（道路与铁道工程专业论文）路堤下水泥搅拌桩复合地基沉降预测研究.pdf

i；【， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通人学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务。并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：妒j o 年 月 日 导师签名： 冯钐劣鬟多彩 签字慨沙口年7 月7 日 咖4jijji 9舢0川87， ii01洲y f-r 一 中图分类号：u 4 1 6 1 + 2 u d c ：6 2 5 学校代码：1 0 0 0 4 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 路堤下水泥搅拌桩复合地基沉降预测研究 t h er e s e a r c ho np r e d i c t i o no fs e t t l e m e n tf o rc e m e n t m i x i n gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n 作者姓名：朱义城 导师姓名：冯瑞玲 吴立坚 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 7 2 9 职称：副教授 研究员 学位级别：硕士 学科专业：道路与铁道工程专业研究方向：路基工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师冯瑞玲副教授和吴立坚研究员的悉心指导下完成的，冯瑞玲 副教授和吴立坚研究员严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷 心感谢两年来冯瑞玲老师对我的关心和指导。 冯瑞玲副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很 大的关心和帮助，在此向冯瑞玲老师表示衷心的谢意。 j 冯瑞玲教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，交通部公路科学研究院的吴立坚、邓捷、刘怡琳对我前 期的数据的搜集给了很多热情的帮助，李刚、高鑫、毛成琦等同学对我论文研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 摘要 目前，高速公路和高速铁路建设迅猛发展，对工后沉降的准确预测，是对高 质量的铁路和公路工程有重要的现实意义。 针对工程实践和科学研究的实践所反映出的问题，本文对工程监测数据的合 理科学的搜取方法进行了研究，利用各种经验曲线预测方法，如双曲线法，指数 曲线法，对数曲线法、三点法、泊松曲线法等，同时，引进了基于m a t l a b 的 神经网络方法，如b p 神经网络、r b f 神经网络、g r n n 神经网络等方法，对尹 中机场高速公路和沿海高速公路的水泥搅拌桩复合地基的沉降预测进行了研究， 且对同一断面的不同位置的预测效果进行了预测分析。 本文通过现场试验和室内预测分析，并与实测数据进行对比，经验曲线预测 方法对不同类型的搅拌桩复合地基中的桩与桩问土的适用性不相同；后期的预测 比前期的预测要准确的多；支撑式搅拌桩复合地基的预测效果比悬浮式搅拌桩复 合地基的预测效果好；同一路基断面，相同经验曲线预测方法对搅拌桩复合地基 中不同部位的适应性不同；基于m a t l a b 的人工神经网络方法对搅拌桩复合地 基的预测相对曲线较好，但是仍存在相同方法在不同位置预测的适用性不同。现 场数据的搜集应根据预测较好的位置进行选取，以保证搜取数据的真实有效性。 关键词：复合地基、沉降预测、人工神经网络、对比分析 分类号：u 4 1 6 1 + 2 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a ya n dr a i l w a yc o n s t r u c t i o ni sr a p i d t h e a c c u r a t ep r e d i c t i o no fp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n tf o rt h ee m b a n k m e n ti s v e r y i m p o r t a n tf o rh i g hq u a l i t yo fr a i l w a ya n dh i g h w a ye n g i n e e r i n g b a s e do nt h ep r o b l e m st h