基于D-S证据模型的冻土区公路路基沉降监测技术

左伟涛

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司,天津 300308)

季节性冻土占我国国土面积的一半以上,其开发利用对我国经济建设和社会发展具有重要意义。季节性冻土造成的路基不均匀的变形是冻土地区路面早期被破坏的一个重要原因。由于路基路面的整体性,路基不均匀的沉降变形造成了路基的不均匀沉降变形,进而导致路基结构层产生一种融沉附加应力[1-2]。假设非均匀沉降变形值高于设定值,路基材料将受到较大的附加应力影响。公路的正常使用需要路基良好的强度和稳定性来保障,而路基的稳定性很大程度上取决于路基沉降变形量[3-4]。因此,对路基差异沉降变形的监测标准进行构建,对路基的沉降变形的规律变化进行较准确的预测,对于保证公路的安全运行具有重要意义[5]。传统的路基沉降监测技术有承载板法、落锤弯沉测量法等。在实际应用中,这些方法对路基沉降的监测精度低、监测效果差,无法对路面管理系统海量数据进行快速采集,计算也十分复杂。因此,对冻土区公路路基沉降监测技术进行深入研究,具有重要的实用价值。

1 冻土路基沉降类型及预测机理

1.1 冻土沉降类型分析

根据路基沉降一级变形特征,可以把它的沉降分成瞬时沉降、固结沉降以及次固结沉降三个阶段,其本质上都是由于土壤固结压缩排出土壤中的水分或空气而导致土壤体积的减少[6]。路基沉降图类型和沉降过程示意图见图1和图2。①瞬时沉降:发生在填土初期,在加荷的作用下瞬时发生,此时土中的孔隙水没有及时排出,因此在不排出且体积不变的情况下,土体仅发生横向变形,此时沉降速率最大。②固结沉降:由于土体持续受到荷载力的作用,孔隙中的水被一点点地排出,孔隙水压力逐渐降至零,土体间的压缩作用增强,形成竖向变形,路基出现固结沉降效应,固结沉降速率也随之减缓[7-8]。在我国北方寒冷地区,融沉和冻胀破坏是建筑物冻害的主要原因,在高原多年冻土地区的公路,也存在融沉和冻胀的破坏现象。影响冻土区公路路基稳定性的因素较多,但主要因素是路基的总沉降变形[9]。③次固结沉降:有效应力不再增加,超孔隙水压力在土中完全消失,随着时间延长,土体逐渐发生缓慢变形,如体积减小、剪应变变小。虽然土体的三种沉降形式有着明显差异,但实际上均发生在同一时间的不同阶段,只是其中一种沉降变形在某一阶段比另两种更加突出。

图1 冻土沉降类型图

图2 路基沉降过程示意图

1.2 路基沉降监测

地基沉降观测按照不同类型的地基条件、不同结构部位等具体情况进行相关分析与分类。通常情况下,沉降观测断面的间距一般≤50 cm;针对地势平坦、路基状况良好、路基高度≤5 m的路堤或者路堑,可加宽操作,使其宽度达到100 m;针对地形或者是地域变化程度大的情况,需要进行合适的加密操作。

1.3 路基沉降预测

在路基沉降的监测过程中,随着施工的进行,路基沉降系统受到的影响因素和系统的整体状况持续变化,所以需要向系统中引进新的数据参数信息,以对沉降系统的改变、外界因素对沉降产生的影响进行反映。这就需要持续地把新的观测数据更新到原始数据中,以此为基础再建立模型,即等维信息模型[10]。如果不断地把新的观测数据加入原始数据中,原始数据列就会变得越来越长,系统受到的干扰越来越多,不稳定因素越来越多,容易使模型的精度降低,计算的工作量也在不断增加。因此,在建立模型的基础上,应用相关的算法规则以及等维约束。换言之,将一条新信息添加到原始的数据列中,便可以将一条旧的数据信息去除。同时,将观测数据的连续性和新增性纳入考虑,借此建立的CM(1,1),即为等维信息模型。

设原始的数据为x(0)=[x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)],伴随着数据的更迭,假如n+1时刻的沉降数据x0(n+1),使得在原始序列当中增加x0(n+1),将x0(1)去掉,构成新的等维动态序列,然后建立新的灰色预测模型(即等维新息模型)进行预测,如此逐步进行下去。以此实现路基沉降的预测。

