基于D-S證據(jù)模型的凍土區(qū)公路路基沉降監(jiān)測技術(shù)

左偉濤

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司,天津 300308)

季節(jié)性凍土占我國國土面積的一半以上,其開發(fā)利用對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展具有重要意義。季節(jié)性凍土造成的路基不均勻的變形是凍土地區(qū)路面早期被破壞的一個(gè)重要原因。由于路基路面的整體性,路基不均勻的沉降變形造成了路基的不均勻沉降變形,進(jìn)而導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生一種融沉附加應(yīng)力[1-2]。假設(shè)非均勻沉降變形值高于設(shè)定值,路基材料將受到較大的附加應(yīng)力影響。公路的正常使用需要路基良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性來保障,而路基的穩(wěn)定性很大程度上取決于路基沉降變形量[3-4]。因此,對路基差異沉降變形的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)建,對路基的沉降變形的規(guī)律變化進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測,對于保證公路的安全運(yùn)行具有重要意義[5]。傳統(tǒng)的路基沉降監(jiān)測技術(shù)有承載板法、落錘彎沉測量法等。在實(shí)際應(yīng)用中,這些方法對路基沉降的監(jiān)測精度低、監(jiān)測效果差,無法對路面管理系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集,計(jì)算也十分復(fù)雜。因此,對凍土區(qū)公路路基沉降監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行深入研究,具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 凍土路基沉降類型及預(yù)測機(jī)理

1.1 凍土沉降類型分析

根據(jù)路基沉降一級變形特征,可以把它的沉降分成瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降以及次固結(jié)沉降三個(gè)階段,其本質(zhì)上都是由于土壤固結(jié)壓縮排出土壤中的水分或空氣而導(dǎo)致土壤體積的減少[6]。路基沉降圖類型和沉降過程示意圖見圖1和圖2。①瞬時(shí)沉降:發(fā)生在填土初期,在加荷的作用下瞬時(shí)發(fā)生,此時(shí)土中的孔隙水沒有及時(shí)排出,因此在不排出且體積不變的情況下,土體僅發(fā)生橫向變形,此時(shí)沉降速率最大。②固結(jié)沉降:由于土體持續(xù)受到荷載力的作用,孔隙中的水被一點(diǎn)點(diǎn)地排出,孔隙水壓力逐漸降至零,土體間的壓縮作用增強(qiáng),形成豎向變形,路基出現(xiàn)固結(jié)沉降效應(yīng),固結(jié)沉降速率也隨之減緩[7-8]。在我國北方寒冷地區(qū),融沉和凍脹破壞是建筑物凍害的主要原因,在高原多年凍土地區(qū)的公路,也存在融沉和凍脹的破壞現(xiàn)象。影響凍土區(qū)公路路基穩(wěn)定性的因素較多,但主要因素是路基的總沉降變形[9]。③次固結(jié)沉降:有效應(yīng)力不再增加,超孔隙水壓力在土中完全消失,隨著時(shí)間延長,土體逐漸發(fā)生緩慢變形,如體積減小、剪應(yīng)變變小。雖然土體的三種沉降形式有著明顯差異,但實(shí)際上均發(fā)生在同一時(shí)間的不同階段,只是其中一種沉降變形在某一階段比另兩種更加突出。

圖1 凍土沉降類型圖

圖2 路基沉降過程示意圖

1.2 路基沉降監(jiān)測

地基沉降觀測按照不同類型的地基條件、不同結(jié)構(gòu)部位等具體情況進(jìn)行相關(guān)分析與分類。通常情況下,沉降觀測斷面的間距一般≤50 cm;針對地勢平坦、路基狀況良好、路基高度≤5 m的路堤或者路塹,可加寬操作,使其寬度達(dá)到100 m;針對地形或者是地域變化程度大的情況,需要進(jìn)行合適的加密操作。

