（道路与铁道工程专业论文）基于神经网络的软土路基最终沉降量的分析研究.pdf

摘要 9 0 年代以来，随着国民经济的快速发展，我国掀起了高速公路建设的热潮。 修建高速公路必然会遇到软土，在软土地基上修建高速公路，其核心问题在于 控制软基的沉降为了掌握路堤在旖工期中的变形动态，必须建立动态观测和 软基沉降动态预报系统。一方面确保路堤在施工过程中的安全和稳定；另一方 面要正确预测工后沉降，使工后沉降控制在设计的允许范围之内 软土路基在外荷载作用下，其沉降大，持续时间也长软土地基上的高等 级公路，潜在的工后沉降会对交通运输造成相当大的危害，因此在进行地基处 理前就要对路基的沉降进行较为准确的计算和预测。由于影响软土路基沉降的 因素很多，且各因素随时间都在不断变化，而且软土的性质极为复杂，土性参 数的确定比较困难，准确计算和预测工后沉降是近年来路堤工程研究的一个热 点和难点因此，研究和建立软土路基沉降预测方法对我国快速发展的公路交 通建设事业具有重要的理论和现实意义 本文分析和总结了软土地基的变形理论和计算方法，并对人工神经网络的 原理和实现过程做了较为详细的阐述。在此基础上采用b p 人工神经网络，利用 集( 宁) 一丰( 镇) 高速公路软土地基实测沉降数据直接建模，进行了软土地 基最终沉降量的预测，将预测结果与曲线拟合法中的双曲线法、指数曲线法、 三点法的预测结果进行对比分析，取得了较为理想的效果。证明神经网络法能 避免传统方法计算过程中各种人为因素的干扰。计算精度高，泛化性强，简便 易行，因而具有广泛的工程使用价值和广阔的工程应用前景。 关键词：软土路基，沉降预测，人工神经网络 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fe c o n o m y , t h ef r e e w a y sh a v e b e e nb u i l t c o n t i n u o u s l yi no a rc o u n t r y b u i l d i n gf r e e w a y sw o u l dm e e tt h ep r o b l e mo fs o f t - c l a y i n e v i t a b l y ；s oc o n t r o l l i n gt h es e t t l e m e n ti st h ek e yp r o b l e mt ob u i l df r e e w a y so b s o f t - f l a yg r o u n d f o rt h es a k eo fd y n a m i cc o n t r o lf o rt h es e t t l e m e n td i s t o r t i o no ft h e e m b a n k m e n ti nt h ep e a o do fc o n s t r u c t i o n , t h es y s t e mo fd y n a m i co b s e r v a t i o na n d f o r e c a s to ft h es o f t - c l a yg r o u n dm u s tb es e tu p o nt h eo n eh a n d ，i te n s u r e ss a f e t ya n d s t a b i l i t y o fe m b a n k m e n t o nt h eo t h e rh a n d ，i tf o r e c a s t s t h ep o s t - c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e n tc o r r e c t l ya n dm a k e si tu n d e rt h ep e r m i to ft h er a n g eo ft h ed e s i g n t h es o f t - c l a yg r o u n dh a sl a r g es e t t l e m e n ta n di tw i l ll u s tf o ral o n gt i m eu n d e r l o a d t h e r ew i l lb ep o t e n t i a lp o s t - s e t t l e m e n tt h a tm a y b em a d cl a r g i s hh a r mt ow o j 五c a n dt r a n s p o r t a t i o no fh i g h - g r a d eh i g h w a y so l ls o f t - c l a yg r o u n d , s oi ti sn e c e s s a r yt o c a l c u l a t ea n df o r e c a s tt h es e t t l e m e n to fs o f t - c l a yg r o u n db e f o r et r e a t m e n t t