（地质工程专业论文）超大型群桩基础安全监测中的异常识别及分析技术研究.pdf

摘要 随着桥梁建设事业的不断发展，工程的规模越来越大，一些大跨度或超大跨度的 桥梁不断涌现，深水群桩基础成为大跨径桥梁工程普遍采用的一种基础形式。然而， 大直径超长群桩基础的理论研究远远落后于工程实践，为了验证深水环境下大直径超 长群桩的工作机理和安全性，改进群桩基础的设计理论与方法，确保工程的安全施工 和安全运营，对群桩基础进行安全监测是十分必要的。由于监测数据不可避免地受到 各种施工因素和环境因素的干扰，数据序列中包含着不同类型的异常值，这些异常值 的存在破坏了监测数据的真实性，并对监测数据的可靠性产生影响，因此，安全监测 的首要任务就是从大量的监测数据中发现并检出异常值，分析异常值产生的原因，及 时发现建筑物的安全隐患，提出处理意见，保证建筑物的安全施工和安全运营。 本文依托国家“十一五”科技支撑项目“苏通大桥建设关键技术研究”和“苏 通大桥索塔地基基础稳定及安全监测，以苏通大桥群桩基础为研究对象开展以下工 作： ( 1 ) 详细介绍了现阶段常用的异常值分析方法以及近年来新兴的判别理论，根 据苏通大桥索塔地基基础稳定及安全监测的数据特点，选用小波去噪理论对监测数据 进行处理，并利用噪声与信号在不同尺度上表现的不同特性对噪声进行分层剥离。 ( 2 ) 运用多传感器信息融合技术对钢护筒应交计、桩身钢筋应力计和混凝土应 变计测值进行融合，将不同传感器的观测数据协调利用，以实现对苏通大桥群桩基础 安全性的客观评价。 ( 3 ) 对苏通大桥地基基础安全监测中的异常测值进行属性识别，借助m a t l a b 软 件和小波分层去噪技术对潮位、季节性温度变化引起的征兆异常进行了剔除，并针对 潮位对基桩轴力的影响提出轴力修正公式。 ( 4 ) 研究承台浇注期间桩身轴力及桩顶轴力分布规律，对轴力的异常分布进行 分析，并运用a n s y s 软件分析钢护筒与桩基础的共同作用，探讨了在考虑钢护筒共 同作用情况下，大直径超长桩的传力机理。 关键词：苏通大桥，群桩基础，安全监测，异常值，异常属性，数据融合 a b s t r a c t w i mm ed e 、，e l o p m e l l to f 埘d g ec 0 潞咖c t i o nl l l 】- d 耐d k i n g ，t l l es c a l eo fp r o j e c t s be c _ o m e sl a r g e r 锄d1 a r g s o m el a r g 争s p 趾a n ds u p e rl a r g e - s p 孤b r i d g e sc o n t i m l a l l y e i i l e 昭e 姐dm ep i l eg r 0 1 】pf 0 u l l d a t i o ni nd e e pw a t c r ，ab a s i cf o n i l ，i sg e l l e r a l l ya d o p t e db y 1 0 n g s p a l lb r i d g ep r o j e c t s h o w e v t l l eb 鹪i ct l l c o r e t i c a lr e s e 鲫c ho nn l el a r g ed i 锄e t 贸 0 v e rl e l l g c 王lp i l eg r 0 1 啦f o u n d a t i o ni s 缸b e h i n d 也e 铋昏n e 嘶n g p 随c t i c c i no r d e rt 0v 耐母 l ew o r km e c h 觚i s m 锄ds e c u r i t yo fm el a f g ed i 撇e t e ra i l do v c rl e n g 吐lp i l e 粤仇l pi nd 唧 w a t i m p r o v en l ed e s i 印t l l e 0 巧a 1 1 dm e t h o d so fp i l eg r o u pf o u n d a t i o na i l d s u r et l l e s a f e t yc o n s 讯l c t i o na i l ds e c 嘶t yo p e r a t i o l l s ，i ti sn e c e s s a qt 0c 锄呵o u t 鼢f c t ym o n i t o r i n go n t l l ep i l eg r o u pf o u l l d a t i o n a sm e m o n i t o r i n gd a t ai si n c v i t a b l ei n t e f f 断c db yv a r i o l l sf a c t o r s o fc o n s t l l l c t i o na l l de i l v i r 0 1 1 1 1 1 e n t ，m o n i t o r i n gd a t ai n c l u d ed i 绦鹏n tt y p 懿o fo u t l i e r s t h e e