基于灰色理論的碼頭堆場(chǎng)細(xì)砂地基承載力檢測(cè)方法

◎ 金鵬 汕頭招商局港口集團(tuán)有限公司

重力式碼頭是港口工程的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，重力式碼頭在施工中對(duì)地基承載力有較高要求，因此為了減小碼頭底部作用在地基上的豎向應(yīng)力，通常設(shè)置碼頭的拋石基床，將上部結(jié)構(gòu)施加在地基的豎向應(yīng)力分散開，從而達(dá)到降低承載力的目的，減少地基倒塌和結(jié)構(gòu)沉降。由于港口工程環(huán)境復(fù)雜，沉箱結(jié)構(gòu)除了自身重量和箱體回填力外，還要承受波浪力、回填土壓力等一系列載荷。考慮基床厚度的影響，地基的極限承載力成為港口工程設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)之一，因此，進(jìn)行地基承載力檢測(cè)十分必要，但傳統(tǒng)的地基承載力檢測(cè)方法忽略了地基土體模量的影響，檢測(cè)不準(zhǔn)確，因此，設(shè)計(jì)了基于灰色理論的碼頭堆場(chǎng)細(xì)砂地基承載力檢測(cè)方法。

1.基于灰色理論的碼頭細(xì)砂地基承載力檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算碼頭細(xì)砂地基承載力分布

在計(jì)算碼頭細(xì)沙地基承載力分布時(shí)，首先需要計(jì)算碼頭周邊的潮位，消除極端高水位與極端低水位的影響，確定此時(shí)的覆蓋層厚度和基槽深度準(zhǔn)備完成后，進(jìn)行地基承載力分布式計(jì)算，計(jì)算公式如下（1）所示。

公式（1）中，σ 代表分布式應(yīng)力，m代表施工洗漱，M代表實(shí)際邊緣力數(shù)值，V代表應(yīng)力檢測(cè)方向的測(cè)算數(shù)值，此時(shí)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 分布式計(jì)算結(jié)果

由表1可知，此時(shí)碼頭的分布式應(yīng)力符合目前的公里規(guī)范，為了分析此時(shí)碼頭堆場(chǎng)細(xì)沙的各項(xiàng)承載力數(shù)值，需要利用有限元，構(gòu)建此時(shí)的碼頭三維圖，為構(gòu)建后續(xù)的灰色預(yù)測(cè)模型提供參考。

1.2 基于灰色理論構(gòu)建承載力灰色預(yù)測(cè)模型

灰色理論可以將碼頭承載力看作一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)上述設(shè)計(jì)的碼頭三維圖像進(jìn)行開發(fā)，可以提取有價(jià)值的信息，實(shí)現(xiàn)承載力的有效識(shí)別，應(yīng)用灰色理論構(gòu)建承載力模型可以將整個(gè)碼頭堆場(chǎng)細(xì)砂承載力與灰色系統(tǒng)擬合實(shí)現(xiàn)承載力的控制，此時(shí)，以灰色模塊為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)承載力灰色預(yù)測(cè)模型，如下（2）、（3）所示。

模型（2）、（3）中x（k）代表白化方程，a代表參數(shù)，z代表相鄰序列，b代表灰色作用數(shù)值，d代表離散時(shí)間，該模型也是一個(gè)非原始的序列，可以在承載力計(jì)算中劃分各個(gè)區(qū)域不同的承載力離散響應(yīng)時(shí)間，預(yù)測(cè)累加的承載力數(shù)值，該模型并非在所有的情況下均有效，需要將發(fā)展系數(shù)設(shè)定在某個(gè)范圍內(nèi)，才能應(yīng)用該模型預(yù)測(cè)具體的承載力數(shù)值。

除此之外，模型的使用精度可以反饋承載力預(yù)測(cè)的實(shí)際精度，因此在進(jìn)行承載力預(yù)測(cè)時(shí)，一定要消除模型精度對(duì)承載力的影響，需要進(jìn)行承載力模型精度評(píng)估，即檢驗(yàn)此時(shí)承載力模型的灰色關(guān)聯(lián)度。本文設(shè)計(jì)的方法首先需要使用殘差檢驗(yàn)消除模型與原數(shù)值的誤差，其次使用后驗(yàn)差檢驗(yàn)，消除殘差的概率分布誤差，最后進(jìn)行關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)，描述承載力檢測(cè)的整個(gè)過(guò)程，進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，為承載力誤差消除作基礎(chǔ)。

