（岩土工程专业论文）基于小波技术的软土路基沉降数据分析方法研究.pdf

摘要 摘要 本文应用系统工程学的方法，从完善软基监控体系的监督机制入手，在科学制定软 基监控程序等方面进行了系统的研究，建立合理、高效的软基监测数据管理系统，以提 高现场监测数据的可靠性和时效性；为了减少不可避免的监测系统误差和人为因素给数 据分析带来的不刹影响，在对沉降监测序列进行预处理的基础上，采用在信号处理领域 应用较成熟的小波技术提取趋势项信息，以反映路基沉降的真实情况；并将小波神经网 络非线性组合预测方法引入软基沉降预测中，以最大限度地提高软基沉降预测的准确 性。论文的主要工作如下： 1 、在分析当前我国软基监控管理体系中存在问题的基础上，提出了建立基于i n t e m e t 的高等级公路软基监控信息管理系统的基本方法；并对该系统设计的总体框架结构、设 计原则和所需关键技术进行了研究；开发出的高等级公路软基监控网上申报系统，在佛 山市一环城市快速干线软基处理工程中得到应用，取得了很好的效果。 2 、基于对高等级公路沉降监测的误差分析，总结适合于高等级公路软基沉降监测 的精度指标、监测频率、监测原则和质量保证措施；对异常数据的成因进行分析，提出 不同原因造成的异常数据的评判和处理方法；将考虑相关因素影响的m g m ( 1 ，n ) 模型应用 于软基沉降数据的插补中，并对模型的修正方法进行讨论，以提高沉降数据插补的精度。 3 、对软基沉降数据的小波去噪性能做了较为全面的实验研究。为了评价不同小波 函数、阂值选取方法和边界拓展模式的小波去噪效果，文中基于软基沉降规律构造了小 波分析的理想信号，并附加已知噪声进行实验测试。 4 、针对单个模型进行沉降分析时存在较大的局限性和预测准确性不高的情况，引 入了组合预测模型；将小波神经网络的组合预测模型用来预测软土路基的沉降，并将其 预测结果与各单项模型和b p 神经网络计算的结果进行比较，以评价小波神经网络组合 预测模型的在软基沉降预测领域的适用性。 关键词：软土路基，沉降数据分析，网络管理系统，m g m ( 1 ，n ) 模型，小波去噪，小波神 经网络，组合预测 a b s t r a c t a b s t r a c t t l l i sd i s s e r t a t i o na p p l i e ds y s t e me n g i n e e r i n gm e t h o d ，s t a r t e dw i t hc o n s u m m a t i n gt h e s u p e r v i s i o nm e c h a n i s mo fs o f t b a s em o n i t o r i n gs y s t e m ，c a r r i e dt h r o u g hs y s t e m i cs t u d yo n s c i e n t i f i ce s t a b l i s h m e n to fs o f t - b a s em o n i t o r i n gp r o g r a r n t h i sd i s s e r t a t i o ns e tu pa r e a s o n a b l e ，h i 曲一e f f i c i e n ts o f t - b a s em o n i t o r i n gd a t as u p e r v i s i o ns y s t e mt oa d v a n c et h e r e l i a b i l i t ya n dt i m e e f f e c t i v e n e s so fs c e n em o n i t o r i n gd a t a i no r d e rt or e d u c et h ea d v e r s e i m p a c t so fi n e v i t a b l em o n i t o r i n gs y s t e me r r o ra n da r t i f i c i a lf a c t o r so i ld a t aa n a l y s i sa n dt o r e f l e c tt h ef a c to fr o a d b e ds e t t l e m e n t ，o nt h eb a s i so fs e t t l e m e n tm o n i t o r i n gs e q u e n c e p r e p r o c e s s i n g ，ia d o p t e dt h eb e t t e r _ d e v e l o p e dw a v e l e tt e c h n o l o g yi ns i g n a lp r o c e s s i n gt op i c k u pt e n d e n c yi n f o i t n a t i o n ia l s oi n t r o d u c e dw a v e l e tn e u r a ln e t w o r kn o n l i n e a rc o m b i n a t i o n f o