x i s t e n c e so ft h e s eo u t l i e r su n d 锄l i n em ea u t h 耐i c i 锣o fm e m o n i t o 矗n gd a t aa n dh a v ea n e 船c to nm er e l i a b i l i t yo fm o l l i t o r i n gd a t a t h e r e f o r e ，m ep n m a r yt a s ko ft l l e s a f e t y m o i l i t o r i n gi st od i s c o v e ra l l dd e t e c tt h eo u t l i e r s 矗d ma1 a r g em m l b e ro fm o i l i t o r i n gd a t a a n a l y z et l l er e a s o nw h yo u t l i e r sa r eb r o u 曲t ，t i m e l yd i s c o v e rt 1 1 eh i d d e nd a n g e ro fb u i l d i n g a 1 1 d p u tf o 刑a r d 仃e a t i t l e i l tt o e l l s u r c 廿1 es a f - e t yo fb u i l d i n gc o n s n l j c t i o n 锄ds e c u r i t y a c c o r d i n gt 0 n a t i o n a ll l mf i v e - y e a rt e c h n o l o g ) rs u p p o np r o j e c t _ i t h e k e y t e c l l l l i q u e ss 砌yo nt l l ec o n s 饥c t i o no fs u t o n gb r i d g e 锄ds t a b i l i 够觚ds e c u r i t ) r m o n i t o r i n go fs u t o n gb r i d g et o w e rf o u n d a t i o n ，t l ：l i sp a p e rr e g a r d st h ep i l e 掣。o u p f 撕l d a t i o no fs u t o n gb r i d g ea st l l er e s e 鲫c ho b j e c t 锄dd o e sm e f o l l o w i n g w o r k ： ( 1 ) t h eo u t l i e r a 1 1 a l y s i sm e t h o dc o 删 i l o n l yu s e di i lp r e s e l l ts t a g ea 1 1 d 也e d i 侬栅t i a t et h e o f ye m e 哂n gi nr e c e n ty e a r sa r ei n 舡d d u c e di nd e t a i l a c c o r d i n gt os t a b i l i t y a i l ds e c 嘶t ym o l l i t 0 血gd a t af e a t u _ r e so ft l l ec a b l et o w e r 锄dg r o u n df o u n d a t i o no fs u t o n g b r i d g e ，w a v e l c td e n o i s i n gm e t l l o di ss e l e c t e dt oc 卸呵o u tt l l el 锄i n a t i o nd e n o i s i n go nt h e m o i l i t o rd a t a ，m ed i 岱玳n c eo fm e d e c o m p o s i t i o nc r i t e r i o nc 觚b eu s e dt os e p e r a t e 廿1 en 研s e c a u s e db yt h ed i f i f e r e n tf a c t o r s ( 2 ) b yu s i n gm em u l t i s e n s o ri n f o n l l a t i o nm s i o nt e c l l i l o l o g y ，t h ev a l u e sm e a s u r e d 缸吼s t e e l - p r o t e c t i o n 劬es t r a i ng a u g e s ，s t e e lb a ro ft h ep i l eb o d ys t r e s sg a u g e sa n dt h e c o n c r e t es 跳i ng a u g 鹤a r e 如s e d t h eo b s e r v a t i o nd a t a 丘o md i 丘e 豫l ts e n s