基于聚類算法與碎石樁鉆進(jìn)參數(shù)的地層識(shí)別

李 繼 平,趙 宇 飛,劉 必 旺,王 文 博

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038; 2.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410007; 3.中國(guó)水利水電第六工程局有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110179)

0 引 言

軟土地基常包括淤泥質(zhì)土、軟黏性土以及濕陷性黃土地基等[1-2]。這類地基強(qiáng)度低、壓縮性高、易液化,對(duì)其上部的工程建筑物安全穩(wěn)定有著極大的隱患。針對(duì)此類問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外普遍采用振沖碎石樁對(duì)軟弱地基進(jìn)行置換和排水處理,以此提高地基的承載力,而精準(zhǔn)掌握軟弱地基的地質(zhì)信息是采用振沖碎石樁加固處理的前提和基礎(chǔ)。

在振沖碎石樁施工前,通常在已掌握區(qū)域地層特征的基礎(chǔ)上,采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取土與室內(nèi)外試驗(yàn)相結(jié)合的方法綜合評(píng)價(jià)軟弱地基的地質(zhì)條件,并以此作為確定振沖碎石樁施工工藝的設(shè)計(jì)依據(jù)。但是在實(shí)際工程中,對(duì)于軟弱地基的勘探數(shù)量較少,再加上軟弱地層的形成過(guò)程、地層產(chǎn)狀與賦存條件較為復(fù)雜,很難通過(guò)較少的勘探資料全面掌握整個(gè)地基加固區(qū)域中所有軟弱地層的分布情況[3]。針對(duì)此類問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外研究者利用施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的各類參數(shù),通過(guò)數(shù)學(xué)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)以及大數(shù)據(jù)挖掘等方法對(duì)各類地層巖石特性的辨識(shí)進(jìn)行了大量研究。Esmaeilzadeh[4]等利用基于差分進(jìn)化優(yōu)化算法的模糊C均值聚類方法有效識(shí)別了巖體的結(jié)構(gòu)面。Kitzig[5]等通過(guò)將巖石物理與地球化學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行巖體聚類分析,能有效地識(shí)別巖石物理結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)性質(zhì)的潛能。譚英卓、周澤宏[6-7]等通過(guò)鉆進(jìn)參數(shù)的模型分析,對(duì)不同巖層的類型進(jìn)行了有效的辨識(shí)。熊虎林[8]等利用鉆進(jìn)參數(shù)與地層類型,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)鉆進(jìn)速率進(jìn)行了有效預(yù)測(cè),可見(jiàn)鉆進(jìn)工程中的各類參數(shù)與地層類型是密切相關(guān)的。

本文研究對(duì)象為金沙江拉哇水電工程的振沖碎石樁加固圍堰地基工程,該圍堰地基的地質(zhì)條件復(fù)雜,各地層類型分布變化大。該碎石樁加固工程利用SV70碎石樁機(jī)伸縮式導(dǎo)桿連接振沖器,運(yùn)用“水氣聯(lián)動(dòng)”的方法進(jìn)行造孔。同時(shí)通過(guò)安裝在不同設(shè)備上的傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)振沖施工過(guò)程深度、電流、電壓、水量、水壓、氣壓、填料密度等的實(shí)時(shí)監(jiān)控,從而對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。如何利用海量采集的數(shù)據(jù)對(duì)振沖碎石樁成孔過(guò)程中的地層進(jìn)行有效辨識(shí)分析,對(duì)后續(xù)進(jìn)行振沖碎石樁施工質(zhì)量控制與振沖碎石樁智能化施工管理有著重要的指導(dǎo)意義。

本文基于以往工程的研究案例,結(jié)合前述工程振沖碎石樁施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在成樁過(guò)程能量消耗的基礎(chǔ)上引入碎石樁鉆進(jìn)比功的概念,通過(guò)對(duì)不同維度參數(shù)的地層鉆進(jìn)展開(kāi)類型辨識(shí)分析,并用聚類評(píng)估指標(biāo)篩選出最有效的地層類型辨識(shí)聚類算法,以為類似的工程成樁質(zhì)量控制提供技術(shù)支撐。