r e c a s tm e t h o di ns o f tb a s es e t t l e m e n tf o r e c a s tt of u r t h e s ta d v a n c et h ev e r a c i t yo fs o f t b a s e s e t t l e m e n tf o r e c a s t t h em a i n w o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o ni sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 0 nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ee x i s t e n tp r o b l e m so fc h i n a ss o f tb a s em o n i t o r i n g a d m i n i s t r a t i o ns y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nb r o u g h tf o r w a r dt h eb a s i cm e t h o d so ne s t a b l i s h i n g i n t e r a c t - b a s e dh i g h - g r a d eh i g h w a ys o r - b a s em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ns u p e r v i s i o ns y s t e m i a l s os t u d i e dt h ef r a m e w o r k d e s i g np r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g yo ft h es y s t e m 1 1 1 e d e v e l o p e dn e t w o r kd e c l a r i n gs y s t e mf o rf r e e w a ys o f tb a s em o n i t o r i n gw a sa p p l i e dt oo n e r i n g r o a ds p e e dm a i nl i n eo f f o s h a nc i t yi ng u a n g d o n gp r o v i n c e ，a n dg a i n e dg o o dr e s u l t s 2 o nt h eb a s i so fe r r o ra n a l y s i sf o rs e t t l e m e n tm o n i t o r i n go fa d v a n c e dn n i g h w a ys o f t - b a s e t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e d p r e c i s i o ni n d i c a t o r s ，m o n i t o r i n gf f e q u e n c nm o n i t o r i n g p r i n c i p l e sa n dq u a l i t yg u a r a n t e em e a s u r e st h a t a r ef i tf o rt h es e t t l e m e n tm o n i t o r i n go f a d v a n c e dh i g h w a ys o f t b a s e ；a n a l y z e dt h ec a u s eo fa b n o r m a ld a t a ；p o i n t e do u tt h a tt h e m g m ( 1 ，n ) m o d e l ，am o d e lt h a tt a k e st h ei m p a c t so fr e l e v a n tf a c t o r si n t oc o n s i d e r a t i o n ， s h o u l db ea p p l i e di n t ot h ei n t e r p o l a t i o no fs o f t b a s es e r l e m e n td a t a ；d i s c u s s e dt h er e v i s i o n m e t h o do ft h em o d e “no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fs e t t l e m e n td a t ai n t e r p o l a t i o n 3 t h i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e do u