o 稻a r e c o o r d i n a t e l yl l s e d ，s ot h a tt l l es e c u r i t ) ro fs u t o i l gb r i d g ep i l eg r o u pf b u n d a t i o nc 趾b e e v a l u a t e do 蜘e c t i v d y ( 3 )耽ea 缸b u t e 锄a l y s i so n 吐l ca b n o n i l a lv a l u c so fs u t o n gb r i d g e 觚1 d a t i o n s a f e t ym o m t o r i n gi sc 硎e do u t a r l dw i mt 1 1 eh e l po fm a t l a bs o f h ) l ，a r c 锄dw a v e l e t1 a y e d d e n o i s i i 培t e d m o l o g y t l l ea b n o 肌a 1s i 目1 sc 烈l s c db yt i d e 肌ds e a u s o n a lt e m p e f a t i l r ec _ h 柚g e s a r er e l n o v e d 觚d 圮r e 访s e da 虹a l 如r c e 内n i m l ai sp r o p o s e da i m i i l ga t l ee f f e c to ft i d e0 n 觚i sf - 0 r c eo f b a s i sp i l e ( 4 )a n a l y s et h ea ) 【i sf o r c ed i s 劬u t i o nl a wo nm e p i l eb o d ya n dp i l et o p 蛳n g t l l e p o u r i n go fp i l ec a p b yu s i n ga n s y ss o 脚a r et 0锄a l y z em ei n t e r a c t i o no ft l l e s t e e l p r o t 硎o nt u b e 砒l dp i l ef o u n d a t i o n ，n l e 眦s f 打m c c h a l l i s mo f t 量l el a r g ed i a m e t e ra n d o v e fl e i l g l l lp i l ei sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：s u t o n gb r i d g e ，p i l eg r o u pf o u l l d a t i o n ，s a f e t ym o n i t o m g ，o u t l i e r ，a b l l o l m a l a t t r i b u t e ，d a t e 如s i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 瞻年 舌月发日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ，- d g 年6 月农日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 近年来，随着社会经济的发展和交通建设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨 度桥梁相继建成，随着桥梁结构的形式和功能日趋复杂，人们对这些桥梁的安全性、 耐久度和正常使用功能日益关注和重视，桥梁健康监测系统和智能控制技术相继运用 到这些大型桥梁中，并得到了迅速的发展【i 5 】。深水群桩基础以其优越的性能成为大 跨径桥梁普遍选用的一种基础形式，而且随着工程规模的不断扩大，桩基设计承载力 越来越大，桩身截面及桩长不断增加【6 j 。虽然大直径超长钻孔灌注桩在工程中得到了 广泛的应用，但其理论研究却远远落后与工程实践。为了验证深水环境下大直径超长 群桩的工作机理和安全性，改进群桩基础的设计理论与方法，确保工程的安全施工和 安全运营，对群桩基础进行安全监测十分必要。 由于监测数据不可避免地受到各种施工因素和环境因素的干扰，数据序列中包含 着不同类型的异常值，这些异常值的存在破坏了监测数据的真实性，并对监测数据的 可靠性产生影响，可能导致完全错误的数据分析和安全性评价。因此，安全监测的首 要任务就是从大量的监测数据中发现并检出异常值，分析异常值产生的原因，及时发 现建筑物的安全隐患，提出处理意见，保证建筑物的安全施工和安全运营【m 。 1 2 问题的提出 大型桥梁的成功建造对改善道路交通状况和促进地区间的经济贸易发展起到了 不可替代的作用，大型桥梁是道路交通系统的主干枢纽，维系着国民经济的命脉，是 国家基础设施建设的重要组成部分【l o 1 2 】。武汉长江大桥和南京长江大桥的先后建成通 车，开创了我国大型桥梁的建造历史。