1 圍堰地基地層初勘類型

該工程樞紐區(qū)河床覆蓋層最大深度為71.4 m,主要為河流沖積物、湖相沉積物以及岸坡坡積物等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取土與室內(nèi)外試驗(yàn)勘探得到的河床覆蓋層性狀如圖1所示。上游圍堰地基河床覆蓋層最厚約65～68 m,由上至下分別Qal-5沖積砂卵石層,厚度1.4～4.6 m;Ql-3堰塞湖靜水沉積砂質(zhì)粉土,厚度14.7～18.1 m;Ql-2堰塞湖沉積層可細(xì)分為Q1-2-③黏土層,Q1-2-②砂質(zhì)粉土層與Ql-2-①粉土層3個(gè)亞層,層厚約31.4 m。底部Qal-1為以沖積為主的卵石、塊石層,厚度約4.6～5.0 m。

圖1 河床覆蓋層性狀

由于前期初步勘察鉆探數(shù)量有限,得到的深厚覆蓋層地層分界及地質(zhì)信息并不十分精準(zhǔn),但是作為最直接及最基礎(chǔ)的地質(zhì)信息,它可以作為后期利用鉆進(jìn)參數(shù)來(lái)辨識(shí)地層類型的參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

隨著智能化施工管理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,該工程在振沖碎石樁施工設(shè)備上安裝了多種智能傳感器,以獲取振沖器的深度、電流、速率、留振時(shí)間以及樁體填料量等重要施工信息。同時(shí)利用無(wú)線傳輸方式將各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芑O(jiān)控系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)碎石樁施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與優(yōu)化管理。安裝在振沖碎石樁設(shè)備上的信息采集傳感器按照每秒1 條的頻率進(jìn)行施工數(shù)據(jù)的采集與傳輸。一根深40 m的振沖碎石樁將會(huì)產(chǎn)生約8 000條數(shù)據(jù),該圍堰地基處理所需的振沖碎石樁超過(guò)2 600根,整個(gè)施工過(guò)程中共收集了超過(guò)2 200 萬(wàn)條數(shù)據(jù)。通過(guò)這些實(shí)時(shí)采集的施工數(shù)據(jù),能夠繪制碎石樁施工過(guò)程中工作深度、加密電流、填料量、實(shí)時(shí)樁形與留振時(shí)間之間的過(guò)程曲線。

獲取的振沖碎石樁施工參數(shù)不是獨(dú)立的數(shù)據(jù),各參數(shù)和地層屬性之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這些重要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不僅能反映施工狀況,還能反映出不同地質(zhì)條件下的地層特性,尤其是在樁成孔的過(guò)程中,經(jīng)歷河床不同覆蓋層物質(zhì)時(shí)鉆孔的速度以及所需的加密電流都不盡相同。因此本文選取成孔過(guò)程中的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)集,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圍堰地層類型的辨識(shí)。

2.1 碎石樁數(shù)據(jù)選取

對(duì)于如何選取碎石樁數(shù)據(jù),主要考慮了振沖碎石樁鉆孔分布位置,同時(shí)兼顧不同區(qū)域中振沖碎石樁施工信息相互校核與對(duì)比分析便利性的需要。

根據(jù)上述選取原則,本次的地層聚類分析選取6組水平方向的碎石樁數(shù)據(jù),每組有3根進(jìn)尺成孔數(shù)據(jù)樁,共18根數(shù)據(jù)樁。選取樁分布位置如圖2所示。為了使每根施工的碎石樁機(jī)所采集的數(shù)據(jù)盡可能地表征出同類地層區(qū)域的施工動(dòng)態(tài),所選取不同組的3根樁對(duì)應(yīng)的編號(hào)均相同,分別為9,10,11。

2.2 異常值處理

對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘與分析之前,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理,從而提取出有價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行地層分類研究,主要包括剔除無(wú)效數(shù)據(jù)、刪除重復(fù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)歸類整理等方面內(nèi)容。振沖碎石樁施工過(guò)程中的異常數(shù)據(jù)主要是指不符合鉆進(jìn)時(shí)間序列趨勢(shì),不能反映鉆進(jìn)過(guò)程真實(shí)狀態(tài)的的監(jiān)測(cè)值。本文對(duì)碎石樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理如下:

定義碎石樁監(jiān)測(cè)過(guò)程中進(jìn)尺深度樣本Hk的樣本集組成為

Hk={h1,h2,h3…h(huán)m} (k=1,2,…m)

(1)