h e r ea r e m a n yf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es e t t l e m e n to fs o f t - d a yg r o u n d , a n de v e r yf a c t o rv a r i e s i nd i f f i d e n tt i m e f u r t h e r m o r et h ec h a r a c t e r so fs o f l - c l a ya g ec o m p l e x , s oi tj sh a r dt o d e f i n ep a r a m e t e r so fs o f t - c l a y o na c c o u n to ft h ea b o v e ，c a l c u l a t i n ga n df o r e c a s t i n g t h ei x ) s t - s e t t l e m e n to fs o f t - c l a yg r o u n de x a c t l yb e c o m eah o t s p o ta n dad i f f i c u l t l y t h e r e f o r e , t os t u d ya n df o u n dt h en e wm e t h o d so fc a l c u l a t i o na n d f o r e c a s t p o s t - s e t t l e m e n t o fs o f t - c l a y g r o u n d h a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o ro a rc o u n t r y sd e v e l o p i n gh i g h w a yc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dg e n e r a l i z e st h et h e o r yo fd i s t o r t i o na n dc a l c u l a t i o no f s o f t - c l a yg r o u n d , e x p o u n d st h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo fa n n a d o p t sb p - a n nt om a k et h em o d e ld i r e c t l yb a s eo nm e a s u r e dd a t ao fj i f e n g f r e e w a y , a n dp r e d i c t sf i n a ls e t t l e m e n to fs o f t - c l a yg r o u n d ap e r f e c te f f e c t i v e n e s si s o b t a i n e dt h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h er e s u l tw i t hs o m em e t h o d so fa , l g v e f i t t i n gm e t h o ds u c ha sh y p e r b o l i cm e t h o d ，e x p o n e n t i a lm e t h o d ，a n dt h r e e - p o i n t m e t h o d i tp r o v e dt h a tt h en e u r a ln e t w o r km c t h o dc a na v o i dt h em i s t a k ed u et o h u m a nf a c t o ri nt r a d i t i o n a lm e t h o d sa n dc a ns i m u l a t ee n g i n e e d n gp r e c i s e l y , w i d e l y a n de a s i l y t h e r e f o r e ，t h em e t h o dh a sab r i g h tf u t u r ei np r a c t i c a le u g i n e e f i n g k e yw o r d s ：s o f t c l a yg r o u n d ，s e t t l e m e n tf o r e c a s t ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 公路是国民经济的重要命脉。由于其特有的优越性和灵话性而发挥着其它 运输方式所不可替代的作用。公路建设又是国家最主要的基础产业之一，它的 迅速发展对于促进国民经济并推动其它相关产业的发展具有非常重要的意义。 