1.3 路基沉降預(yù)測

在路基沉降的監(jiān)測過程中,隨著施工的進(jìn)行,路基沉降系統(tǒng)受到的影響因素和系統(tǒng)的整體狀況持續(xù)變化,所以需要向系統(tǒng)中引進(jìn)新的數(shù)據(jù)參數(shù)信息,以對沉降系統(tǒng)的改變、外界因素對沉降產(chǎn)生的影響進(jìn)行反映。這就需要持續(xù)地把新的觀測數(shù)據(jù)更新到原始數(shù)據(jù)中,以此為基礎(chǔ)再建立模型,即等維信息模型[10]。如果不斷地把新的觀測數(shù)據(jù)加入原始數(shù)據(jù)中,原始數(shù)據(jù)列就會(huì)變得越來越長,系統(tǒng)受到的干擾越來越多,不穩(wěn)定因素越來越多,容易使模型的精度降低,計(jì)算的工作量也在不斷增加。因此,在建立模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用相關(guān)的算法規(guī)則以及等維約束。換言之,將一條新信息添加到原始的數(shù)據(jù)列中,便可以將一條舊的數(shù)據(jù)信息去除。同時(shí),將觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和新增性納入考慮,借此建立的CM(1,1),即為等維信息模型。

設(shè)原始的數(shù)據(jù)為x(0)=[x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)],伴隨著數(shù)據(jù)的更迭,假如n+1時(shí)刻的沉降數(shù)據(jù)x0(n+1),使得在原始序列當(dāng)中增加x0(n+1),將x0(1)去掉,構(gòu)成新的等維動(dòng)態(tài)序列,然后建立新的灰色預(yù)測模型(即等維新息模型)進(jìn)行預(yù)測,如此逐步進(jìn)行下去。以此實(shí)現(xiàn)路基沉降的預(yù)測。

2 基于D-S證據(jù)模型的路基沉降信息化監(jiān)測

D-S證據(jù)模型是由Dempster于1967年提出,由其學(xué)生Shafer于1976年進(jìn)一步發(fā)展起來的一種不精確推理理論,也稱為Dempster/Shafer 證據(jù)理論(D-S證據(jù)理論),屬于人工智能范疇,最早應(yīng)用于專家系統(tǒng)中,能處理不確定信息。作為一種不確定推理方法,證據(jù)理論的主要特點(diǎn)是:滿足比貝葉斯概率論更弱的條件;具有直接表達(dá)“不確定”和“不知道”的能力。

2.1 凍土路基沉降監(jiān)測D-S證據(jù)模型

對于路基的沉降監(jiān)測的研究分成兩個(gè)部分:一是最大差異沉降值;二是沉降隨時(shí)間的變換。根據(jù)已有的理論研究對最大差異沉降進(jìn)行完善,使得沉降量的估計(jì)誤差保持在 10%～20%范圍內(nèi)。然而沉積量伴隨時(shí)間的變化并沒有顯著的改變,土的種類和結(jié)構(gòu)有很大的差別,不能統(tǒng)一體系。凍土環(huán)境下沉降的計(jì)算方法是利用施工過程中測量出的位移的信息擬合參數(shù)對沉降隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行推演。最后對瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降進(jìn)行相關(guān)評估,通常借助分層總合法。而工程實(shí)際中多采用測定沉降值乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法推導(dǎo)D-S證據(jù)模型的沉降系數(shù):

S=mSc

(1)

式中,m代表的數(shù)據(jù)參數(shù)信息是與土質(zhì)、荷載及加荷速率有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)沉降系數(shù),計(jì)算主固結(jié)沉降的公式為:

(2)

式中,ea代表的數(shù)據(jù)參數(shù)意義是路基中分層中點(diǎn),在自重應(yīng)力作用下穩(wěn)定時(shí)的孔隙比;ei代表的參數(shù)意義是路基中分層中點(diǎn),在自重應(yīng)力與附加應(yīng)力共同作用下穩(wěn)定時(shí)的孔隙比;Δh代表的參數(shù)意義是路基沉降分層厚度。

假如借助壓縮模量進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,那么主固結(jié)沉降D-S證據(jù)模型如下:

(3)

式中,Δpi是路基中各分層中點(diǎn)的應(yīng)力增量;Eci是路基中每個(gè)分層壓縮模量。

因?yàn)橥潦亲儺愋跃薮蟮墓こ滩牧现?其結(jié)構(gòu)性質(zhì)的復(fù)雜度高,而且僅僅考慮路基底面下路基各層的沉降總和,并未將路基本身的固結(jié)壓縮變形納入考慮之中是不全面的,所以計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的測量結(jié)果相比有著巨大的誤差。借助有限元分析軟件對路基沉降模型進(jìn)行構(gòu)建,充分考慮與研究路基壓縮變形,對路基的沉降量通過相關(guān)計(jì)算進(jìn)行具體分析。同理論分析相結(jié)合,路基工后不均勻沉降的D-S證據(jù)模型如下:

(4)