ec o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g p r a c t i c ea n ds c i e n t i f i c r e s e a r c hp r a c t i c er e f l e c t e d ，is t u d i e dh o wt og e tm o n i t o r i n gd a t a a tt h es a m et i m e ，i s t u d i e dh o wt ou s ea l lk i n d so f f o r e c a s t i n gm e t h o d s ( s u c ha s ：e x p e r i e n c ec u r v em e t h o d ， t h ei n d e xc u r v em e t h o dh y p e r b o l am e t h o d ，l o g a r i t h m i cc n r v e s ，t h r e ep o i n t sa n d p o i s s o nc h iv em e t h o d ) t op r e d i c ts e t t l e m e n t ，ia l s oi n t r o d u c e dt h en e u r a ln e t w o r k m e t h o db a s e do nm a t l a b ，s u c ha sb pn e u r a ln e t w o r k ，t h er b fn e u r a ln e t w o r k , g e n e r a lr e g r e s s i o nn e u r a ln e t w o r ka n ds oo n is t u d i e dt h ep r e d i c t i o ne f f e c to ft h e d i f f e r e n tp o s i t i o n so ft h es a m es e c t i o n i nv i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ，t h ep r e d i c t i o no fp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t w a ss t u d i e db yi n v e s t i g a t i o na n dl a b o r a t o r ya n a l y s i s t h ep r e d i c t i o no fs e t t l e m e n tf o r l a t e ri sb e t t e r t h ep r a c t i c a la p p l i c a b i l i t yo ft h es a m em e t h o df o rd i f f e r e n tc o m p o s i t e g r o u n di sd i f f e r e n t b a s e do nt h em a t l a ba r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km e t h o df o r p r e d i c t i o no fc e m e n tm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no fi sb e t t e r h o w e v e r , i n d i f f e r e n tl o c a t i o n so ft h es a m er o a ds e c t i o np r a c t i c a la p p l i c a b i l i t yi sd i f f e r e n t t h e c o l l e c t i o no fd a t as h o u l da c c o r dt oi t k e y w o r d s ：c o m p o s i t eg r o u n d ；s e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ； c o m p a r i s o na n da n a l y s i s c l a s s n 0 ：u 4 1 6 1 + 2 ，一 卜 r 录 摘 目录 a b s t r a c t ： 目j i j ：v 1 绪论 1 1 选题背景1 1 2 选题的意义一2 1 3 国内外水泥搅拌桩复合地基沉降预测研究现状3 1 4 主要研究内容及技术路线7 1 4 1 主要研究内容7 1 4 2 研究依托工程9 1 4 3 技术路线9 1 5 研究的创新点9 2 依托工程。