近年国内公路建设的规模和水平有了很大的提高，尤其是高速公路以其车速快、 行车安全、通行能力大、运输成本和货物耗损低而成为我国公路发展的首要目 标。 随着国民经济和社会的发展，高速公路建设得到了飞速的发展，特别是近 几年随着国家投资力度的加大，高速公路的建设进入了一个新的发展阶段。高 速公路建设的经验表明，公路路基的稳定和沉降是高速公路建设成败的关键， 尤以沉降问题较为突出沉降问题处理不好，旌工期间易出现路堤滑塌等事故， 影响施工进度和工期，给工程质量留下隐患；在公路运营期间，因( 不均匀) 沉降，路面易出现沉陷，桥头发生跳车现象，轻者影响正常使用或美观，重者 会发生安全事故。 为了使高速公路在使用年限内能够很好的运营，高速公路对于工后沉降提 出了很高的要求。一般要求在设计使用年限内，路面的工后沉降量应小于3 0 厘 米，桥头路堤应小于1 0 厘米由于高速公路对地基沉降的要求十分严格，关 系到工程的成败，所以如何较为合理地预估路基后期沉降量就成了高速公路建 设中的一个重要问题。高速公路分布范围广，地质条件变化复杂，增大了预测 的技术难度，此问题一直困扰着工程界。 目前的研究方法表明，利用软土地基前期的沉降观测数据来推测后期沉降 量和最终沉降量，可以大大提高预测的精度，有较高的可信度。因此，在各地 的高速公路建设过程中相继展开了规模较大的沉降观测工作，在路基路堤施工 期间设置沉降板进行沉降动态观测，积累了大量的实测数据资料以期通过系 统连续、准确、完整的观测，为各种预测分析提供原位观测资料，并分析结果 掌控路堤工作性态，指导工程设计和施工，判断路堤施工进展中的安全，确定 超、等载预压卸载时间，结构物、路面的施工时间等。 武汉理工大学硕士学位论文 我国高速公路的建设还处于起步阶段，设计、修建高质量、高效率的道路 对于吸引各方投资，促进交通事业的发展都有着不可忽视的作用。如何控制工 后沉降使其满足规范要求，就成为高速公路路堤沉降问题中的首要问题。这就 要求设计人员能够准确地预测路堤总沉降本课题就是在这样一个背景下提出 的，旨在对高速公路软土地基的沉降预测作些探讨和研究 1 2 沉降计算和预测的研究现状 1 2 1 沉降计算的研究现状 现有的软土路基沉降计算方法可划分为数值分析法和理论公式法两类其 中，指数分析法可以较全面地考虑土体变形特性及其边界条件，理论上较严密。 但这种方法比较复杂，工作量大，计算参数地选取较为困难，目前主要应用于 理论研究和重大工程，且有待于完善。工程中通常采用理论公式法，这类方法 具有简便、直观、计算参数少且易取得等优点 国内外关于软土路基沉降的计算方法很多，常见的几种求路基固结总沉降 的方法有1 ”： ( 1 ) 分层总和法 分层总和法是先求出路基土的竖向应力，然后用室内压缩曲线或相应的压 缩性指标，压缩系数或压缩模量分层计算沉降量再总和起来的方法，这种方法 没有考虑路基土的前期应力。一p 、e l g p 曲线法可以克服这个不足，能够求 出正常固结、超固结和欠固结情况下路基土的沉降但这两种都是完全侧限条 件下的变形计算方法。目前，我国现行的建筑地基基础设计规范为了改善 计算结果，根据实际观测资料统计分析，采用经验系数对分层总和法进行修正， 而斯开普顿和比伦利用半经验反咖啡来解决这一问题。 ( 2 ) 按应力路径计算沉降 应力路径法是用应力轨迹表示工地现场在施工前、施工期间以及完工后路 基内部的应力变化情况。直接用有效应力路径来计算沉降的步骤是：在现场 荷载下选择需要计算的沉降点；在实验室傲这些土体单元的室内试验，复制 现场有效应力路径，并量取试验各阶段的垂直应变；将各阶段的垂直应变乘 上土层厚度，即得初始及最后沉降。有效应力路径法可以克服估计初始超孔隙 压力以及固结沉降的衔接上存在不够合理的地方这个缺点，但它无法避免用弹 2 武汉理工大学硕士学位论文 性理论来计算土体中的应力增量，这样在计算理论上就存在着缺陷。 ( 3 ) 有限单元法计算沉降量 有限单元法是将路基和路堤作为一个整体来分析，将其划分网格，形成离 散体结构，在荷载作用下算得任一时刻路基和路堤各点的位移和应力。其中路 基顶面的竖向位移就是所要求的沉降该法除了可以采用非线弹性、弹塑性、 粘弹一塑性等多种描述土体应力一应变关系的模型外，目前已能考虑到较为复杂 的土体本构关系，如一些考虑流变的粘弹一塑性模型。目前，用的最广的是邓肯 一张双曲线模型。该方法将路基作为二维甚至三维问题来考虑，可以反映侧向变 形对沉降的影响。它还可以考虑应力历史对变形的影响，可以考虑土与结构物 的相互作用，考虑复杂的边界条件，考虑施工逐级加载，考虑土层的各向异性 等。它对土体的固结计算，可以采用比奥固结理论，避免了一维固结计算的许 多弊端，从计算方法上来说，是一种较为完善的方法它的缺点是计算工作量 大，其采用的模型中所涉及的计算参数多而且确定困难，要做三轴捧水试验来 确定，目前主要用于重要工程、重点地段的计算 ( 4 ) 反分析法计算沉降量 反分析法是依靠在工程现场获取位移量测信息反演确定各类未知参数的理 论和方法。通过位移反分析法进行路基沉降变形预测，国内外已进行了广泛的 研究在本构模型方面，反分析方法已由弹性问题发展到了弹塑性和粘弹一塑性 问题。