基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測(cè)方法綜述★

張炳乾 李戰(zhàn)勝

(1.安陽(yáng)市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 安陽(yáng) 455000； 2.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河南 鄭州 450002)

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測(cè)方法綜述★

張炳乾1李戰(zhàn)勝2

(1.安陽(yáng)市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 安陽(yáng) 455000； 2.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河南 鄭州 450002)

介紹了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降外推預(yù)測(cè)方法，闡述了各種方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，指出基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測(cè)法是針對(duì)建筑實(shí)測(cè)所得的離散沉降值，用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)地基的最終沉降量，具有較好的適用性。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，復(fù)合地基，沉降，預(yù)測(cè)方法

工程實(shí)際表明，復(fù)合地基能夠有效減小軟弱地基的變形量及沉降差。在工程實(shí)踐中，建筑物對(duì)地基沉降變形有不同限值要求和適應(yīng)能力，這是由建筑物的功能要求決定的，在保證安全和使用功能的前提下允許出現(xiàn)一定的沉降變形。沉降控制設(shè)計(jì)方法的基本思想是：為達(dá)到參數(shù)合理，經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的目的，需要將復(fù)合地基的沉降變形控制在一定范圍內(nèi)[1]。

自1923年Terzaghi提出固結(jié)理論以來(lái)，地基的沉降變形計(jì)算方法已有非常大的發(fā)展，計(jì)算方法種類眾多，有簡(jiǎn)單的半經(jīng)驗(yàn)的圖表法，也有數(shù)值模擬分析方法。目前，有很多種地基沉降的計(jì)算方法，究其原理，可分為基于固結(jié)原理、考慮土的性質(zhì)的理論計(jì)算法[2]和基于實(shí)測(cè)沉降資料的沉降外推預(yù)測(cè)方法兩大類。這兩類方法都有其適用性和可操作性，本文對(duì)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降外推預(yù)測(cè)方法進(jìn)行綜述，對(duì)工程實(shí)際地基問(wèn)題有著重要意義。

1 靜態(tài)預(yù)測(cè)方法

1.1 指數(shù)公式法[3]

根據(jù)不同的排水條件，得到不同的固結(jié)度的理論解，由t時(shí)刻固結(jié)度與固結(jié)度的理論解的關(guān)系，可推導(dǎo)出下式：

(1)

其中，a，b為與地基土種類、性質(zhì)、地基的排水條件等有關(guān)的參數(shù)；Sd為初始沉降量；St為t時(shí)刻的沉降量；S為最終沉降量。

1.2 星野法[4]

星野法地基變形計(jì)算公式為：

(2)

其中，S0為假定的瞬時(shí)沉降；St為隨時(shí)間變化的沉降量；S∞為總沉降值；a，b均為待定參數(shù)。將上式轉(zhuǎn)化為直線方程如下：

(3)

1.3 雙曲線法[5]

當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)足夠多時(shí)，可以利用雙曲線式進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)，下式可近似表示沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律：

(4)

其中,S0為t0時(shí)刻的沉降值；St為t時(shí)刻的沉降值；a，b均為曲線擬合系數(shù)。

變換式(4)可得到：

(5)

1.4 三點(diǎn)法[6]

根據(jù)土力學(xué)中對(duì)固結(jié)度的定義和曾國(guó)熙推導(dǎo)的沉降變形固結(jié)度方程可得：

St=Sdae-bt+S∞(1-ae-bt)

(6)

具體預(yù)測(cè)時(shí)，根據(jù)沉降實(shí)測(cè)曲線，在滿足等時(shí)距原則條件下，從恒載段上選取三個(gè)點(diǎn)，即選取滿足Δt=t2-t1=t3-t2條件下的(S1，t1)(S2，t2)(S3，t3)三點(diǎn)，代入式(6)，并聯(lián)立求解可得：

(7)

(8)

(9)

1.5 對(duì)數(shù)曲線法[7]

假定沉降隨時(shí)間是緩慢增加的，可以把實(shí)測(cè)沉降曲線近似看成是對(duì)數(shù)曲線，即為對(duì)數(shù)曲線法，其方程為：

St=a+blnt

(10)

其中,St為t時(shí)刻的沉降量；a,b均為待定參數(shù)。

1.6 泊松曲線法[8]