1 1 2 1 尹中机场高速公路粉喷桩复合地基t 程1 1 2 1 1 地质概况。l l 2 1 2 工程概况1 2 2 1 3 试验方案1 3 2 1 4 施工过程13 2 2 沿海高速t 程概述。1 5 2 2 1 工程概况15 2 2 2 水文地质的勘察1 5 2 3 3 岩土工程特性指标l8 2 3 4 沉降板的埋设和观测19 3 各种曲线预测方法和预测实例2 2 3 1 各种曲线方法简介。2 2 3 1 1 双曲线方程法和图解法2 2 3 1 2 指数曲线法2 3 3 1 3 固结度对数配合法( 三点法) 2 4 3 1 4 泊松曲线法2 6 3 2 监测数据分析2 8 3 2 1 尹中机场高速公路监测数据分析2 8 3 2 2 沿海高速公路观测数据分析3 0 3 3 尹中机场高速公路的沉降预测及分析3 1 3 3 1 总体沉降预测分析3l 3 3 2 断面的分部沉降预测分析3 5 v 北京交通大学硕十论文 3 4 沿海高速公路的沉降预测及分析4 4 3 4 1 总体沉降预测与分析4 5 3 4 2 断面的分部沉降预测与分析4 6 3 5 经验曲线方法预nd , 结4 9 4 人工神经网络和m a t l a b 软件研究 4 1 人工神经网络的概述5 1 4 1 1 人工神经网络研究概况5 l 4 1 2 人工神经网络的特点。5 2 4 1 3 神经网络的基本功能。5 3 4 2 人工神经网络计算理论。5 5 4 2 1 人工神经元模型5 5 4 2 2 神经网络的结构5 6 4 3 常用人工神经网络的对比分析研究。5 7 4 3 1 感知器5 7 4 3 2b p 神经网络5 8 4 3 3 径向基函数神经网络6 l 4 3 4 竞争型神经网络6 3 4 3 5r b f 网络与多层感知器的比较6 6 4 3 6 径向基函数r b f 与多层感知器m l p 的比较6 6 4 3 7 神经网络方法与传统计算方法的比较6 7 4 4m a t l a b 软什的简介6 8 5 基于m a t l a b 的神经网络预测与分析。 7 0 5 1 基于b p 神经网络的预测与分析7 1 5 1 1 标准b p 网络学习的具体步骤7 l 5 1 2b p 神经网络预测实例7 5 5 1 3b p 神经网络在= 程中的应用7 9 5 1 4b p 神经网络预测小结8 5 5 2 基于r b f 网络的沉降预测与分析8 5 5 2 1 n e w r b e 创建径向基网络的过程8 6 5 2 2r b f 神经网络的预测实例8 7 5 2 3 r b f 神经网络在工程中的应用8 9 5 2 4 基于r b f 神经网络预测小结9 9 5 3 基于g l 心眦神经网络的沉降预测与分析9 9 5 3 1 基于g r n n 神经网络网络创建和训练9 9 5 3 2 基于g r n n 神经网络的预测实例1 0 0 5 3 3 基于g r n n 神经网络在上程中的应用。1 0 3 5 3 4 预测小结1 0 9 6 结论与展望。1 1 0 6 1 结论11 0 6 2 展望111 参考文献：1 1 2 目录 作者简历1 1 4 独创性声明。 学位论文数据集1 16 北京交通大学硕十论文 第1 章绪论 1 绪论 1 1 选题背景 在现代社会中，交通运输越来越发达。在我国，随着铁路和公路的发展，特 别是高速铁路和高速公路的蓬勃发展，使各个地区的联系越来越紧密。高速铁路 和高速公路的发展不但改善了交通条件，方便了人民生活，而且对经济的发展起 了巨大的推动作用。 现代交通运输，主要有公路、铁路、水运和航空等运输方式，它们各有优势， 相辅相成，组成综合运输体系，而作为高效、快捷、安全和优质的交通方式，高 速铁路已经成为许多国家旅客运输发展的共同趋势。据了解，有许多国家和地区 正在新建和规划新建高速铁路“1 。国家经济贸易委员会国经贸技术( 2 0 0 2 ) 4 4 4 号文件指出：铁路方面，重点发展以高速铁路、快速铁路为主的快速客运网 系统，以缩短货物送达时间和过程信息监控为主的快捷货运系统，以铁路综合运 营管理为核心的现代运输信息体系，以监控为主的铁路行车安全保障体系。并在 此基础上逐步向现代物流产业发展。在百万人以上城i _ b ，优先发展以轨道交通为 主的公共交通系统2 。可以预见，这些高速铁路的建成，将会极大改善我国的客 货运输体系并促进地方经济的发展，而且有利于国家交通运输结构的合理布置， 有力地支持可持续发展战略地实旋。 高速铁路是社会经济发展的需要。2 0 世纪9 0 年代中期，世界经济繁华地区 掀起了修建高速铁路的热潮，不仅西欧各国开始筹划联网，而目北美、大洋洲、 东欧及东亚的一些国家和我国的台湾省等也积极推进高速铁路项日。