2 基于D-S证据模型的路基沉降信息化监测

D-S证据模型是由Dempster于1967年提出,由其学生Shafer于1976年进一步发展起来的一种不精确推理理论,也称为Dempster/Shafer 证据理论(D-S证据理论),属于人工智能范畴,最早应用于专家系统中,能处理不确定信息。作为一种不确定推理方法,证据理论的主要特点是:满足比贝叶斯概率论更弱的条件;具有直接表达“不确定”和“不知道”的能力。

2.1 冻土路基沉降监测D-S证据模型

对于路基的沉降监测的研究分成两个部分:一是最大差异沉降值;二是沉降随时间的变换。根据已有的理论研究对最大差异沉降进行完善,使得沉降量的估计误差保持在 10%～20%范围内。然而沉积量伴随时间的变化并没有显著的改变,土的种类和结构有很大的差别,不能统一体系。冻土环境下沉降的计算方法是利用施工过程中测量出的位移的信息拟合参数对沉降随时间的变化关系进行推演。最后对瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降进行相关评估,通常借助分层总合法。而工程实际中多采用测定沉降值乘以经验系数法推导D-S证据模型的沉降系数:

S=mSc

(1)

式中,m代表的数据参数信息是与土质、荷载及加荷速率有关的经验沉降系数,计算主固结沉降的公式为:

(2)

式中,ea代表的数据参数意义是路基中分层中点,在自重应力作用下稳定时的孔隙比;ei代表的参数意义是路基中分层中点,在自重应力与附加应力共同作用下稳定时的孔隙比;Δh代表的参数意义是路基沉降分层厚度。

假如借助压缩模量进行相关计算,那么主固结沉降D-S证据模型如下:

(3)

式中,Δpi是路基中各分层中点的应力增量;Eci是路基中每个分层压缩模量。

因为土是变异性巨大的工程材料之一,其结构性质的复杂度高,而且仅仅考虑路基底面下路基各层的沉降总和,并未将路基本身的固结压缩变形纳入考虑之中是不全面的,所以计算结果与实际的测量结果相比有着巨大的误差。借助有限元分析软件对路基沉降模型进行构建,充分考虑与研究路基压缩变形,对路基的沉降量通过相关计算进行具体分析。同理论分析相结合,路基工后不均匀沉降的D-S证据模型如下:

(4)

2.2 路基沉降信息化监测流程

路基沉降监测是以筑体为中心,从填筑体监测与填筑体压实两个方面展开的。大体按照填料和压实两方面实施路基沉降的监测。

(1)路基填筑。选取适宜的设计沉降估算方法,保证沉降监测措施的合理性。首先精确掌握地质资料和土工参数;再针对路基的结构、面宽、工后沉降监测、桥墩设置等重要参数进行精准的分析与评估,分析路基设计中应当关注的问题与相关措施。评估后,针对该路段不同配比的路基建筑材料提出合理改进建议。

(2)填料压实。参考合理的参数,对路基压实效果进行实时检测,进一步详细地研究岩土的物理特性,包括含水率、压实情况等施工参数对压实效果产生的影响,得到可靠度高、适宜度高的碾压组合工艺,并对冻土层路基的有关检测标准值进行规定。具体的路基沉降信息化监测流程见图3。

图3 路基沉降信息化监测流程

2.3 基于BP神经网络的路基稳定性监测

在对网络进行训练时,为了减少数据的非规则性,所有数据都需经过量化处理,定义在[0,1]之间。对各变量值进行量化,采用如下方法:

温度T=T/Tmin,降雨量W=W/Wmax

AADT=AADT/AADTmax

(5)

其中,AADTmax,Wmax分别为这两项指标的累加值在设计期限内可能的最大值。Tmin为设计期限内可能的温度最低值。

利用BP神经网络方法对路基进行监测稳定性的鉴定过程。BP神经网络拓扑结构见图4。

图4 BP神经网络拓扑结构

BP神经网络的隐含层神经元传递函数一般情况下可以借助可微函数进行表示:

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

(6)

输出层神经元传递函数的应用:

f2(v)=v

(7)

针对第p个输入的样本数据,隐含层的第节点的输出数据是:

(8)

式中,f1代表输出层激励函数;α代表输入层的节点个数;wij代表输入层第i个节点与隐含层第j个节点的连接权值;ui代表隐含层节点的输入值;bj代表隐含层节点的阈值。

输出层第k个节点的预测输出是:

(9)