在單位時(shí)間序列中應(yīng)當(dāng)有hm-1≤hm,剔除樣本中不符合該序列的樣本值,同時(shí)保留進(jìn)尺深度隨時(shí)間不變的初始值以及對(duì)應(yīng)電流值。

定義監(jiān)測(cè)過(guò)程中進(jìn)尺深度對(duì)應(yīng)的電流樣本Ik的樣本集組成為

Ik={i1,i2,i3…im}

(2)

在碎石樁鉆孔施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)有著im≠0,剔除電流值為0的樣本,以及對(duì)應(yīng)的進(jìn)尺深度值。

3 振沖碎石樁鉆進(jìn)比功

巖土工程中常根據(jù)儀器鉆進(jìn)過(guò)程中的參數(shù)與能量變化對(duì)巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。譚卓英、岳中琦等[9-10]根據(jù)花崗巖鉆進(jìn)過(guò)程中的能量變化對(duì)其進(jìn)行了實(shí)時(shí)分級(jí)。田昊等[11]、張幼振等[12]利用鉆進(jìn)中的能量變化,分別對(duì)隧道凝灰?guī)r、含煤地層界面進(jìn)行了識(shí)別分類。許明等[13]利用隨鉆參數(shù)與地層比功對(duì)持力層進(jìn)行了有效判定。本文利用安裝在振沖器上的傳感器,對(duì)振沖施工過(guò)程的深度、電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并提出振沖碎石樁在鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆進(jìn)比功概念。

定義振沖碎石樁鉆進(jìn)比功為

(3)

式中:W=UIt,為碎石樁鉆進(jìn)過(guò)程單位時(shí)間所做的功,J;U為鉆進(jìn)電壓,V;I為鉆進(jìn)時(shí)電流,A;t為單位鉆進(jìn)時(shí)間,s。Q=Svt,為碎石樁單位時(shí)間鉆進(jìn)的地層體積,cm3;S為碎石樁鉆孔接觸面積,cm2;v為單位鉆進(jìn)速率,cm3。

在碎石樁實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中,由于鉆速很小,且該施工的地基土層以粉質(zhì)砂土與低液限黏土為主,所以軸向方向的黏滯力可以忽略不計(jì),碎石樁做功可以全部當(dāng)作破碎土層所消耗的能量。不同地層類型的巖性存在差異,隨著鉆進(jìn)時(shí)間的推進(jìn),在不同類型地層中所消耗的能量會(huì)不同,與其對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)比功也不同。部分振沖碎石樁的鉆進(jìn)時(shí)間與鉆進(jìn)比功關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知,振沖碎石樁在不斷鉆進(jìn)的過(guò)程中,在不同類型的地質(zhì)層中,對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)比功有著顯著的不同。當(dāng)遇到軟弱地層時(shí),其鉆破地層所消耗的能量少,對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)比功較低。當(dāng)鉆進(jìn)到區(qū)域性較硬的塊石與卵石層時(shí),其鉆進(jìn)比功會(huì)在一定峰值處穩(wěn)定波動(dòng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證進(jìn)尺深度與鉆進(jìn)過(guò)程的能量消耗情況,選?、駻-3609數(shù)據(jù)樁分析其在鉆進(jìn)過(guò)程的進(jìn)尺深度與鉆進(jìn)比功的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 進(jìn)尺深度與鉆進(jìn)比功關(guān)系

由圖4可知,此根數(shù)據(jù)樁所鉆進(jìn)的地層區(qū)域中,鉆進(jìn)比功隨著地層軟弱程度的減弱而增大。當(dāng)進(jìn)入中部Ql-2的堰塞湖相沉積層時(shí),由于該地層主要為砂質(zhì)低液限黏土層,強(qiáng)度低、易液化,故消耗的能量較低,對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)比功也較低。當(dāng)碰觸到黏土層的部分卵石等堅(jiān)硬塊石時(shí),消耗的鉆進(jìn)能量會(huì)在局部突然增大。當(dāng)鉆進(jìn)到底部Qal-1層時(shí),由于此類地層主要為較硬的卵石、塊石等,故鉆進(jìn)消耗的能量增加,其對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)比功也會(huì)穩(wěn)定在較高范圍?？梢?jiàn)碎石樁在鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆進(jìn)比功與地層軟硬特性有著顯著的相關(guān)關(guān)系?；诖?本文根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程中的比功變化,對(duì)相應(yīng)的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行不同方法聚類分析,從而獲得較為準(zhǔn)確的地層類型分布情況與最合適的地層聚類方法。