时至今日， 全世界有日、德、法、西班牙、意、比利时等国家建成投入运营的高速铁路已逾 5 0 0 0 k m ，在建设及己立项准备修建高速铁路的国家和地区有1 2 个，长度在5 0 0 0 k m 以上。法国、日本的高速铁路至今未种发生过一起旅客死亡事故，其安全、快速、 准点的业绩为全球所瞩目 3 - 5 | 0 建设高质量的铁路或公路路基工程一直世界各国最求的目标，这不仅仅是对 路基以上的结构物的提供一个有效的支承，也是对高质量的铁路和公路工程所必 不可缺少的。相比其它的软土路基处理方法，粉喷桩在沿海地区有其独特的优势。 北京交通大学硕十学何论文 1 2 选题的意义 根据国内外资料介绍，德国交通部新颁布的软弱地基上道路建设规范规 定，预压荷载的高度及作用时间必须保证；法国要求桥头引道部分的容许工后沉 降为3 c m 5 c m ，一般路段为l o c m ；美国对桥头引道规定容许差异沉降为 1 2 7 m m - - - 2 5 4 m m ，路面容许沉降不作规定，一般路段工后沉降在0 3 0 m o 6 0 m 是容许的“1 。 长期以来，在高速公路建设的实践中形成了比较成熟的地基处理理论、设计 方法与施工技术，积累了一定的经验。但是，深厚软土地基经过以稳定为目标的 处理后，路基的长期变形问题依然未得到完全解决，主要是工后沉降过大，导致 公路路面平整度差和桥头跳车现象严重，往往达不到设计时间就需重修路面，造 成巨大的经济损失。通过实践，人们认识到必须控制地基的沉降变形，尤其是工 后沉降，才能更好地保证工程的质量和安全，更好的节约成本。为了控制地基的 工后沉降就必须根据己有的资料对地基的工后沉降进行合理的预测。 地基工后沉降问题的研究，对保证高速公路正常运营、建设质量以及延长公 路的使用寿命具有重要的意义。为使高速公路建成通车后，确保路面的使用质量， 必须重视特殊路段地基的处治，而地基沉降预测是判断地基是否需要处理的重要 依据。虽然地基沉降一次理论有了很大的改进，但预测与实测的沉降量仍然存在 不小的差距。所以，从工程建设的发展与需求来看，还需对现有的地基沉降预测 以及工后沉降的预测方法作进一步的研究与改进，使沉降的计算值与实测值更接 近，从而更好地为工程建设服务u 1 。 沉降问题历来是道路路基的主要研究课题之一。自从t e r z a g h i ( 1 9 2 3 年) 的 一维固结理论问世以来，路基沉降的理论研究已取得了长足的进展，并且在工程 建设中发挥了巨大的指导作用。此后又有很多人为该方法的改进和完善做出了重 要的贡献。随着路基学科的发展，路基的沉降计算也得到了发展，最近几年来， 许多学者都提出了新的计算方法睁m 1 。然而，从工程建设的发展与要求来看，仍 需对现有的路基沉降理论作进一步的研究和改进。正如b r e n n e r 和 b a l a s u b r a m a n i a m 1 1 1 所指出的那样路基的沉降预测理论尽管有了很大改进，但沉 降的预估比一般的土工计算更具技术性，在高速公路施工中，沉降量的变化与路 堤填筑、预压、路面结构层施工及完建后运行等四个阶段相关。现在，在许多情 况下已经能够预测出不超过1 0 , - 、一2 0 的最终沉降量( h k a g i ，1 9 7 9 年) ，但是，预 测沉降与时间关系的能力仍然相当差。因此，从工程的建设与需求来看，对现有 的路基沉降计算理论作进一步的研究与改进，充分利用现有的来之不易的实测资 2 第1 章绪论 料，使沉降的预测值与实测值更为接近，更好地为工程建设服务，是一件很有意 义的工作。 1 3 国内外水泥搅拌桩复合地基沉降预测研究现状 预测是指预测者根据有关的历史资料和新情报，运用适当的方法和技术，对 研究对象的未来状态进行科学的分析、估算和推断，并对预测结果进行验证、评 价和应用的过程。预测学是一门研究预测方法、理论、评价及其应用的新兴学科。 现代预测科学是在一定的理论和方法的指导下，大量地运用观察、归纳、反演、 推理等方法，运用数学模型和实验方法，以统计数据和调查资料为依据，在对事 物发展过程进行深刻的定性分析和严密的定量计算基础上，研究并认识事物的发 展规律，进而对事物的未来发展趋势和量变的程度得出科学的推测。 1 复合地基分析 复合地基是指天然地基在处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然 地基中设置加筋体材料，从而形成的由两种刚度( 或模量) 不同的材料( 土体和 增强体) 所组成的人工地基n 3 1 。柔性基础复合地基根据复合地基中桩的荷载传递 机理，按桩端持力层强度分为两类：一是桩体未能穿透整个软弱土层，复合土层 下仍然存在软弱下卧层的悬浮式复合地基；二是桩体穿透整个软弱土层形成的支 承式复合地基h 引。 