（道路与铁道工程专业论文）高速公路软土地基沉降量的人工神经网络预测.pdf

摘要 摘要 我国软土分布十分广泛，受到地理位置的限制，。许多高速公路不得不建筑在软土地 基上。软土主要特征：天然含水率高、天然孔隙比大、压缩性大等工程性质。软上地基 具有承载能力低、沉降量大、固结完成时间长等不利的工程特性，在软土地基上修筑高 速公路广泛存在的软土地基沉降问题一直以来都是公路建设中的一个技术难题。因此深 入探讨软土地基的沉降发展规律，利用有限的沉降实测数据，选取合理的预测模型及方 法预测地基的后期沉降( 包括最终沉降) ，对于控制施工进度，指导后期的施工组织与安 排，具有重要的理论与工程实际意义。 本文以研究软土的特性和软土地基沉降的特点为出发点，通过对公路软土变形机理 和沉降进行了理论分析，归纳和总结了影响沉降的因素，介绍当前一些沉降计算的方 法。论文结合哈尔滨绕城高速公路软土地基沉降观测资料，采用基于m a t l a b 的人工神 经网络预测方法( a n n ) ，并构造了预测地基沉降的b p 神经网络模型。通过样本训练验 证以及与传统的分层总和计算方法的对比表明，该方法具有计算精度高、操作简便、泛 化性能强等显著优越性，具有广阔的工程应用前景。 关键词软土地基高速公路神经网络 沉降预测 t a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o no fs o rs o i li s v e r ye x t e n s i v ei nc h i n a ，m a n yf r e e w a y sh a v et ob e c o n s t r u c t e do nt h es o rf o u n d a t i o nd u et ot h er e s t r a i no ft h e g e o g r a p h i cl o c a t i o n t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs o rs o i la r e ：h i g hn a t u r a lm o i s t u r ec o n t e n tr a t i o ，h 追hn a t u r a lv o i d1 e v e la n d h i g hc o m p r e s s i o nr a t i o t h eu n f a v o r a b l ec h a r a c t e r so fs o rs o i lf o u n d a t i o na r e ：t h e1 0 wc a r 珂i n g c a p a c i t y ，h i g hs e t t l e m e n ta 1 1 d1 0 n gc o n s o l i d a t i o nt i m e t h es o rs o i lc o n s o l i d a t i o np r o b l e mo f t h e 行e e w a yw h i c hc o n s t r u c to nt h es o rs o i li sat e c l m i c a l t i c k l er s oi ti sv e r yi m p o n a n tt o t h e o r ya n da c t u a l i t yb yp r o b i n gt h er e g u l a r i t yo fs o rs o i l ，f o r e c a s tt h e6 n a lc o n s o l i d a t i o nb y t h ef o r e c a s tm o d e la n d m e t h o d 0 1 0 9 y 行o mt h ea c t u a ls e t t l e m e n td a t a f r o mt or e s e a r c ht h es o rs o 订a 1 1 ds o rf o u n d a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct h ed i s s e r t a t i o nc o n c l u d e a n ds u m u pt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec o n s o l i d a t i o n ，i n t r o d u c es o m ec a l c u l a t em e t h o d sb v c o n d u c tt h es o rs o i ld e f o m a t i o na 1 1 ds e t t l e m e n tt h e o r e t i c a l a n a l v s i s t h ed i s s e r t a t i o n c o n s t r u c t st h ef o r e c a s tf o u