高速公路軟基處理方案決策模型研究

周 靜 張艷妮

高速公路對地基變形的要求很高,一般要求在使用期限內路堤的工后沉降不超過30 cm,路橋搭接處低于10 cm。由于軟土地基具有高壓縮性、低滲透性、低強度等特點,如不對軟土地基進行處理,則路基的沉降量大,影響道路的使用質量,如處理不當,則工后沉降過大,同樣影響路基的使用性能。所以要滿足設計要求,就必須對軟土地基進行加固處理。

在存在軟土的施工路段,一般地基加固的費用占總投資的比重約為1/3,甚至更大,因此選取經濟、有效的加固方案在公路建設中至關重要。但是要成功的完成這一工作并非易事,這是一項系統工程,要考慮土的特性、產生壓縮變形的機理、加固方案的成熟性和質量檢測的難易程度以及施工隊伍的素質等等。

近年來在這方面研究人員取得了不小的進展,先后提出了很多地基處理決策方法,比如評分優化法、層次分析法、模糊評判法、神經網絡法、灰色關聯法及范例推理法等。本文結合巖土工程、土質學和土力學等學科的最新發展,對建立高速公路軟基處理智能決策模型進行了研究。

1 基于評分優化法的軟基處理方案決策模型

評分優化法就是指選擇合理的指標體系,根據專家評分來決定最優方案的一種系統工程方法。所選常見指標一般包括工程造價、施工工期、施工技術可靠性、施工復雜程度、環境影響等。評分標準通常采用很低、低、一般、高、很高;很簡單、簡單、一般、復雜、很復雜等,在考慮各個指標的影響權重后,選擇綜合分值最高的方法作為軟基處理方法[1]。

2 基于模糊評價的軟基處理方案決策模型

模糊評價是應用模糊數學理論對系統進行綜合評價的一種方法,即根據給出的評價標準和實測值,經過模糊變換后對事物做出評價,這種方法將不確定的信息用定量的方法加以處理,變定性決策為定量決策,增加判斷的直觀性和準確性。

軟土處理方案評價中的許多因素有模糊性,如處理效果的好壞、對環境影響的大小等已成為人們的共識,為了處理影響軟基處理方案評價中因素的模糊性,許多研究人員應用模糊數學理論來解決軟基處理方案評價問題。王建華、李夕兵[2]提出的將模糊優選理論運用到評價和選擇地基處理方案中,利用相對優屬度來選擇最佳處理方案。劉國[3]用模糊數學中的聚類分析方法分析幾種常用的軟基處理方案的技術、造價、工期等指標,并對其處理方案進行模糊選擇是一種比較直觀的數學方法,它解決了模糊語言的歸屬問題。評價借助于計算機,所考慮的因素較多,模糊矩陣樣本容量增大,那么選擇的方案越接近實際。但是,在用模糊數學來選擇軟基加固方案是隸屬度和樣本數據的確定,需要對大量的實際數據進行整理、統計,需要有較豐富經驗的人員參與確定,否則聚類動態分析時可能出現“失效或失真”現象。

3 基于層次分析法的軟基處理方案決策模型

層次分析法是系統工程中的一種決策方法,它首先把問題層次化,然后根據問題的性質和要求達到的總目標,將問題分解為不同的組成因素,并按照因素間的相互關聯影響以及隸屬關系將不同層次聚集組合,形成一個層次階梯模型,并最終把系統分析歸結為最低層相對最高層的相對重要性權值的確定和相對優劣次序的排列問題,從而選出最優方案。劉挺、蔡升華[4]將軟基處理方案投資、工期、質量、效果作為準則層,地基處理費用、施工工期、技術成熟性等12個指標作為指標層,運用層次分析對軟基處理方案做出了綜合評價。馮仲仁、朱瑞賡[5]建立了高速公路軟基處理方案的多層次模糊決策。但層次分析法一般只用于結構性較好的決策,而且評價主體的偏好信息和評價對象都要求量化。

4 基于神經網絡的軟基處理方案決策模型

人工神經網絡(ANN)是二十世紀八九十年代發展起來的基于模仿生物大腦的結構和功能而構成的一種信息處理系統,它最大的特征是其固有的并行結構和大規模并行處理,信息的分布式存儲,連續時間非線性動力學,全局集體作用,高度的容錯性和魯棒性,自組織、自學習和實時處理,特別是它可以從積累工程實例中學習知識,盡可能多地把各種定性與定量的影響因素作為變量加以輸入,建立各影響因素與結論之間的高度非線性映射,采用自適應模式識別方法完成預測任務。