地基沉降是土力学中的重要课题之一，软土变形的性质十分复杂，它与软土 的种类、状态以及外界条件有很大的关系。 1 9 2 5 年太沙基( t e r z a g h i ) 一维固结理n 明，他建立的单向固结基本微分方程， 可以求得一定初始条件和边界条件下的解析解，并且引入了许多假定。 r e n d u l i c ( 1 9 3 6 年) n 司又将t e r z a g h i 的一维固结理论推广n - 维和三维情况，得 出t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论。 比奥( b l o t ) n 们1 7 1 根据有效应力原理、土的连续条件和平衡条件提出了比奥 固结理论，其特点是考虑了固结过程中土体平均总应力随时间的变化。直接从弹 性理论出发导出了三维固结理论方程。g i b s o n 等( 1 9 6 7 年) n 町提出了一维有限非 线性应变固结理论，它考虑了土体压缩性和渗透性与孔隙比的非线性变化，以及 土体自重应力等方面的因素。 国内外众多学者如龚晓南、曾国熙、桑德霍( s a n d h u ，1 9 6 9 年) 等分别应用 有限元法技术对比奥固结理论求解问题进行推广，有力地推动了土力学的发展， 产生了很好的社会和经济效益。 3 北京交通大学硕十学位论文 窦宜，蔡正银等( 1 9 9 2 年) 曾对g i b s o n 建立的一维有限非线性应变固结理论 得出了简化条件下的解析解，并通过离心试验进行了分析验证。对于土体的非线 性固结理论，由于参数复杂且计算工作量大，在实际工程应用并不广泛。路基三 维变形条件的最终固结沉降量的计算公式也有很多种。 2 基于实测数据的曲线预测方法研究现状 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， 尤其针对以软土为地基的路基施工，由于路基实际土层的性质很复杂，因此利用 沉降实测数据来推算后期沉降具有重要意义。实测沉降过程曲线推算沉降量法是 根据实测的沉降值与时间的关系绘出s - t 曲线，然后选择适当的s - t 曲线进行拟 合。实测沉降过程曲线推算沉降量法是基于实测数据通过数值模拟来预测地基沉 降的，具有较强的实用性。 曲线拟合法是一类经验性的方法，在有较长期沉降观测资料的情况下能够较 为准确地预估后期地基沉降，是目前较为常用的沉降预测方法，主要有双曲线法 例，指数曲线法例，对数曲线法伽、抛物线法捌、沉降速率法嘲、泊松曲线法啪1 等。除此之外，宰金眠还把成长曲线应用于地基沉降的预测。反分析方法在沉降 预测上也有较为广泛的应用。在国内近些年的高速公路建设过程中，利用实测沉 降和孔压资料对地基土的固结参数进行反演，然后预测后期的沉降，已有很多成 功的例子。在国际上，土性参数的随机反演问题方面，日本的h o s h i y a 提出若干 计算方法，如b a y e s i a n 法、最大似然法以及卡尔曼滤波法等。s u z u k i 基于地基 沉降观测，也成功地将卡尔曼滤波法应用于土性参数的随机反演和沉降预测n 引。 还有一种比较常用的是a s a o k a 业门法，a s a o k a 认为m i k c r s 导出的一维条件下以体 积应变表示的固结方程可以近似地用一个级数形式的微分方程来表示，再利用已 有的沉降观测资料反求微分方程中的系数，然后根据这些系数来预估地基的总沉 降。总体看，目前这一领域出现的文献还不是很多。灰色模型、遗传法和人工神 经网络用于沉降的预测是近些年才发展起来的。1 9 6 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 首 先将总应力分析有限元法用于土坝得应力和应变分析，1 9 6 9 年s a n d h u 和 w i l s o n 啪1 用有限元法分析了b l o t 二维固结问题。在国内，沈珠江嘲( 1 9 7 7 年) 首 先将有效应力分析有限元法应用于软土地基得固结变形分析。 以上几种曲线预测方法各有利弊。它们的共同特点是要求观测时间较长，通 常在实测沉降趋势趋于收敛时推算的结果比较理想。近年来，不少工程人员，如 夏建中陴1 魏迎奇1 、冯文凯、刘汉超1 、钟翔熹，麦珊珊瞳钔、吕培印1 、肖桃 李h 、l a m b e 哺1 等根据实际工程状况，在以上预测方法的基础上提出了许多修正 4 第1 章绪论 ! n m 曼i 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼窟皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼皇皇量曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼量皇曼量曼 的方法。 