建筑地基深基坑開挖底面下沉監(jiān)測模型仿真

余曉雅,張海清

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 保定 071002)

1 引言

建筑施工過程中,地基深基坑的開挖勢必引起地基內(nèi)應(yīng)力場變化,土體和周邊建筑物產(chǎn)生形變,影響工程質(zhì)量[1,2],嚴(yán)重則會產(chǎn)生樓體坍塌事故,帶來重大經(jīng)濟損失,威脅人民群眾生命安全。所以對基坑開挖底面下沉風(fēng)險監(jiān)測是十分必要的,這也是當(dāng)前建筑領(lǐng)域研究的核心問題[3]。

針對建筑深基坑的風(fēng)險監(jiān)測問題,現(xiàn)階段學(xué)者們給出了如下典型處理方案:李宏釗等人[4]提出一種基于空間遙地耦合探測技術(shù)的建筑地基監(jiān)測方法。使用遙感信息探測得到建筑參數(shù),融合遙感探測、工程分析參數(shù)與建筑空間測算,構(gòu)成用來計算地基形變的探測技術(shù)。王曉磊等人[5]提出基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地基糾偏沉降預(yù)測方法。在遺傳算法-反向傳播(Genetic Algorithm-Back Propagation,GA-BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,將掏土量和掏土方位擬作控制參數(shù),分析建筑底板沉降情況,完成地基糾偏過程評估。但以上兩種方法計算復(fù)雜度高,且輸出風(fēng)險監(jiān)測結(jié)果時間較長。

由此,提出一種基于改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機的基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測方法。剖析現(xiàn)階段基坑底面下沉真實狀況,從不同層面劃分基坑底面下沉風(fēng)險評估指標(biāo),利用改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機方法實現(xiàn)基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測,在實驗中進(jìn)一步驗證了所提方法有效性,能為高效率建筑施工發(fā)揮重要作用。

2 基坑開挖底面下沉模態(tài)

為進(jìn)一步明確基坑開挖底面下沉情況,分析基坑開挖地面形變過程。在形變特點剖析中,地基會受到靜水壓力的作用,且不考慮重度梯度影響[6]。融合構(gòu)件滯回特點,利用松弛參數(shù)分析底面應(yīng)力與屈服響應(yīng)。使用最大累計下沉控制策略研究建筑地基深基坑開挖下沉模式與形態(tài)。

設(shè)定深基坑開挖的單元應(yīng)力矢量是a,應(yīng)變矢量是β,基坑底面中產(chǎn)生網(wǎng)狀縫隙的解析式為

(1)

其中,am、βm依次表示總測量點的縫隙開展度與鋼筋屈服,i表示其中任意測量點。

(2)

其中,

(3)

(4)

式中,bmn表示彈性因子,C表示壓力數(shù)據(jù)彈性模量,Gi為第i組形變方位節(jié)點的板角約束力,Ei為基坑底面豎向撓度。

按照以上內(nèi)容,即可實現(xiàn)建筑地基深基坑開挖底面形變參數(shù)模擬,得到現(xiàn)階段基坑底面下沉的真實情況,為后續(xù)下沉風(fēng)險監(jiān)測提供理論支持。

3 風(fēng)險評估體系構(gòu)建

基坑開挖底面下沉存在很多風(fēng)險元素,如果不精準(zhǔn)辨別隱含風(fēng)險源,會延誤建筑施工進(jìn)度[9]。建筑地基基坑開挖時,具備如下風(fēng)險元素:

1)自然狀態(tài):地質(zhì)、水文、氣候等;

2)所處環(huán)境:周邊建筑物、地下管線(涵蓋管道埋深、材質(zhì)、竣工時間)、周邊道路狀況等;

3)結(jié)構(gòu)特點:基坑開挖深度、寬度、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等;

4)施工元素:排水措施、場地布置、施工模式、機械選擇、工程順序等。

建筑深基坑施工是一項內(nèi)容豐富、頗具風(fēng)險的工程,尤其是在雨季,由于地質(zhì)條件、地下水狀況、天氣變化、施工次序及周邊環(huán)境,極大影響了深基坑施工進(jìn)度[10]。在此基礎(chǔ)上,采用層次分析法來評價基坑工程底面下沉危險性。層次分析法將定性與定量相結(jié)合,將一個復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為多個子系統(tǒng)[11],構(gòu)成了一個有序、多層的層級結(jié)構(gòu)?；拥酌嫦鲁溜L(fēng)險評價包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與指標(biāo)層,將其表示成圖1。