上海南浦大桥、杨浦大桥和徐浦大桥的相继建 成更是标志着我国现代桥梁建设技术已跻身世界领先行列。2 0 世纪的后二十年，我国 还建造了汕头海湾大桥、广东虎门大桥、西凌长江大桥、厦门海沧大桥、江阴长江大 桥等大型桥梁。2 l 世纪初，又兴建了万县长江大桥、南京长江二桥、上海卢浦大桥、 润扬长江大桥、杭州湾跨海大桥、苏通长江大桥等重大工程项目。其中润扬长江大桥 南汉桥为跨径1 4 9 0 米的单孔双铰钢箱梁悬索桥，是目前“中国第一、世界第三”的 河海大学硕+ 学位论文超大型群桩皋础安全监测中的异常识别及分析技术研究 大跨径悬索桥，宁波杭州湾跨海大桥是目前世界上最长的跨海大桥，苏通长江大桥主 跨1 0 8 8 米，是世界第一跨度斜拉桥。 随着桥梁建设的不断发展，工程规模越来越大，建设条件越来越复杂，技术和施 工难度越来越高，施工风险越来越大，因而对基础的承载力和稳定性要求也越来越高， 监测手段已成为必不可少的需要和技术保障措施。安全监测手段对复杂建设环境下的 超大型工程安全施工和安全运营至关重要，安全监测技术也相继运用到这些大型桥梁 中，并得到了迅速的发展【1 3 1 卯。 国内外许多大型桥梁都建立各种类型的安全健康监测系统，如英国主跨1 9 4 m 的 f l i n t s l l i r e 独塔斜拉桥、日本主跨1 9 9 0 m 的明石海峡大桥和主跨1 1 0 0 m 的南备赞濑户 大桥、丹麦主跨1 6 2 4 m 的骶a tb c l te 嬲t 悬索桥、挪威主跨为5 3 0 m 的s k 锄s u n d c f 斜拉桥、美国主跨4 4 0 m 的s 啪s l l i n es k y w a yb r i d g e 斜拉桥和加拿大的c o n f 酣e r a t i o b 棚g e 桥。我国自2 0 世纪9 0 年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期 监测系统，如香港的l a i l t a uf i x e dc r o s s i n g 和青马大桥，内地的徐浦大桥、江阴长江 大桥、苏通长江大桥等在施工阶段都已安装健康监测用的传感设备。为这些大跨径桥 梁构建安全监测系统，对确保其安全与耐久性，减少或避免人民生命和国家财产的重 大损失，保障公路交通运输网络的安全畅通，促进国民经济繁荣和发展具有重要意义。 安全监测的核心目的是为了实现“为安全而监测”的宗旨，从这个意义上来说， 安全监测就是为了能够及时发现建筑物的安全隐患，提出处理意见，保证建筑物的安 全施工和安全运营。然而，监测数据由于受到各种因素的干扰，包含着不同类型的异 常值。统计学家通过大量数据的研究和分析发现，在一大群观测数据中，有时会产生 5 1 0 的异常数据，这种现象仍属于正常的并且不可避免的【1 6 】。这些异常数据的 存在破坏了监测数据的真实性，并对监测数据的可靠性产生影响，可能导致完全错误 的数据分析和安全性评价。因此，安全监测首要的任务就是从大量的监测数据中发现 并检出异常值，分析异常值产生的原因，从而正确评价建筑物的安全性态。 在地基基础安全监测实践中，监测数据中的异常通常分为粗差和异常值两类 【1 7 1 引。粗差包括由于测量人员的误读误记、对测量仪器的操作不当造成的疏忽误差和 由于测量环境的突变使测量仪器发生突然跳动造成的异常数据。异常值是由于被监测 体本身发生显著变化，使监测结果不符合被监测体正常的变化规律的异常数据。它是 岩土体或结构体的真实响应，包含着安全性态变化的信息，往往是结构及地基基础失 2 第一章绪论 稳破坏的征兆。异常值又可以分为征兆异常和表观异常，征兆异常是指示结构及地基 基础失稳破坏征兆的异常，表观异常是由于环境因素的周期性变化引起的异常。对于 征兆异常，应深入分析其产生的原因和研究其可能的后果，对结构和岩土体的工作性 态进行合理评价，及时提出技术报警和相应的处理意见。 临近长江口的苏通大桥建设需经受十分复杂的双向强潮汐深水环境考验，挑战超 深、超大型深水群桩基础技术难题【1 9 1 。而且“双向强潮汐深水环境 与“超深、超大 型深水群桩基础”的相互作用十分强烈，从而派生出突出的“施工平台安全性问题 、 “河床冲刷和局部强冲刷问题 、“大直径超深钻孔灌注桩施工问题”、“超大型钢套箱 整体沉放安全性问题 等。“双向强潮汐深水环境 给安全施工和工程的安全性带来 十分复杂的影响因素，其不利组合前所未遇；群桩基础各组成结构的共性是“超深、 超大型”，它不断突破现行规范所涵盖的范围、缺乏必要的技术支撑。 综上所述，深水环境下超大型桩基础工程的安全问题突出、影响因素复杂，对其 安全问题的准确评价十分困难。能否从大量的监测数据中及时发现并检出异常值，分 析异常值产生的原因，及时发现安全隐患，提出处理意见，是保证群桩基础能否安全 施工和安全运营的重要条件之一。因此，本文的研究具有重要的工程应用价值。 1 3 研究现状 1 3 1 安全监控理论的研究现状 近年来安全监控技术发展较快，主要有以下特点： ( 1 ) 安全监控观测的范围逐步扩大，涉及领域不断扩大，对安全监控的认识更 深入、更全面。安全监控始于上世纪六十年代，最早是在大坝工程方面得到应用，如 今在桥梁工程、高层建筑等领域都得到应用和发展。