3 新兴的现代沉降预测方法研究现状 近年来，许多学者将b p 神经网络口引，灰色系统理论m l 聆5 3 以及遗传算法幽1 和有限元等方法运用到地基的沉降预测分析中，以期得到更准确的预测沉降值， 以指导后期施工和进行。这些预测方法能够克服传统方法预测沉降时的一些不 足，而且计算精度较高、简洁方便。 从理论上说，有限单元法可以考虑复杂的边界条件、土体应力应变关系的非 线性特性、土体的应力历史、水与骨架上应力的祸合效应，可以模拟现场逐级加 荷和处理超填土问题，能考虑侧向变形、三维渗流对沉降的影响，并能求得任一 时刻的沉降、水平位移、孔隙水压力和有效应力的变化吼驯。有限元确实是一种 较为完善的方法，但是由于其采用的模型中所涉及的计算参数多且不易确定，程 序复杂难以为一般工程设计人员接受，在实际工程中并没有得到普遍应用，只能 用于一些重要工程、重要地段的路基沉降的计算口。有限元目前很难考虑大变形 固结问题即几何非线性问题，往往使计算结果偏离较大。 地基沉降受多种因素的影响和制约，其变化的自然规律很难用一个数学显式 来表示。而人工神经网络是这一领域的一个突破，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高维的非线性映射，而不是数学 显式。该方法在处理非线性问题上，具有独特的优越性啪1 。 遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。根据遗传算法， 软土地基沉降规律可用非线性模型表示。在针对软土地基沉降预测时，就是利用 实测资料对复杂的非线性的土工结构进行直接建模。具体做法是口力：先应用a n n 建立沉降影响因素参数( 如处理方式、软土层厚度、地基硬壳层厚度、软土的压 缩模量、硬壳层的压缩模量、路堤宽高比、施工期和竣工时沉降量) 与沉降之间 的非线性关系，再将待测点的实测沉降影响因素参数输入到己训练好的网络中， 即可得到预测的沉降量。 反演分析方法的原理是根据己有观测信息，通过最优化方法来反演地基计算 模型中的参数，如压缩模量、d u n c a n - c h a n g 模型参数等，并以反演得到的计算 模型参数来计算后期的沉降、孔压等数据。这种方法的优点是能根据实测资料选 取与已有实测值拟合最好的计算模型参数，因此有可能得到精度更好的计算结 果，其缺点是计算量大，且当反演参数较多时，优化反演不易收敛。针对参数的 不确定性问题，目前已有少数学者( h o s h i y am ，c ta l ，1 9 9 2 ；s u z u l im ，e ta l ，1 9 9 4 ) 提出了随机反演分析方法，将随机理论和反演方法结合起来，这种方法有可能会 成为今后反演预测方法研究的重要方向之一口钔。 5 北京交通大学硕十学位论文 徐晓宇等，依据高路堤填土施工期路基沉降实测资料，运用遗传算法和人 工神经网络构造了预测路基沉降的等时距遗传神经网络模型显示其明显的优越 性。俞亚南h 引，从数学上证明了灰色预测模型和a s a o k a 法预测模型的一致性， 为灰色理论在沉降预测中的应用奠定了理论基础：提出了时变参数沉降预测模 型。董国凤h 训，为克服b p 神经网络模型容易陷入局部最优，且收敛速度慢的缺 陷，利用了遗传算法强大的全局搜索寻优能力，优化神经网络的初始权重，实现 了遗传算法与b p 神经网络的耦合。经实用，证明该算法是可行且有效的。翁升 h ，采用灰色理论进行最终沉降量预测，用三次b s p l i n e 函数将原始沉降数 据进行等时距处理，并用缓冲弱化算子的概念，以消除灰色预测模型的无限增长 性，提高长期预测精度。 祝鸿h 引，运用灰色理论预测粉喷桩复合地基最终沉降。在建立g m ( 1 1 ) 模 型过程中，建立了非等时距序列：引入缓冲因子，以消除模型无限的增长性：同时 建立等维的新陈代谢模型对沉降进行短期及长期预测。证明了在地基沉降监测中 具有较大的实用价值。程健m 1 ，根据公路路堤工程建设的特点，基于动态分析的 思想，考虑到路堤软土路基沉降过程中不断变化的环境因素和土性参数，提出分 时段反演与时参反演。谢欣n 劓，提出运用p l a x i s 有限元计算软件与其进行对比 计算分析，并结合实测沉降数据，指出了湖南地区高速公路红砂岩路基工后沉降 的一般沉降范围。王士金别，根据时间序列模型和多层递阶算法原理，建立新的 沉降预测模型一多层递阶时间序列预测模型，提高了沉降预测的精度。 4 各种预测方法分析 通过以上学者研究的分析，我们可以发现，基于实测数据的传统曲线预测方 法虽然简单，但是每一种方法都存在其缺陷，如：它们的共同特点是要求观测时 间较长，通常在实测沉降趋势趋于收敛时推算的结果比较理想。