n d a t i o ns e t t l e m e n tb pn e u r a ln e t w o r km o d e lb yt h eh a r b i nf r e e w a v s o rs o i lf o u n d a t i o ns e t t l e m e n to b s e r v a t i o nd a t aa n db a s et h em a t l a ba r r t m c i a ln e u r a l n e t w o r k ( a n n ) p r e d i c t i n gm e t h o d v e r i f ya j l dc o n t r a s tt ot h et r a d i t i o n a l l a y e r w i s es u m m a t i o n m e t h o da n dt h es a m p l et r a i n i n g ，t h ea d v a n t a g e so ft h em e t h o da r e ：h i g hd e g r e eo fa c c u r a c y s i m p l eo p e r a t i o n ，a n ds t r o n gp r o p e r t ) ，o fg e n e r a le n g i n e e “n g ，s oi th a sa nw i d t ha p p l yp r o s p e c t k e y w o r d s ： s o f ts o i l ；h i g h w a y ；a n i f i c i a ln e u r a ln e t 、) r o r l 【s ；s e t t i e m e n tp r e d i c t i o n 1 绪论 1 绪论 1 - 1 引言软土路基研究现状及其发展趋势 1 1 1 沉降计算理论研究现状 地基沉降是土力学中的重要课题之一，软土变形的性质十分复杂，它与软土的种 类、状态以及外界条件有很大的关系。软土的变形理沦包括沉降理论和固结理论。软土 沉降理论分析方法可归纳为两种类型：一类是理论公式法，它首先确定在荷载作用下压 。缩土层中应力的增量，然后再采用合适的土的应力一应变关系( 例如用固结试验得到) 估 算这些应力增量所引起的沉降量：另一类是数值分析方法，如有限元法等，它可以计算 荷载作用下土中任意一点的应力和应变情况。利用数值分析方法，理论上较严密，但由 于该方法有一定难度，在工程中未能得到广泛应用。对于理论公式法，又分为一维和多 维的情况。自1 9 2 3 年太沙基( t e r z a g h i ) 的一维固结理论问世以来，地基沉降的理论 研究已取得了长足的发展，并且在工程建设中发挥了巨大的指导作用，极大地促进了土 力学理论发展，有力地指导了土工结构物的设计与施工。1 9 4 1 年，伦杜里克 ( r e n d u l i c ) 【2 j 将太沙基的一维固结理论推广n - - - 维、三维情况，得出t e r z a g h i r e n d u l i c 扩散方程。对于简单的几何形状和边界条件可以得到解析解，对于较复杂的边界条件和 几何形状可以借助有限差分法求解。比奥( b i o t ) i j 根据有效应力原理、土的连续条件和 平衡条件提出了比奥固结理论，其特点是考虑了固结过程中土体平均总应力随时间的变 化。但是由于数学求解方面的困难，比奥固结理论一直不能被广泛应用。随着电子计算 机的逐步应用，有限元技术的发展给固结理论带来了新的活力。、当路基是修建在软土地 基上时，需要考虑到依赖于时间的位移因素的影响。利用有限元法可以解决这个问题。 有限元法是将地基和结构作为一个整体来分析，将其划分网格，形成离散体结构，在荷 载作用下算得任一时刻地基和结构各点的水平、垂直位移和应力。其中基础底面的竖向 位移就是所要求的沉降。国内外众多学者如桑德霍( s a n d h u ) h l 、龚晓南【5 l 等分别应用 有限元法技术对比奥固结理论求解问题进行推广，有力地推动了土力学的发展，产生了 很好的社会和经济效益。 应该说饱和土的固结理论己比较完善，然而应用固结理论计算的一个重要前提 是，土体是完全饱和的弹性材料，但实际上，大多数地基并不是完全的饱和土体，而是 土、气、水三相组成的材料，从而限制了该理论在实际工程中的应用。在非饱和土固结 研究方面，虽然也取得了一些成果，但是目前还没有形成公认的非饱和土固结理论，非 饱和土固结理论在实际中的应用还有一个较长的研究过程。尤其是在东北地区的寒冷气 候条件下的软土地基分析中，工程中能够提供的地质资料和实验参数往往不如人所愿， 其中有试验参数及地质资料不配套或不完整的问题，还有试验结果和钻探结果可靠性差 的问题。 l 绪论 1 1 2 预测理论及方法综述 预测是指预测者根据有关的历史资料和新情报，运用适当的方法和技术，对研究对 象的未来状态进行科学的分析、估算和推断，并对预测结果进行验证、评价和应用的过 程。预测学是一门研究预测理论、方法、评价及其应用的新兴学科。