淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测方法

王正宏，耿庆方，朱 巍

(江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225000)

淮河沿岸淤泥地层土质松软，孔隙率较大，且具有极高的含水率，自身稳定性较差。因此，针对沿岸淤泥地层雨水箱涵相比于普通地层雨水箱涵更容易发生沉降变形的现象。而预测淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形是解决此问题的有效途径，淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测方法应势而生。以往，主要通过侧移估算法以及沉降估算法，预测淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形。但此方法在实际应用过程中只适用于已经发生雨水箱涵沉降变形的淮河沿岸淤泥地层，对未发生雨水箱涵沉降变形的情况很难通过该预测起到预防效果，导致传统淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测方法在实际应用中预测分维数低，无法为预防淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形提供精准的预测数据。因此，针对淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测方法的优化设计具有现实意义，本文通过设计一种新型淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测方法，为雨水箱涵沉降变形提供精准的预测数据，从根本上提高淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵的稳定性以及安全性能。

1 变形成因

1.1 淮河沿岸淤泥地层土质问题

淮河沿岸淤泥地层土质土质松软，孔隙率较大，含水率高，稳定性差，导致雨水箱涵施工区域的地下水位上升，降低土基的抗剪强度。由于长时间的受力压迫，必然会导致淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形。

1.2 台背填料

台背填料的不合理选择也是造成淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形的主要因素之一，在台背填料的选择过程中，一旦选择空隙率大的台背填料，必然会导致在淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵压实台背填料过程中，对压实整体度提出很高要求。

1.3 雨水箱涵刚度差异

雨水箱涵施工过程中出现沉降变形问题产生原因有较多，最显著的问题是由于雨水箱涵组织结构中，不同区段间刚度存在差异所产生的。由于雨水箱涵结构整体属于刚性组织，受到负载影响，不同区段受到的作用力不同，长时间受到外界负载作用，其弹性作用力失效，以此产生淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形问题。

1.4 雨水箱涵设计不合理

除上述原因，对雨水箱涵组织结构进行实地勘察过程中发现，雨水箱涵施工过程中，存在对其整体结构设计不合理问题。如忽略对雨水箱涵有关深度施工参数的选择、未能按照工程标准实施工程设计等，因此设计成果与工程实际需求不符合，进而造成淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形。

2 数值模拟

明确淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形成因后，分析淮河沿岸淤泥地层中，雨水箱涵沉降变形结构。本文采用数值模拟的方式，模拟淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形受力过程，进而分析出淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形结构。

2.1 雨水箱涵沉降变形数值模拟基本假设

为保证淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形数值模拟精度，本文通过模拟雨水箱涵沉降变形数值，将复杂的淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形问题转换为简单的线性问题。数值模拟具体内容包括：淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形结构内力在应力应变过程中必须保持平面形态；排除由于抗拉强度的不同，造成沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形结构内力状态数值模拟误差值大的情况；在发生沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形时，沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形结构内力与弯曲变形为弹塑性关系。

2.2 模拟变形承载力

在明确雨水箱涵沉降变形数值模拟基本假设的前提下，本文运用二次抛物线原理，模拟淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形状态下的承载力，以二次抛物线的高度代表淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形当下的承载力。设二次抛物线的高度为y，可得下式：

总之，就历史学科教学而言，思维能力的训练和思维品质的提升，必须渗透到课堂教学的各个环节。教师一定要善于寻找适当的教学策略，激发和维持学生的思维动机，发挥学生的潜能，提升学生的思维品质。

(1)

式中，x—淮河沿岸淤泥地层含水率；ε1—雨水箱涵长度；ε2—雨水箱涵宽度；r—雨水箱涵钢筋混凝土弹性系数。

通过式(1)，可推导出淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形承载力计算理论模型。设模型的数学表达式为M，则

(2)

式中，σ—淮河沿岸淤泥地层孔隙率；β—雨水箱涵构沉降变形最大承受剪应力；b—雨水箱涵构沉降变形结构内力的摩擦角；a—黏聚力；n—膨胀角度，为实数；f—地表沉降高度。

