公路粉噴樁復合地基沉降預測淺論

摘要：分析南京至高淳高速公路工程中粉噴樁復合地基的沉降，應用灰色Verhulst模型方法建立起沉降量預測模型；提出對粉噴樁沉降量預測的看法。

　　關(guān)鍵詞：粉噴樁復合地基；最終沉降量；灰色Verhulst模型

　　1. 概述

　　南京至高淳高速公路，位于南京南郊，根據工程勘測資料，沿線(xiàn)軟弱土層分布在不同深度，馮村大橋南粉噴樁復合地基施工之初就設置了4個(gè)沉降長(cháng)期觀(guān)測點(diǎn)，分別定期進(jìn)行觀(guān)測。公路工程復合地基沉降是影響公路設計、安全和正常使用的重要因素。其沉降量大小，尤其是最終沉降量大小，是判斷公路是否能安全、正常使用的重要指標之1。由于公路粉噴樁復合地基、路基和路面結構是1個(gè)相互作用、10分復雜的系統。公路粉噴樁復合地基沉降隨時(shí)間變化的計算也10分復雜。

　　本文用德國生物學(xué)家Verhulst提出的非線(xiàn)性微分方程（式1）來(lái)建立公路沉降的預測模型。

　　dp（t）/dt=ap（t）-bp2（t）（1）

　　式中p（t）——是生物的繁殖量。

　　公路粉噴樁復合地基沉降隨時(shí)間變化的實(shí)測s—t曲線(xiàn)形狀是1個(gè)近似反s曲線(xiàn)，曲線(xiàn)特征吻合Verhulst模型曲線(xiàn)。

　　2. 灰色Verhulst模型建模步驟

　　設原始數列為x（0）（i）， i=1，2，…，n

　�。�1）累加生成得x（1）（i）=∑i〖〗k=1x（0）（k）， i=1，2，…，n

　�。�2）構造B和YN

　　B=1〖〗2x（1）（1）+x（1）（2）〖〗-1〖〗4x（1）（1）+x（1）（2）2

　　1〖〗2x（1）（2）+x（1）（3）〖〗-1〖〗4x（1）（2）+x（1）（3）2

　　…〖〗…

　　1〖〗2x（1）（n-1）+x（1）（n）〖〗-1〖〗4x（1）（n-1）+x（1）（n）2

　　Y=x（0）（2）

　　x（0）（3）

　　…

　　x（0）（n）

　�。�3）作最小2乘計算a〖〗b=（BT.B）-1.BT.Y

　�。�4）建立模型

　　把系數a、b代入式（1），解微分方程得：

　�。╰=1，x（1）（1）=x（0）（1））

　　x（1）（t）=a〖〗b〖〗1+a〖〗b.1〖〗x（0）（1）-1.e-a（t-1）

　　這就是累加生成數列的模型。由該模型計算值所連成的曲線(xiàn)就是Verhulst模型曲線(xiàn)。

　　3. 對公路粉噴樁復合地基沉降建立的Verhulst模型

　　3.1 原始數據的處理

　　選擇不同時(shí)間內的沉降差Δs作為原始數據。其累加生成數列正好是公路粉噴樁復合地基直到該時(shí)刻的沉降量s.

　　表1k 54+655處觀(guān)測沉降的觀(guān)測數據單位：cm

　　序號〖〗1〖〗2〖〗3〖〗4〖〗5〖〗6ΔS（I）〖〗2?5〖〗0?3〖〗0?1〖〗0?3〖〗0?1〖〗0?3S（I）〖〗2?5〖〗2?8〖〗2?9〖〗3.2〖〗3?3〖〗3?6序號〖〗7〖〗8〖〗9〖〗10〖〗11〖〗12ΔS（I）〖〗0?3〖〗0?7〖〗0?2〖〗0?38〖〗0?02〖〗0?02S（I）〖〗3?9〖〗4?6〖〗4?8〖〗5?18〖〗5?2〖〗5?22注：第1個(gè)點(diǎn)原來(lái)的累計沉降為2?8 cm.