4 聚類定義及算法的選擇與評(píng)價(jià)

學(xué)術(shù)界有關(guān)聚類的解釋,普遍采用的是Everitt在1974年關(guān)于聚類所提出的定義:一個(gè)類簇內(nèi)的實(shí)體是相似的,不同類簇的實(shí)體是不相似的;一個(gè)類簇是測(cè)試空間中點(diǎn)的會(huì)聚,同一類簇的任意兩個(gè)點(diǎn)間的距離小于不同類簇的任意兩個(gè)點(diǎn)間的距離;類簇可以描述為一個(gè)包含密度相對(duì)較高的點(diǎn)集的多維空間中的連通區(qū)域,它們借助于包含密度相對(duì)較低的點(diǎn)集的區(qū)域與其他區(qū)域(類簇)相分離。

聚類算法在多關(guān)系數(shù)據(jù)的挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)中得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展,但是在巖土工程領(lǐng)域中的應(yīng)用相對(duì)較少。常見(jiàn)的聚類算法類型有基于劃分的聚類、密度聚類、譜聚類等。為了探索適用本文數(shù)據(jù)挖掘的聚類方法,本文在各聚類方法中各選出一種代表性的聚類算法,同時(shí)結(jié)合振沖碎石樁鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),選用了以下幾種聚類算法對(duì)碎石樁的參數(shù)進(jìn)行挖掘與分析:基于高斯混合模型(GMM)最大期望(EM)的聚類[14]、凝聚層次(AGNES)聚類[15-17]、K-Means聚類[18-20]、基于密度(DBSCAN)的聚類[21-22]以及均值漂移(MeanShift)聚類[23-24]。在對(duì)6組碎石樁數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后,結(jié)合不同地層中的鉆進(jìn)比功與地質(zhì)類型的關(guān)系,決定選取進(jìn)尺深度、鉆進(jìn)電流與鉆進(jìn)比功3個(gè)維度進(jìn)行聚類算法的處理。

4.1 聚類結(jié)果

由于樁孔數(shù)量較多,本文選?、駻-3609、ⅡA-3809兩根數(shù)據(jù)樁孔的聚類結(jié)果進(jìn)行分析說(shuō)明。在同一種聚類算法的聚類結(jié)果中,不同的簇類顏色代表在鉆進(jìn)過(guò)程中該段地層可以劃分出不同的地質(zhì)類型。具體聚類結(jié)果如圖5～9所示。

圖6 DBSCAN聚類結(jié)果

圖7 K-Means聚類結(jié)果

圖8 AGNES聚類結(jié)果

圖9 MeanShit聚類結(jié)果

從5組聚類結(jié)果可知,ⅡA-3609、ⅡA-3809兩根數(shù)據(jù)樁分別從地基深度18.6 m與22.8 m處進(jìn)行聚類分析,該深度以上沒(méi)有為圍堰地基加固施工中打入的旋挖護(hù)筒,因此,不對(duì)該深度以上數(shù)據(jù)開(kāi)展分析。

由圖5～9可知,在基于高斯混合模型的最大期望聚類(GMM-EM)與DBSCAN聚類的結(jié)果圖中,各簇點(diǎn)交叉混亂、噪聲點(diǎn)較多、聚類效果較差,且隨進(jìn)尺深度不斷的推進(jìn),沒(méi)有明顯的地層分層效果,表明這兩種聚類算法不適用于本工程的地層辨識(shí)。而通過(guò)K-Means聚類、凝聚層次法(AGNES)以及MeanShift聚類的分析結(jié)果圖可以看出,這3種聚類在隨進(jìn)尺深度推進(jìn)過(guò)程中,均能較明顯地把碎石樁將要加固的地層分為3簇,這表明ⅡA-3609、ⅡA-3809兩根樁所鉆入的地層深度是可以劃分為3類不同性狀的地質(zhì)類型的。這與前期的地質(zhì)初勘相吻合,即對(duì)應(yīng)Q1-2層的砂質(zhì)低液限黏土層的3個(gè)亞層Ql-2-③、Ql-2-②與Ql-2-①。

