基于Hopfield網(wǎng)絡(luò)的水利工程軟土地基處理技術(shù)對(duì)比研究

李易達(dá)

(渤海工程項(xiàng)目管理有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 研究背景

軟土是指由黏土和粉土等細(xì)微顆粒含量多的松軟土、孔隙大的有機(jī)質(zhì)土、泥炭以及松散砂等土層構(gòu)成的土體，一般分布于沿海、大江大河沖積平原以及湖泊沉積地區(qū)等，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性小、水穩(wěn)定性等典型特征[1]。天然的軟土一般無法達(dá)到水工建筑結(jié)構(gòu)物所要求的地基標(biāo)準(zhǔn)，因此在實(shí)際水利工程中，常要對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，否則可對(duì)整個(gè)水利設(shè)施的施工質(zhì)量與使用安全性造成嚴(yán)重影響。地基的處理是保證水利工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[2]，因此軟土地基處理技術(shù)一直是水利工程界的研究熱點(diǎn)。軟土地基處理可采用換土法、排水固結(jié)法、振動(dòng)水沖法[3]等許多不同的技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而各項(xiàng)技術(shù)的選擇一直是軟土地基處理領(lǐng)域的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的軟土地基處理技術(shù)選擇一般是基于專家判斷法，該方法較為簡(jiǎn)單直接、成本低廉，但主觀性較強(qiáng)；較為先進(jìn)的評(píng)價(jià)方法包括熵權(quán)法[4]、層次分析法[5]、模糊評(píng)價(jià)法[6]等，此類方法可以提升決策過程中的客觀化程度，但評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇或指標(biāo)權(quán)重的確定存在較大的不確定性；因此有必要繼續(xù)探索有效的決策方法。文章提出基于Hopfield網(wǎng)絡(luò)的水利工程軟土地基處理技術(shù)對(duì)比方法，并以排水固結(jié)法、化學(xué)固結(jié)法和人工材料加筋加固法3種水利工程中常用的軟土地基處理技術(shù)為例對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，分別采用6種不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)不同處理?xiàng)l件下的地基最終沉降值進(jìn)行模擬，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，證明Hopfield網(wǎng)絡(luò)的模擬效果最佳，再設(shè)計(jì)并運(yùn)行Hopfield網(wǎng)絡(luò)模擬試驗(yàn)并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)3種軟土地基處理方式的效果進(jìn)行對(duì)比，從而為水利工程軟土地基處理技術(shù)的優(yōu)化選擇提供依據(jù)。

2 研究方法

2.1 軟土地基處理技術(shù)

軟土地基處理可采用換土法、排水固結(jié)法、振動(dòng)水沖法[3]等許多不同的技術(shù)，文章主要關(guān)注排水固結(jié)法、化學(xué)固結(jié)法和人工材料加筋加固法3種水利工程中最常用的技術(shù)。排水固結(jié)處理技術(shù)是將軟土中所含有的水分通過沙井排水、水管排水等方式排除，從而提高軟土地基的穩(wěn)固性及承載能力；化學(xué)固結(jié)法主要是指通過灌漿、深層攪拌、高壓噴射等方法將具有固化作用的液體注入軟土層，從而固化軟土顆粒、提高整個(gè)軟土地基的承載能力；人工材料加筋加固處理技術(shù)是在軟土地基表面覆蓋一層人工合成工程材料，從而有效地分散水工建筑物的重量對(duì)地基所產(chǎn)生的壓力，使整個(gè)地基所承受的壓強(qiáng)相對(duì)比較均衡。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果和功能的數(shù)學(xué)模型或計(jì)算模型[7]用于對(duì)函數(shù)進(jìn)行估計(jì)或近似，其實(shí)質(zhì)是一種非線性的統(tǒng)計(jì)性數(shù)據(jù)建模工具[8]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可分為許多不同的類型，文章主要分析其中比較常見的6種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，分別為RBF法、Hopfield法、Elman法、自組織法、線性法和感知器法，各方法的背景介紹、模擬原理和數(shù)學(xué)公式可參見文獻(xiàn)[9]。文章主要采用MATLAB軟件的Neural Network Toolbox工具箱與相關(guān)腳本進(jìn)行各類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，輸入實(shí)測(cè)的軟土地基特性和最終沉降樣本數(shù)據(jù)，運(yùn)行程序則可對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練并建立起軟土地基沉降的預(yù)測(cè)模型，之后，輸入新的軟土地基特性數(shù)據(jù)，則該模型將模擬出最終的軟土地基沉降值，而不同處理技術(shù)所對(duì)應(yīng)的最終沉降值則可代表著相應(yīng)技術(shù)的處理效果。該方法操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快，具有較高的實(shí)用價(jià)值，類似的研究方法已在交通公路等領(lǐng)域得到了有效的應(yīng)用[10]，但目前在水利工程軟土地基處理技術(shù)的對(duì)比研究中幾乎未被應(yīng)用過，因此有必要對(duì)其進(jìn)行嘗試。