tc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho nw a v e l e td e n o i s i n g p e r f o r m a n c eo fs o f l b a s es e t t l e m e n td a t a f o ra s s e s s i n gt h ew a v e l e td e n o i s i n gp e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n tw a v e l e tf u n c t i o n s ，t h r e s h o l dv a l u es e l e c t i o nm e t h o d sa n db o u n d a r ye x h i b i t i o n p a t t e r n s t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s t r u c t e dt h ei d e a ls i g n a lf o rw a v e l e ta n a l y s i sb a s e do nt h e s o f t b a s es u b s i d er u l e a n dn s e dk n o w n n o i s et oc a r r yo u te x p e r i m e n tt e s t 4 a i m e da tt h ep r o b l e m so fh i g hr e s t r i c t i o na n dl o wf o r e c a s tv e r a c i t yi ns u b s i d ea n a l y s i s o fs i n g l em o d e l ii n d u c t e dc o m b i n a t i o nf o r e c a s tm o d e li nt h i sd i s s e r t a t i o n a p p l i e dt h e w a v e l e tn e u r a ln e t w o r kc o m b i n a t i o nf o r e c a s tm o d e lt of o r e c a s ts o f t 。b a s es e t t l e m e n ta n d c o m p a r e dt h en e u r a ln e t w o r kc o m b i n a t i o nf o r e c a s tr e s u l tw i t hs i n g l em o d e l sa n db pn e u r a l n e t w o r k i no r d e l t oe v a l u a t et h ew a v e l e tn e u r a ln e t w o r kc o m b i n a t i o nf o r e c a s t i n gm o d e l s a p p l i c a b i l i t yi nt h e 矗e l do fs o f t b a s es e t t l e m e n tf o r e c a s t k e yw o r d s ：s o f ts o i lr o a d b e d ；s e t t l e m e n td a t aa n a l y s i s ；n e t w o r ks u p e r v i s i o ns y s t e m m g m ( 1 ，n ) m o d e l ；w a v e l e td e n o i s i n g ；w a v e l e tn e u r a ln e t w o r k ；c o m b i n a t i o nf o r e c a s t i n g 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) 塑丛痉2 0 0 7 年3 月2 7 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) ：塑丛煌2 0 0 7 年3 月2 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 上世纪九十年代以来，我国高等级公路建设取得了飞速的发展。我国已建和在建的 高等级公路中，很大一部分位于我国经济发达的沿海、沿江地区；这些地区，特别是长 江三角洲、珠江三角洲地区的公路地基存在大量的软土，其含水量大，压缩性高，稳定 性差。在软土地基上修筑高等级公路，突出地表现为稳定和沉降问题，尤以沉降问题为 甚。沉降问题处理不好，施工期间易出现路堤滑塌等事故，不仅影响施工进度和造价， 而且易给工程质量留下隐患；在公路运营期间，因软基沉降或不均匀沉降，路面易出现 沉陷，桥头发生跳车现象，轻者影响正常使用或美观，重者会发生安全事故【lj 。因此， 路基的沉降分析成为公路建设过程中的一个重要课题。 