基于D-S證據模型的凍土區公路路基沉降監測技術

左偉濤

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司,天津 300308)

季節性凍土占我國國土面積的一半以上,其開發利用對我國經濟建設和社會發展具有重要意義。季節性凍土造成的路基不均勻的變形是凍土地區路面早期被破壞的一個重要原因。由于路基路面的整體性,路基不均勻的沉降變形造成了路基的不均勻沉降變形,進而導致路基結構層產生一種融沉附加應力[1-2]。假設非均勻沉降變形值高于設定值,路基材料將受到較大的附加應力影響。公路的正常使用需要路基良好的強度和穩定性來保障,而路基的穩定性很大程度上取決于路基沉降變形量[3-4]。因此,對路基差異沉降變形的監測標準進行構建,對路基的沉降變形的規律變化進行較準確的預測,對于保證公路的安全運行具有重要意義[5]。傳統的路基沉降監測技術有承載板法、落錘彎沉測量法等。在實際應用中,這些方法對路基沉降的監測精度低、監測效果差,無法對路面管理系統海量數據進行快速采集,計算也十分復雜。因此,對凍土區公路路基沉降監測技術進行深入研究,具有重要的實用價值。

1 凍土路基沉降類型及預測機理

1.1 凍土沉降類型分析

根據路基沉降一級變形特征,可以把它的沉降分成瞬時沉降、固結沉降以及次固結沉降三個階段,其本質上都是由于土壤固結壓縮排出土壤中的水分或空氣而導致土壤體積的減少[6]。路基沉降圖類型和沉降過程示意圖見圖1和圖2。①瞬時沉降:發生在填土初期,在加荷的作用下瞬時發生,此時土中的孔隙水沒有及時排出,因此在不排出且體積不變的情況下,土體僅發生橫向變形,此時沉降速率最大。②固結沉降:由于土體持續受到荷載力的作用,孔隙中的水被一點點地排出,孔隙水壓力逐漸降至零,土體間的壓縮作用增強,形成豎向變形,路基出現固結沉降效應,固結沉降速率也隨之減緩[7-8]。在我國北方寒冷地區,融沉和凍脹破壞是建筑物凍害的主要原因,在高原多年凍土地區的公路,也存在融沉和凍脹的破壞現象。影響凍土區公路路基穩定性的因素較多,但主要因素是路基的總沉降變形[9]。③次固結沉降:有效應力不再增加,超孔隙水壓力在土中完全消失,隨著時間延長,土體逐漸發生緩慢變形,如體積減小、剪應變變小。雖然土體的三種沉降形式有著明顯差異,但實際上均發生在同一時間的不同階段,只是其中一種沉降變形在某一階段比另兩種更加突出。

圖1 凍土沉降類型圖

圖2 路基沉降過程示意圖

1.2 路基沉降監測

地基沉降觀測按照不同類型的地基條件、不同結構部位等具體情況進行相關分析與分類。通常情況下,沉降觀測斷面的間距一般≤50 cm;針對地勢平坦、路基狀況良好、路基高度≤5 m的路堤或者路塹,可加寬操作,使其寬度達到100 m;針對地形或者是地域變化程度大的情況,需要進行合適的加密操作。

1.3 路基沉降預測

在路基沉降的監測過程中,隨著施工的進行,路基沉降系統受到的影響因素和系統的整體狀況持續變化,所以需要向系統中引進新的數據參數信息,以對沉降系統的改變、外界因素對沉降產生的影響進行反映。這就需要持續地把新的觀測數據更新到原始數據中,以此為基礎再建立模型,即等維信息模型[10]。如果不斷地把新的觀測數據加入原始數據中,原始數據列就會變得越來越長,系統受到的干擾越來越多,不穩定因素越來越多,容易使模型的精度降低,計算的工作量也在不斷增加。因此,在建立模型的基礎上,應用相關的算法規則以及等維約束。換言之,將一條新信息添加到原始的數據列中,便可以將一條舊的數據信息去除。同時,將觀測數據的連續性和新增性納入考慮,借此建立的CM(1,1),即為等維信息模型。

設原始的數據為x(0)=[x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)],伴隨著數據的更迭,假如n+1時刻的沉降數據x0(n+1),使得在原始序列當中增加x0(n+1),將x0(1)去掉,構成新的等維動態序列,然后建立新的灰色預測模型(即等維新息模型)進行預測,如此逐步進行下去。以此實現路基沉降的預測。