神經網絡為完成某一特定的任務,通常采用“訓練”的辦法。這種“訓練”實質上是網絡的學習過程,一般它根據事先定義好的“學習規則”,按照提供的特定作業的學習實例,調節網絡系統各節點之間相互連接的權值大小,從而達到記憶、聯想、歸納等目的。它已廣泛應用于分類、診斷、評估、預測等領域。軟基處理方案決策是一個受多因素影響的、非線性的動態系統決策問題,ANN對解決這一問題奠定了基礎。通過研究土的物理力學指標之間的相關關系,選用5個輸入參數(軟土厚度、軟土壓縮模量、地表硬殼層厚度、硬殼層壓縮模量和路堤高度),3個輸出參數(即處理方法:不處理、淺層處理和深層處理),建立了基于BP神經網絡的高速公路軟基處理方案決策模型。

5 基于灰色關聯理論的軟基處理方案決策模型

灰色關聯分析的基本思想是通過確定參考數列和若干比較數列的幾何形狀相似程度來判斷其聯系是否緊密,它反映了曲線間的關聯程度,大者為優。灰色關聯分析實質上是比較一系列數據對一條參考曲線的擬合程度。顯然,某組數據的變化趨勢越接近參考曲線,其關聯度也越大,該組數據代表的主體也越符合設想的要求。在軟基處理方案決策過程中,有些信息如工程造價、施工工期等可通過計算成為已知信息;有些信息如施工難度、處理效果、技術可靠性等只能定性描述而不能定量,且信息并不十分完全,各因素間的關系也不很明確,因此軟基處理方案選擇實質上是灰色系統問題。應用灰色關聯分析法可以解決這一問題。文獻[7]運用灰色系統理論,建立的軟基處理方案決策模型,合理確定了方案決策評價指標及其權重,根據計算出的灰色關聯度來實現對擬選方案的優選和排序,從而對方案做出決策,實例分析表明,該模型使用方便、決策結果合理,具有實用價值。

6 基于范例推理的軟基處理方案決策模型

范例推理(簡稱CBR)的思想就是通過訪問范例庫中過去相關的事例的求解利用類比推理而獲得當前問題解,其推理過程蘊含了學習和歸納的功能,從而簡化了知識的獲取過程。在軟土地基上修建高速公路,首先需要對是否進行處理做出決策,某些地質條件若處理不當,會對土的天然結構產生擾動,引起過大的附加沉降。對需要處理的地段,則需對采用深層處理還是淺層處理做出決策。影響高速公路軟基處理方案決策的因素很多,有地質因素(土的壓縮模量、強度、硬殼層厚度等)、工程因素(填土高度、施工難度等)、經濟因素(投資、維護費用等)及環境影響因素等。長期以來,研究人員已經對軟基處理方法進行過深入的研究,獲得了比較明確的結論。文獻[8]提出的基于范例推理的軟基處理決策模型,在大量的軟基處理工程實例的基礎上,利用類比推理的方法來獲得軟基處理方式,原理簡單、直觀,使用方便。

7 結語

綜述以上6種軟基處理方案決策模型,不難發現這些研究對軟土地基處理的智能化決策具有重要的意義。但是仍然存在一些不容忽視的問題,以太沙基的經典土力學為基礎的理論公式法仍被廣泛應用,數值計算技術與實際情況有一定的差距,沒有充分表現出其優越性,在計算機技術突飛猛進的今天,這些問題確實是一種遺憾。軟土地基處理的設計與施工中,智能化水平不夠,地基處理的方案決策和施工決策問題研究不夠,基本停留在人為經驗決策階段。

[1]宋應文,唐業績.地基處理決策法[J].地基基礎工程,1993,3(1):7-12.

[2]王建華,李夕兵.模糊數學優選理論評價和選擇地基處理方案[J].西部探礦工程,2002,14(3):21-24.

[3]劉 國.用模糊數學方法選擇軟土地基加固方案[J].水文地質工程地質,2000(4):17-19.

[4]劉 挺,蔡升華.層次分析法在地基處理方案優化中的應用[J].電力勘測,2002,35(3):31-35.

[5]馮仲仁,朱瑞賡.高速公路軟基處理方案的多層次模糊決策[J].巖石力學與工程學報,2002,21(6):915-918.

[6]馮仲仁,朱瑞賡.基于MATLAB-NNT的高速公路軟基處理方案決策模型[J].巖土力學,2002(4):67-68.

[7]馮仲仁,陳向陽,鄢恒珍.基于灰色理論的軟基處理方案決策模型[J].武漢理工大學學報,2004(10):11-14.

[8]馮仲仁,陳向陽,鄢恒珍.基于范例推理的公路軟基處理方案決策模型[J].巖土力學,2004(11):318-320.