弹塑性和粘弹一塑性位移反分析的理论和方法发展很快，但实用上有许多 困难，主要为隐式非线性问题只能用直接法寻优，效果不佳在反分析确定了 路基参数后再根据所选择的模型能准确地求出路基的沉降量进行反分析计算 需要一套可靠和完整的数据测定：反算某些参数时，对其它一些辅助参数要进 行实测或者进行估计；进行反分析首先要对整个数学模型进行某种假定，这些 假定的可靠度将影响反分析的适用性：在反分析的模型选择、介质特性假定等 方面，经验的工程判断将起到重要作用。这样以来就会给反分析法计算路基沉 降量带来一定的误差。 1 2 2 沉降预测的研究现状 在高速公路路堤建设过程中，为了控制施工进度，指导后期施工组织和安 排，同时保证路堤的稳定和实用，需要对路基不同时刻沉降及最终沉降量进行 预测。由于路基实际土层很复杂，因此利用沉降实测数据来推算后期沉降具有 3 武汉理 ：大学硕士学位论文 重要意义。根据实测资料来推算最终沉降量，目前归纳起来，主要有经验公式 法、灰色系统法、遗传算法和神经网络法等咖一”1 ( 1 ) 经验公式法 经验公式法也就是曲线拟合法，即采用与沉降曲线相似的曲线进行拟合， 然后外延求出后期沉降量。它包括双曲线法、指数曲线法、三点法、泊松曲线 法等等其中前三种沉降预测方法都是纯经验的曲线配合方法。而吴雄伟、宋 彦辉等基于德国生物学家v e r h u l s t 的生物繁殖与人口特征模型，提出了 v e r h u l s t 沉降预测模型，即泊松曲线法，该模型曲线开始段增长慢，中间段增 长快，末端增长趋势越来越小。这一规律符合饱和粘土的沉降一时问发展关系。 ( 2 ) a s a o k a 法 s a o k a 法是由日本学者a s a o k a a 于1 9 7 8 年提出的，又称图解法。它是以 垂直单向固结理论为主，根据实测的沉降量推算工后沉降量的一种方法。该法 可以作为路基最终沉降量的一种简便预测方法，优点在于可利用较短期的观测 资料就可得到较为可靠的沉降推算值，还能对进入次固结阶段进行判断与推算 它的缺点之一就是对最终沉降量的预测值过分的依赖于时间间隔的划分 ( 3 ) 遗传算法 软土路基沉降非线性模型的参数识别实质上是一个优化问题，遗传算法是 处理复杂优化问题的理想方法。它同常规的优化方法相比，遗传算法不直接和 模型参数打交道，而是处理代表参数的编码，遗传算法在整个操作过程中，同 时控制着个解群，而不是局限于一个点这就大大提高了搜索效率，并避免 陷入局部极值；求解时，不计算目标函数的微分，故对目标函数和约束条件没 有苛刻要求，这在处理高速非线性问题方面与传统方法比较。具有明显的优势。 ( 4 ) 灰色系统法 灰色系统理论是我国学者邓聚龙教授1 9 8 2 年在国际上首先提出的，简称 g s 理论，灰色系统针对“数据少”、“信息不确定”的特点，通过观测得到的较 少的信息。建立所需微分方程的动态模型，以此来进一步认识结构的形态及运 行机制。张仪萍等阐述了灰色理论在沉降预测中的应用，并指出了沉降灰色模 型预测法与a s a o k a 法是一致的，从而为灰色理论在沉降预测中的应用奠定了理 论基础。韩女才利用灰色理论对地基沉降进行了不等距预测，并建立了相应的 预测g m ( 1 ，1 ) 模型。 4 武汉理工大学硕十学位论文 ( 5 ) 人工神经网络法 路基沉降受多种因素的影响和制约，其交化的自然规律很难用一个显式的 数学公式予以表示，而人工神经网络式这一领域的一个突破。人工神经网络作 为一门新兴的信息处理系统，它模拟生物脑神经系统的计算机处理模式，是由 一系列简单的高度互联的处理单元组成。该方法视传统函数的自变量和因变量 为输入和输出，将传统的函数关系转化为商维的非线性映射，该方法在处理非 线性问题上，具有独特的优越性。在针对软土路基沉降预测时，它具有在复杂 非线性系统中较高的建模能力以及对所提供数据良好的拟合能力。 1 3 本论文的研究内容、目的 关于地基沉降坶题的研究已经有了很长历史，取得了许多瞩目的成果，但 目前在软土地基沉降计算和预测方面还存在着许多不足本文收集了集丰高速 公路一年多的软土地基沉降观测资料，运用了四种方法对最终沉降量进行了预 测尝试，具有理论和实践意义本文的主要工作有： 对软土地基沉降计算方法进行了综述和分析； 采用人工神经网络测试收集的集丰高速公路实测数据，并预测出其最终 沉降量： 应用双曲线法、指数曲线法、三点法对同样的实测资料进行了最终沉降 量计算； 对四种方法的计算结果进行了对比分析，取得较为理想的效果； 对今后的研究工作给出了几点建议 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章地基沉降计算方法 2 1 土体变形机理分析 天然土体般由三相组成，即矿物颗粒构成士骨架，土骨架孔隙内充填水 和空气。土体受到外力后，可以认为土体变形是孔隙中流体体积变化的结果。 假设从变形的饱和士体中取出单元土体，由于不考虑土粒进入或移出该单元， 故土体中的土粒重量彤为常数。土体的变形性质可以从研究其含水量的变化 率婴加以探讨根据土的三相组成的相关关系可推出下式 靠 w - 形。 而 埘y w o g 。- s ，e r - 故兰二! ! ! 。s , y w e y p i ，i 式中：埘土的含水量； 职土粒重量； 土的饱和度； c 孔隙比： r ，水的容重； y w o 水在4 c 时的容重； g 。