(jì)了以下觀測(cè)項(xiàng)目:測(cè)斜觀測(cè)、水位觀測(cè)、分層沉降觀測(cè)、表層沉降觀測(cè)、孔隙水壓力觀測(cè)和表層位移觀測(cè)，并在堆載之前和恒載60 天之后分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)和固定位置鉆孔取土的土工試驗(yàn)。

通過(guò)比較現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算分析軟基加固前后土工試驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，從加固后軟土層的液性指數(shù)、孔隙比、密度、含水量及壓縮模量的變化情況來(lái)判定虎門(mén)港碼頭工程的大面積吹填砂堆載預(yù)壓軟基處理效果顯著。

2 可拓學(xué)理論簡(jiǎn)介

可拓學(xué)［8，9］(extenics)是上世紀(jì)80 年代的一門(mén)新興學(xué)科，創(chuàng)始人為蔡文，該方法研究對(duì)象是現(xiàn)實(shí)世界中的矛盾問(wèn)題，主要研究?jī)?nèi)容采用物元模型處理矛盾問(wèn)題，其突出新穎研究方法是可拓方法論。

以有序三元組R= {N，C，v}作為描述事物的基本元，N 為給定對(duì)象的名稱(chēng);C 為事元的特征，v 為特征的量值，以矩陣表示為

式中:R 為n 維物元，簡(jiǎn)記為R=(N，C，v)。

當(dāng)Not為標(biāo)準(zhǔn)事物，本文標(biāo)準(zhǔn)事物為某軟土處理區(qū)的整體沉降結(jié)果，其關(guān)于特征ci量值范圍Voti= ＜aoti，boti＞時(shí)，經(jīng)典域表示為:

節(jié)域的物元矩陣表示為:

式中:Rot為經(jīng)典域物元，為軟基某一因素的監(jiān)測(cè)結(jié)果;Rp為節(jié)域物元，為軟基的整體固結(jié)程度;而Vpi= ＜api，bpi＞為節(jié)域物元關(guān)于特征ci的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大了的量值范圍。顯然有＜aoti，boti＞＜api，bpi＞(i=1，2，…，n)。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)情況對(duì)物質(zhì)單元Nj(j=1，2，…，m)的各種特征值做出評(píng)價(jià)，并將評(píng)分結(jié)果賦權(quán)重分析，最后可得待評(píng)物元。

其中，

式中:x0為數(shù)值，x(a，b)為區(qū)間，ktj(vti)為第j個(gè)物質(zhì)單元的第i 個(gè)特征關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)物元等級(jí)t 的關(guān)聯(lián)度。對(duì)于每個(gè)特征才ci取權(quán)系數(shù)wi，則某物質(zhì)單元Nj關(guān)于等級(jí)t 的關(guān)聯(lián)度ktj(Nj)為

則此物質(zhì)單元等級(jí)為t0。［10］

2.1 軟基擾動(dòng)評(píng)價(jià)模型建立

2.1.1 確定評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)工程規(guī)范，將軟土地基固結(jié)程度分為未固結(jié)、輕微固結(jié)、中等固結(jié)度、高固結(jié)度和極高固結(jié)度五個(gè)等級(jí)。接受值分別為0 ～0.2、0.2 ～0.4、0.4 ～0.6、0.6 ～0.8、0.8 ～1.0。

2.1.2 定性指標(biāo)量化處理

固結(jié)程度以可拓理論為依據(jù)，該理論也是基于區(qū)間的研究。固結(jié)程度取決于表層沉降、孔隙水壓力、分層沉降和地下水位四個(gè)因素。分別取上述四個(gè)因素，根據(jù)可拓法要求，為便于計(jì)算將非量化的因素作量化處理。評(píng)價(jià)標(biāo)尺可采用離散的語(yǔ)言值標(biāo)尺，如“1”代表好;也可采用連續(xù)的語(yǔ)言標(biāo)尺，每個(gè)評(píng)語(yǔ)占據(jù)的是標(biāo)尺中的一段，而不是1 個(gè)點(diǎn)。連續(xù)的評(píng)價(jià)標(biāo)尺相對(duì)離散的評(píng)價(jià)標(biāo)尺來(lái)說(shuō)，更能充分地表達(dá)專(zhuān)家的意見(jiàn)，鑒于此本方法采用連續(xù)的語(yǔ)言標(biāo)尺。