式中,f2代表输出层的激励函数;M代表隐含层的点个数;wkj代表隐含层第j个节点与输出层的第k个节点的连接权值;bk代表输出层节点的阈值。稳定性鉴定的计算公式为:

(10)

式中,m代表输出层的节点个数,借此完成路基监测稳定性鉴定,详细流程见图5;Zpk、Ypk分别代表期望输出与预测输出。

图5 路基监测稳定性鉴定流程

3 实验

3.1 实验环境

路基沉降板设置:利用40 cm×40 cm×1 cm的钢质材料与40～100 mm的镀锌钢管制作出沉降板,在沉淀板的正中位置,将三根斜向状态的钢筋焊接在上面,沉淀板的长度设置成20 cm,接头间利用丝进行连接。大管件或具有一定强度的塑料套管外壁,套管直径应小于5～10 cm,其长度应小于5～10 cm,能容纳中间部分。

沉降板埋设说明:选取路基的顶面作为板体结构,在路基压实过程结束后,第一时间将降板凿开,防止加大路基的破坏程度。在沉降板的组装过程中,需要确保路基的整平,将第一层填料进行铺筑,压实结束后,在预设地点对填料进行挖取直至达到原地面,进行回填夯实,直到填料将要与金属测管管头的位置时近乎水平时,打开护帽,裸露管头,确定管头标高,戴上护帽。路基制作过程就此结束。

利用夯击1、2、3点的方法对路基进行沉降,夯击原理见图6。

图6 夯击示意图

3.2 实验过程

以60 m为间隔设置观测断面,在其上设置4个观测台。由于冻土路基在冬季很可能出现冻结,沉降量的变化程度很弱,因此在观测时,需要把施工的频率和季节因素纳入考虑,把路基的冻土变化过程作为观测的参照依据。如冰期为4月到10月、冻结期为10月到1月、稳定冻结期为1月到3月,观测频率依次为每15天一次、45天一次与60天一次。

施工及观测注意事项:①在观察期间采用相关设备与措施保护沉降板,避免其与施工车辆、压路机等碰撞与人为损坏情况的发生。如出现碰损,需要第一时间复位沉降观测板并重新观测。②若在对可靠性高的观测基准点进行寻找时遇到困难,可以选择比较可靠的点作为基准点,使之后的施工得以正常进行,也可以以此为依据对基准点进行进一步确定。③在施工阶段完成后,最大限度对已经埋设的沉降板、移动式桩基等进行保护,防止人为对其造成破坏。在沉降观测阶段,尤其要重视观测沉降数据的监测与记录,使人为因素产生的误差最小化。

建筑工程质量标准:①强夯过程中,夯锤点中心偏差应在150 mm内,如发生偏锤应及时重对。②避免夯坑周围土体隆起过大。③避免夯坑倾斜情况,强夯的水平偏差应小于200 mm。横冲坑底倾斜速率在1.73以上时,再进行一次强夯。④夯击能量必须保持在100 mm以下,并且最后两击的平均夯沉量应保持在50 mm以下。在夯点1、2、3进行夯击,将传统落锤式弯沉仪法监测下与沉降监测仿真建模的技术下的实测沉降位移与期望沉降位移进行沉降差监测。

3.3 实验结果

使用传统落锤式弯沉仪法监测,沉降差监测结果见图7。使用沉降监测仿真建模技术监测,沉降差监测结果见图8。

图7 传统落锤式弯沉仪法

图8 沉降监测仿真建模技术

3.4 实验结论

在夯点1、2、3进行夯击,将传统落锤式弯沉仪法与沉降监测仿真建模技术下的实测沉降位移与期望沉降位移进行沉降差监测对比,得到的图像显示:传统落锤式弯沉仪法监测下的沉降差大于基于沉降监测仿真建模技术的沉降监测产生的沉降差,两者最低沉降差相差3.7 cm,说明传统落锤式弯沉仪法监测下的路基沉降监测效果不如基于沉降监测仿真建模技术的监测效果。

4 结论与展望

路基的强度和稳定性是保证公路能够正常使用的基本条件,路基是否稳定很大程度上取决于路基沉降变形量的高低,所以要建立路基沉降变形监测技术,对沉降变形规律进行精确的预测。实验显示,传统落锤式弯沉仪法的路基沉降监测效果不如基于沉降监测仿真建模技术的监测效果。未来,以下两个方面有待进一步深入研究:①结合路试相关工程,对路试道路进行全面的地温和沉降观测工作。②针对沉降技术数值模拟分析进一步完善综合监测。