自从t e r z a g h i ( 1 9 2 3 年) 的一维固结理论问世以来，沉降计算的理论研究得到了长 足的发展，在工程建设中发挥了巨大的作用。在广大学者的不断努力下，新的计算分析 方法不断的被提出。目前，计算沉降量与时间关系的方法有三大类【2j 。第一类为最经典 的分层总和法，也是规范推荐的方法。第二类为数值计算方法，即根据固结理论，结合 各种土的本构模型，计算最终沉降量的各种有限元法。这两类方法在理论上都是合理可 行的，但这两类方法所涉及的计算参数必须通过试验获得。主要是室内单向固结试验和 三轴试验。取样过程中土样不可避免的会产生扰动，对于高灵敏度的软土来说，扰动将 导致试验得出的参数与上的实际参数相差甚远，根据这种试验参数，按前两种理论方法 计算的变形量与地基土层的实际变形量常常不相符合。这种情况下，第三种方法就显示 出了它独有的优势，即通过现场实测资料来推算沉降量与时问的关系。这类方法也有很 多种，如曲线拟合法、线性回归法、灰色预测法、神经网络法、时间序列法等。这类方 法既有它的理论基础，又有简单易行的操作方法，如图解法，因采用现场的实测资料， 结果也往往令人满意。 因此，在各地的高等级公路建设过程中相继展开了规模较大的沉降监测工作，为软 土路基的路基填筑稳定性控制、超载预压期的确定、工后沉降的评估以及沉降土方的计 算等提供了大量的原始资料，给施工的组织、质量控制等以科学的依据。 然而，由于高等级公路的路线长，标段多，信息量大，涉及的单位众多，人员复杂， 全线的软基监测资料的统筹管理是一项庞大的系统工程。长期以来，我国的监控数据管 理模式依然沿用着人工填报、手工计算、纸张传递的传统方式。这种传统的书面报告的 监控数据管理模式程序繁琐，费时较多，难以满足软基监控及时、准确、直观的要求； 全线软基监测数据的整理、复核难度较大，对施工单位的监测数据采集过程缺乏有效的 监管p j ；并且，面对大量的监测数据和多种预测模型进行建模分析时，需要处理的信息 量大，有时候需进行重复性信息输入工作，工作效率低，特别是遇到来自巨量数据信息 的时候，处理十分困难，甚至根本无法处理。高等级公路软基监控管理手段的相对滞后， 河海大学硕士学位论文 给高等级公路建设的管理工作带来了较为繁重的负担，同时也直接影响着软基处理的质 量和工程进度。因此，迫切需要建立一种新型的软基监控质量管理模式，健全各种监督 机制，规范各方行为，实现软基沉降监测信息管理的系统化，形成对全线软基状况的有 效监管，提高软基监控工作的效率，改变目前软基监控管理的落后局面。 另外，监测资料的整理分析也是软基监控工作中不可分割的组成部分，是进行安全 监控、指导旋工和改进设计方法的一个关键环节。在高等级公路的软基沉降监测规范化、 监测数据可靠性分析的研究上，广大专家学者作了有益的探索【4 。6 j 。但是，由于公路建 设过程中的特殊性和差异性，目前高等级公路的沉降监测还没有专门的规范可循，业主 往往根据经验制定本工程的沉降监测实施规程。在实际操作过程中，沉降数据不准确的 现象很多时候是难以避免的，如施工单位多采用塔尺的等外水准方法监测，这种方法当 地基发生沉降只有几毫米时，很难获得真实的结果。即便是严格按照规程来操纵，由于 仪器、气候条件的不同，监测数据也不可避免的存在误差，也称为监测噪声【”。在资料 分析过程中，对监测数据的处理，特别是异常数据的处理方法不当，而导致分析工作难 以继续或分析结果出现偏差和矛盾已屡见不鲜：如对超、等载预压卸载的时间判定，因 判断失误而过分提前或延迟，会造成工程质量隐患或延缓工期、造成经济损失，从而极 大的影响了施工进度和工程质量。 因此，在对这些大量的、分敖的观测数据进行计算分析的过程中，利用一些检验方 法对监测数据进行严密而系统的检验，从而保证可靠的观测数据进入推理过程，减少由 于错误的观测数据面引起的大量结构分析和推理工作，进而从大量分散、不规则的沉降 监测数据中提取有用信息，了解得出软土路基变形的规律，对准确地进行软基安全监控 和工后沉降预测具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 监测数据管理系统研究现状 公路建设作为一门传统产业，近年来得到了快速发展，无论是公路建设的规模和技 术等级都有了很大的提高 8 】。目前，信息技术已成为社会发展的重要战略资源。高等级 公路各参建单位也日益重视对管理信息技术的应用。 在监测数据管理系统方面，长安大学梁鹏、徐岳【9 采用v i s u a lb a s i c 和m i c r o s o f t 最 新数据访问技术a c t i v e xd a t ao b j e c t s ( a d o ) 编程模型，研究开发“桥梁施工监控数据管 理系统软件”，将该软件应用到桥梁施工监测与控制等领域，避免了繁杂的手工劳动， 做到现场快速、准确地处理和查询数据。吴玉财、徐卫亚 】采用面向对象的程序语言 v i s u a lb a s i c 和面向对象的数据库开发系统s q l ，建立了具有数据管理、可视化查询和 边坡稳定分析与预测功能的智能化数据库管理分析系统，该系统功能齐全，交互灵活， 对工程设计施工与科学研究具有实用价值，并已应用于粤赣高速公路高边坡工程中。 