對(duì)于表層沉降情況:采用全站儀分別測(cè)試沉降盤(pán)每天前后的沉降量，設(shè)第一天的沉降量為B1，第二天的沉降量為B2，用日(周)前后沉降量ΔB=(B2－B1)/B1。顯然ΔB= 0 時(shí)，表示表層沉降變化量為0。(0 ～0.10)表示表層沉降極小;(0.11 ～0.35)表示表層沉降輕微;(0.36 ～0.65)表示表層沉降中度;(0.66 ～0.90)表示表層沉降較大;(0.91 ～1)表示表層沉降很大。

對(duì)于孔隙水壓力:孔隙水壓力使用振弦式孔隙水壓力計(jì)來(lái)量測(cè)。設(shè)第一天的孔隙水壓力為K1，第二天的孔隙水壓力為K2，用日(周)前后沉降量ΔK= (K2－K1)/K1。顯然ΔK=0 時(shí)，表示表層沉降變化量為0。(0 ～0.10)表示孔隙水壓力變化極小;(0.11 ～0.30)表示孔隙水壓力變化輕微;(0.31 ～0.60)表示孔隙水壓力變化中度;(0.61 ～0.90)表示孔隙水壓力變化較大;(0.91 ～1)表示孔隙水壓力變化很大。

對(duì)于分層沉降情況:分層沉降包括底環(huán)，(中環(huán))和頂環(huán)的沉降情況，而頂環(huán)沉降情況可由表層沉降反映，這兒采用底環(huán)沉降情況來(lái)表征分層沉降。設(shè)第一天的沉降量為F1，第二天的沉降量為F2，用日(周)前后沉降量ΔF= (F2－F1)/F1。顯然ΔF= 0 時(shí)，表示分層(底環(huán))沉降量為0。(0 ～0.10)表示分層沉降極小;(0.11 ～0.35)表示分層沉降輕微;(0.36 ～0.65)表示分層沉降中度;(0.66 ～0.90)表示分層沉降較大;(0.91 ～1)表示表層沉降很大。

對(duì)于地下水位:設(shè)第一天的地下水位為D1，第二天的地下水位為D2，用日(周)前后地下水位變化量ΔD= (D2－D1)/D1。顯然ΔD=0 時(shí)，表示地下水位變化量為0。(0 ～0.10)表示地下水位變化極小;(0.11～0.30)表示地下水位變化輕微;(0.31 ～0.60)表示地下水位變化中度;(0.61 ～0.90)表示地下水位變化較大;(0.91 ～1)表示地下水位變化很大。

表2 各評(píng)估因素水平分級(jí)Table.2 The horizontal rating evaluation factors

在對(duì)軟基固結(jié)沉降程度的打分評(píng)估過(guò)程，可讓現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員并邀請(qǐng)部分專(zhuān)家，分別對(duì)每一非量化指標(biāo)進(jìn)行打分。

2.2 擾動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化

首先對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量綱一的量化處理，［11，12］使不同評(píng)價(jià)指標(biāo)具有可比性。處理方法如下:

對(duì)于指標(biāo)c1因其對(duì)軟基固結(jié)沉降評(píng)估的作用是數(shù)值越大固結(jié)程度影響越大，所以，其處理方法是c'ti= (cti－)/(－)，(i=1);而對(duì)于指標(biāo)C2，C3和C4，因其對(duì)軟基固結(jié)沉降評(píng)估的作用是數(shù)值越小固結(jié)程度影響越小，對(duì)應(yīng)處理方法是c'ti=－ cti)/(－)(其中，i =2，3，4)。處理后的各指標(biāo)等級(jí)范圍如表3 所示。

以依托工程B2 區(qū)為例:△B 為0.62，圍巖自穩(wěn)性好，巖體結(jié)構(gòu)面完整居多，破碎塊體較少。對(duì)應(yīng)的量綱化后數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 軟基固結(jié)沉降評(píng)估指標(biāo)歸一化處理Table.3 Normalized standard of classification about disturbed tunnel