1.3 消除碼頭極限地基承載力檢測(cè)誤差

為了保證承載力檢測(cè)的精確性，需要在灰色預(yù)測(cè)模型建立后消除碼頭極限承載力檢測(cè)誤差。首先將整個(gè)碼頭的三維圖像進(jìn)行二維模擬變化，設(shè)置此時(shí)的沉箱長(zhǎng)、寬、高，擬定此時(shí)機(jī)床的擴(kuò)散指數(shù)，其次，劃分從事的荷載邊界，劃分示意圖如下圖1所示。

圖1 劃分示意圖

由圖1可知，此時(shí)碼頭的承載力包括波吸力，需要消除此時(shí)的波吸力誤差，根據(jù)劃分示意圖，在地基左右兩側(cè)進(jìn)行填砂，約束此時(shí)的地基轉(zhuǎn)移角，根據(jù)力矩相等原則，將波吸力集中至碼頭堆載上，從而減小此時(shí)的承載力檢測(cè)誤差。

1.4 實(shí)現(xiàn)碼頭堆場(chǎng)細(xì)砂地基承載力檢測(cè)

實(shí)現(xiàn)碼頭堆場(chǎng)細(xì)砂地基承載力檢測(cè)還需要確定此時(shí)次級(jí)的極限狀態(tài)加載方式，本文使用ABAQUS有限元分析軟件，根據(jù)地基的穩(wěn)定性，收斂此時(shí)的有限元計(jì)算結(jié)果，保證地基性質(zhì)不發(fā)生改變的同時(shí)，增大碼頭的高度，直至承載力達(dá)到極限，此時(shí)檢測(cè)到的承載力即為承載力極限數(shù)值，需要在承載力極限數(shù)值的基礎(chǔ)上降低荷載，實(shí)現(xiàn)碼頭堆場(chǎng)細(xì)砂地基承載力的檢測(cè)。

2.實(shí)例分析

2.1 概況及準(zhǔn)備

為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的基于灰色理論的碼頭堆場(chǎng)承載力檢測(cè)方法，本文選取了某重力性碼頭，進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)初步篩查，選取的碼頭地基組成成分比較單一，均為細(xì)沙，但由于細(xì)沙的組成密度、含水量等指標(biāo)在不同的區(qū)域存在差異，因此本文將地基影響指標(biāo)設(shè)為自變量，構(gòu)建了參考序列，如表2所示。

表2 指標(biāo)參考序列

根據(jù)表2的參考序列，可以建立此時(shí)的變量序列矩陣，計(jì)算的公式如（4）、（5）所示。

公式（4）、（5）中，X1代表依次迭代序列，X'代表量化序列，ΔK代表序列差值，X代表初始序列，N代表序列長(zhǎng)度，I代表歸一系數(shù)，經(jīng)過(guò)均值化和歸一化的矩陣排布表如表3所示。

表3 歸一化矩陣排布表

由表3可知，此時(shí)的關(guān)聯(lián)系數(shù)檢測(cè)矩陣符合后續(xù)的實(shí)驗(yàn)需求，可以進(jìn)行后續(xù)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.2 應(yīng)用效果與討論

分別使用本文設(shè)計(jì)的地基承載力檢測(cè)方法和傳統(tǒng)的地基承載力檢測(cè)方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行承載力檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果曲線如下圖2所示。

圖2 承載力檢測(cè)結(jié)果

由圖2可知，本文設(shè)計(jì)的方法檢測(cè)的地基承載力與預(yù)計(jì)的承載力相擬合，證明設(shè)計(jì)的方法檢測(cè)準(zhǔn)確，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，檢測(cè)灰色碼頭堆場(chǎng)細(xì)砂地基承載力可以及時(shí)預(yù)測(cè)基床的狀態(tài)，對(duì)碼頭運(yùn)輸堆放安全性有重要作用，因此本文根據(jù)灰色理論構(gòu)建了灰色理論預(yù)測(cè)模型，提高地基承載力的檢測(cè)精度，進(jìn)行實(shí)例分析證明，設(shè)計(jì)的地基承載力檢測(cè)方法檢測(cè)準(zhǔn)確，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)檢測(cè)的參考。