在K-Means聚類結(jié)果中:ⅡA-3609碎石樁所在的Ql-2-③層深度在18.6～28.0 m左右,Ql-2-②層深度在28.0～41.0 m左右,Ql-2-①層深度在41.0～51.0 m左右,其整個(gè)Q1-2層的砂質(zhì)低液限黏土層厚度為32.4 m左右。在MeanShift聚類結(jié)果中:ⅡA-3609碎石樁所在的Ql-2-③層深度在18.6～30.0 m左右,Ql-2-②層深度在30.0～42.6 m左右,Ql-2-①層深度在42.6～51.5 m左右,其整個(gè)Q1-2層的砂質(zhì)低液限黏土層厚度為32.9 m左右。在AGNES聚類結(jié)果中:ⅡA-3609碎石樁所在的Ql-2-③層深度在18.6～34.0 m左右,Ql-2-②層深度在34.0～39.0 m左右,Ql-2-①層深度在39.0～50.1 m左右,其整個(gè)Q1-2層的砂質(zhì)低液限黏土層厚度為31.5 m左右。ⅡA-3809碎石樁所在的Ql-2-③層深度在22.8～38.0 m左右,Ql-2-②層深度在38.0～45.0 m左右,Ql-2-①層深度在45.0～54.4 m左右,其整個(gè)Q1-2層的砂質(zhì)低液限黏土層厚度為31.6 m左右。AGNES聚類結(jié)果與初步勘探圍堰地基的低液限黏土層厚度31.4 m基本吻合,也表明利用合適的聚類算法是能較準(zhǔn)確地識(shí)別地層類型的。

4.2 聚類效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

判斷聚類的精準(zhǔn)度是數(shù)據(jù)挖掘中必須要做的工作,主要采用相關(guān)評(píng)估指標(biāo)來(lái)判斷。評(píng)估指標(biāo)可分為內(nèi)部評(píng)估指標(biāo)與外部評(píng)估指標(biāo),外部評(píng)估指標(biāo)需要知曉數(shù)據(jù)類別或進(jìn)行標(biāo)注,而內(nèi)部評(píng)估指標(biāo)則不需要。在實(shí)際工程中,很少有標(biāo)注數(shù)據(jù)能幫助進(jìn)行聚類,故常選用內(nèi)部評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行聚類效果評(píng)估。

本文結(jié)合以往學(xué)者所做的研究,選用輪廓系數(shù)(SC)[25-26]、Calinski-Haraba(CH)指數(shù)[27]和Davies-Bouldin(DB)指數(shù)[28]3種常見(jiàn)的內(nèi)部評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行聚類效果的評(píng)估。

4.2.1輪廓系數(shù)(Silhouette Coefficient)

輪廓系數(shù)最早由Rousseeuw于1986年提出。它結(jié)合內(nèi)聚度和分離度兩種因素,可以用來(lái)在相同原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)不同算法對(duì)聚類結(jié)果所產(chǎn)生的影響。對(duì)于樣本i,輪廓系數(shù)S(i)數(shù)學(xué)定義如下:

(4)

式中:a,b分別代表樣本i到同一簇和不同簇所有樣本距離的平均值。S(i)的取值范圍為-1～1,其數(shù)值越大,說(shuō)明b越大于a,即樣本距同一簇的距離越近,距不同簇的距離越遠(yuǎn),樣本的聚類劃分越合理,效果越好。

4.2.2Calinski-Harabaz指數(shù)

CH指數(shù)于1974年被提出,又被稱為方差比標(biāo)準(zhǔn),為簇內(nèi)色散平均值與簇間色散的比值。其數(shù)學(xué)定義如下:

(5)

式中:k表示聚類的數(shù)目;N為數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù);Tr(Bk)為簇內(nèi)色散矩陣的跡;Tr(Ak)為簇間色散矩陣的跡。

(6)

(7)

式中:Nk表示歸屬于簇k的樣本數(shù)量,ck代表簇k的中心點(diǎn),Ck表示歸屬于簇k的樣本,c表示所有樣本的中心點(diǎn)。CH數(shù)值越大,說(shuō)明簇間協(xié)方差越大,簇內(nèi)協(xié)方差越小,整體聚類效果越好。

4.2.3Davies-Bouldin指數(shù)

Davies-Bouldin(DB)指數(shù)是計(jì)算所有簇的簇內(nèi)平均距離與不同簇類中心距離的比值,并求其最大值,該指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

(8)

其中,簇a和簇b的相似度Sab定義如下:

(9)