2.3 訓(xùn)練樣本輸入值

為建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，需準(zhǔn)備一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本，各樣本的輸入值可分為兩部分，一部分是影響軟土地基沉降的主要因素，另一部分是軟土地基的最終沉降值。筆者查閱觀音閣水庫(kù)輸水、大伙房水庫(kù)輸水二期抗旱應(yīng)急、猴山水庫(kù)、大雅河水利樞紐等水利工程建設(shè)的《工程地質(zhì)勘察報(bào)告》等材料，共搜集30份樣本，其中樣本1～10對(duì)應(yīng)于排水固結(jié)法處理技術(shù)，樣本11～20對(duì)應(yīng)于化學(xué)固結(jié)法處理技術(shù)，樣本21～30對(duì)應(yīng)于人工材料加筋加固法處理技術(shù)。除地基處理技術(shù)外，軟土地基沉降的主要參數(shù)還包括軟土層厚H1、硬層厚度H2、軟土壓縮模量E1和硬層壓縮模量E2等。為將所有數(shù)據(jù)整合至一張圖表中，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，其歸一化參數(shù)值為某樣本的實(shí)際值與所有樣本中最大值之比，其中H1，H2，E1和E2的最大值分別為50.9m、3.1m、3.09MPa和9.95MPa，處理結(jié)果如圖1所示。

圖1 軟土地基沉降分析的訓(xùn)練樣本輸入值

3 研究結(jié)果

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法比選

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可分為許多種，而各模型之間的性能存在著一定的差異，因此有必要對(duì)各模型進(jìn)行比選。采用MATLAB軟件的Neural Network Toolbox工具箱與相關(guān)腳本，輸入圖1所示的軟土地基特性參數(shù)值與最終沉降值數(shù)據(jù)，分別選取RBF法、Hopfield法、Elman法、自組織法、線性法和感知器法，運(yùn)行程序，建立對(duì)應(yīng)于各地基處理技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。模型的訓(xùn)練效果如圖2所示，其中曲線代表各樣本的實(shí)測(cè)沉降值，各散點(diǎn)代表不同模型的最終沉降值擬合結(jié)果(以下稱為“模擬值”)。觀察圖2可知，各模型的模擬效果均較為接近實(shí)測(cè)值，但精確程度存在比較明顯的差異，如線性法在樣本7和12中出現(xiàn)了較大的偏差，而Hopfield法的模擬結(jié)果則與實(shí)測(cè)值保持高度的吻合；根據(jù)偏離實(shí)測(cè)值程度由小到大，各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可排序?yàn)镠opfield、Elman、RBF、自組織、感知器和線性，即在以上各類方法中，Hopfield為最佳的水利工程軟土地基最終沉降模擬工具。