现代预测科学是在 一定的理论和方法的指导下，大量地运用观察、归纳、反演、推理等方法，运用数学模 型和实验方法，以统计数据和调查资料为依据，在对事物发展过程进行深刻的定性分析 和严密的定量计算基础上，研究并认识事物的发展规律，进而对事物的未来发展趋势和 量变的程度作出科学的推测。在高速公路路堤建设过程中，为了控制施工进度，指导后 期施工组织和安排，同时保证路堤的稳定和实用，需要对路基不同时刻沉降及最终沉降 量进行预测，尤其针对以软土为地基的路基施工，由于路基实际土层的性质很复杂，因 此利用沉降实测数据来推算后期沉降具有重要意义。 目前国内外针对软土地基沉降的计算方法介绍的很多，由于软土作为一种特殊的工 程材料，其特性复杂，无论传统方法还是数值方法，本构模型存在的缺点己有共识，如 参数的取得、影响因素和破坏准则的确定以及适用性等等问题，至今仍无一种计算方法 是令人信服的。但是通过现代预测理论进行分析，根据实测资料推算沉降量与时间关系 的预测方法己在工程中运用，并取得了重大的突破和社会效益。较早采用的饱和软粘土 一维反演预测分析方法是双曲线法6 i 。它是一种经验方法，其原理是假定荷载施加完成 时刻起，软粘土地基的沉降为双曲线型的变化规律。另一种是以t e r z a g h i 单向固结理论 为依据的指数曲线法，它是半经验的方法。还有一种比较常用的是a s a o k a i t l 法。a s a o k a 认为m i k c r s 导出的维条件下以体积应变表示的固结方程可以近似地用一个级数形式 的微分方程来表示，再利用已有的沉降观测资料反求微分方程中的系数，然后根据这些 系数来预估地基的总沉降。 近年来，许多学者将灰色系统理论i8 1 、b p 神经网络1 9 l 以及遗传算法【1 ( ) 1 等方法运用到 地基的沉降预测分析中，以期得到更准确的预测沉降值，以指导后期施工和进行。这些 预测方法能够克服传统方法预测沉降时的一些不足，而且计算精度较高、简洁方便，具 有广阔的应用前景。 1 2 本文研究的目的和意义 长期以来，在高速公路建设的实践中形成了比较成熟的地基处理设计方法与施工技 术，积累了一定的经验。但是，深厚软土地基经过以稳定为目标的处理后，路基的长期 变形问题依未完全得到解决，主要是工后沉降过大，导致公路路面平整度差和桥头跳车 现象严重，往往隔不了多长时间就需重修路面，造成巨大的经济损失。随着公路建设的 发展，对地基沉降计算精度要求也不断提高。对于不同成因、不同地区的软土地基沉降 问题进行计算分析十分必要。通过实践，人们认识到必须控制地基的变形尤其是工后沉 降，才能更好地保证工程的质量和安全。为了控制地基的工后沉降就必须根据己有的资 料对地基的工后沉降进行合理的预测。 随着东北地区基本建设的不断发展，在软土地基上兴建高等级公路日益增加。软土 2 l 绪论 地基沉降给公路工程建设和人工结构物带来较大的影响和隐患，已成为工程建设的棘手 问题。东北寒冷地区的软土地基沉降除了具有变形大、不均匀沉降大、沉降稳定历时较 长的特点外，受地质和气候因素影响也较大，这极大地影响了道路的长期稳定和安全使 用，使得东北地区道路建设的难度加大。目前，在南方地区，针对软土地基的处理方法 较为成熟，但是在东北寒冷地区，各种方法的采用技术不是很成熟，尤其是某些新型的 处理措施例如应用塑料板排水方法进行地基排水固结，在东北寒冷地区的应用比较罕 见。由于软土地基沉降分析受地理环境、气候条件影响较大，影响因素较多，必须因地 制宜地选用不同分析方法，采取相应的处理措施，以达到最优的软基加固效果。为使高 速公路建成通车后，确保路面的使用质量，必须重视软土路段地基的处治，而地基沉降 计算是决定软基是否需要处理的重要步骤。虽然地基沉降计算理论有了很大的改进，但 计算的沉降量与实测的沉降量仍然存在不小的差距。所以，从工程建设的发展与需求来 看，还需对现有的地基沉降计算方法以及根据现有实测资料对工后沉降的预测方法作进 一步的研究与改进，使沉降的计算值与实测值更接近，从而更好地为工程基础建设服 务。因此，高等级公路软土地基沉降问题的研究十分重要，这对于加速公路建设和促进 地区经济发展都有重要意义。软基路段地基工后沉降问题的研究，对保证高速公路建设 质量、正常运营以及延长公路的使用寿命具有重要的意义。 1 3 本文主要研究的内容 在软土地基上修建高速公路，如何控制路基的沉降速率和工后沉降量是影响工程质 量的关键性问题。同时，如何针对东北季冻区软土地基沉降采用相应的处理方法也是本 文一个研究方面。尤其高速公路工后沉降的设计要求很高，相应对软土路基变形的预测 计算精度要求也很高，传统的计算方法已经无法满足这一要求。 本文结合哈尔滨绕城公路西段高速公路工程中的试验课题j ，以此项工程中的部分 路段软土地基沉降观测资料为依据，根据该项课题实测的沉降数据，主要进行了以下几 点研究： ， ( 1 ) 分析软土的沉降机理，归纳各种因素对软基沉降的影响。 ( 2 ) 研究分析国内外现有的各种软土地基的沉降计算方法和预测方法，总结出各种 方法的优缺点及其适用范围。 ( 3 ) 简要分析了塑料板排水法处理软土地基，对设置塑料排水板前后的最终沉降计 算结果进行对比，这为在东北寒冷地区软土路基处理工程采用该方法提供了借鉴意义。 ( 4 ) 结合哈尔滨西线绕城高速公路k 4 7 + 3 6 0 横断面沉降观测数据，采用m a t l a b 神经网络工具箱1 2 1 中g u i 函数对试验数据进行训练，建立b p 神经网络模型，预测出软 土地基沉降规律，推算出最终沉降量曲线。从预测值与实测值的相对误差说明预测效果 比较良好。同时与传统的分层总和计算沉降方法进行对比分析，证明了神经网络方法预 测软土地基沉降的优势，具有广阔的应用前景。 2 软土地基沉降理论分析 2 软土地基沉降理论分析 2 1 软土的概念和分类 软土是指在滨海、湖泊、谷地、河滩上沉积的，天然含水量高、孔隙比大、压缩性 强、抗剪强度和承载力低的软塑到流塑状态的细粒土，如淤泥和淤泥质土，以及其它高 压缩性饱和粘性土、粉土等。对软土的定义、特征与成因类型，不同的专业技术部门的 解释大同小异。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 ) 3 l 中定义软土是滨海、湖泊、 谷地河滩沉积的，天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。 铁路工程设计技术手册0 4 j 中，对软土的解释为：“软土是指在静水或缓慢的流 水环境中沉积，经生物化学作用形成的饱和软弱粘性土。”对软土的主要特征描述为： “天然含水量高( 接近或大于液限) ，孔隙比大( 一般大于1 0 ) ，压缩性高( 压缩系数口m 5 k p a 1 ，或a 1 0 k p a l ) ，强度低( 快剪的内摩擦角 5 0 凝聚力c 2 0 k p a ) ，渗透性小( 渗 透系数k = 1 0 - 7 c 桃一1 0 c r n s ) 。”对软土的成因类型描述为：“在沿海地区为滨海相、 三角洲相；在内陆平原或山区为湖塘相等”。 岩土工程勘察规范【1 5 】中规定：天然孔隙比大于或等于1 0 ，且天然含水量大于 液限的细粒土应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等，其压缩系数大于 o 5 m p a ，不排水剪切强度小于3 0 k p a 。 公路工程名词术语l i 6 ( j t j 0 0 2 8 7 ) 中定义软土主要是由天然含水量大、压缩性 高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。 软土是自然历史的产物，是随着地理、气候、沉降环境的变化而形成的。同时，软 土水平方向上的差异性和垂直方向上的不均匀性，造成各地区软土所表现出的抗剪强 度、压缩性和透水性等特性也不一样。因此，对软土进行科学的归纳、统计和分类，有 利于指导软土路基的设计与施工。我国软土基本上可以分成两大类别：第一类是属于海 洋沿岸的淤积：第二类是内陆、山区以及河、湖盆地和山前谷地的淤积。大体上说，前 者分布较稳定，厚度较大，后者常呈零星分布，沉积厚度较小。根据土质的不同，更进 一步分为五种类型：泥炭、腐殖土、有机质土、粘性土、粉性土。东北地区的软土大多 属于有机质土。表2 一l 列出了软土的主要物理力学特征和我国软土的类型、特征及主 要分布概况。 2 软t 地基沉降理论分析 表2 1我国软土的类型、特征及分布概况 类型厚度( m )特征分布概况 面积广，厚度大，常夹有砂层，极疏松，透水性 滨海相6 2 0 0 较强，易于压缩固结 滨 三角洲相 分选性差，结构不稳定，粉砂薄层多，有交错层 海 5 6 0 理，不规则尖灭层及透镜体 沿海地区 沉 泻湖相 5 6 0 颗粒极细，孔隙比大。强度低，常夹有薄层泥炭 积 溺谷相 颗粒极细，孔隙比大，结构疏松，含水量高，分 布范围较窄 湖相粉土颗粒占主要成分，层理均清晰，泥炭层多是 洞庭湖、太湖、鄱阳 内 5 2 5 透镜体，但分布不多，表层多有小于5 m 的硬壳湖、洪泽湖周边 陆 长江中下游、珠江下 平 河床相、河漫 成层情况不均匀，以淤泥及软粘土为主，含砂与 滩相、牛轭湖 2 0游及河口、淮河平 原 泥炭夹层 相原、松辽平原 山 地谷地相 - 所可能会满足，但若其下还存在较软层时，再向下检验 百 ，该条件可能又不能满足； ( 2 ) 如硬层埋藏较浅，硬层顶面的应力或其上土层的压缩量不满足以上两个条件 时，也只能计算到硬层顶为止： ( 3 ) 通过对不同地区高等级公路软土地基沉降量的计算，可知在考虑地下水浮力 作用下，以比值等名o 1 控制的压缩层厚度，大约为填筑高度的1 0 倍，在比值 ，10 刖名o 1 5 控制的压缩层厚度，大约为填筑高度的8 5 倍。 ，10 3 2 3 次固结沉降计算 土体的次固结沉降是由土的流变性质引起的。如图3 2 所示，粘性土在某级荷载 作用下，次固结的大小与时间的关系在半对数上接近于直线，假定它发生在主固结之 后，则次固结沉降可以从图中的压缩一时间曲线求得： 1 r 3 软土路基沉降计算及预测方法 = 辫，- 辑) ( 3 - 8 ) 式中： 一次固结的起始时间，相当于主固结达1 0 0 的时间； ，需要计算次固结的时间； c 。