式中:da表示簇a中所有樣本與簇a中心點(diǎn)的平均距離;dab代表簇a和簇b中心點(diǎn)之間的距離(a≠b)。DB值越小意味著簇內(nèi)距離越小,同時(shí)簇間距離越大,整體的聚類效果就越好。

4.3 聚類評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比分析

利用上述3類評(píng)估指標(biāo),對(duì)碎石樁鉆進(jìn)數(shù)據(jù)集的聚類效果進(jìn)行檢驗(yàn)分析,對(duì)所有數(shù)據(jù)樁聚類的3種評(píng)估指標(biāo)具體分析如表1～3所列。

表1 輪廓系數(shù)數(shù)值指標(biāo)

表2 CH數(shù)值指標(biāo)

表3 DB數(shù)值指標(biāo)

由表1～3可知:AGNES聚類、K-Means聚類以及MeanShift聚類的輪廓系數(shù)與CH指數(shù)的取值范圍與均值明顯高于GMM-EM聚類與DBSCAN聚類。其中AGNES聚類的輪廓系數(shù)與CH指數(shù)的取值范圍最大。同時(shí)AGNES聚類的DB指數(shù)范圍與均值也低于其他幾類聚類算法。結(jié)合AGNES聚類和MeanShift聚類的地層辨識(shí)分析結(jié)果可知:AGNES聚類算法在Ql-2-③層的聚類結(jié)果為18.6～34.0 m,在Ql-2-②層的聚類結(jié)果為34.0～39.0 m,在Ql-2-①層的聚類結(jié)果為39.0～50.1 m。整個(gè)Q1-2層的聚類深度為31.5 m左右,這與圍堰地基中初步勘探得到的低液限黏土層厚度是吻合的。

綜上所述,通過(guò)對(duì)進(jìn)尺深度、鉆進(jìn)電流與鉆進(jìn)比功3個(gè)方面指標(biāo)進(jìn)行不同的聚類算法分析后,再對(duì)各聚類方法進(jìn)行聚類效果評(píng)估分析,發(fā)現(xiàn) AGNES聚類算法是適用于該工程圍堰地基地層辨識(shí)的有效方法。另外通過(guò)評(píng)價(jià)聚類效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看,所選用的地層識(shí)別聚類方法是合適的,為其他類似的大數(shù)據(jù)聚類分析方法選擇提供了重要參考。

5 結(jié) 論

本文基于振沖碎石樁施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了振沖碎石樁鉆進(jìn)比功的概念,并通過(guò)聚類分析開(kāi)展不同進(jìn)尺深度的地層類型辨識(shí)。利用輪廓系數(shù)、DB指數(shù)和CH指數(shù)來(lái)對(duì)各聚類算法的地層辨識(shí)效果進(jìn)行評(píng)估,為工程中地層類型的辨識(shí)篩選出最合適的聚類算法,主要結(jié)論如下:

(1) 振沖碎石樁在成樁過(guò)程中消耗的能量會(huì)因地層物理力學(xué)特性的不同而變化,在軟弱地層消耗能量低,堅(jiān)硬巖層則較高。提出的振沖鉆進(jìn)比功可有效表征不同的地層類型。

(2) 本文所選取的進(jìn)尺深度、電流與鉆進(jìn)比功3個(gè)指標(biāo)與復(fù)雜地層分類有較強(qiáng)的相關(guān)性。通過(guò)聚類結(jié)果與評(píng)估指標(biāo)可知,K-Means聚類、AGNES聚類與MeanShift聚類這3種聚類算法能較準(zhǔn)確地辨識(shí)不同的地層類型,其中AGNES聚類效果最好。

(3) 凝聚層次(AGNES)聚類算法可以根據(jù)樁成孔過(guò)程采集的特征參數(shù),對(duì)復(fù)雜地層進(jìn)行有效辨識(shí),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)需要加固的軟弱地層信息的快速獲取。

本文通過(guò)對(duì)振沖碎石樁施工數(shù)據(jù)的深入挖掘分析進(jìn)而開(kāi)展不同地層類型的辨識(shí),為振沖碎石樁施工成樁過(guò)程中的質(zhì)量控制指標(biāo)確定提供了重要技術(shù)支撐,也為分析振沖碎石樁施工后形成的復(fù)合地基綜合物理力學(xué)特性提供了基礎(chǔ)資料。