淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)方法

王正宏，耿慶方，朱 巍

(江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

淮河沿岸淤泥地層土質(zhì)松軟，孔隙率較大，且具有極高的含水率，自身穩(wěn)定性較差。因此，針對(duì)沿岸淤泥地層雨水箱涵相比于普通地層雨水箱涵更容易發(fā)生沉降變形的現(xiàn)象。而預(yù)測(cè)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形是解決此問(wèn)題的有效途徑，淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)方法應(yīng)勢(shì)而生。以往，主要通過(guò)側(cè)移估算法以及沉降估算法，預(yù)測(cè)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形。但此方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中只適用于已經(jīng)發(fā)生雨水箱涵沉降變形的淮河沿岸淤泥地層，對(duì)未發(fā)生雨水箱涵沉降變形的情況很難通過(guò)該預(yù)測(cè)起到預(yù)防效果，導(dǎo)致傳統(tǒng)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中預(yù)測(cè)分維數(shù)低，無(wú)法為預(yù)防淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形提供精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，針對(duì)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義，本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)方法，為雨水箱涵沉降變形提供精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，從根本上提高淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵的穩(wěn)定性以及安全性能。

1 變形成因

1.1 淮河沿岸淤泥地層土質(zhì)問(wèn)題

淮河沿岸淤泥地層土質(zhì)土質(zhì)松軟，孔隙率較大，含水率高，穩(wěn)定性差，導(dǎo)致雨水箱涵施工區(qū)域的地下水位上升，降低土基的抗剪強(qiáng)度。由于長(zhǎng)時(shí)間的受力壓迫，必然會(huì)導(dǎo)致淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形。

1.2 臺(tái)背填料

臺(tái)背填料的不合理選擇也是造成淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形的主要因素之一，在臺(tái)背填料的選擇過(guò)程中，一旦選擇空隙率大的臺(tái)背填料，必然會(huì)導(dǎo)致在淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵壓實(shí)臺(tái)背填料過(guò)程中，對(duì)壓實(shí)整體度提出很高要求。

1.3 雨水箱涵剛度差異

雨水箱涵施工過(guò)程中出現(xiàn)沉降變形問(wèn)題產(chǎn)生原因有較多，最顯著的問(wèn)題是由于雨水箱涵組織結(jié)構(gòu)中，不同區(qū)段間剛度存在差異所產(chǎn)生的。由于雨水箱涵結(jié)構(gòu)整體屬于剛性組織，受到負(fù)載影響，不同區(qū)段受到的作用力不同，長(zhǎng)時(shí)間受到外界負(fù)載作用，其彈性作用力失效，以此產(chǎn)生淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形問(wèn)題。

1.4 雨水箱涵設(shè)計(jì)不合理

除上述原因，對(duì)雨水箱涵組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)地勘察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雨水箱涵施工過(guò)程中，存在對(duì)其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理問(wèn)題。如忽略對(duì)雨水箱涵有關(guān)深度施工參數(shù)的選擇、未能按照工程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施工程設(shè)計(jì)等，因此設(shè)計(jì)成果與工程實(shí)際需求不符合，進(jìn)而造成淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形。

2 數(shù)值模擬

明確淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形成因后，分析淮河沿岸淤泥地層中，雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)。本文采用數(shù)值模擬的方式，模擬淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形受力過(guò)程，進(jìn)而分析出淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)。

2.1 雨水箱涵沉降變形數(shù)值模擬基本假設(shè)

為保證淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形數(shù)值模擬精度，本文通過(guò)模擬雨水箱涵沉降變形數(shù)值，將復(fù)雜的淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形問(wèn)題轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的線性問(wèn)題。數(shù)值模擬具體內(nèi)容包括：淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力在應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中必須保持平面形態(tài)；排除由于抗拉強(qiáng)度的不同，造成沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)數(shù)值模擬誤差值大的情況；在發(fā)生沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形時(shí)，沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力與彎曲變形為彈塑性關(guān)系。

2.2 模擬變形承載力

在明確雨水箱涵沉降變形數(shù)值模擬基本假設(shè)的前提下，本文運(yùn)用二次拋物線原理，模擬淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形狀態(tài)下的承載力，以二次拋物線的高度代表淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形當(dāng)下的承載力。設(shè)二次拋物線的高度為y，可得下式：

總之，就歷史學(xué)科教學(xué)而言，思維能力的訓(xùn)練和思維品質(zhì)的提升，必須滲透到課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。教師一定要善于尋找適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，激發(fā)和維持學(xué)生的思維動(dòng)機(jī)，發(fā)揮學(xué)生的潛能，提升學(xué)生的思維品質(zhì)。

(1)

式中，x—淮河沿岸淤泥地層含水率；ε1—雨水箱涵長(zhǎng)度；ε2—雨水箱涵寬度；r—雨水箱涵鋼筋混凝土彈性系數(shù)。

通過(guò)式(1)，可推導(dǎo)出淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形承載力計(jì)算理論模型。設(shè)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為M，則

(2)

式中，σ—淮河沿岸淤泥地層孔隙率；β—雨水箱涵構(gòu)沉降變形最大承受剪應(yīng)力；b—雨水箱涵構(gòu)沉降變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力的摩擦角；a—黏聚力；n—膨脹角度，為實(shí)數(shù)；f—地表沉降高度。