為了表達(dá)沉降量隨時(shí)間發(fā)展的全過(guò)程，即“S”形曲線，宰金珉等提出利用泊松曲線來(lái)預(yù)測(cè)，得到較好的效果。

泊松曲線的表達(dá)式如下：

(11)

其中,St為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)沉降值；a，b，k均為待定系數(shù)。

2 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法

動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法與靜態(tài)預(yù)測(cè)方法的最大區(qū)別在于：沉降數(shù)據(jù)的變化能夠及時(shí)影響系統(tǒng)，隨著觀測(cè)變形量的變化趨勢(shì)不斷改變，原始數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也在不斷變化，由此能夠得到更為合理的沉降預(yù)測(cè)值。

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[9]

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，為了模擬人腦的一些基本特性，如：自適應(yīng)、自組織、容錯(cuò)性等，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用了物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)來(lái)處理數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)自然的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或人腦一些基本特性的概括和模擬，是非線性動(dòng)力預(yù)測(cè)系統(tǒng)，它有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)性、自組織性，具有并行處理和分布式信息存儲(chǔ)能力，以及容錯(cuò)、聯(lián)想及抗干擾能力，在處理背景不清晰、信息繁雜、規(guī)則含糊的問(wèn)題時(shí)，它具有自己獨(dú)特的優(yōu)越性[10]。

目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有很多種，常用的有：CPN網(wǎng)絡(luò)、BP網(wǎng)絡(luò)、Hopfield網(wǎng)絡(luò)等。

2.2 灰色系統(tǒng)模型(Grey Model)[11]

灰色系統(tǒng)屬于系統(tǒng)科學(xué)范疇，它提供了求解系統(tǒng)問(wèn)題的新途徑，特別是在貧信息情況下,灰色系統(tǒng)模型能夠?qū)⒁磺须S機(jī)變量都看作灰色量，將隨機(jī)過(guò)程看作是與時(shí)間有關(guān)的灰色過(guò)程，灰色量和灰色過(guò)程均在一定區(qū)間內(nèi)變化。用數(shù)據(jù)生成的方法對(duì)灰色量進(jìn)行處理，將原本可能毫無(wú)規(guī)律的雜亂實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理成具有一定規(guī)律的序列，進(jìn)而利用生成序列建立模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。這樣站在較高的層次上對(duì)問(wèn)題的分析能夠較全面地揭示系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化規(guī)律[12]，工程中常用的是GM(1,1)模型和Verhulst模型。

3 研究方向展望

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測(cè)法是針對(duì)建筑實(shí)測(cè)所得的離散沉降值，用一定的數(shù)學(xué)模型來(lái)構(gòu)建某種關(guān)系，以此模型預(yù)測(cè)地基的最終沉降量，具有較好的適用性。但由于模型只是采用數(shù)學(xué)方法，沒(méi)有充分考慮地基土的類型、物理力學(xué)性質(zhì)、地下水和地基的處理方法，這些計(jì)算方法得到的變形預(yù)測(cè)結(jié)果往往與實(shí)測(cè)值存在著較大的偏差。因而，當(dāng)工程情況比較復(fù)雜時(shí)，就不能很好地預(yù)測(cè)建筑物沉降發(fā)展規(guī)律，既能反映實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)規(guī)律又能考慮到土和地基實(shí)際性狀的預(yù)測(cè)方法將是未來(lái)基坑沉降研究的方向。

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Overview on subsidence detection methods based on practical measured data★

ZHANG Bing-qian1LI Zhan-sheng2

(1.AnyangBuildingEngineeringQualitySupervisionStation,Anyang455000,China;2.HenanUrban-RuralPlanning&DesignAcademyCo.,Ltd,Zhengzhou450002,China)

The paper introduces static and dynamic subsidence prediction methods based on practical measured data, describes their application scope and merits and defects, and points out that: subsidence prediction method is in light of discrete value， using mathematical model predicting foundation subsidence has better application.

practical measured data, composite foundation, subsidence, prediction methods

1009-6825(2014)22-0048-02

2014-05-09★:河南省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào)：200510459073)

張炳乾(1986- )，男，助理工程師； 李戰(zhàn)勝(1981- )，男，碩士，工程師

TU433

A