从传统测量到自动实时监测、从 局部测点监测到分布式光纤监测、从线性分析到非线性分析、从静力到动力、从被动 报警到主动预测及辅助决策，结构安全风险与可靠性分析也逐渐展开，安全监控技术 吸收了众多领域的先进成果，内容广泛而深入。随着对结构的认识越来越深，人们不 仅对上部结构监控技术进行深入研究，而且对大型建筑物地基变形、基础与地基相互 作用等也日益重视【2 0 粕l 。越来越多的大型建筑进行了地基基础的安全监控。 ( 2 ) 资料分析日趋深入，在注重工作性状研究的同时，安全监控模型的研究得 河海大学硕：j ：学位论文超大型群桩基础安全监测中的异常识别及分析技术研究 到普遍重视，数据处理向在线实时控制发展，更多地采用了数学模型技术。除数学模 型和反馈分析外，还出现了一些新的方法。日本学者长谷川高士掣2 7 】采用卡尔曼滤波 法与有限元法相结合，对大坝渗漏量观测值进行预测评价大坝安全性。波兰学者多布 兹( w d o b o 眩，1 9 8 5 ) 【2 8 】提出了由脉冲响应函数组成的综合性公式，阐述了求取温 度脉冲函数的方法。袁慎芳【2 9 】针对标准b p 网络泛化能力差的缺点提出了双b p 网络， 并应用于智能材料结构中损伤的自诊断问题，提高了标准b p 网络泛化能力。徐良、 江见鲸【3 0 j 等利用随机子空间系统识别方法进行了悬索桥的模态分析研究，这种时域识 别方法基于状态空间模型，仅利用结构输出反应，避免了传统的人工识别和迭代过程， 但必须利用稳定图形确定模型阶数。 ( 3 ) 新的仪器不断涌现，一些常规方法得到改进，观测手段更丰富、更先进、 更智能化，观测精度不断提高【3 l 】。滑动测微计等先进仪器的研制成功，解决了以往在 结构物上或观测孔中进行变形观测都是单点测量，难以发现软弱夹层等局部缺陷的问 题。伺服加速度传感器的使用，大大提高了测斜仪的精度与观测深度。变磁阻感应式 遥测垂线坐标仪、深层基岩多点变位计、附壁位移计等新型观测装置以及g p s 等技 术的出现，都极大地促进了监控技术的发展。未来的监控手段将日渐先进，结构c t 技术、光纤传感技术等将得到更多应用。 ( 4 ) 自动化实时监控系统有了较快发展【3 2 3 引，在许多大型重要建筑物及地基基 础监测中实现了自动化遥测集控。当破坏发展迅速时，采用周期性人工观测的办法是 不可能及时检测出征兆异常。因此，有必要强调自动化实时监测系统的重要性。自动 化监测系统能够胜任多测点、密测次的观测，提供在时间上和空间上更为连续的信息， 可以把数据采集、记录、检验、打印、传输以及分析报警等多个环节连接成一个紧凑 的、短历时过程，并可实现实时安全监控。 ( 5 ) 监测结果的分析对设计施工及运营管理决策的影响更加深入。江阴大桥在 锚碇施工期基于监测信息利用反分析与时间序列分析模型经过分析指出锚碇的水平 位移过大，会导致上部结构的不安全，并及时更改了设计【3 4 1 。润扬大桥则采用基于时 间窗口的神经网络多步滚动预测技术，根据地下连续墙的变形监测数据对润扬大桥南 汊北锚碇地连墙的施工变形进行了预测，指导施工顺利进行【3 5 】。 4 第一章绪论 1 3 2 异常值识别技术的研究现状 为了实现“为安全而监测”的宗旨，监测数据必须忠实反映各原因量和响应量的 变化规律，安全监测的目的在于发现并检出异常。然而，由于施工期间岩土工程监测 系统具有不完善、监测点所处环境恶劣、人为干扰因素多、人工监测比重大等特点， 且存在人为测读和记录的偶然误差以及仪器精度和稳定性问题，监测数据中不可避免 的包含有异常值【1 8 】。在地基基础安全监测实践中，监测数据中的异常通常可分为租差 和异常值两类，异常值又可以分为征兆异常和表观异常。安全监测数据中异常值检出 的基本方法主要有以下几种： ( 1 ) 经验判别法。经验判别法又称过程线法，通过绘制监测效应量的时问过程 线和空间分布图，结合原因量( 水位、温度、实效等) 的变化规律，根据常识和经验 判断异常点。经验判别法存在着较大主观因素的影响，缺乏严格的、客观的的理论基 础，一般只用于明显的异常值的判别。 ( 2 ) 统计理论检验法。异常值检验方法都是建立在随机样本观测值遵从正态分 布( ，仃2 ) 和小概率原理的基础上的。根据观测值的正态分布特性，出现大偏差观测 值的概率是很小的。根据小概率原理，如果出现了大的偏差测值则表明测试过程的异 常情况，在这种异常情况下得到的大偏差测值只能被认为异常值。用来作为判别异常 值标准的两倍或三倍标准差，称为统计上允许的合理误差值。因此，凡是其偏差超过 统计上允许的合理误差限的离群值，则判为异常值。己有的研究表明，安全监测数据 一般遵从正态分布，因此，可运用统计检验方法对其进行异常值检验【3 6 舶】。 安全监测数据异常值检出的统计理论检验法主要有：拉依达检验法( 3 倍标准差 检验法) 、狄克松( d i x o n ) 检验法、t 检验法、偏度一峰度检验法、极差检验法、样 本分位数检验法、格鲁布斯( g m b b s ) 法、肖维耐准则检验法。 ( 3 ) 数学模型法。应用数学模型法进行监测数据异常值的检出主要应用在大坝 安全监测中。