次固结曲线的斜率，即次固结系数。 次固结系数的大小主要视土地种类而定。或者，可按天然含水量来估计： c a ，= 0 0 1 8 c o( 3 - 9 ) 式中：缈土的天然含水量。 e e t e 2 o 图3 2 次固结沉降 3 3 软土地基沉降的数值分析法 随着科学技术水平的不断提高和工程建设规模的不断扩大，在土木建筑、水利工程 和路桥工程中桩基承载力，沉降量大小和堤坝稳定性等力学问题变得十分复杂。软土地 基沉降面临同样的问题，这些问题已很少能用数学方法求得精确解或通过模拟试验得到 定量解。原因是边界条件非常复杂和非匀质、非线性导致了偏微分方程的变系数，单一 的数学方法难以求解。而大多数课题需要借助于计算机和计算数学用数值分析的方法求 出近似解。这些方法可归纳成如下5 种形式，即差分法、有限元法、边界元法、变分法 和加权余量法。目前用于软土地基沉降量分析的数值方法主要是差分法、有限元法和边 界元法。其发展趋势是有限元法与差分法或与边界元法相结合解决课题，以期发挥各种 方法的优越性。 3 4 根据沉降观测资料来推算最终沉降的方法 当载荷稳定后，通常采用数学方法，将沉降近似看成按照某种规律变化的过程，利 用实测沉降数据，建立某种相适应的模型，采用适当的优化方法，反推出计算公式所需 的参数，并将其应用于后期的沉降预测。在各种预测软上沉降的数学方法中，比较常见的 是曲线拟合法、三点法、灰色系统法以及近些年出现的人工网络神经法等等。 1 9 3 软土路基沉降计算及预测方法 3 4 1 曲线拟合法 由于固结理论本身的假设条件及计算指标的真实性等方面存在的问题，使得理论计算 的沉降时间的变化与实测结果比较难以一致。因此，分析实测沉降过程曲线的特点， 找出其规律性，用沉降初期的实测结果推算建筑物的最终沉降量及沉降时间关系的变 化，有时更实际。国内外一些资料建议采用经验公式估算地基沉降与时间的关系，该方 法属于经验方法，即采用与沉降预测曲线相似的曲线进行拟合，然后外延求出后期沉降 量。常用的方法有：对数曲线法 3 6 1 、双曲线法等。 3 4 1 1 双曲线法 这是一种纯经验的曲线配合方法，根据实测沉降曲线的实际形态近似于一条双曲 线，所以采用双曲线来配合后，通过曲线外延来推得未知某时刻的沉降量或最终沉降 量。 双曲线两点配合法只利用了少量的沉降观测资料，而配合出的近似曲线精度在很大 程度上受到所利用的两点数据的准确性影响，在实际观测数据很少时较适宜采用，但当 停止加荷后的沉降观测数据足够多时( 如大于三组) ，还是应该采用多点配合双曲线法。双 曲线法是一种经验方法，推算原理不强，无法考虑分期加载时沉降预测，理论性不够明 确，也会因实测沉降时间不够，无法用双曲线法推测，但此方法比较简单明了，所以有 一定的实用性。 3 4 1 2 对数曲线法 假定软土地基的沉降发展规律为对数曲线，根据改进的高木俊介f 37 j 固结度表达式和固 结度的一种定义式u = ( s ，一s a ) ( s 。一s d ) 由某一时刻的沉降量为： s f = s 。【1 一a e 一肛j + s d a e 一卢 ( 3 1 0 ) 式中s 。一软土地基的最终沉降量 s 某t 时刻的沉降量 毋瞬时沉降量 口，为待定参数， 根据实测沉降值建立回归方程，确定口，p ，代回沉降计算公式，推测沉降值。 3 4 2 灰色系统理论法 灰色系统理论是我国邓聚龙教授在1 9 8 2 1 3 8 1 年提出的，灰色系统法预测的基本思路 是：把随时间变化的一随机正的数据列，通过适当的方式累加，使之变成非负递增的数 据列，用适当的方式逼近，以此曲线作为预测模型，对系统进行预测。 灰色模型可较好地解决地基沉降及其发展趋势的基本问题，它克服和弥补了传统模 型需要样本分布典型、信息参数多的不足和缺陷：具有要求数据少、计算简单而严密、 精度高等优点1 39 l 。当然，灰色模型的信息参数是决定模型是否取得良好精度的关键，灰 色模型是动态的，随着信息数据的增加，可进一步提高预测的精度，改善远距离跟踪精 度差等缺点，应用此方法进行软土路基沉降预测将是非常成功的。 3 软土路基沉降计算及预测方法 3 4 3 人工神经网络法 人工神经网络建模【4 0 j 是人工智能研究中的一个分支，它具有在复杂的非线性系统中 较高的建模能力及对数据良好的拟合能力。其主要特征是：大规模的并行处理和分布式 的信启、存贮，良好的自适应性、自组织性以及很强的学习功能、联想功能和容错功能。 尤其在处理信息复杂、背景不清楚、规则不明确的问题，更显示其独特的优越性。由于 软土地基复杂多变，其影响因素众多，使用传统回归方法进行沉降拟合和预测，效果往 往不佳，而利用神经网络模型强大自学习、自适应及非线性映射能力，自动构建沉降发 展规律函数来进行分析，则可克服传统方法的缺点，特别是对于地质复杂、影响因素较 多、且具有强非线性关系的软土地基更为有效。经过一系列工程实际证明，应用人工神 经网络进行路基沉降量的预测精度较高，预测值与实际沉降值相当接近，表明神经网络 法具有较强的适应能力和处理矛盾样本的能力。