土粒比重； 以土粒容重。 故式( 2 - 1 ) 可写成下式 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 詈扣奶。形昙降) 。叶吉鲁蝴r 丢扣e 万1 i 8 y wq 咖万1 百b y , 】4 ， 式( 2 4 ) 表明，土体中水重的变化率由下列几种原因引起：( 1 ) 饱和度交化： ( 2 ) 孔隙比变化；( 3 ) 水容重变化；( 4 ) 土粒容重变化。 6 武汉理工大学硕士学位论文 从式( 2 - 4 ) 可以看到。如果忽略水容重r ，与土粒容重r ，的微小变化，则土 的孔隙比p 与饱和度s ，的变化可能有以下四种组合情况：( 1 ) e 与s ，均为常量； ( 2 ) s ，为常量，e 变化；( 3 ) e 为常量，s ，变化；( 4 ) e 与s ，均变化。第一种 情况显然属于稳定渗流以及静水情况。第二、三、四种情况都属于土体中的非 稳定流。其中第二种情况，如果孔隙比e 减少，s ，一1 0 ，为饱和土体的渗流固 结问题。第三种情况是非饱和土体积恒定时的排水( 墨减少) 或吸水( s ，增大) 。 第四种情况则为非饱和土的压缩与膨胀问题。 为了较深入地定量分析土中水重的变化率，可以进一步用土骨架的应力一 应变关系、土粒与水的物性方程等将式( 2 - 1 ) 细化，并将常见的一些土性指标代 入，郎可明显地看出土体变形的下列特点：( 1 ) 土颗粒的压缩量比土骨架的压 缩量小得多，可以忽略；( 2 ) 在饱和土中，水的压缩量与土骨架的相比，数值 极小，故士的骨架压缩控制土的压缩；( 3 ) 砂土和一些粉土的压缩量比粘土的 小得多，故对于粘土与砂土相间的地基，粘土层的沉降量是主要的；( 4 ) 对于 非饱和土，饱和度变化对土露结有重要影响，必须加以考虑“”1 “ 2 2 地基沉降计算的方法 地基受建筑物荷重作用后的沉降按时间先后分为三段，即三种分量： ( 1 ) 瞬时沉降也称初始沉降，指地基土在不捧水条件下荷载作用发生的 地面沉降，发生在加荷的瞬时 ( 2 ) 固结沉降土体在外荷作用下产生的超静水压力迫使土中水外流，土 孔隙减小，形成的地面下沉。 ( 3 ) 次压缩沉降是地基土中超静水压力全部消散，土的主固结完成后继 续产生的那部分沉降。 上述三种分量其实是相互搭接的，无法截然分开，只不过某时段以一种分 量为主而已 2 2 1 计算方法综述 现行地基沉降计算和确定方法很多，可归纳为以下几大类2 ” r 非均质 r 线性一f 各向同性 i【均质- j ( 1 ) 弹性理论法一一 一一 i 各向异性 。非线性 武汉理工大学硕十学位论文 r 单向压缩沉降法 i 三向效应法斯肯普顿一贝伦( s k e m p t o n - b j e r r u m ) 法 切线模量法一严布( j a n b u ) 法 l ( 2 ) t 程实用法- + 三向压缩法黄文熙法 i 应力路径法兰姆( l m b e ) 法 物态界面法一一剑桥模型( c a m - c l a ym o d e l ) 法 l 曲线拟合法( 按现场观测资料) ( 3 ) 经验法( 现场试验法) 荷载试验法 动力触探法 静力触探法 旁压仪法 r 有限单元法 l ( 4 ) 数值计算法斗差分法 。集总参数法( i u m p e dp a r a m e t e rm e t h o d ) 本论文主要介绍应用较多的几种方法，着重介绍曲线拟合法，其他方法不 一一赘述。 2 2 2 单向压缩沉降计算法 单向压缩沉降是指甄条件下的沉降，即在竖直应力作用下，不考虑土体侧 向变形的变形。因为其计算方法简单，计算指标也容易测定，所以尽管一般建 筑物地基土均具三向变形特性，但常常仍按单向压缩计算。为了计及变形的三 向效应，可用经验系数予以修正。例如我国建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 即根据基础底面的附加压力p 0 和沉降计算深度范围内的压缩 模量当量值，规定沉降计算经验系数，妒。= o 2 1 4 ( 1 ) 基本方法 设地基压缩层厚度为h ，其中点m 处的土层白重压力为p 1 ，由于建筑物荷 载f 和基础自重g ，该点产生附加压力印，总压力增至p 2 一p 。+ 印，则地基 沉降按下式计算 8 jjjiiii 武汉理工大学硕士学位论文 s m ，印h ( 2 - 5 ) 式中：m ，压缩层土的体积压缩系数。其压力范围为a 至p ：，由土的 压缩曲线确定 ( 2 ) 分层总和法 当压缩层较厚或土层压缩性沿深度不均时( 成层土) ，为计及压缩应力沿深 度分布的非线性及土性不同，应先将整个土层按不均一性或习惯规定的厚度( 一 般取0 4 b ，其中矗为基础短边尺寸) 划分为若干个土分层( 1 至矗) 按以上介 绍的方法，取每分层半厚处作为代表点，求各分层沉降，然后相加，即为整个 层的沉降 s - 肘一锄风( 2 - 6 ) 对于饱和土，上述沉降即为总沉降，不再考虑瞬时沉降饼1 2 2 3 三向变形沉降计算法( 黄文熙法) 本计算法系由中国学者黄文熙提出他考虑了实际土体三向受力与三向变 形条件，建议用三轴试验实测土的应力应变关系。