夏元友等【i i 开发了软基沉降预测系统，把多种预测模型归纳起来建立模型库，应用 数据库来管理和处理大量的现场监测数据，把模型库和数据库连接起来建立预测信息系 第一章绪论 统。结合数据库强大功能，提出并建立集工程概况数据库、变形监测信息数据库、沉降 预测模型库和预测结果数据库为一体的软基沉降预测信息系统，且形成一个集查询、编 辑管理、数据处理和沉降预测及其结果可视化等为一体的软件系统。 上述的监测数据管理系统均为单机的数据库管理系统，侧重于应用数据库技术对已 有监测数据的收集整理和分析决策。对于大型工程而言，工程项目组织规模大，项目参 与方关系复杂，导致了协调工作量大、工程建设地域分散、信息采集实时性要求高，如 何使工程项目参与各方不受地域限制地连接起来，便捷地分享项目信息，已成为工程建 设领域面临的一个现实问题。 i n t e r n e t 技术，作为i t 中的一员，提供了一种全新的工程项目管理媒介。i n t e m e t 是开放网络，是一个全球化的信息基础设施，由各国、地区或各行业连接而成。经过将 近1 0 年的发展i n t e m e t 的概念与技术已经非常成熟，i n t e m e t 的发展已经从技术开发转 向了i n t e m e t 应用方法与模式的研究与开发，建筑工程界i n t e r n e t 的应用也从单纯的信息 发卸与共享发展成为以i n t e r n e t 为基础的信息应用。在信息应用的基础上项目建设传统 的模式发生了改变，形成基于i n t e r n e t 的项目信息的沟通，并促进项目合作【l “。1 9 9 6 年 罗勃特e ，詹森和马克j c l a y t o n 所作的调查显示u3 j ：基于i n t e r n e t 或者与i n t e m e t 相 关联的信息技术在不同程度上有益于建筑项目的实施。1 9 9 7 年1 0 月在英国牛津大学 举行的“国际建筑论坛”上与会的世界3 0 多位建筑专家一致认为：信息技术在大型工 程项目的实施过程当中扮演了越来越重要的角色 1 。研究者们推荐使用基于i n t e r n e t 的 工程项目管理方式【1 5 , 1 6 。 国内的许多学者专家都已经意识到开发基于i n t e m e t 的项目管理信息系统的重要意 义和潜在的巨大经济效益，在基于i n t e r n e t 的项目管理信息系统方面进行了有益的尝试。 同济大学工程管理研究所在这方面的研究走在了国内的前沿，他们对大型建设项目信息 沟通系统( p i c s ) 1 7 1 、虚拟建设( v c ) 理论、基于i n t e r n e t 的项目管n t 观等课题作 了大量的研究工作，并开发了上海市地铁一号线工程项目管理信息系统( p m i s s m ) 、长 江口深水航道治理工程信息系统( p m i s y e ) 等高质量的系统。涂辉，陈学广【2 0 提出了 一种采用w w w - c l i e n t s e r v e r 体系结构，综合利用p o w e rb u i l d e r 、p h p 等工具开发大 型工程管理信息系统设计方案，以辅助了大型轨道交通工程建设管理。侯桂荣【2 ”、张胜 鑫【22 】等分析了国内外质量管理系统现状基础上，提出了基于b s 模式的公路工程质量管 理系统的体系结构，对系统的设计目标、结构设计、系统功能设计和安全性设计作出了 较具体的既明。 河海大学陈振飞、邓昌铁【2 3 j 采用a s p ( a c t i v es e r v e r p a g e s ) 结合v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t 及a c t i v e x 技术，设计了运行于i n t r a n e t i n t e m e t 环境下的丹江口枢纽大坝安全监测信息 查询系统，技术人员能随时随地精确地分析资料库中的监测信息，实现数据的实时监测、 实时分析、实时输出，极大地提高了日常工作的效率。但目前，还很少有关高等级公路 软基监测信息的网络管理系统的文献。 河海大学硕士学位论文 1 2 2 小波理论在监测数据处理中的应用 小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 是2 0 世纪8 0 年代中后期发展起来的新兴学科，是 f o u r i e r 分析的发展和重大突破。f o u r i e r 分析起源于法国科学家f o u r i e r 于1 8 2 2 年发表 的热的解析理论( t h ea n a l y t i ct h e o r yo f h e a t ) ，而小波分析却是不同学科、不同研 究者共同创造的，它反映了大科学时代学科之间相互综合、相互渗透的强烈趋势【3 】。 小波分析优于f o u r i e r 变换的地方在于它在时域和频域同时具有良好的局部化性质 2 4 1 ，而且由于对高频成分采用逐渐精细的时域或空域取样步长，从而可以聚焦到对象的 任意细节，对传统的傅里叶提出了新的挑战。近几年来蓬勃发展起来的小波分析，是分 析非平稳信号的无以伦比的强有力的工具，为信号处理领域带来了新生，推动着信号处 理进入崭新的历史发展时期，是当前信号处理领域中非常盛行的解决问题所采用的分析 方法。 