随着样本数的增加，通过网络的自行适 应学习，形成更加完整的系统，减小了人为的影响，从而可以进一步提高预测的精度和 扩大预测范围。神经网络法在处理软土地基工程领域具有可观的应用潜力。 本文将利用基于m a t l a b 仿真程序的人工神经网络法对哈尔滨环城高速公路试验 段的实测资料进行分析，预测出软土沉降量。并将预测沉降值与实测值进行误差对比， 以证明此方法的有效性、精确性、简便性。 3 5 本章小结 本章总结软土地计沉降预测算法，目前归纳起来，主要有四类方法：曲线拟合法、 灰色系统法、神经网络法和数值分析算法。同时详细介绍了地基沉降( 主固结沉降、次 固结沉降、瞬时沉降) 的计算方法，对分层总和法以及压缩土层厚度的确定进行了的阐 述。结合本文研究的东北地区工程实际情况，分析了适合的计算分析方法即b p 神经网 络法来推算沉降和时间的关系及最终沉降量。 4 研究区现场勘查工程地质条件及试验 4 研究区现场勘查工程地质条件及试验 4 1 现场工程地质条件 4 1 1 研究区域地理位置 本文试验研究区域的地理位置在东经1 2 6 0 2 8 1 2 6 。3 6 、北纬4 5 0 3 8 4 5 0 5 2 之间， 位于哈尔滨建城区边缘处，处于该市建设中的绕城公路西段，属松嫩平原松花江中游地 带。研究场地在桩号k 4 7 + 1 0 0 与k 4 8 + 1 0 0 之间，此段路基原为哈尔滨民用与工业垃圾存 放地，路基附近有养鱼池。研究区属大陆季风性气候，为北寒带气候条件，冬季漫长达 5 个月之久，春秋季节较短，年温差超过7 0 ，年平均气温3 6 3 8 ，地面稳定冻结 期1 1 月2 4 曰，地面稳定解冻期4 月1 3 日。最大冻深达1 7 8 2 0 5 m 。该研究场地地理 位置图见图4 1 。 图4 - i 场地地理位置 4 1 2 地形地貌 哈尔滨市位于松嫩平原松花江中游地带，地势相对平坦，海拔高度在1 1 6 1 8 0 m 之 间。试验场地地处松花江地漫滩地貌单元，属冲洪积成因类型，沿路基轴线大致由南向 北缓倾。 4 1 3 研究区地基土的组成及特征 研究场地因钻孔控制深度范围为第四纪松散堆积物，属第四纪洪积层q 4 a l + p l ，主要 4 研究区现场勘查工程地质条件及试验 为淤泥、粉质粘土、粉土和砂土组成冲洪积地层。各土层的岩性特征及主要物理力学性 质指标分述如下： 第1 层人工填土：人工填土是场地的表层覆盖土，厚度为0 2 2 7 m ，除局部为杂 填土外，其余全部为素填土。素填土以石块、砂为主，结构松散，粒径为2 0 4 0 m m 的 砂约占总质量的三分之一左右。 第1 i 层泥炭质淤泥：因先期施工对试验场地进行了处理，所以钻孔所揭露的泥炭 质淤泥层厚度变化较大，最厚处为1 5 m ，但有些孔位未见该层土。该层土呈黑色，有腥 臭味，含有腐烂植物根系。因潜水位变化，两次勘察取样所试验的该土天然含水量变化 较大，从第一次的最大值6 0 5 5 到第二次的最小值2 6 2 1 ；土粒比重g 。= 2 7 0 ；天然 容重= 1 6 0 1 8 6 9 c m 2 ；孔隙比p = o 9 0 1 1 7 0 ；压缩系数口= 1 3 8 m p a ；压缩模 量e 。= 2 0 m p a ；前期固结压力只= 1 9 0 k p a ；烧失量彬，= 2 0 8 3 ；渗透系数k = 3 2 3 1 0 c m s ，原状土抗剪强度为1 9 3 8 k p a 。 第层粉质粘土：粉质粘土层厚度变化较大，由0 4 o 。7 m 不等，分布特点从平 面上看是南部较薄，中部到北部较厚。该土层呈灰色，有腥臭味，含有机质，局部夹细 砂。天然含水量w = 2 0 5 3 3 3 4 8 ；土粒比重g 。= 2 6 9 2 7 0 ；天然容重y = 1 8 1 1 9 9 9 c m 2 ；孔隙比p = o 7 0 9 o 9 8 5 ；压缩系数口m = 0 5 5 m p a ：压缩模量 e 。= 3 5 m p a ；前期固结压力平均为2 1 0 k p a ；烧失量彬。= 5 7 9 ；渗透系数k 平均为 3 9 6 1 0 c m s ；原状土抗剪强度为1 7 7 lk p a 。 第层粉土：在该试验场地内，钻孔所揭露地层多处是粉质粘土与粉土互层，所 以粉土层厚度变化较大，最厚处为1 9 0 m ，局部钻探孔处发生尖灭。该层土呈灰色，有 腥臭味。天然含水量w = 2 0 9 2 2 8 4 1 ；土粒比重g 。= 2 6 8 2 7 0 ；天然容重 y = 1 8 9 1 9 8 9 c m 2 ；孔隙比p = 0 7 4 0 0 8 2 3 ；压缩系数口l - 2 = 0 4 l m p a ；压缩模量 e 。= 2 0 m p a ；烧失量彬，= 3 3 5 ；渗透系数k = 8 5 5 8 5 6 1 0 c m s ，原状土抗剪强 度为1 1 6 0 k p a 。 第v 层细砂：多数勘察孔所揭露的细砂层是与中砂层交互出现，土层上部多处夹 粘性土。细砂土呈灰色，饱和，松散程度从松散到中密不等。天然含水量w = 1 7 7 5 2 5 0 1 ；天然容重，= 1 9 6 9 c m 2 ；孔隙比p = o 5 9 6 ；压缩系数口l _ 2 = o 1 8 m p a - 。