因此，本法是一种计及应力 水平与应力路径影响的计算方法胁1 。 假设地基中一点由于基础荷重引起的附加正应力为以、a o y 、a 吼，则 该点的垂直应交可表示为 巳。言【吒一r ( a a x + a q ) 】( 2 - 7 ) 式中：土体的弹性模量； ，体的泊松比。 令t + a a y + a u 。- 0 ，则有 g ：一【( 1 + ，) 盯，一v o 】 ( 2 8 ) 按弹性理论，由o 引起土的体应变应为 p 毕e 。( 2 - 9 ) 而土体孔隙比由e 。变为e ：引起的土的体应变为下式 岛。等皇 ( 2 1 0 ) j 十巳 9 武汉理工大学硕士学位论文 令式( 2 9 ) 与式( 2 一l o ) 中f ，相等，故得 铲1 - - 与 0 + y ) 等卅。嚣 ( 2 - 1 1 ) 式中各符号的含义与上述各式相同。 式( 2 一1 1 ) 就是三向应力状态下垂直应变的表达式。 2 2 4 弹性理论法 本法视地基为弹性体，地基中的应力与应变均按弹性理论计算。地基沉 降由瞬时沉降墨和固结沉降e 两部分组成，沉降计算公式如下 s - s ；+ 疋- 善l + 岱r s ) ( 2 - 1 2 ) ) 式中：s 地基总沉降量； s ：修正后的瞬对沉降量； 墨按弹性理论计算得的瞬时沉降量； 瓯地基固结沉降量； s - 沉降比，s i 一； 山 鼻按弹性理论计算得的总沉降量。 实际上按弹性理论，式中两种沉降分量的计算公式完全相同，只是只为固 结引起的沉降，故应采甩排水弹性参数e ，与，而g 为不排水条件下的沉降， 应采用不排水参数e - - 与v u s ，与墨既可直接用胡克定律计算，亦可用弹性理论位移解。直接应用胡克 定律便于考虑土层的非均质和成层情况对变形的影响，计算式如下 品- 耋( a s ，脯) t - 砉击【吼- - v ( 吒+ a 巳) 1 峨( 2 一1 3 ) s ii 冀击州吼山，) 1 帆 ( 2 1 4 ) 式中：a q 、盯，、a 吼由外荷载引起的附加应力； h j 第i 分层的厚度。 2 2 5 曲线拟合法 在现今的各种沉降计算方法中，由于对压缩土层剖面，荷载条件以及在计 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 算模型等方面都作了简化，所用的计算土性指标也未必具有真正代表性，沉降 计算结果与实测资料往往有不同程度的差异，尤其是对于沉降过程的预估。为 此，人们提出了根据地基沉降前期观测资料推算沉降过程和最终沉降的经验方 法。利用现场已经测到的初期沉降资料，绘制沉降过程曲线，预估后期沉降量， 因依据的是实测资料，故计算结果有较高的可信度。常用的有双曲线法、指数 曲线法、三点法等嘲 双曲线法 双曲线法是假定下沉平均速度以双曲线形式减少的经验推导法从填土开 始到任意时问f 的沉降i s 。( 沉降模式见图2 _ 1 ) 可用下式求得 町。+ i 云( 2 - 1 5 ) 式中；如初期沉降量8 一o ) ； t f 时的沉降量； f 经过时间； 口、声6 实测值求得的系数。 变换式( 2 1 5 ) 得 上口+ 声f j l s o ( 2 - 1 6 ) 由圈2 - 2 得到巧 一) 和f 的直线关系图从该宣线与纵轴的交点和斜率， 可分别求得口、，将口、卢代入式( 2 1 5 ) ，即可求得任意时间的下沉量。 ( 日) 武汉理j ：大学硕士学位论文 现 i 、_ ， _ t 图2 2a 、b 求法 当f - c o 时，最终沉降量s 可用下式求得 1 屯o + 言( 2 - 1 z ) 荷载经过时间f 后的残留沉降量缸用下式求得 a s j 。- - $ 1 ( 2 1 8 ) 值得注意的是：式( 2 - 1 5 ) 双曲线方程，试算结果与实测比较偏离较大，推 算的s 。值也偏大，如果沉降过程的观测历时较长，而且在求算$ 时着重于后一 阶段的沉降曲线，就可以得到较好的结果故用此方案推测f 时沉降，要求实测 沉降时间至少在半年以上。 指数曲线法 指数曲线法是假定下沉平均速度以指数曲线形式减少的经验推导法从填 土开始到任意时同f 的沉降量( 沉降模式见图2 - 3 ) 及最终沉降量s 可用下式 求得 图( 2 - 3 ) t s ”r - s ”, + ( 也s q - s a ，x 击l - e - r ) ，1 9 )j - 一s + ( j ：一，t ) i ：；= 声f j 式中：s d 瞬时沉降量； s 由沉降曲线推算的最终沉降量； r 计算参数。其计算方法为 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 垒二当! ：! ：垒二! ：! s l - - $ 1 - e “ j 。、s ：一f 曲线上时间f l ，t 2 分别对应的沉降量； f 沉降观测时间： f 时间间隔，a t - 屯一f 1 式( 2 1 9 ) 只适用于瞬时旖加荷载的情况，但是作用在地基上的荷载总是 在旅工期内逐渐增加到最大值的，因此，对沉降曲线还必须加以修正修正方 法：假定荷载是在开工后1 2 施工期时瞬时施加到地基上的，故s 。