大坝监测数学模型是根据已有的坝工理论知识和时间经验，利用长系列 监测资料建立起来的、定量描述大坝效应量( 如变形、渗流、应力等) 与环境变量( 如 水位、温度、降雨等) 之问统计关系或确定性关系的数学表达式【4 1 舢】。这种数学方程 式能够反映大坝效应量监测值的变化规律，确定大坝效应量与环境量间的确定性关系 或统计关系。 河海大学硕i ：学位论文超大型群桩基础安全监测中的异常识别及分析技术研究 ( 4 ) 其它判别法。近年来，许多学者提出了异常值检测方法：徐洪钟【4 5 】等将小 波变换应用在大坝观测资料的异常值检出上，证明小波变换对大坝观测时间序列的异 常值定位非常准确；孙德山【4 6 】等利用支持向量回归算法中结构风险函数的性质以及 l ( t 条件，提出了一种非线性回归中关于因变量的异常值检测方法，仿真实验结果说 明了所给方法是有效的、可行的，同时也说明了支持向量回归算法具有很好的稳健性； 王建州【4 7 】等提出了一种时间序列中异常数据检测与挖掘的新方法，首先计算出时间序 列相邻两个点之间的斜率，再与混沌预测斜率相比较以检测出数据的偏差点集，其次 对偏差点集进行动态方差检测以确定其异常数据集，该算法较好地解决了异常数据分 析中的“屏蔽效应 及异常数据识别不能具体量化的缺陷；杨宜康【4 8 】等从测量数据序 列的时一频特征出发，借助频谱图识别测量数据中的粗差的位置和性质，采用加权的 均方误差标准来优化估计模型的参数，实现对测量序列的抗扰最佳估计，实例表明利 用频谱图进行粗差诊断准确可靠；王建f 4 9 】等利用多传感器融合的理论，通过对具有相 似变化规律的多个测点的监测数据进行标准化处理，将不同测点在同一时间的一次观 测近似看作同一测点在相同观测条件下的重复观测，然后运用常规统计理论，在大坝 安全监控专家系统中实现异常值检测以及异常趋势识别；未确知信息是中国工程院院 士王光远教授提出的有别于随机信息、模糊信息和灰信息的一种不确定信息，未确知 数学是表达和处理未确知信息的数学工具，黄红女将未确知滤波引入到土石坝安全监 测数据的处理中，研究了一种新的粗差处理方法，取得了很好的效果旧。 l 。3 3 异常值属性分析技术的研究现状 为了正确判断异常值的产生原因，要求检查者应对监测部位的地质条件、监测点 埋设的原始状态、相关部位的工程施工过程及工程荷载的变化情况、环境因素( 如涨 落潮、水位) 甚至气候因素( 如风力、风向、温度变化、日照辐射等) 都必须有全面 深入地了解【5 0 5 3 1 。目前异常值属性研究的文献较少，一般将异常值分为以下几种： ( 1 ) 假异常。安全监测中的假异常( 即粗差) 主要由以下几个原因引起：1 ) 测 量人员在测量时造成的读数错误、记录错误、计算错误以及计量器具的不当使用；自 动采集仪自动监测时，如果不恰当编制文件名，造成数据错位的错误；2 ) 测量条件 发生意外突变而引起计量仪器示值突然跳动，如电源的突然波动，测试仪器的突然跳 动，机械冲击波动，外界强电磁场的干扰等；3 ) 由传感器质量造成的异常值，如传 6 第一章绪论 感器自身的质量缺陷( 虚焊、接触不良、制作的应变计中含有杂质、制作传感器时， 空气未净化，因而使得应变计与弹性体之间夹杂着微粒、粘贴不牢而含有气泡) ，保 管和运输传感器时使传感器产生破坏或组装和安装时不符合规范；4 ) 测量人员对被 测对象不熟悉，对使用的仪器设备不掌握，操作不规范化等都会产生粗大误差。测量 方法得当与否会影响测量结果的正确性；5 ) 不明原因的异常。 ( 2 ) 表观异常。表观异常是由于各种环境因素和施工因素的影响产生的异常值。 表观异常虽然是监测对象的真实应力响应，但这种应力响应是在外部因素的影响下产 生的，并不是结构失稳或破坏的征兆。常见的表观异常有：1 ) 感潮河段的潮位涨跌 使重力式结构基底产生的应力异常；2 ) 太阳辐射或风荷载使高耸构筑物基底产生的 应力异常；3 ) 温度、湿度变化引起的监测对象的异常；4 ) 施工中放炮、开挖、钻孔、 夯击等引起的震动使监测仪器记录的数据值发生突跳。 ( 3 ) 征兆异常。征兆异常是结构失稳破坏的前兆，若在观测中怀疑某异常值为 征兆异常，应立即分析其原因及可能造成的后果，分析测值异常部位( 或所属建筑物) 的地质情况是否有问题；测值异常部位或其所属建筑物的关键部位有无异常；对测值 异常部位或其所属建筑物设计时所采用的参数进行校核；测值异常部位或其所属建筑 物所采用的工程措施是否失效或不完善；泥沙淤积形态；采用不同方法对测值异常部 位或其所属建筑物进行各种不同正反分析计算以便找出发生异常的可能原因。 1 4 本文研究工作及技术路线 1 4 1 主要研究内容 本文结合国家十一五科技支撑项目一一“苏通大桥建设关键技术研究 ( 2 0 0 6 b a g 0 4 b o o ) ，江苏省交通科学研究计划项目“超大型钻孔桩群桩基础关 键技术研究( 0 4 y 0 2 9 ) ”，依托苏通大桥索塔地基基础稳定及安全监测工程实践，以索 塔地基基础为研究对象开展以下工作： ( 1 ) 对常用的异常值判别方法以及近年来新兴的判别理论进行了介绍，详细介 绍了小波分层消噪技术在苏通大桥索塔地基基础监测中的应用。 ( 2 ) 运用多传感器信息融合技术对钢护筒应变计、桩身钢筋应力计和混凝土应 变计测值进行融合，将不同传感器的观测数据协调利用，以实现对苏通大桥群桩基础 7 河海大学硕l 学位论文超人型群桩綦础安全监测中的异常识别及分析技术研究 安全性的客观评价。 ( 3 ) 对苏通大桥索塔地基基础安全监测中的异常测值进行属性分析，借助m a t l a b 软件和小波分层去噪技术对潮位、季节性温度变化引起的征兆异常进行了剔除，并针 对潮位对基桩轴力的影响提出轴力修正公式。 ( 4 ) 研究承台浇注期间桩身轴力及桩顶轴力分布规律，对轴力的异常分布进行 分析。运用a n s y s 软件分析钢护筒与桩基础的共同作用，探讨了在考虑钢护筒共同 作用情况下，大直径超长桩的传力机理。 1 4 2 技术路线 本文主要技术路线见图1 1 所示。 强潮汐环境下超大型群桩基础的 异常检出和异常属性识别 需要可靠的异常检出方法 深入施t 过程：了解环境特点 信息冗余：多传感器信息融合 系统介绍异常检出方法， 以确定适用的方法 修正日照辐射影响 开展潮位跟踪观测， 建立与潮位的相关性 阐述异常的类型 及其特点 复杂环境因素 | l 钢护筒共同作用导致异常群： 产生异常过程： ii 轴力沿深度的分布出现异常一 时程曲线包含噪声l i桩身承受负摩擦作用 开展钢护筒共同作用的模拟一 查清截面应力分布一 修止桩身轴力计算公式 图1 1 研究技术路线框图 8 第二章异常值识别和监测数据的处理方法 第二章异常值识别和监测数据的处理方法 安全监测实践中，施工工况千变万化，影响因素多种多样，导致分析人员很难确 定测值是否为异常值，更难以确定异常属性，从而也难以决定其取舍。因此，有必要 借助统计检验、数学模型等方法来判明异常值及其异常属性，从而舍弃假异常值，分 析真异常值，保证监测资料的可靠性，据此提出技术报警和技术建议，保证工程的安 全施工和安全运营。 本章阐述异常值检出的基本方法。 2 1 异常值的经验判别法 经验判别法是从直观上判断安全监测资料中是否存在异常值的一种方法。一般是 通过绘制监测效应量的时间过程线和空间分布图，查看离群尖点，然后结合原因量( 如 潮位、温度、太阳辐射等) 的变化情况进行对比分析，根据常识和经验识别异常值。 在索塔地基基础安全监测中，如某测点的一次测值异常大，甚至超出了一般规律， 在时间过程线上出现尖点，此时应结合前后测值及相邻测点的测值进行比较，对明显 超出物理范围的测值，应判其为异常测值并剔除，若该测值在物理范围之内，则应根 据现场经验并结合原始记录，判断其是否为观测人员的疏忽造成的，若能确定，则判 其为异常测值并予以删除，若不能确定，则需进一步判断。 这一方法主要基于工程经验进行判断，存在较大的主观因素，缺乏严格的、客观 的理论基础，一般仅适用于对十分明显的异常值的判断。对于存在疑问的测值，通常 还难以得到明确的结论。 2 2 异常值的统计判别法 异常值统计判别法是建立在随机样本观测值遵从正态分布( ，仃2 ) 且异常值的 出现属于小概率事件的基础上的。根据观测值的正态分布特征，出现大的偏差测定值 的概率是很小的，当测值较少时，在正常情况下根据小概率原理，他们是不会出现的， 一旦出现则表明有异常值存在，在这种异常情况下得到的大偏差测定值只能被认为异 常值。用来作为判别异常值标准的两倍或三倍标准差，称为统计上允许的合理误差值。 河海大学硕：l 学位论文超大型群桩幕础安伞监测中的异常识别及分析技术研究 凡是其偏差超过统计上允许的合理误差限的离群值，则判为异常值。 统计检验所依据的是小概率原理，所谓小概率原理，是指概率很小的事件在一次 抽样检验中实际上是不可能发生的。设检验统计量为r = r ( 石) ，则在原假设成立时， 检验统计量f 的概率密度函数缈( 功落在某个彩区域的概率为： p ( 丁国) 2f 。珊伊( 丁) 刀= 口 ( 2 1 ) 口通常称为显著性水平。当原假设为“真”时，丁落入缈区域内应是一个不可能 发生的小概率事件。 统计检验的基本步骤为： ( 1 ) 建立原假设凰和备择假设胁。对本文所研究的问题，一般取原假设岛为 “测值不是离群测值 ，取备择假设凰为“测值是离群测值 ； ( 2 ) 选取合适的检验统计量死 ( 3 ) 选定适当等显著性水平口： ( 4 ) 根据样本值计算统计量值乃 ( 5 ) 根据小概率原理，使用概率论反证法进行统计推断。 如果由样本值计算出的r 落入国区域内，则有理由认为原假设日d ( 测值不是离群 测值) 不正确，或者说原假设与样本值有显著的矛盾( 即离群值与观测系列中的其他 测值的环境影响因素发生了较大的变化) ，这时，应在显著性水平口下拒绝原假设胁， 而接受备择假设硒( 测值是离群测值) 。若丁落入非国区域，则没有足够的理由怀疑 原假设的正确性，而应在显著性水平下接受原假设凰。 2 2 1 拉依达( p a u t a ) 检验法 拉依达检验法又称3 倍标准差检验法。在统计学上，将偏差大于3 倍标准差的离 群值称为高度异常的异常值，这种定义异常值的原则称为3 倍标准差原则。其显著性 水平口= 0 o o l 3 ，将偏差大于2 倍标准差的测值称为异常值，其显著性水平口= 0 0 0 2 8 。 在统计检验时，指定为检出异常值的显著性水平口称为检出水平，通常取0 0 5 o 1 0 ， 指定为检出高度异常值的显著性水平称为舍弃水平或剔除水平，通常取o 0 l 。