圖1 基坑底面下沉風(fēng)險評估體系示意圖

4 風(fēng)險監(jiān)測方法

根據(jù)基坑地面下沉風(fēng)險評估體系,利用改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機監(jiān)測基坑地面下沉風(fēng)險。為有效提升基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測精度與速率,提出一種基于改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機的基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測方法。極限學(xué)習(xí)機網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型使用復(fù)雜度最小的單隱層架構(gòu)[12],如果輸入層、隱含層、輸出層的節(jié)點依次是c、H、1,那么將極限學(xué)習(xí)機的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)表示成圖2。

圖2 極限學(xué)習(xí)機網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對固定數(shù)據(jù)集K={(x1,y1),L,(x1,y1)},將極限學(xué)習(xí)機數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型描述成

(5)

其中,αi、oi依次表示輸出層神經(jīng)元、輸入層神經(jīng)元和第i個隱含層節(jié)點的連接權(quán)重,pi是第i個隱含層節(jié)點的偏置,xi為訓(xùn)練數(shù)量,l(x)表示隱含層輸出矩陣。

訓(xùn)練開始前,預(yù)先選擇原始輸入權(quán)重oi與偏置pi。同時在訓(xùn)練中oi的值固定不變[13],輸出權(quán)重αi可利用式(6)獲取

(6)

其中,yi代表第i個隱含層節(jié)點總數(shù)。

極限學(xué)習(xí)機方法將訓(xùn)練偏差最低作為輸出結(jié)果的衡量準(zhǔn)則,導(dǎo)致在訓(xùn)練時極易產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象[14],減少了基坑底面下沉風(fēng)險檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。面向此類問題,設(shè)計一種融合經(jīng)驗風(fēng)險最小與結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小的改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機方法。把式(6)的方程變換為

(7)

在式(7)內(nèi)引入拉格朗日算子,得到

(8)

其中,φi代表拉格朗日算子。

利用最優(yōu)化定理,設(shè)置Q對α、φi的偏導(dǎo)均為0,即可獲得以下線性方程

(9)

其中,R表示偏導(dǎo)因子,κ為非零常數(shù),Ω代表方陣。將方陣內(nèi)的元素值記作

Ωij=[(o1,p1,xi)·(o1,p1,xj)]

(10)

在式(8)、(9)中可知,在建模改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機法時無需計算隱含層偏置pi,增強訓(xùn)練計算效率,并全方面考慮了經(jīng)驗風(fēng)險與結(jié)構(gòu)風(fēng)險兩種要素,在一定程度上減少過擬合現(xiàn)象。

建筑地基深基坑開挖底面下沉風(fēng)險監(jiān)測的具體步驟如下:

步驟1,歸一化處理。訓(xùn)練數(shù)據(jù)前,要對數(shù)據(jù)預(yù)處理。歸一化條件屬性是訓(xùn)練樣本的輸入數(shù)據(jù),決策屬性是輸出數(shù)據(jù),使用離散化處理全部數(shù)據(jù)屬性,得到基坑開挖底面下沉數(shù)據(jù)的決策表。將r類樣本的能量均值描述成

(11)

歸一化處理的本質(zhì)就是把數(shù)據(jù)依照比例投射至某個區(qū)間,通常使用極值法完成歸一化過程,這里將其定義為

(12)

其中,xmin為數(shù)據(jù)序列內(nèi)的最小值,xmax為數(shù)據(jù)序列內(nèi)的最大值。

步驟2,計算延遲步數(shù)。為明確最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)輸入架構(gòu),要獲得其具體的延遲步數(shù)[15]。針對時間序列z而言,推算其延遲步數(shù)的自相關(guān)指數(shù)u(q)即可得到延遲步數(shù)的值,將其運算過程表述成

(13)

若自相關(guān)指數(shù)u(q)符合式(14)的約束條件,那么該時間序列延遲步數(shù)的相關(guān)性較為明顯,反之相關(guān)性較差。

(14)

其中,M代表訓(xùn)練迭代次數(shù),u是延遲步數(shù)平均值。

步驟3,確立風(fēng)險監(jiān)測臨界值。建筑基坑下沉值d≤10mm,證明其處于低風(fēng)險,10≤d≤30mm表明處于中風(fēng)險,30≤d≤50mm證明處于高風(fēng)險。