利用淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形承载力计算理论模型，进而判断出此时雨水箱涵沉降变形结构状态。通过淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形承载力计算理论模型中的自变量可以得出雨水箱涵沉降变形的主要影响因素为：雨水箱涵构沉降变形最大承受剪应力、摩擦角、黏聚力以及膨胀角度。在运用淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形承载力计算理论模型的过程中，必须对雨水箱涵沉降变形结构受力点位置进行精准计算，防止由于点位不准确造成雨水箱涵沉降变形结构分析参数误差大的问题。以计算得出的雨水箱涵沉降变形结构状态为依据，为淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测提供基础数据。

3 预测方法

3.1 划分沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形单元网格

在淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测过程中，预先划分淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形单元网格，为预测提供基础环境支撑。将每个单元面积设置为1km×2 km×3km×3km，查明沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形特征，将沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形特征以矩形阵势进行排列。设排列后的沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形特征矩形阵记为(X，Y)，则有公式如下：

(3)

式中，n—淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形信息特征值；i—淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形信息维数；h—预测时刻；a—实际地质横坐标；b—实际地质纵坐标。

通过式(3)得到排列后的淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形矩形阵，进行单元格重组划分，设置变量系数，提取淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测数据，变量系数越高证明淮河沿岸淤泥地层雨水箱发生沉降变形的几率也就越高。

本次划分淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形单元网格必须遵循以下两点原则：①平面网格系统划分采用国际上认可度高的角点网格系统；②平面网格系统划分方向与主模拟层应力形变方向保持一致，为下文分析雨水箱涵沉降变形结构时间分形特征提供环境支撑。

3.2 分析雨水箱涵沉降变形结构时间分形特征

在划分沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形单元网格的基础上，本文采用分形理论，定量描述沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形。基于相似维数，分析沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形结构时间分形特征。设沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形时间分形特征方程式为D。

(4)

式中，t—淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形监测时间。

通过式(4)，得出淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形时间分形特征的时间分形维数。以此，为淮河沿岸淤泥层雨水箱涵沉降变形预测提供依据。

3.3 计算雨水箱涵沉降变形预测映射误差

由于淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形不确定因素大的特点，在映射沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测数据的过程中，必然会产生映射误差。为确保沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测数据映射误差能够通过修正系数进行改进，且过程中不会出现权重比例失调的情况出现。将沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测映射误差设为MSE。

(5)

式中，v—雨水箱涵沉降变形预测映射态势值；B—雨水箱涵沉降变形预测特征维数。

剔除计算得出的映射误差，提高雨水箱涵沉降变形预测映射准确性。

3.4 实现淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测

在淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测中，本文采用动态重构的方式，重构上文剔除误差后的沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测数据。基于改进RVM模型建立淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测核函数，训练淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测数据。运用改进RVM模型中的gemset作为训练数据的环境背景，设淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测核函数表达式为p。

(6)

式中，ω—淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测边缘积分；l—淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测超参数的边缘似然；α—最大循环次数。

通过式(6)，得出淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测核函数，训练淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测数据，得出新的淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测样本集，以此，判断淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵出现沉降变形的几率，实现淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测。

4 实例分析

4.1 实验准备

构建实例分析，实验对象选取某处淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵，并对其参数进行具体设计。某处淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵的具体参数信息，见表1。

表1 某处淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵参数

根据表1所示，首先，使用本文设计方法预测淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形，通过MATALB测试预测分维数，并记录，将其设为实验组；再使用传统方法预测淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形，同样通过MATALB测试预测分维数，并记录，将其设为对照组。由此可见，本次实验主要内容为测试两种方法的预测分维数，分维数越高证明该预测方法的预测精度也就越高。通过10次对比实验，针对实验测得的预测分维数，记录实验数据。

4.2 实验结果与分析

预测分维数对比结果，如图1所示。

图1 实验结果对比图

从图1中可以看出，本文设计的预测方法下的分维数明显高于对照组，具有实际应用价值，值得被大力推广使用。

5 结语

本文通过实例分析的方式，证明了设计预测方法在实际应用中的适用性，以此为依据，证明此次优化设计的必要性。因此，有理由相信通过本文设计，能够解决传统淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵沉降变形预测中存在的缺陷。但本文同样存在不足之处，主要表现为未对本次测定结果的精密度与准确度进行检验，进一步提高测定结果的可信度。这一点，在未来针对此方面的研究中可以加以补足。与此同时，还需要对淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵的优化施工设计提出深入研究，以此为提高淮河沿岸淤泥地层雨水箱涵的使用年限提供建议。