：压缩模 量e 。= 3 3 m p a ，标准贯入试验= 1 1 2 8 击。 第层中砂：多数勘察孔所揭露的细砂层是与中砂层交互出现。中砂土呈灰色， 饱和，松散程度从松散到中密不等。天然含水量w = 1 3 1 4 1 6 7 7 ；压缩系数 口1 2 = 0 0 8 m p a ；压缩模量e 。= 7 6 m p a ，标准贯入试验= 5 3 0 击，其他指标可见土性 能指标表。 4 2 对现场勘察及软土层的确定 通过对现场调查，确定有代表性的位置，然后进行钻孔，现场取样，根据试验分 析，绘出了软土地基土质剖面图4 2 。准确地得出各种类型土质厚度，为软土地基处理 提供依据。从试验分析上可以看出，土层成层情况不均匀，表现出以淤泥及软粘土为主 含砂与泥炭夹层的软土地基特征。 泥炭质淤泥 。 细砂 2 2罢罢罢 中砂 图4 2 代表性地质剖面 4 3 室内软土主要指标试验 本次室内试验主要是针对“塑料排水板堆载预压法在哈尔滨环城高速公路软土地基 处理中的应用研究”这一交通部科研课题的前提下展开的。试验的重点与特殊性，是针 对工程研究内容要求、地基条件及处理方案，为分析研究提供详细的技术参数。试验内 容包括研究区内各土层详细物理力学性质指标，为以后的沉降计算提供参数。各项试验 结果见表4 1 。 表4 1 地基土性能指标 。 物理性能指标力学性能指标 渗透系数压缩指标 压缩模量 善蠕液移塑移一k | c m s 一、q v | m p q 一、 e s | ) a 1 泥炭质淤泥6 1 4 3 6 3 9 33 4 3 6 3 5 7 62 0 0 7 2 8 173 2 3 1 0 - 7 l _ 3 82 2 粉质粘土3 1 8 0 4 2 0 01 9 9 0 2 1 7 61 1 9 0 2 0 2 4 3 9 6 1 0 7 0 5 53 5 3细砂一一 1 5 l i o - 6 0 1 83 3 4 中砂一一1 2 6 l o _ 4o 0 87 6 ， 4 研究区现场勘查工程地质条件及试验 4 4 本工程软土地基处理方案 随着“振兴东北老工业基地”政策的不断深入，我省高等级公路近多年来得到了飞速 发展。然而，在高速公路建设过程中碰到的不良地基，类似松嫩平原地区大量的软土地 基。要解决好高速公路建设中的投资效益比，寻找经济、快速处理大面积软土地基的新 方法是必须考虑的重要问题之一。软土有很多不良的工程性质，地基处理方法也是针对 改善这些性质发展出来的。软土地基处理方法有很多，每种方法都有它的适用范围、局 限性和优缺点，没有一种方法是万能的。不同工程地质条件千变万化，地基条件差别很 大，具体工程对地基的要求也不尽相同。在本文工程实例路段，软土地基的处理方法采 用的是塑料排水板方法1 42 1 。其原理是将带状塑料排水板用插板机将其插入软土中，然后 在地基面上加载预压( 或采用真空预压) ，它与粘性土接触后，其渗透系数不低于中粗 砂，排水沟槽输水畅通，土中水沿塑料带的通道逸出，从而使地基土固结速度加快、密 实度增大，有效应力增加，土体的强度得到提高，地基承载力也得到提高。通过设置与 未设置排水板地基沉降的对比分析，作出其设置排水板前与后两种情况沉降一时间关系 曲线，如图4 3 所示： 图4 3 2 、3 、4 厚层粘性土设置排水板前、后的s t 曲线 从图可以看出，对于厚层粘土，由于加设塑料排水板，排水畅通，土中水沿塑料带 的通道逸出，从而使地基土固结速度加快，达到最终沉降的时间缩短。它的使用加速了 4 研究区现场勘查工程地质条件及试验 软土的固结速度，使最终沉降提前完成，其所须时间仅为三个月左右，较加排水板之前 提前了1 年左右。这样，其所带来的经济效益是显而易见的，用塑料板排水对加固软 土地基的效果良好。 4 5 本章小结 1 、本章介绍了试验路段地理位置概况、地基土的主要特征。通过对现场勘查，取 样分析，确定了各软土层性质。 2 、采用室内实验的方法确定软土的各项性能指标，为地基沉降计算提供数据。 3 、应用塑料板排水法处理软土，通过与未设置排水板的沉降值比较，证明了此方 法效果良好，有着广阔的前景。 5 基于m a t l a b 的b p 神经网络系统介绍 5 基于m a t l a b 的b p 神经网络系统介绍 5 1 概述 m a t l a b 是一种功能十分强大、运算效率很高的数学工具软件，全称m a t r i x l a b o r a t o r y 【4 “，它是由美国m a t h w o r k s 公司开发的一种用于科学工程计算的高级语言。 与其它计算机语言相比，语法规则简单，更贴近人的思维方式，其丰富的函数资源使编 程人员从繁琐的程序代码中解放出来，具有强大的图形和符号功能，可以自动选择算 法。被称做“演算纸式的”科学工程算法语言，目前己被公认为第四代计算机语言。 m a t l a b 软件已经得到相当程度的普及，随着其版本的增加，逐渐包含了一些专 用工具箱，可以满足不同专业用户的需求，例如科学计算、动态仿真、系统控制、数据 采集、模糊逻辑、图形处理、数据系统等各个方面。