小波变换作为一种新的信号处理工具，其优良的去噪性能已越来越多地引起人们的 关注和重视。小波去噪的方法很多，例如，1 9 8 8 年，m a l l a t 2 5 1 提出了多分辨分析的理论， 在此基础上，可利用小波分解与重构的方法进行滤波降噪；1 9 9 1 年，m a l l a t 2 6 1 又提出了 奇异性检测的理论，根据这一理论，可以利用小波变换模极大值的方法去噪；1 9 9 4 年， d o n o h o 等【27 1 提出了非线性小波变换阈值法去噪，该方法由于具有良好的去噪性能而得 到非常广泛的应用：1 9 9 6 年，c o i f r n a n 28 】在阈值法的基础上提出了平移不变量小波去噪 法，它是对阈值法的一种改进。此外，c h e n 和d o n o h o 【2 9 提出了原子分解的基追踪去噪 法；g o o d m a m 3 0 】提出了多小波( m u l t i w a v e l e 0 的概念，并得到了应用p ”。 变形体的变形可描述为随时间或空间变化的信号，变形监测所获取的变形信号，包 含了有用信号和误差( 即噪声) 两部分，如何有效地消除误差并提取变形特征是变形分 析研究的重要内容。将小波理论用于变形监测数据处理最早开始于9 0 年代中期。1 9 9 5 年，c o l l i n e 和w a r a n tr 1 3 2 】利用小波研究了g p s 数据的处理；1 9 9 7 年，黄丁发和卓健成 【3 3 研究了利用小波分析法来检测g p s 相位监测值整周跳变的理论与方法。2 0 0 0 年以后， 文鸿雁【3 4 , 3 5 1 、王声享、田胜利【3 7 l 等人先后利用小波去噪技术，对变形监测数据进行了 去噪处理，提取了建筑物变形的趋势性信息。 近些年来，小波理论与其他理论相结合来解决各种工程问题，展示了巨大的生命力。 如马攀、孟令奎、文鸿雁 38 将小波分析对g p s 动态变形数据滤波、变形特征提取和小同 变形的频率分离与k a l m a n 滤波方法相结合，提出基于小波分析的k a l m a n 滤波动态变形 分析模型。小波与神经网络的结合应用得更加广泛。谢国权 39 利用小波变换提取的信息 和大坝变形信息作为输入，实测变形值作为输出，通过对模型的合理优化和有效的数据 处理，建立了拱坝变形的b p 网络监控预测分析模型。用小波函数代替传统神经网络中的 s i g m o i d 函数，构成小波神经网络【4 ，小波神经网络与b p 神经网络相比，网络训练过程 从根本上避免了局部最优等非线性优化问题，具有较强的函数学习能力和推广能力。将 小波神经网络用于非线性组合预测，已取得了一定的成果【4 “。 第一章绪论 1 2 3 基于实测数据的沉降预测方法研究现状 基于实测资料的沉降预测法，从求解途径上来看，可分为正、反的分析方法【3 j 。正 分析方法就是由实测资料建立数学监控模型，如指数曲线法、双曲线法和高木俊介法以 及曾国熙1 9 7 5 年改进的高木俊介法等i 4 “。这些方法由于形式简单，分析结果较合理， 且容易被普通工程技术人员掌握，在各项工程中得到了广泛应用；灰色理论、人工神经 网络等方法因其在非线性规划方面的突出优势，近年来在也得到了深入的发展1 4 3 , 4 4 1 。 利用实测数据通过相应的理论分析，反求路基材料参数，再进行沉降计算的方法叫 反演分析法。反分析思想早在1 9 4 6 年t e r z a g h i 就指出，根据现场测量得到的数据修正 系统初始参数，达到修改原设计方案，指导施工的目的。近年来，众多的国内外学者对 此做了更进一步的探讨【45 ，4 “，但由于计算过程更趋复杂，因而在工程设计中一般难以得 到推广应用，仅用于重要工程或重要地段的计算。 随着高等级公路建设水平的不断提高，对传统预测模型的各种改进方法也层出不 穷。例如：宰金眠、梅国雄 47 】根据全过程的沉降量与时间关系的特点，建立了泊松曲线 预测模型。王志亮等【4 8 】人增加曲线模型自身的特点，将其引入到多级填土荷载下的软土 路基沉降的预测中，提出了改进的预测数学模型。潘国荣、王穗辉 4 9 】从灰色系统理论入 手，引入时变递增因子的加权等维新息模型进行预测。汪孔政睁叫针对g m ( 1 ，1 ) 模型背景 值取值方法的不足，引入背景值最佳生成系数，建立了时变参数p g m ( 1 ，1 ) 变形预测模型。 由于路基沉降是一个复杂的过程，它的影响因素较多，不管模型如何改进，各种模 型都有其自身的优缺点及适用条件【5 “，因此，在实际沉降预测中，单纯依赖某一种预测 模型是不现实的。胡金莲、李天河【5 2 采用“探索性数据”分析法即类比优选法对预测模 型的构建进行了研究；肖武权陋3 用多项式与时问序列a r 组合模型预测其沉降变形发 展，实现软土路基沉降的实时建模动态预测；赵明华等【5 4 】基于5 种s 型增长曲线模型， 引进组合预测的思想，重点探讨了软土路基沉降发展的预测方法与理论，并建立了软土 路基沉降预测的变权重组合s 型增长模型。李涛等也做过类似的研究 5 “。组合预测的 方法众多，如果选择一个恰当的预测方法来预估软土路基的工后沉降，以提高预测的精 度和可靠性，是本文研究的一个重点。 