步驟3,構(gòu)建訓(xùn)練模型。確立了延遲步數(shù)后,就能獲得各層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點數(shù)量并創(chuàng)建基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測訓(xùn)練模型,記作

(15)

5 實驗分析

為證明研究方法的應(yīng)用可行性,設(shè)計對比實驗分析不同方法的性能差異,將文獻(xiàn)[4]提出的基于空間遙地耦合探測技術(shù)的建筑地基監(jiān)測方法(遙地耦合探測方法)和文獻(xiàn)[5]提出的基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地基沉降預(yù)測方法(GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法)作為對照組,實驗平臺為MATLAB 7.0,實驗地點為某市正在施工的建筑,在該軟件平臺上構(gòu)建建筑地基模型,如圖3所示。

圖3 實驗建筑深地基模型

該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用900m厚地下連續(xù)墻,主體架構(gòu)基坑開挖深度是16～19m,設(shè)定該基坑包含1道砼支撐與6道鋼支撐。建筑周邊具備較多建筑物,其中距離最近的是1棟6層磚混架構(gòu)民房,距離基坑只有5m左右。待施工建筑使用條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深約為2.5m,條形基礎(chǔ)下方是15m深度的深層攪拌樁地基加固,加固體和基坑之間的距離為0.8～4.5m。將實驗劃分為三個階段,分別為降水階段、注漿階段和開挖失水階段,監(jiān)測日期為2021年8月5日～10月15日,挑選較有代表性下沉數(shù)據(jù)的日期為分析目標(biāo),對比真實基坑底面沉降值與三種方法下得到的沉降值,實驗結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 降水階段地基下沉累計變化值

圖5 注漿階段地基下沉累計變化值

根據(jù)圖4～圖6所得數(shù)據(jù)可知,降水階段得到的最高下沉值為-8mm,注漿階段在地表有部分隆起,最高隆起約為6mm,降水僅能把水位下降到巖土分界面,深基坑開挖失水期部分裂隙有水溢出,又一次引發(fā)基坑底面下沉,得到最終的基坑開挖下沉真實值為-15.5mm,所提方法下沉值為-16mm,遙地耦合探測方法、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到的下沉值依次為-20mm和-18mm?？梢钥吹?當(dāng)前基坑底面下沉處于中等風(fēng)險,應(yīng)采取對應(yīng)措施避免底面下沉情況繼續(xù)惡化,這也與實際施工情況基本相符。

圖6 開挖失水階段地基下沉累計變化值

為證明所提方法可靠性,使用三種方法評估建筑地基深基坑開挖底面下沉中存在的風(fēng)險,比較不同方法的誤判率,實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種方法基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測誤判率對比

根據(jù)圖7實驗結(jié)果可知,所提方法在下沉風(fēng)險評估方面具備較低誤判率,四種風(fēng)險元素的誤判率均保持在5%以下,遙地耦合探測方法、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的風(fēng)險監(jiān)測誤判率分別處在10%、7.5%左右。這是因為所提方法風(fēng)險評估前首先采取分析基坑形變特點,得到較為真實的計算數(shù)據(jù),大大提升了后續(xù)下沉風(fēng)險監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

設(shè)定基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測實驗的迭代次數(shù)為800次,以耗時指標(biāo)為測試指標(biāo),對比三種方法在風(fēng)險監(jiān)測時效性方面的優(yōu)劣,結(jié)果如圖8所示。

圖8 三種方法時對比

從圖8可知,伴隨實驗數(shù)量的增多,三種方法的監(jiān)測總耗時呈上升趨勢,但所提方法耗時增長速率較為緩慢,且在第600次實驗后基本保持在8ms～9ms,說明該方法具備更強的適用性。

6 結(jié)論

建筑地基深基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測受到較多因素影響,屬于一種復(fù)雜不確定性問題,為更好地分析底面下沉風(fēng)險情況,提出基于改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機的基坑底面下沉風(fēng)險監(jiān)測方法。推算基坑底面網(wǎng)狀縫隙,分析載荷-平面移動分布彈性模量與裂縫開展度、鋼筋屈服間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),獲得底面下沉實時狀態(tài),創(chuàng)建基坑底面下沉風(fēng)險評估體系,在極限學(xué)習(xí)機方法中代入經(jīng)驗風(fēng)險最小與結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小條件,獲得高精度基坑下沉風(fēng)險監(jiān)測輸出結(jié)果。所提方法計算簡便、實用性強,可為建筑工程施工風(fēng)險評估提供新的計算思路。