2 基于D-S證據模型的路基沉降信息化監測

D-S證據模型是由Dempster于1967年提出,由其學生Shafer于1976年進一步發展起來的一種不精確推理理論,也稱為Dempster/Shafer 證據理論(D-S證據理論),屬于人工智能范疇,最早應用于專家系統中,能處理不確定信息。作為一種不確定推理方法,證據理論的主要特點是:滿足比貝葉斯概率論更弱的條件;具有直接表達“不確定”和“不知道”的能力。

2.1 凍土路基沉降監測D-S證據模型

對于路基的沉降監測的研究分成兩個部分:一是最大差異沉降值;二是沉降隨時間的變換。根據已有的理論研究對最大差異沉降進行完善,使得沉降量的估計誤差保持在 10%～20%范圍內。然而沉積量伴隨時間的變化并沒有顯著的改變,土的種類和結構有很大的差別,不能統一體系。凍土環境下沉降的計算方法是利用施工過程中測量出的位移的信息擬合參數對沉降隨時間的變化關系進行推演。最后對瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降進行相關評估,通常借助分層總合法。而工程實際中多采用測定沉降值乘以經驗系數法推導D-S證據模型的沉降系數:

S=mSc

(1)

式中,m代表的數據參數信息是與土質、荷載及加荷速率有關的經驗沉降系數,計算主固結沉降的公式為:

(2)

式中,ea代表的數據參數意義是路基中分層中點,在自重應力作用下穩定時的孔隙比;ei代表的參數意義是路基中分層中點,在自重應力與附加應力共同作用下穩定時的孔隙比;Δh代表的參數意義是路基沉降分層厚度。

假如借助壓縮模量進行相關計算,那么主固結沉降D-S證據模型如下:

(3)

式中,Δpi是路基中各分層中點的應力增量;Eci是路基中每個分層壓縮模量。

因為土是變異性巨大的工程材料之一,其結構性質的復雜度高,而且僅僅考慮路基底面下路基各層的沉降總和,并未將路基本身的固結壓縮變形納入考慮之中是不全面的,所以計算結果與實際的測量結果相比有著巨大的誤差。借助有限元分析軟件對路基沉降模型進行構建,充分考慮與研究路基壓縮變形,對路基的沉降量通過相關計算進行具體分析。同理論分析相結合,路基工后不均勻沉降的D-S證據模型如下:

(4)

2.2 路基沉降信息化監測流程

路基沉降監測是以筑體為中心,從填筑體監測與填筑體壓實兩個方面展開的。大體按照填料和壓實兩方面實施路基沉降的監測。

(1)路基填筑。選取適宜的設計沉降估算方法,保證沉降監測措施的合理性。首先精確掌握地質資料和土工參數;再針對路基的結構、面寬、工后沉降監測、橋墩設置等重要參數進行精準的分析與評估,分析路基設計中應當關注的問題與相關措施。評估后,針對該路段不同配比的路基建筑材料提出合理改進建議。

(2)填料壓實。參考合理的參數,對路基壓實效果進行實時檢測,進一步詳細地研究巖土的物理特性,包括含水率、壓實情況等施工參數對壓實效果產生的影響,得到可靠度高、適宜度高的碾壓組合工藝,并對凍土層路基的有關檢測標準值進行規定。具體的路基沉降信息化監測流程見圖3。

圖3 路基沉降信息化監測流程

2.3 基于BP神經網絡的路基穩定性監測

在對網絡進行訓練時,為了減少數據的非規則性,所有數據都需經過量化處理,定義在[0,1]之間。對各變量值進行量化,采用如下方法:

溫度T=T/Tmin,降雨量W=W/Wmax

AADT=AADT/AADTmax

(5)

其中,AADTmax,Wmax分別為這兩項指標的累加值在設計期限內可能的最大值。Tmin為設計期限內可能的溫度最低值。

利用BP神經網絡方法對路基進行監測穩定性的鑒定過程。BP神經網絡拓撲結構見圖4。

圖4 BP神經網絡拓撲結構

BP神經網絡的隱含層神經元傳遞函數一般情況下可以借助可微函數進行表示:

f1(v)=1/[1+exp(-v)]

(6)

輸出層神經元傳遞函數的應用:

f2(v)=v

(7)

針對第p個輸入的樣本數據,隱含層的第節點的輸出數據是:

(8)

式中,f1代表輸出層激勵函數;α代表輸入層的節點個數;wij代表輸入層第i個節點與隱含層第j個節點的連接權值;ui代表隱含層節點的輸入值;bj代表隱含層節點的閾值。

輸出層第k個節點的預測輸出是:

(9)

式中,f2代表輸出層的激勵函數;M代表隱含層的點個數;wkj代表隱含層第j個節點與輸出層的第k個節點的連接權值;bk代表輸出層節點的閾值。穩定性鑒定的計算公式為:

(10)

式中,m代表輸出層的節點個數,借此完成路基監測穩定性鑒定,詳細流程見圖5;Zpk、Ypk分別代表期望輸出與預測輸出。

圖5 路基監測穩定性鑒定流程

3 實驗

3.1 實驗環境

路基沉降板設置:利用40 cm×40 cm×1 cm的鋼質材料與40～100 mm的鍍鋅鋼管制作出沉降板,在沉淀板的正中位置,將三根斜向狀態的鋼筋焊接在上面,沉淀板的長度設置成20 cm,接頭間利用絲進行連接。大管件或具有一定強度的塑料套管外壁,套管直徑應小于5～10 cm,其長度應小于5～10 cm,能容納中間部分。

沉降板埋設說明:選取路基的頂面作為板體結構,在路基壓實過程結束后,第一時間將降板鑿開,防止加大路基的破壞程度。在沉降板的組裝過程中,需要確保路基的整平,將第一層填料進行鋪筑,壓實結束后,在預設地點對填料進行挖取直至達到原地面,進行回填夯實,直到填料將要與金屬測管管頭的位置時近乎水平時,打開護帽,裸露管頭,確定管頭標高,戴上護帽。路基制作過程就此結束。

利用夯擊1、2、3點的方法對路基進行沉降,夯擊原理見圖6。

圖6 夯擊示意圖

3.2 實驗過程

以60 m為間隔設置觀測斷面,在其上設置4個觀測臺。由于凍土路基在冬季很可能出現凍結,沉降量的變化程度很弱,因此在觀測時,需要把施工的頻率和季節因素納入考慮,把路基的凍土變化過程作為觀測的參照依據。如冰期為4月到10月、凍結期為10月到1月、穩定凍結期為1月到3月,觀測頻率依次為每15天一次、45天一次與60天一次。

施工及觀測注意事項:①在觀察期間采用相關設備與措施保護沉降板,避免其與施工車輛、壓路機等碰撞與人為損壞情況的發生。如出現碰損,需要第一時間復位沉降觀測板并重新觀測。②若在對可靠性高的觀測基準點進行尋找時遇到困難,可以選擇比較可靠的點作為基準點,使之后的施工得以正常進行,也可以以此為依據對基準點進行進一步確定。③在施工階段完成后,最大限度對已經埋設的沉降板、移動式樁基等進行保護,防止人為對其造成破壞。在沉降觀測階段,尤其要重視觀測沉降數據的監測與記錄,使人為因素產生的誤差最小化。

建筑工程質量標準:①強夯過程中,夯錘點中心偏差應在150 mm內,如發生偏錘應及時重對。②避免夯坑周圍土體隆起過大。③避免夯坑傾斜情況,強夯的水平偏差應小于200 mm。橫沖坑底傾斜速率在1.73以上時,再進行一次強夯。④夯擊能量必須保持在100 mm以下,并且最后兩擊的平均夯沉量應保持在50 mm以下。在夯點1、2、3進行夯擊,將傳統落錘式彎沉儀法監測下與沉降監測仿真建模的技術下的實測沉降位移與期望沉降位移進行沉降差監測。

3.3 實驗結果

使用傳統落錘式彎沉儀法監測,沉降差監測結果見圖7。使用沉降監測仿真建模技術監測,沉降差監測結果見圖8。

圖7 傳統落錘式彎沉儀法

圖8 沉降監測仿真建模技術

3.4 實驗結論

在夯點1、2、3進行夯擊,將傳統落錘式彎沉儀法與沉降監測仿真建模技術下的實測沉降位移與期望沉降位移進行沉降差監測對比,得到的圖像顯示:傳統落錘式彎沉儀法監測下的沉降差大于基于沉降監測仿真建模技術的沉降監測產生的沉降差,兩者最低沉降差相差3.7 cm,說明傳統落錘式彎沉儀法監測下的路基沉降監測效果不如基于沉降監測仿真建模技術的監測效果。

4 結論與展望

路基的強度和穩定性是保證公路能夠正常使用的基本條件,路基是否穩定很大程度上取決于路基沉降變形量的高低,所以要建立路基沉降變形監測技術,對沉降變形規律進行精確的預測。實驗顯示,傳統落錘式彎沉儀法的路基沉降監測效果不如基于沉降監測仿真建模技術的監測效果。未來,以下兩個方面有待進一步深入研究:①結合路試相關工程,對路試道路進行全面的地溫和沉降觀測工作。②針對沉降技術數值模擬分析進一步完善綜合監測。