利用淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形承載力計(jì)算理論模型，進(jìn)而判斷出此時(shí)雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)狀態(tài)。通過(guò)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形承載力計(jì)算理論模型中的自變量可以得出雨水箱涵沉降變形的主要影響因素為：雨水箱涵構(gòu)沉降變形最大承受剪應(yīng)力、摩擦角、黏聚力以及膨脹角度。在運(yùn)用淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形承載力計(jì)算理論模型的過(guò)程中，必須對(duì)雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)位置進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，防止由于點(diǎn)位不準(zhǔn)確造成雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)分析參數(shù)誤差大的問(wèn)題。以計(jì)算得出的雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)狀態(tài)為依據(jù)，為淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 預(yù)測(cè)方法

3.1 劃分沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形單元網(wǎng)格

在淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)過(guò)程中，預(yù)先劃分淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形單元網(wǎng)格，為預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)環(huán)境支撐。將每個(gè)單元面積設(shè)置為1km×2 km×3km×3km，查明沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形特征，將沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形特征以矩形陣勢(shì)進(jìn)行排列。設(shè)排列后的沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形特征矩形陣記為(X，Y)，則有公式如下：

(3)

式中，n—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形信息特征值；i—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形信息維數(shù)；h—預(yù)測(cè)時(shí)刻；a—實(shí)際地質(zhì)橫坐標(biāo)；b—實(shí)際地質(zhì)縱坐標(biāo)。

通過(guò)式(3)得到排列后的淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形矩形陣，進(jìn)行單元格重組劃分，設(shè)置變量系數(shù)，提取淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，變量系數(shù)越高證明淮河沿岸淤泥地層雨水箱發(fā)生沉降變形的幾率也就越高。

本次劃分淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形單元網(wǎng)格必須遵循以下兩點(diǎn)原則：①平面網(wǎng)格系統(tǒng)劃分采用國(guó)際上認(rèn)可度高的角點(diǎn)網(wǎng)格系統(tǒng)；②平面網(wǎng)格系統(tǒng)劃分方向與主模擬層應(yīng)力形變方向保持一致，為下文分析雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)時(shí)間分形特征提供環(huán)境支撐。

3.2 分析雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)時(shí)間分形特征

在劃分沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形單元網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，本文采用分形理論，定量描述沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形?；谙嗨凭S數(shù)，分析沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結(jié)構(gòu)時(shí)間分形特征。設(shè)沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形時(shí)間分形特征方程式為D。

(4)

式中，t—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形監(jiān)測(cè)時(shí)間。

通過(guò)式(4)，得出淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形時(shí)間分形特征的時(shí)間分形維數(shù)。以此，為淮河沿岸淤泥層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

3.3 計(jì)算雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)映射誤差

由于淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形不確定因素大的特點(diǎn)，在映射沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生映射誤差。為確保沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)映射誤差能夠通過(guò)修正系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，且過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)權(quán)重比例失調(diào)的情況出現(xiàn)。將沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)映射誤差設(shè)為MSE。

(5)

式中，v—雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)映射態(tài)勢(shì)值；B—雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)特征維數(shù)。

剔除計(jì)算得出的映射誤差，提高雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)映射準(zhǔn)確性。

3.4 實(shí)現(xiàn)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)

在淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)中，本文采用動(dòng)態(tài)重構(gòu)的方式，重構(gòu)上文剔除誤差后的沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)?；诟倪M(jìn)RVM模型建立淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)核函數(shù)，訓(xùn)練淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。運(yùn)用改進(jìn)RVM模型中的gemset作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)的環(huán)境背景，設(shè)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)核函數(shù)表達(dá)式為p。

(6)

式中，ω—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)邊緣積分；l—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)超參數(shù)的邊緣似然；α—最大循環(huán)次數(shù)。

通過(guò)式(6)，得出淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)核函數(shù)，訓(xùn)練淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，得出新的淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)樣本集，以此，判斷淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵出現(xiàn)沉降變形的幾率，實(shí)現(xiàn)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

構(gòu)建實(shí)例分析，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某處淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。某處淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵的具體參數(shù)信息，見(jiàn)表1。

表1 某處淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵參數(shù)

根據(jù)表1所示，首先，使用本文設(shè)計(jì)方法預(yù)測(cè)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形，通過(guò)MATALB測(cè)試預(yù)測(cè)分維數(shù)，并記錄，將其設(shè)為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形，同樣通過(guò)MATALB測(cè)試預(yù)測(cè)分維數(shù)，并記錄，將其設(shè)為對(duì)照組。由此可見(jiàn)，本次實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為測(cè)試兩種方法的預(yù)測(cè)分維數(shù)，分維數(shù)越高證明該預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)精度也就越高。通過(guò)10次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的預(yù)測(cè)分維數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

預(yù)測(cè)分維數(shù)對(duì)比結(jié)果，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

從圖1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)方法下的分維數(shù)明顯高于對(duì)照組，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得被大力推廣使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例分析的方式，證明了設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，以此為依據(jù)，證明此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。因此，有理由相信通過(guò)本文設(shè)計(jì)，能夠解決傳統(tǒng)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預(yù)測(cè)中存在的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對(duì)本次測(cè)定結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步提高測(cè)定結(jié)果的可信度。這一點(diǎn)，在未來(lái)針對(duì)此方面的研究中可以加以補(bǔ)足。與此同時(shí)，還需要對(duì)淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵的優(yōu)化施工設(shè)計(jì)提出深入研究，以此為提高淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵的使用年限提供建議。