1 3 本文的主要工作 在软基监控过程中，监测是基础，分析是手段，预报是目的。软基沉降监测涉及到 测量、岩土、地质、水文、计算机等诸多学科的知识，因此，它是一项跨学科的研究1 7 j 。 本文应用系统工程学的方法，从完善软基监控体系的监督机制入手，在科学制定软基监 控程序等方面进行了系统的研究；建立合理、高效的软基监测数据管理系统，以提高现 场监测数据的可靠性和时效性；为了减少不可避免的监测系统误差和人为因素给数据分 析带来的不利影响，在对沉降监测序列进行预处理的基础上，采用在信号处理领域应用 较成熟的小波技术提取趋势项信息，以反映路基沉降的真实情况；并将小波神经网络非 线性组合预测方法引入软基沉降预测中，以最大限度地提高软基沉降预测的准确性。本 河海大学硕士学位论文 文围绕提高软基监测的可靠性为核心，以小波理论为主要分析工具，着重开展如下研究 工作： l 、从分析传统的书面上报软基监控资料的缺点入手，借助i n t e m e t 和数据库技术， 对当前的软基监控程序进行流程再造，提出了建立基于i n t e m e t 的高等级公路软基监控 信息管理系统的基本方法；介绍软基监控网上数据申报系统的开发过程和各功能模块， 并结合佛山市一环城市快速干线工程介绍该系统的工程应用； 2 、分析软基沉降监测数据的误差来源及并对误差进行分类；总结适合于高等级公 路软基沉降监测的精度指标、监测频率、监测原则和质量保证措施；对异常数据的成因 进行分析，提出不同原因造成的异常数据的评判和处理方法；并将考虑相关因素影响的 m g m ( 1 ，n ) 模型应用于软基沉降数据的插补中； 3 、制定小波去噪的实验方案；对沉降去噪过程中如何选择合适的小波基、阈值选 取规则及边界延拓等问题进行系统的研究；对各种不同小波降噪效果进行评价，从中得 出一些有意义的结论； 4 、由于单个模型进软基沉降预测时存在较大的局限性，引入了组合预测模型；在 总结前人研究成果的基础上，研究小波神经网络方法对软基沉降数据进行组合预测的适 用性。 6 第二二章基于i n t e r n e t 的软基监控管理系统的设计与实现 第二章基于i n t e r n e t 的软基监控管 理系统的设计与实现 2 ，1 引言 软基监控的理论和实践发展很快，已经从早先的只监测若干个典型断面扩展到所有 软土路段的监测；监测的目的从以控制软基施工期的稳定为主发展到建立信息化施工控 制系统全面掌握施工、运营期的软基变化情况；参与监测工作的单位从仅仅是监控单位 发展到业主、监理、监控、施工、科研等单位的共同参与；监测期限从施工期的观测发 展到施工准备期、施工期、预压期、运营期的连续监测【5 “。 伴随着软基监控技术的发展，在软基路段监测的过程中，产生了大量的监测数据。 在传统的监控模式中，这些数据都是人工处理和管理的，计算工作量大，自动化程度低， 工作效率低下，还常常不可避免地因人为因素的影响，导致数据的错误：同时对施工单 位的监测数据也缺乏有效的监管，数据虚报、漏报现象时有发生。另外，由于路线长， 参与软基监测的单位众多，人员复杂，监测资料的收集整理难度较大，费时费力，各单 位分散的数据使得对监测成果的分析显得单一、零散，无法系统化、智能化地有效利用 监测数据。 软基监控是一个庞大的系统工程，传统的落后管理方式已远远不能适应软基监控技 术发展的要求，迫切需要一种新型、高效的软基监控管理系统，改变当前软基监控数据 分析滞后和管理混乱的局面。本章结合佛山市一环城市快速干线软基处理工程，提出建 立基于i n t e m e t 的软基监控管理系统。该系统通过现已普及的因特网将分布在各地的公 路建设项目参与各方联系起来，以实现监测数据的快速传输和监测资料的共享；同时， 借助后台数据库来管理和处理海量的现场监测数据，从而大大提高了软基监测数据分析 的自动化程度。 2 2 传统软基监控管理模式的缺点及其变革 2 2 1 传统的软基监控工作模式” 为解决路基稳定及卸载标准等方面的重大技术问题、协调各相关方的工作、切实保 护仪器，保持监测的连续性，确保监控工作顺利开展，各条高速公路一般都成立了由业 主、总承包、设计、监理、监控单位和施工单位组成的“软基监控工作小组”，组长由 业主派人担任，其他单位委派l 2 名工作人员。为了加强监测资料的分析深度，了解 工后沉降的组成因素及其发展规律，指导运营养护，软基监测人员应是经验丰富的技术 人员，必要的情况下聘请国家级软基专家作为技术顾问。 软基工作小组的成立后，应明确其工作权限及人员职责：工作小组每1 2 周召开 软基例会，小组组成单位至少派一名代表会同各施工单位、监理组参加，通报软基监测 河海大学硕士学位论文 情况，填土施工情况等；每月组织全体小组成员，并邀请部分专家对软基施工过程中存 在的问题进行讨论、解决。 工作小组应重点解决的问题：( 1 ) 解决因各种原因而导致施工停滞地段，加快加载； ( 2 ) 在施工过程中，逐步完善软基设计方案；( 3 ) 提供重点路段加载计划及安全保障 措施；( 4 ) 选取部分路段加强沉降观测，为最佳卸载时机的确定提供依据；( 5 ) 推算最 终沉降量，控制预压期；( 6 ) 制定仪器保护，填土速率控制奖罚制度。 传统的施工单位资料报送程序见图2 1 。 