圖2 最終沉降值的實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果

3.2 Hopfield網(wǎng)絡(luò)法有效性評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)Hopfield網(wǎng)絡(luò)法在分析水利工程軟土地基處理技術(shù)中的有效性，做實(shí)測(cè)沉降值與Hopfield網(wǎng)絡(luò)模擬值之間的對(duì)比散點(diǎn)圖，如圖3所示。據(jù)圖3中各散點(diǎn)的位置可知，各散點(diǎn)均較為接近等值線，說明模擬結(jié)果較為精確。據(jù)圖3中左上部分的沉降值匯總數(shù)據(jù)可知，Hopfield網(wǎng)絡(luò)法高估了實(shí)測(cè)的最小沉降值，而低估了最大值，說明預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)于實(shí)測(cè)值更為平滑，主要是因?yàn)樵谀M過程中忽略了一些影響較小的要素；但平均值僅與實(shí)測(cè)值相差0.3mm，非常接近，說明Hopfield網(wǎng)絡(luò)在判斷平均水平方面精確度較高。根據(jù)圖3中右下部分的誤差分析數(shù)據(jù)可知，Hopfield網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的各項(xiàng)誤差指標(biāo)均較小，滿足應(yīng)用要求。綜上，Hopfield網(wǎng)絡(luò)可準(zhǔn)確模擬不同地基處理情況下的最終沉降值，因此在水利工程軟土地基處理的技術(shù)對(duì)比中具有較強(qiáng)的有效性。

圖3 實(shí)測(cè)與Hopfield網(wǎng)絡(luò)模擬沉降值對(duì)比

3.3 軟土地基處理技術(shù)對(duì)比

對(duì)比各軟土地基處理技術(shù)的效果需要較多的案例，但若采取物理試驗(yàn)法進(jìn)行樣本的收集需要耗費(fèi)大量的人力物力，在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。因此，文章采用經(jīng)過訓(xùn)練與驗(yàn)證的Hopfield網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)各項(xiàng)地基處理技術(shù)的效果進(jìn)行分析。

圖4 軟土地基沉降的Hopfield網(wǎng)絡(luò)模擬試驗(yàn)結(jié)果

首先，采用MATLAB隨機(jī)生成120組樣本輸入數(shù)據(jù)(H1，H2，E1，E2)，即每項(xiàng)地基處理技術(shù)工況分別對(duì)應(yīng)40組樣本；為確保生成數(shù)據(jù)的合理性，將各模擬試驗(yàn)樣本的輸入值與訓(xùn)練樣本中之間的差別控制在15%以內(nèi)；再將生成的輸入數(shù)據(jù)分別輸入MATLAB系統(tǒng)并運(yùn)行相應(yīng)的Hopfield網(wǎng)絡(luò)模型，得到各樣本的最終沉降值，如圖4所示。

基于圖4所示的數(shù)據(jù)可知，排水固結(jié)法、化學(xué)固結(jié)法和人工材料加筋加固法所對(duì)應(yīng)的樣本中，最小的最終地基沉降值分別為61，48和49mm，最大的最終沉降值分別為2239，2179和2223mm，而平均最終沉降值分別為791，765和772mm。各項(xiàng)指標(biāo)的大小順序完全一致，又因?yàn)樽罱K沉降值越小，表明地基處理技術(shù)的效果越好，因此可以認(rèn)為在所研究的3種水利工程軟土地基處理技術(shù)中，化學(xué)固結(jié)法的效果最佳，人工材料加筋加固法其次，而排水固結(jié)法的效果則相對(duì)最差。

4 結(jié)論

基于Hopfield網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行水利工程軟土地基處理技術(shù)的對(duì)比精確度很高，具有一定的推廣價(jià)值。采用該方法對(duì)不同技術(shù)的處理技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明化學(xué)固結(jié)法的總體效果最好，人工材料加筋加固法次之，而排水固結(jié)法的效果相對(duì)較差。研究成果可以為水利工程軟土地基處理技術(shù)的對(duì)比判斷提供有效的分析工具，但尚存在一定的不足，在以后的研究中應(yīng)該收集更多的實(shí)測(cè)資料對(duì)Hopfield模型進(jìn)行訓(xùn)練與驗(yàn)證，同時(shí)，也可以從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及環(huán)境等方面對(duì)各項(xiàng)地基處理技術(shù)進(jìn)行更為全面的評(píng)價(jià)。