一f 曲线中 的沉降观测时闻t 都应减去1 2 施工期； 瞬时沉降曲很难确定，一般假定 s d - 0 为了消除瞬时沉降屯对沉降量s t 的影响，避免给最终沉降量s 。带来的误 差，通常采用简易公式计算，其计算公式如下 - j 。+ ( ，。一s ，) 扛一e 一，i t - t , j ( 2 2 0 ) 式中：y 计算参数， ，计算参数， ，2 3 1 9 塑；。 & ，生盈； 5 2 一毛 & _ 最终沉降量，一s - + ( $ 2 - - $ 1 ) i 毛，j 2 、s 3 意义同式( 2 1 5 ) 实际计算表明，式( 2 2 0 ) 计算的s 。推算值比式( 2 - 1 9 ) 推算值小一些，但若 沉降观测历时较长，就不会有较大误差。值得注意的是：该简易公式仍然假定 荷载是在开工后1 2 施工期时瞬时施加到地基上的，s t f 曲线中的沉降观测时 间t 都应减去1 2 施工期。 三点法 三点法就是在沉降时间关系曲线上，取最大恒载时段内的三点毛、$ ：、毛， r t 3 - t 2 - t 2 一，之后根据经验公式计算j 。、j 其计算公式如下 j ，一s j + o 。一5 - ) ( 1 一口- e 一) ( 2 2 1 ) 1 3 武汉理t 大拳硕士学位论文 式中：除口、芦为计算参数外，其余各符号均同前式。 求参数口：生二垒。e 一舳； 屯一j 1 求参瓤篇- 警：毛一j l c 配一 求最终沉降量：k - + 石- i 5 了2 - - j 5 两1 ) 2 式( 2 2 1 ) 的计算模式如图( 2 4 ) 三点法在计算沉降量的时候和指数曲线法一样，也存在修正的问题，修正 方法也和指数曲线法一样。其修正后的简易计算公式为 s - 屯+ o 一s ，) 杠一口暑。p t - l j ) j ( 2 2 2 ) 式中：除口、，为计算参数外，其余各符号均同前式 求参数多：生二垒c 啦； 毛- - $ 2 一踹再1 哥5 求最终沉降量瓦：k - j ：+ 否- i $ 了3 - - = $ 而2 ) 2 式( 2 2 2 ) 计算模式如图( 2 5 ) 图( 2 - 5 ) 1 4 t 武汉理t = 人学硕士学位论文 值得注意的是：该简易公式仍然假定荷载是在开工后i 2 施工期时瞬时施 加到地基上的，t - - t 曲线中的沉降观测时问f 都应减去1 2 施工期。 2 2 6 有限元法 利用有限元法计算沉降量的要点和步骤如下； 将地基离散化为有限个单元： 利用土的本构关系，对每个单元建立刚度矩阵； 将各单元的刚度矩阵结合为整个土体的总刚度矩阵i xl ，得到总载荷矢量 忸 与节点位移矢量协 之间的关系 m 协l _ 槲 ( 2 - 2 3 ) 求解式( 2 - 1 9 ) ，得到节点位移协 ； 根据节点位移，计算单元的应力与应变。 最常用的本构关系是线弹性模型，此外还有双线性弹性模型、其他非线性 弹性模型、弹塑性模型等，均需借助计算机求解 有限元法可以计及复杂的几何与边界条件、荷载和施工工序、土的非均质 与应力应变关系的非线性等。同时，与比奥固结理论结合，可计算沉降的 过程。也可以进行上部结构、基础和地基的共同作用计算，故应用日益广泛。 2 2 7 对几种沉降计算方法的评述 单向压缩沉降计算法 最大优点是计算方法简单，计算指标容易测定，他可以考虑各种土层条件、 地下水位、基础性状，还能计及压缩指标修正和地基土的应力历时等当基础 面积大大超过压缩土层的厚度，或压缩土层埋藏较深，用此法可得到较好结果。 反之，如果基础面积较小，地基土变形有明显三向特性，计算的沉降一般会偏 低，应该给以修正，或改用考虑三向变形的方法。但在较坚硬地基土条件下， 取样扰动常高估了沉降量。在我国。各地在大量工程实践中积累了丰富的资料， 因而经修正后可给出合理的结果。 三向变形计算法( 黄文熙法) 它具有单向压缩计算法的各种优点，并且考虑了土的三向变形，更接近于 实际。但是计算中需要采用土的泊松比，和土的应力应变关系，这些要求模 1 5 武汉理1 = 大学硕士学位论文 拟实际应力条件下用三轴试验测取，较为复杂。同时，要想获得满意的计算结 果，该法需要积累更多的使用经验。 弹性理论法 直接应用弹性理论，概念清晰，计算简便。但是它的应用有较大局限性： 天然土很少是均质的，各处的弹性参数变化可能很大，尤其是针对影响范围较 广较深的大面积基础。本法不易计及各种实际的复杂边际条件。另外，计算范 围达到无限深，常使计算结果偏大因此弹性理论法只是用于土质相对均匀， 基础面积较小的一般房屋地基设计。 有限元法 该法实际不能算是独立的一类因为它只是利用计算杌作为运算手段，还 是以其他理论( 主要是弹性理论) 为依据，借有限单元法离散化特点，计算复 杂的几何与边界条件、施工与加荷过程、土的应力应交关系的非线性( 包括各 种本构关系) 以及应力状态进入塑性阶段等情况尽管如此，成果的可信性归 根结底还取决于输入指标的正确性与所用模型的代表性。这是值得进一步研究 的课题。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章神经网络在软土路基沉降预测中的应用 3 1 人工神经网络概述 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) ，是人工智能领域 较为活跃的一个重要分支，它试图模拟人脑的一些基本特性，如自组织、自适 应，容错性等。