　　3.2實(shí)例

　　表1是南京至高淳公路k 54+655處每次沉降觀(guān)測數據S（I）和相鄰兩次沉降差ΔS（I），第1次觀(guān)測時(shí)間為1999年4月30日，第12次觀(guān)測時(shí)間為1999年10月15日，每次間隔半個(gè)月。

　　設原始數列為x（1）（i）=Δs（i）， i=1，2，…，n

　�。�1）累加生成得x（1）（i）=∑i〖〗k=1x（0）（k）， i=1，2，…，n

　�。�2）構造B和YN

　　B=2?65 〖〗-7?022 501

　　2?85 〖〗-8?122 499

　　3?05 〖〗-9?302 498

　　3?25 〖〗-10?562 5

　　3?45 〖〗-11?902 5

　　3?75 〖〗-14?062 5

　　4?25 〖〗-18?062?5

　　4?70 〖〗-22?089 9

　　4?99 〖〗-24?900 1

　　5?19 〖〗-26?936 1

　　5?21 〖〗-27?144 1YN=0?3

　　0?1

　　0?3

　　0?1

　　0?3

　　0?3

　　0?7

　　0?2

　　0?38

　　0?02

　　0?02

　�。�3）建立模型

　　x（1）（t）=6?547 68〖〗1+1?619 152.e-0?174 040 7（t-1）

　　華東公路2002年第4期2002年第4期梁小平，薛國強：公路粉噴樁復合地基沉降預測淺論表2k 54+655處觀(guān)測值與模型值相對誤差單位：cm

　　序號〖〗1〖〗2〖〗3〖〗4〖〗5〖〗6觀(guān)測值〖〗5?60〖〗5?70〖〗6?00〖〗6?10〖〗6?40〖〗6?70模型值〖〗5?57〖〗5?86〖〗6?14〖〗6?42〖〗6?70〖〗6?97相對誤差%〖〗0?54〖〗2?81〖〗2?33〖〗5?25〖〗4?69〖〗4?03序號〖〗7〖〗8〖〗9〖〗10〖〗11觀(guān)測值〖〗7?40〖〗7?60〖〗7?98〖〗8?00〖〗8?02模型值〖〗7?22〖〗7?46〖〗7?69〖〗7?89〖〗8?06相對誤差%〖〗2?43〖〗1?84〖〗3?63〖〗1?38〖〗0?50從表2可以看出，上面所建模型的擬合度是很高的，可以作為該公路復合地基沉降量s的預測模型。

　�。�4）公路復合地基最終沉降量的確定

　　根據表1可得公路復合地基相鄰兩次沉降差ΔS（I）隨時(shí)間的變化規律是總體上逐漸減小。而根據所建的灰色模型，當t無(wú)限增大時(shí)，模型計算值趨于極限，與實(shí)際情況符合。根據“最終沉降量”的定義，其極限就應該是公路復合地基最終沉降量。對于本例，最終沉降量s=9?52 cm.

　　3.3計算機程序

　　由于計算過(guò)程復雜的原因，手工計算速度慢而且準確率低。按照建模步驟編制計算機程序。鑒于此，按照建模步驟開(kāi)發(fā)計算機計算數據的程序，實(shí)現計算的準確快速。程序包括：數據輸入模塊；矩陣轉置、矩陣求逆、矩陣求積模塊；求參數模塊；模型計算模塊；觀(guān)測值與模型計算值相對誤差計算模塊；預測值計算模塊；數據輸出模塊。輸入變量數值，如“原始數列”等觀(guān)測所得到的數據后，便自動(dòng)計算出結果。

　　4. 結論

　　根據南京至高淳高速公路工程中粉噴樁復合地基沉降與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)特征，提出用灰色Verhulst模型來(lái)模擬公路沉降的方法，并給出建模步驟。對于荷載穩定時(shí)得到的觀(guān)測數據可直接使用該方法進(jìn)行預測。對于加載過(guò)程中得到的觀(guān)測數據，可先對數據處理再使用該方法進(jìn)行預測。實(shí)踐證明，這種建模方法計算程序簡(jiǎn)單。且只需較少的觀(guān)測數據（1般要求不少于5個(gè)）就可建模，可以得到任意時(shí)刻的沉降值，能減少長(cháng)期沉降觀(guān)測的時(shí)間。

　　參考文獻：

　�。�1］張國祥，朱利香?地基極限承載力的灰色預測?工程勘察，1998，2?

　�。�2］鄧聚龍?灰色控制系統?武漢：華中理工大學(xué)出版社，1988

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