目前m a t l a b 经过不断改进完 善，已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。本文软土地基沉 降预测的人工神经网络程序是采用m a t l a b 6 5 包含的工具箱中【4 刮的神经网络模型进行 的编制。 5 2 神经网络系统 前文已经介绍，人工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 是人工智能研究 中的一个分支，其原理简而言之就是构造一些“人工神经元”，将它们以某种方式连接 起来，模拟人脑的某些功能。人工神经元是人工神经网络的基本单元，它相当于一个多 输入的非线性阈值器件。定义p = b ，p ：，p r 】7 ，表示其他神经元的轴突输出，亦即该 神经元的输入向量；w = 1 w ，w ：，w 疗i 表示其它神经元与该神经元r 个突触的连接强 度，亦即权值向量。 5 2 1 神经网络的结构 单个人工神经元往往不能完成对输入信号的处理，它要按一定的规则连接成网络， 并让网络中每个神经元的权值和阈值按一定的规则变化，才能实现所设计神经网络的功 能要求。人工神经网络的连接形式及拓扑结构如图5 1 所示： x l x 2 x 。 y l y 2 y n 图5 1 人： 神经网络拓扑结构 在人工神经网络的发展过程中，对生物神经系统已经从不同的角度进行了不同层次 2 7 5 基于m a t l a b 的b p 神经网络系统介绍 的描述和模拟，提出了各种各样的神经网络模型，其中具有代表性的网络模型有感知器 神经网络、线性神经网络、b p 神经网络、反馈网络、自组织网络等。当一个网络包含 多个神经元时，m a t l a b 中人工神经元的一般模型【4 6 1 如图5 2 所示： p 。 p 2 p 。 ： p r 输入神经元 厂 厂 l、ji、，。，j a = f ( p + b ) 图5 2 人工神经元的一般模型 由上图可见，一个典型的神经元模型主要由以下五个部分构成： ( 1 ) 输入 在m a t l a b 中，输入可以用一个r l 维的列矢量p 来表示( 其中t 表示取转置) r1 7 1 p2 护l ，p 2 ，p rj ( 2 ) 网络权值和阈值 h 1 i ，w l 2 ，w 。，rj 代表网络权值，表示输入与神经元间的强度；b 为神经元阈值。阈 值b 为1 x 1 的标量。 ( 3 ) 求和单元 求和单元完成对输入信号的加权求和，即 尺 门= p 。缈l ，+ 6 i = l 在m a t l a b 中，该过程可以通过输入矢量和权值矢量的点积形式加以描述： 甩= 缈+ p + 6 ( 4 ) 传递函数 在图中，f 表示神经元的传递函数或激发函数，它用于对求和单元的计算结果进行 函数计算，得出神经元的输出，这是神经元对输入信号处理的第二个过程。 ( 5 ) 输出 输入信号经神经元加权求和及传递函数作用后，得到最终的输出为： 口= 厂( 哟p + 6 ) 5 2 2 神经网络的学习方式 通过向环境学习获取知识并改进自身性能是神经网络的一个基本特性。神经网络的 学习通过网络权值和阈值的调节来实现。根据学习的组织和管理方式不同，学习方式 2 8 5 基于m a t l a b 的b p 神经网络系统介绍 ( 按环境提供信息量的多少) 有三种： ( 1 ) 有教师学习( 监督学习) 有教师学习是在“教师”指导和考察的情况下进行学习的方式。对于有监督学 习，网络训练往往要基于一定数量的训练样例或样本，训练样本通常由输入矢量和目 标矢量组成。在学习和训练过程中，神经网络不断地将其实际输出与目标输出进行比 较，并根据比较结果或误差，按照一定的规则或算法对网络权值或阀值进行调节，从 而使网络的输出逐渐接近目标值。 ( 2 ) 无教师学习( 无监督学习) 无教师学习不存在“教师”的指导与考察，是靠神经网络自身完成的。 ( 3 ) 强化学习( 再励学习) 强化学习介于上述两种学习方式之间。 5 2 3 神经网络的特点 人工神经网络的基本特征为： ( 1 ) 分布式存储信息； ( 2 ) 大规模并行处理； ( 3 ) 自学习、自组织和自适应性； ( 4 ) 能处理信息复杂、背景不清和推理规则不明确的问题。 5 3b p 神经网络 人工神经网络的模型有许多种，其中非线性变换组成的前馈网络( b a c kp r o p a g a t i o n ， 简称b p 网络) 是目前应用最为广泛的网络模型，它是以r u m e r u m e l h a i r t 和m c c e l l a u l d 为 首的科学家在1 9 8 6 年提出的1 4 7 l 。在人工神经网络的实际应用中，8 0 9 0 的人工神经 网络模型是采用b p 网络或它的变化形式，b p 算法已成为目前应用最为广泛的神经网络 学习方法。 5 3 1b p 网络模型 b p 网络模型如图所示： 输入层隐层输出层 图5 3三层b p 神经网络模型 b p 网络一般为多层神经元组成。上图中三层b p 网络中各层神经元，各层之间通过 不同的权重连接，权重的大小反映互连神经元之间相互影响的形