施工单位在监理单位、监控单位的指导下， 断面的位置。监测现场的各项工作均需在业主、 须满足要求。 监测当天进行资料整理分析、稳定 判断。如有监测指标超过控制标准，施 工单位当天向驻地监理、业主工程部、 监测单位提交报警报告，报警报告内容 完整详细，应包括：位置、累计加载高 度、沉降速率、最近1 层填土的时间和 厚度等。如时间紧迫，报警可以先电话 通知，随后书面通知。 如监控指标均在控制标准内，施工 单位每周周五向监测单位提交本周监 测资料及填土情况资料( 填土期间) ， 监测资料按照规定的格式提交。除此之 外，施工单位每月还需向监测单位提交 本月监测资料及填土情况资料。 2 2 2 存在的问题 按照设计图纸和技术规范要求确定普通 监理的监督下完成，监测频率、精度必 确定普通断面k 一监控单位、监理等指导 普通断面仪器埋设记录l 一监理确认埋设记录 匝亟匦垂巫巫圃 r 一 巨巫亟圃_ 三圃 图2 1 施工单位资料报送程序 我国从兴建第一条高速公路起就对软基变形监测进行了大量的研究，并逐渐形成了 一整套较为合理、可行的监控数据管理方法，有效保证了高等级公路软基路段的施工质 量，促进了我国高等级公路的飞速发展。但是在信息化、网络化迅猛发展的今天，随着 公路建设项目规模的日益庞大，传统的软基监控管理模式已经不能满足开益发展的软基 处理工程的管理要求，其主要问题表现在以下几个方面1 5 驯： ( 1 ) 组织上管理层次过多，协调困难。传统的管理组织模式是一种自上而下的“金 字塔”式的组织模式，在该种模式下层级分明，各种文件、手续的报批验收工作往往要 经过“金字塔”的多个层次，这样不但降低了管理效率，而且一旦出现错误，很难协调 解决。 ( 2 ) 信息沟通困难。由于软基监控工作涉及到的单位和部门众多，传统的方式如 开会、电话、传真和邮政快递等，信息传递效率很低，而且会引起通讯费用和办公费用 。圈匿卤氢 第二章基于i n t e m e t 的软基监控管理系统的设计与实现 的大幅度增加。根据美国b r i c s n e t c o m 公司的统计数据：项目建设成本的3 5 是由可 以避免的错误引起的，其中3 0 则是因为采用了不准确的或过期的图纸所直接造成的； 项目竣工时，任何一个项目参与方能够拥有的项目信息不足6 5 【5 9 。此外，信息在传递 的过程中还常常出现失真、扭曲的现象。 ( 3 ) 数据更新缓慢。由于软土地基的承载力不足，在路堤填筑过程中由于填筑速 率过快，很容易出现路堤失稳等重大工程事故。软基监控的一个重要目的就是对路基填 土实旌安全监控，保证路基的填筑安全。路基失稳的前兆表现为沉降速率的异常增大， 并且这一过程持续时间较短，传统的项目管理组织模式中级层观念太强，等级森严，数 据在经过多个层次的传递过程中通常要花费较长的时间，决策过程缓慢，错过了宝贵的 抢险时间。 ( 4 ) 文档管理繁琐。在传统的管理模式中，工程图纸、文件、资料等文档量大而 且一般以纸张的形式保存和进行信息的传递，从而造成了纸张的泛滥成灾现象，而且查 找和保存起来都非常困难。由于项目参与方众多，随着工程的进展，经常有很多宝贵的 资料都不知丢到何处，使用时通常要做大量的重复性工作，从而造成资源的浪费。 ( 5 ) 缺乏对数据可靠度的监督。在许多的高等级公路建设过程中，虽然也成立了 专门的软基监控组对重点断面进行观测，但占大多数的一般观测断面的观测任务是由施 工单位完成的。由于个别施工单位不负责任，或出于其他目的，往往不能准确的测定或 上报软基变形监测数据，以往的管理模式缺乏了对施工单位沉降观测数据可靠性的监 督，不合格的观测数据很可能造成错误的工程决策，给道路施工留下了巨大的安全隐患。 ( 6 ) 自动化程度低。以往施工单位报送的纸质的软基监测资料中，只是简单罗列 前期的观测数据，缺少对数据的分析处理。在路基施工过程中，各单位最关心的是路基 填筑的稳定性控制和工后沉降的预估等问题，一般都是通过对一些典型断面采用人工计 算的方法来完成的，无法实现对软基施工安全的实时预警和软基沉降完成情况的自动评 估。 2 2 3 软基监控管理方式的变革 基于i n t e m e t 的软基监控管理采用了先进的虚拟组织的组织模式，从而改变了传统的 项目管理层级式组织模式，使公路建设项目管理由传统的“金字塔”式的组织模式转变 成扁平化、无层级的组织模式，从而改变了在传统的组织模式下，业主高高在上，大权 独揽，独断式随意决策的状况，进而调动了监控单位、监理单位、施工单位以及其它参 与各方的积极性，并使参与各方在信息获得方面形成地位的相对平等。传统的软基监控 管理组织模式和基于i n t e r n e t 的软基监控虚拟组织模式下的项目参与各方关系示意图分 别如图2 2 和2 3 所示。 i n t e r n e t 的应用，减少了管理过程中的许多中间环节，传统的级层式组织结构逐渐转 变为扁平的、无层级的虚拟组织结构。此外，原来需要人工进行的一些工作，如创建、 传递文档和数据统计等都转由计算机自动完成，在减员的同时，提高了管理效率。主要 表现为以下三点： 河海大学硕士学位论文 斗表示合同关系 一- 表示工作关系 图2 - 2 传统的软基监控组织模式下参与各方关系示意图 图2 - 3 基于f n t e r n e t 的软基监控组织模式下参与各方关系