指数曲线配合法 中的三点法易产生人为的误差；双曲线法是沉降仅局限于沉降基本趋于稳定的曲 线后段取点计算，在曲线前段应用便会出现较大偏差；泊松曲线模型是一个超定 非线性复杂方程，采用传统方法对其进行处理，计算复杂，通用性差，受人为因 素的影响较大，使预测结果有较大的误差，不易得到全局最优解等。时间序列分 析是对动态数据处理的一种方法，它不考虑观测值的各种力学因素，只分析观测 数据的统计模型，通过对时间序列数据统计规律的分析。反演分析方法其缺点是 计算量大，且当反演参数较多时，优化反演不易收敛。基于灰色模型的预测方法， 在前期预测精度比较高，但是后期预测精度偏大，对实际工程应用的实践意义有 所欠缺。基于有限元的预测方法，目前很难考虑大变形固结问题即几何非线性问 题，往往使计算结果偏离较大。基于遗传法的预测方法，传统方法一般直接使用 6 第1 章绪论 日标函数作适值函数，这样可能产生两个方面的问题：( 1 3 如果在同一种群中存在 某些个体，其适值远远大于其它个体的适值时，这些个体将在少数遗传代数中迅 速控制种群，从而导致不成熟收敛局部极小；0 如果同一种群中可行解的适值的 极差过小，相对较优解难以产生，导致算法的收敛速度慢，甚至不收敛。 但是，基于i 雌t l a b 的人工神经网络在沉降预测中体现出了其优势。神经网 络在高速公路软土路基沉降预测方面有如下几个优点： 利用实测资料，对高度复杂非线性的土工结构进行直接建模，不需要像 传统方法一样假设一些应用条件，避免了传统方法在实际应用中的弊端，因而更 能反映软土路基沉降规律。 神经网络法避免了传统方法的弊病，计算精度高，泛化性能强，操作简 便，可信度较高，并且随着学习样本的不断补充，网络的预测精度和泛化能力将 进一步提高。 训练好的神经网络可以与其他程序混合使用，比如说将神经网络结合到已 有的设计程序中去，可以提高它的应用效率。 虽然，人工神经网络也存在其自身的缺陷，但是通过改进和修改后的人工神 经网络，如加动向量、所用数据进行预处理、设置网络最大训练次数和最大误差 期望值等，因此，人工神经网络法对水泥搅拌桩的复合地基沉降预测显现出其独 特的优越性。 1 4 主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 1 对复合地基沉降预测的方法进行研究 到目前为止，对国内外复合地基沉降预测的方法众多，基于实测数据的预测 方法多达1 0 余种，如曲线沉降预测( 双曲线法，指数曲线法，对数曲线法、抛 物线法、沉降速率法、泊松曲线法等，另外还有星野法) ，反演法、时间序列法、 模糊数学法( 灰色模型) 、遗传算法、有限元法、人工神经网络法等。通过对这 些方法的基本原理、使用条件进行分析，得出各种预测方法的优劣。 2 曲线预测方法在水泥搅拌桩复合地基沉降预测中的研究 曲线拟合法是一类经验性的方法，在有较长期沉降观测资料的情况下能够较 为准确地预估后期地基沉降，是目前较为常用的沉降预测方法。 7 北京交通大学硕十学何论文 以尹中机场高速公路工程为依托，在k 2 5 + 6 6 5 和k 2 5 + 7 0 6 两个典型断面进行 了沉降监测。通过各种曲线拟合法对这两个断面的沉降规律进行了预测，并得出 针对支承式复合地基和悬浮式复合地基中哪种曲线预测方法最适合使用，断面的 哪个部位预测最符合地基沉降规律，以便对工程以指导。 以沿海高速公路工程沧州段为依托，针对深层水泥搅拌桩的沉降规律进 行研究，选取试验段，根据研究的需要，制定勘测和监测方案，对试验段进行监 测，并根据这些监测数据，利用曲线拟合法对试验段的沉降规律进行研究，得出 在这种情况线哪种曲线预测方法最适合，断面的哪个部位预测最符合地基沉降规 律。 3 基于m a t l a b 的人工神经网络系统的研究 研究m a t l a b h 町h 町咖1 和人工神经网络啼妇的应用，并对其在沉降预测方面进行 了研究并对针对人工神经网络的一些缺陷，如：从数学上看它是一个非线性优 化问题，就不可避免的存在着局部极小问题；学习算法的收敛速度很慢，通常 要几千次迭代或更多。进行修正以期的得到更好的效果。 根据人工神经网络理论，具体解决沉降预测问题包括以下4 个步骤： ( 1 ) 根据具体问题建立合适的网络结构，即确定输入层、隐含层和输出层神 经元数目； ( 2 ) 建立学习样本集及期望输出； ( 3 ) 确定样本收敛误差，训练网络直至其收敛； 、 ( 4 ) 用收敛的网络进行预测。 