2.2 路基沉降信息化監(jiān)測流程

路基沉降監(jiān)測是以筑體為中心,從填筑體監(jiān)測與填筑體壓實(shí)兩個(gè)方面展開的。大體按照填料和壓實(shí)兩方面實(shí)施路基沉降的監(jiān)測。

(1)路基填筑。選取適宜的設(shè)計(jì)沉降估算方法,保證沉降監(jiān)測措施的合理性。首先精確掌握地質(zhì)資料和土工參數(shù);再針對路基的結(jié)構(gòu)、面寬、工后沉降監(jiān)測、橋墩設(shè)置等重要參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的分析與評估,分析路基設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問題與相關(guān)措施。評估后,針對該路段不同配比的路基建筑材料提出合理改進(jìn)建議。

(2)填料壓實(shí)。參考合理的參數(shù),對路基壓實(shí)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,進(jìn)一步詳細(xì)地研究巖土的物理特性,包括含水率、壓實(shí)情況等施工參數(shù)對壓實(shí)效果產(chǎn)生的影響,得到可靠度高、適宜度高的碾壓組合工藝,并對凍土層路基的有關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行規(guī)定。具體的路基沉降信息化監(jiān)測流程見圖3。

圖3 路基沉降信息化監(jiān)測流程

2.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基穩(wěn)定性監(jiān)測

在對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí),為了減少數(shù)據(jù)的非規(guī)則性,所有數(shù)據(jù)都需經(jīng)過量化處理,定義在[0,1]之間。對各變量值進(jìn)行量化,采用如下方法:

溫度T=T/Tmin,降雨量W=W/Wmax

AADT=AADT/AADTmax

(5)

其中,AADTmax,Wmax分別為這兩項(xiàng)指標(biāo)的累加值在設(shè)計(jì)期限內(nèi)可能的最大值。Tmin為設(shè)計(jì)期限內(nèi)可能的溫度最低值。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對路基進(jìn)行監(jiān)測穩(wěn)定性的鑒定過程。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層神經(jīng)元傳遞函數(shù)一般情況下可以借助可微函數(shù)進(jìn)行表示:

f1(v)=1/[1+exp(-v)]

(6)

輸出層神經(jīng)元傳遞函數(shù)的應(yīng)用:

f2(v)=v

(7)

針對第p個(gè)輸入的樣本數(shù)據(jù),隱含層的第節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)是:

(8)

式中,f1代表輸出層激勵(lì)函數(shù);α代表輸入層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);wij代表輸入層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值;ui代表隱含層節(jié)點(diǎn)的輸入值;bj代表隱含層節(jié)點(diǎn)的閾值。

輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的預(yù)測輸出是:

(9)

式中,f2代表輸出層的激勵(lì)函數(shù);M代表隱含層的點(diǎn)個(gè)數(shù);wkj代表隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)與輸出層的第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值;bk代表輸出層節(jié)點(diǎn)的閾值。穩(wěn)定性鑒定的計(jì)算公式為:

(10)

式中,m代表輸出層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),借此完成路基監(jiān)測穩(wěn)定性鑒定,詳細(xì)流程見圖5;Zpk、Ypk分別代表期望輸出與預(yù)測輸出。

圖5 路基監(jiān)測穩(wěn)定性鑒定流程

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

路基沉降板設(shè)置:利用40 cm×40 cm×1 cm的鋼質(zhì)材料與40～100 mm的鍍鋅鋼管制作出沉降板,在沉淀板的正中位置,將三根斜向狀態(tài)的鋼筋焊接在上面,沉淀板的長度設(shè)置成20 cm,接頭間利用絲進(jìn)行連接。大管件或具有一定強(qiáng)度的塑料套管外壁,套管直徑應(yīng)小于5～10 cm,其長度應(yīng)小于5～10 cm,能容納中間部分。

沉降板埋設(shè)說明:選取路基的頂面作為板體結(jié)構(gòu),在路基壓實(shí)過程結(jié)束后,第一時(shí)間將降板鑿開,防止加大路基的破壞程度。在沉降板的組裝過程中,需要確保路基的整平,將第一層填料進(jìn)行鋪筑,壓實(shí)結(jié)束后,在預(yù)設(shè)地點(diǎn)對填料進(jìn)行挖取直至達(dá)到原地面,進(jìn)行回填夯實(shí),直到填料將要與金屬測管管頭的位置時(shí)近乎水平時(shí),打開護(hù)帽,裸露管頭,確定管頭標(biāo)高,戴上護(hù)帽。路基制作過程就此結(jié)束。