2.2.1 軟基固結(jié)沉降評(píng)估的物元

由可拓理論得軟基固結(jié)沉降評(píng)估的經(jīng)典域和節(jié)域如下:

其中:j=1，2，3，4。當(dāng)t =1 時(shí)，c1，c2，c3和c4的量值范圍 ＜a11，b11＞，＜a21，b21＞，＜a31，b31＞，＜a41，b41＞分別?。?，0.09 ＞，＜0，0.17 ＞，＜0，0.15 ＞，＜0，0.20 ＞。即:

依此類(lèi)推，可得t =2，3，4 時(shí)對(duì)應(yīng)的量值范圍，請(qǐng)若干專(zhuān)家得到待評(píng)價(jià)沉降段的同征物元為Rj。

2.2.2 用熵權(quán)法確定權(quán)系數(shù)

軟基固結(jié)沉降程度用熵權(quán)法相對(duì)AHP 法等，兼顧模糊性的同時(shí)，精度較高。計(jì)算步驟如下:

(1)原始數(shù)據(jù)的歸一化。評(píng)價(jià)軟基固結(jié)沉降程度分m 級(jí)，每級(jí)被評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)有n 個(gè)，得到原始矩陣A= (aij)m×n。歸一化后可得矩陣R:

(2)定義熵。由傳統(tǒng)的熵概念來(lái)定義各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵:

(3)定義熵權(quán)。計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)w

根據(jù)熵權(quán)法，可得權(quán)系數(shù)為:

2.2.3 計(jì)算待評(píng)物元的關(guān)聯(lián)度

根據(jù)可拓學(xué)，得到待評(píng)軟基固結(jié)沉降評(píng)估的各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。計(jì)算結(jié)果如下:

2.3 軟基固結(jié)沉降可拓評(píng)估結(jié)果與分析

根據(jù)式ktj(Nj)= ∑wiktj(vi)，可以計(jì)算得到軟基固結(jié)沉降關(guān)于等級(jí)的關(guān)聯(lián)度:

3 VB 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

以EXCEL 的表單環(huán)境為平臺(tái)，聯(lián)合使用VBA編寫(xiě)了基于可拓理論的實(shí)用軟基沉降分析程序settlement 1.0。該程序?qū)?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(監(jiān)測(cè)軟基沉降的沉降數(shù)據(jù))與軟基沉降分析(計(jì)算軟基沉降的固結(jié)程度)劃分為相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算模塊。通過(guò)這種方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和軟基沉降分析并行建模，使沉降情況處于何種程度一目了然，簡(jiǎn)單易判斷。用戶可將實(shí)時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)輸入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模塊，運(yùn)行程序后便可得到軟基是否達(dá)到卸荷要求。

表4 采用settlement 1.0 對(duì)虎門(mén)港區(qū)二期工程的沉降分析結(jié)果Table.4 The settlement of Humen Harbor using software settlement 1.0

港區(qū)位置 時(shí)間 軟件顯示該區(qū)的固結(jié)程度t 是否卸載2013－7－17 3否2013－7－23 4 否2013－7－29 4 否2013－8－04 5 否2013－8－09 5是

4 結(jié)論

(1)虎門(mén)沙田港區(qū)二期工程B2 區(qū)軟基為中等固結(jié)程度，不能卸載;

(2)基于可拓學(xué)理論的物元模型基礎(chǔ)上，以表層沉降、分層沉降、孔隙水壓力、地下水位和傾向變形五個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為指標(biāo)，構(gòu)建了港區(qū)軟基處理的監(jiān)測(cè)體系和實(shí)時(shí)沉降分析;

(3)采用VB 語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)了相關(guān)程序，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程，驗(yàn)證理論與程序的正確性，有效提高了軟基加固工程的施工效率?？朔藗鹘y(tǒng)理論模型對(duì)軟土地基進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)時(shí)遇到的隱層數(shù)和樣本數(shù)量難確定等問(wèn)題，實(shí)時(shí)采用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行沉降分析，具有全面性和實(shí)效性。

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