4 利用基于m a t l a b 的人工神经网络系统对实例进行预测分析 利用基于m a t l a b 软件的人工神经网络对尹中机场高速公路工程的k 2 5 + 6 6 5 和k 2 5 + 7 0 6 两个典型断面，沿海高速公路工程( 沧州段) 的k 4 2 + 4 0 0 断面，地基 中的桩和桩间土进行预测： ( 1 ) 人工神经网络模型的建立，确定人工神经网络的的结构层：输入层， 中间层，输出层的神经元的数目； ( 2 ) 程序的编制，应用m a t l a b 神经网络工具箱进行软土地基沉降预测程序 编制，程序由神经网络训练、神经网络测试和神经网络预测三个部分组成，其相 应的程序文件名为m y n e t r t c j x l m a t ，m y n e t r t c j c s m a z ，和m 1 n e t r t c j y c m a t ； ( 3 ) 分析结果，对比曲线方法和人工神经网络的优劣。 8 第1 章绪论 1 4 2 研究依托工程 ( 1 ) 尹中机场高速公路 尹家庄一中川机场高速公路是甘肃省“九五重点工程，全长2 2 0 5 k m ，其 中饱和黄土软基路段约2 公里。根据不同的地质情况，采用的地基处理方法有粉 喷桩法、旋喷桩法、抛回填等。本次粉喷桩试验段选在k 2 5 + 5 9 5 k 2 5 + 7 2 0 处， 试验测试项目主要有桩项与桩间土表面沉降观测及桩顶与桩间土的土压力观测。 ( 2 ) 沿海高速公路 沿海高速公路一沧州段，沿海高速公路沧州歧口至海丰段位于河北省沧州 市东部渤海湾的顶部，属滨海平原区，路线走廊总体呈西北一东南走向，起于黄 骅市歧口村西，终于海兴县海丰村村北。路线全长4 9 8 2 5 公里。在k 4 2 + 4 0 0 处 以水泥搅拌桩处理地基，而在k 4 2 + 4 5 0 、k 4 2 + 5 0 0 、k 4 2 + 6 0 0 断面处地基未进行处 理，只采用堆载预压方法，用来做沿海高速软土硬壳层应用的研究。 1 4 3 技术路线 ( 1 ) 通过查阅资料实地调研的方式研究目前国内外针对水泥搅拌桩复合地 基沉降预测的研究现状，对比分析当前研究成果的优点和不足，确定论文的研究 重点和创新点。 ( 2 ) 结合工程实例，根据预测方法，搜集尹中机场高速公路的两个粉喷 桩复合地基的典型断面的相关资料；在沿海高速公路( 沧州段) 选取典型试验 段，对试验段的复合地基埋设相关设备，对试验段的沉降等进行检测，搜集相关 的资料，并对试验段进行结果分析；利用各种曲线预测方法和人工神经网络对 以上各典型断面的复合地基的沉降规律进行预测分析。 ( 3 ) 对以上各种预测方法得出的结果进行对比分析，得出那种方法更加适 合，并提出建议。 1 5 研究的创新点 现阶段，国内外针对水泥搅拌桩复合地基沉降规律的研究处在发展研究阶 段。在实际工程应用中，以实际观测的数据为依据的经验法一曲线预测应用比 9 北京交通人学硕十学何论文 较多。本文主要是通过对尹中机场高速公路和沿海高速公路现场取得一些数据进 行分析研究。 ( 1 ) 利用经验法一曲线预测方法( 三点法，指数曲线法、双曲线法、“s 曲线法等) 对路堤下水泥搅拌桩复合地基的沉降规律进行预测。 分别得出在支承式复合地基和悬浮式复合地基中水泥搅拌桩 和桩间土，哪种曲线方法最适合。 在水泥搅拌桩的支承式复合地基和悬浮式复合地基断面中，哪 个部位沉降预测规律最能体现实际地基的沉降规律，以便对实 际工程进行指导。 ( 2 )引入基于m a t l a b 软件的人工神经网络方法对路堤下水泥搅拌桩复合 地基的沉降规律进行预测与分析。 1 0 第2 章依托一i ：程 2 依托工程 2 1 尹中机场高速公路粉喷桩复合地基工程 尹家庄一中川机场高速公路是甘肃省“九五”重点工程，全长2 2 0 5 k m ，其 中饱和黄土软基路段约2 公里，共有1 0 处，分别为：k 2 5 + 5 9 5 - i ( 2 5 + 7 2 0 ，k 2 5 + 7 9 0 一k 2 6 + 0 6 0 ，k 2 6 + 4 0 4 一k 2 6 + 6 0 0 ，k 2 9 + 6 0 0 一k 2 9 + 9 4 0 ，k 3 1 + 1 4 5 一k 3 1 + 2 3 5 、 k 3 2 + 3 2 0 一k 3 2 + 3 5 0 ，k 3 3 + 7 7 0 k 3 4 + 10 0 ，k 3 4 + 6 0 0 一k 3 4 + 8 5 0 ，k 3 5 + 9 3 0 叫( 3 6 + 4lo ， k 3 6 + 9 0 0 - - k 3 6 + 9 8 0 。根据不同的地质情况，采用的地基处理方法有粉喷桩法、旋 喷桩法、抛石回填等。本次粉喷桩试验段选在k 2 5 + 5 9 5 一k 2 5 + 7 2 0 处，试验测 试项目主要有桩顶与桩问土表面沉降观测及桩顶与桩间土的土压力观测。 2 1 1 地质概况 本路段出露地层以第四系全新统( q 4 a l + p 1 ) 为主，主要分布在沿线山问盆地 及冲沟、洼地，上部为新近堆积黄土，大孔隙发育，具有强烈湿陷性，属m w 级自重湿陷性黄土。由于地势低洼，地下水位高，地形呈半封闭状态，排洪条件 差，地下水位以下新近堆积黄土经长期浸泡，已饱和软化，多呈软塑流塑状， 形成较厚的软弱层。针对两种典型的复合地基形式一支