利用夯擊1、2、3點(diǎn)的方法對路基進(jìn)行沉降,夯擊原理見圖6。

圖6 夯擊示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

以60 m為間隔設(shè)置觀測斷面,在其上設(shè)置4個(gè)觀測臺(tái)。由于凍土路基在冬季很可能出現(xiàn)凍結(jié),沉降量的變化程度很弱,因此在觀測時(shí),需要把施工的頻率和季節(jié)因素納入考慮,把路基的凍土變化過程作為觀測的參照依據(jù)。如冰期為4月到10月、凍結(jié)期為10月到1月、穩(wěn)定凍結(jié)期為1月到3月,觀測頻率依次為每15天一次、45天一次與60天一次。

施工及觀測注意事項(xiàng):①在觀察期間采用相關(guān)設(shè)備與措施保護(hù)沉降板,避免其與施工車輛、壓路機(jī)等碰撞與人為損壞情況的發(fā)生。如出現(xiàn)碰損,需要第一時(shí)間復(fù)位沉降觀測板并重新觀測。②若在對可靠性高的觀測基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行尋找時(shí)遇到困難,可以選擇比較可靠的點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),使之后的施工得以正常進(jìn)行,也可以以此為依據(jù)對基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步確定。③在施工階段完成后,最大限度對已經(jīng)埋設(shè)的沉降板、移動(dòng)式樁基等進(jìn)行保護(hù),防止人為對其造成破壞。在沉降觀測階段,尤其要重視觀測沉降數(shù)據(jù)的監(jiān)測與記錄,使人為因素產(chǎn)生的誤差最小化。

建筑工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):①強(qiáng)夯過程中,夯錘點(diǎn)中心偏差應(yīng)在150 mm內(nèi),如發(fā)生偏錘應(yīng)及時(shí)重對。②避免夯坑周圍土體隆起過大。③避免夯坑傾斜情況,強(qiáng)夯的水平偏差應(yīng)小于200 mm。橫沖坑底傾斜速率在1.73以上時(shí),再進(jìn)行一次強(qiáng)夯。④夯擊能量必須保持在100 mm以下,并且最后兩擊的平均夯沉量應(yīng)保持在50 mm以下。在夯點(diǎn)1、2、3進(jìn)行夯擊,將傳統(tǒng)落錘式彎沉儀法監(jiān)測下與沉降監(jiān)測仿真建模的技術(shù)下的實(shí)測沉降位移與期望沉降位移進(jìn)行沉降差監(jiān)測。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用傳統(tǒng)落錘式彎沉儀法監(jiān)測,沉降差監(jiān)測結(jié)果見圖7。使用沉降監(jiān)測仿真建模技術(shù)監(jiān)測,沉降差監(jiān)測結(jié)果見圖8。

圖7 傳統(tǒng)落錘式彎沉儀法

圖8 沉降監(jiān)測仿真建模技術(shù)

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在夯點(diǎn)1、2、3進(jìn)行夯擊,將傳統(tǒng)落錘式彎沉儀法與沉降監(jiān)測仿真建模技術(shù)下的實(shí)測沉降位移與期望沉降位移進(jìn)行沉降差監(jiān)測對比,得到的圖像顯示:傳統(tǒng)落錘式彎沉儀法監(jiān)測下的沉降差大于基于沉降監(jiān)測仿真建模技術(shù)的沉降監(jiān)測產(chǎn)生的沉降差,兩者最低沉降差相差3.7 cm,說明傳統(tǒng)落錘式彎沉儀法監(jiān)測下的路基沉降監(jiān)測效果不如基于沉降監(jiān)測仿真建模技術(shù)的監(jiān)測效果。

4 結(jié)論與展望

路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是保證公路能夠正常使用的基本條件,路基是否穩(wěn)定很大程度上取決于路基沉降變形量的高低,所以要建立路基沉降變形監(jiān)測技術(shù),對沉降變形規(guī)律進(jìn)行精確的預(yù)測。實(shí)驗(yàn)顯示,傳統(tǒng)落錘式彎沉儀法的路基沉降監(jiān)測效果不如基于沉降監(jiān)測仿真建模技術(shù)的監(jiān)測效果。未來,以下兩個(gè)方面有待進(jìn)一步深入研究:①結(jié)合路試相關(guān)工程,對路試道路進(jìn)行全面的地溫和沉降觀測工作。②針對沉降技術(shù)數(shù)值模擬分析進(jìn)一步完善綜合監(jiān)測。