该方法在处理非线性问题上，具有其独特的优越性。 3 1 1 人工神经网络的发展史 神经网络系统理论自1 9 4 3 年心理学家m c c u u o c h 和数学家p i t t s 提出神经 元生物学模型( 简称m - p 模型) 以来，至今已经有5 0 多年的历史了在这5 0 多年的发展历史中。大体可以分为以下几个发展阶段啪卜啪1 初期阶段自1 9 4 3 年m p 模型开始，至该世纪6 0 年代为止，这一段时 间可以称为神经网络系统理论发展的初期阶段这个时期的主要特点是多种网 络模型的产生与学习算法的确定，如1 9 4 4 年h e b b 提出了h e b b 学习规则，该规 则至今仍是神经网络学习算法的一个基本规则；1 9 5 7 年r o s e n b l a t t 提出了感知 器( p e r c e p 仃o n ) 模型；1 9 6 2 年w i d r o w 提出了自适应( a d a l i n e ) 线性元件模型 等。这些模型和算法在很大程度上丰富了神经网络系统理论。 停滞期上个世纪6 0 年代到7 0 年代，神经网络系统理论的发展处于一 个低潮时期，造成这种情况的原因是发展过程中遇到了本质的困难，即电子线 路交叉极限的困难( 对n 个神经元就存在n 2 条连线) 。在当时的条件下，神经元 数量n 的大小受到极大的限制，因此神经网络系统不可能完成高度集成化、智 能化的计算任务同时，神经网络系统理论本身也有很多不完善的地方。所以， 神经网络系统理论与应用研究工作进展缓慢。另一方面，这一时期正是数字计 算机发展的全盛时期，无论在硬件、软件还是技术应用和商品市场方面都取得 了突飞猛进的发展，使得大批有才华的科学家的注意力都转移到数值计算机方 面了 虽然形势如此严峻，但仍有很多科学家在困难条件下坚持开展研究，并提 出了很多种不同的网络模型，展开了增加网络功能和改善学习算法等方面的研 究，为神经网络系统发展的高潮奠定了坚实的基础。s t e p h e ng r o s s b e r g 是这些人 中最有影响力的，他深入研究了心理学和生物学的处理，以及人类信息处理的 1 7 武汉理l ：人学硕士学位论文 现象。把思维和脑紧密地结合在一起，成为了统一的理论。 黄金时期从2 0 世纪8 0 年代开始，是神经网络系统理论发展的黄金时 期。这个时期最具标志性的人物是美国加州工学院的物理学家j o h nh o p f i e l d 。 他于1 9 8 2 年和1 9 8 4 年在美国科学院院刊上发表了两篇文章，提出了模仿人脑 的神经网络模型，即著名的h o p f i e l d 模型。h o p f i e l d 网络是一个互连的非线性 动力学网络，它解决的问题是一种反复运算的动态过程，这是符号逻辑处理方 法所不具备的性质 2 0 世纪8 0 年代，关于智能计算机发展道路的问题日趋迫切地提高到日程 上来，由于计算机的集成度日趋极限状态，但数值计算的智能水平与人脑相比， 仍有较大的差距。因此，就需要从新的角度来思考智能计算机的发展道路问题。 这样一来，神经网络系统理论重新受到重视所以，2 0 世纪8 0 年代后期到9 0 年代初，神经网络系统理论形成了发展的热点，多种模型、算法和应用问题被 提出，研究经费重新交得充足，完成了很多有意义的工作 目前，神经网络系统理论与技术的发展大体分为以下三个方面进行 首先，在硬件技术方面，一些发达国家，如美国和日本均实现了规模超过 1 0 0 0 个神经元的网络系统，这样的系统具有极高的运算速度，而且已经在股票 数据分析中得到了应用另外，为了克服电子线路交叉极限问题，很多国家都 在研究电子元件之外的神经网络系统，如光电子元件和生物元件等 其次，在神经网络系统理论的研究方面，主要进展有b o i t z m a n n 机理论的 研究、细胞网络的提出和性能指标的分析等 最后，神经网络系统的应用研究主要集中在模式识别( 语音和图像识别) 、 经济管理和优化控制等方面，它和数学、统计中的多个学习有密切的联系，如 线性和非线性规划闯题、数值逼近、统计计算等。另外，在其他信息处理闯题 中也有很多应用，如数据压缩、编码、密码和股市分析等领域，应用内容十分 丰富。 人工神经网络独特的结构和处理信息的方法，使它已渗透到模式识别、图 像处理、非线性优化、语言处理、自动目标识别、机器人、专家系统等各个领 域，并取得了令人瞩目的成果 3 1 2 人工神经网络的常见模型 目前在应用和研究中采用的神经网络模型不下3 0 种，其中常见的较具代表 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 性的有以下几种这些模型各有自己的特点，有的适合于识别。有的适合于优 化，有的适合于分类旧卜啪1 。 感知器：是最“古老”的网络，输入输出均为0 或1 ，只能对线性可分的 向量集合进行分类，目前己很少使用 自适应线性神经网络( 1 l a d a l i n e ) 是以连续线性模拟量为输入物出模式， 是一组具有最小均方差线性网络的组合，学习能力较强，但i o