该方法 是最常用的最简单的判别粗大误差的准则。适用于有长期观测资料且已求得标准差的 l o 第二章异常值识别和监测数据的处理方法 情况。但当样本容量大于3 0 时，也可直接由样本值计算其标准差进行检验，对于某 个测点，设其测量列x 。，屯，服从正态分布，仃2 ) ，如果发现某个测量值勤离群， 明显地偏大或偏小，被怀疑为异常值，则可用拉依达检验准则来检验。先由这些观测 值计算平均值j 与标准差叮， 扣：! 蕃五 q 2 如果可疑值以与测定平均值冤之间的差值的绝对值大于三倍标准差，即 i 勤一i | 3 仃 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 则认为劫为异常值，应予舍弃。 拉依达检验准则使用方便，不需要查表，当测定次数较多或要求不高时，可应用 它。但当测量次数较少时，例如”1 0 时，此时即使在一组测量值中混有异常值，也 无法发现。因为靠= 1 0 时，恒有下式成立： 3 仃= 3 压丙 c ， 旺5 ) 故此时无法检查出任何异常数据，取伪现象严重，可采用较严的2 倍标准差检验 法进行检验，即将i ( t 一孑) i 2 仃作为判断准则，但此时又存在较大的弃真风险，且在 疗s5 时，基于同样的原因，也无法发现检查出异常数据。 2 2 2 肖维勒( c h a u v e n e t ) 准则 肖维勒准则又称小概率事件判别法。设某测点的测量列有，1 个样本而，屯， 测量列服从正态分布( ，盯2 ) 。我们知道，在一组等精度测量中，较大的误差仅仅出 现在个别数据上。肖维勒准则的原理是：在以次测量中，随机误差不可能出现的小概 率为l 2 ，l ，若出现概率小于1 2 ，z 的数据，则应当作为可疑数据。 河海大学硕士学位论文超大型群桩基础安全监测中的异常识别及分析技术研究 州一去弘萼出= 去 旺6 ， 给定一个刀值，利用正态分布表根据式( 2 6 ) 即可计算出相应的缈。用同样的 方法可以求得不同靠时的缈。用肖维勒准则检验异常值，使用统计量： 彩：虹型 ( 2 7 ) 当按( 2 7 ) 式计算的国大于表中相应测定次数，l 时的彩。，则嘞为异常值，应予 以剔除。在剔除了已确定的异常数据后，可对余下的数据继续应用肖维勒准则进行计 算、识别和剔除，直到不再有异常数据。 小概率事件判别法改进了3 倍标准差法，特别是在刀较小的情况下。但其概率意 义不明确，尤其是当刀专时，将会有国哼o o ，于是所有的误差均无法鉴别。 2 2 3 格鲁布斯( g r u b b s ) 法 格鲁布斯法适用于标准差未知且只能检出一个异常值的情况。设某测点的一组测 量列毛，屯，以服从正态分布( ，仃2 ) ，若不存在异常值，用，1 个样本计算出的标准 差盯：与用，l 一1 个样本计算出的标准差盯：。都可以用来估计仃2 ，两者都是仃2 一致且有 效的估计值。因此，两者的比值应在1 附近。反之，若测量列中存在异常值，由于标 准差对异常值反映灵敏，舍弃异常值后，由其余万一1 个样本值计算的标准差盯三。减少 很多，因此，两者的比值将比1 大得多。其中 咖击打擎户 眨8 ， 吒：圭黔警户 娩9 ， 1 2 第二章异常值识别和监测数据的处理方法 g ：盘二三 仃 ( 2 1 0 ) 式中，劫为待检验的可疑值，孑与盯为由包括可疑值在内的全部刀个测值计算的平 均值和标准差。则 万一2 车：l ( 2 1 1 ) 仃：i l 一一旦一g 2 ( 刀一1 ) 2 由上式可见，盯：盯：。大于某个值就等价于g 大于另一个值，而计算g 比计算 盯：仃：。要方简便得多，因此，用g 作统计量进行检验，也就等效于用仃：。来做 统计检验。若计算的统计量g 大于格鲁布斯检验法的临界值表中的显著性水平口下的 临界值q 一有理由判断嘞为异常值。 统计学证明，测量样本中只有一个异常值的情况下，格鲁布斯检验法在各种检验 法中是最优的。但样本中有一个以上的异常值时，方差仃三。中包括了另一个异常值 在内，使之变大，而比值仃：仃i 。不一定大，使得一些异常值检验不出来。 2 2 4 狄克松( d i 】| 【o n ) 检验法 设某测点的一组测量列而，x ：，吒服从正态分布o ，2 ) ，将测量列按大小顺序 排列成：x 。x ：以，可见五或z 。可能为异常值。检验x ，和工。，分别使用不同 的统计量，当计算的统计值大于狄克松检验法的临界表中相应显著性水平口( 一般有 o 1 0 、0 0 5 、o 0 1 和0 0 0 5 ) 和测定次数刀时的临界值儿。时，则将可疑的测定值判为 异常值。当测定值中出现一个以上的可疑离群值时，可重复适用狄克松检验法连续进 行异常值检验和剔除，直到不能检出异常值为止。 用狄克松法检验异常值，在测定次数较少时，使用极差( 一z 。) 来估计盯；当测 定次数较多时，为避免因测定次数增多，适用极差估计仃的效率变差，而用极差 ( x 。一x ：) 或( x 。一恐) 来估计盯。考虑到当以 l o 时，有可能出现一个以上的异常值， 1 3 河海大学硕士学位论文超大型群桩基础安伞监测中的异常识别及分析技术研究 为避免一个异常值对另一个异常值检验的影响，提高检验的灵敏度，检验不同样本容 量测定值中的异常值，应采用不同的检验统计量。 当