公路粉噴樁復(fù)合地基沉降預(yù)測淺論
關(guān)鍵詞：
粉噴樁復(fù)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(jù)工程勘測資料，沿線軟弱土層分布在不同深度，馮村大橋南粉噴樁復(fù)合地基施工之初就設(shè)置了4個沉降長期觀測點(diǎn)，分別定期進(jìn)行觀測。公路工程復(fù)合地基沉降是影響公路設(shè)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(biāo)之一。由于公路粉噴樁復(fù)合地基、路基和路面結(jié)構(gòu)是一個相互作用、十分復(fù)雜的系統(tǒng)。公路粉噴樁復(fù)合地基沉降隨時間變化的計算也十分復(fù)雜。
本文用德國生物學(xué)家Verhulst提出的非線性微分方程（式1）來建立公路沉降的預(yù)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(fù)合地基沉降隨時間變化的實測s—t曲線形狀是一個近似反s曲線，曲線特征吻合Verhulst模型曲線。
2. 灰色Verhulst模型建模步驟
設(shè)原始數(shù)列為x（0）（i）， i=1，2，…，n
?。?）累加生成得x（1）（i）=∑i〖〗k=1x（0）（k）， i=1，2，…，n
?。?）構(gòu)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）作最小二乘計算a〖〗b=（BT.B）-1.BT.Y
?。?）建立模型
把系數(shù)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(shù)列的模型。由該模型計算值所連成的曲線就是Verhulst模型曲線。
3. 對公路粉噴樁復(fù)合地基沉降建立的Verhulst模型
3.1 原始數(shù)據(jù)的處理
選擇不同時間內(nèi)的沉降差Δs作為原始數(shù)據(jù)。其累加生成數(shù)列正好是公路粉噴樁復(fù)合地基直到該時刻的沉降量s.
表1k 54+655處觀測沉降的觀測數(shù)據(jù)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：第一個點(diǎn)原來的累計沉降為2?8 cm.
3.2實例
表1是南京至高淳公路k 54+655處每次沉降觀測數(shù)據(jù)S（I）和相鄰兩次沉降差ΔS（I），第1次觀測時間為1999年4月30日，第12次觀測時間為1999年10月15日，每次間隔半個月。
設(shè)原始數(shù)列為x（1）（i）=Δs（i）， i=1，2，…，n
?。?）累加生成得x（1）（i）=∑i〖〗k=1x（0）（k）， i=1，2，…，n
?。?）構(gòu)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(qiáng)：公路粉噴樁復(fù)合地基沉降預(yù)測淺論表2k 54+655處觀測值與模型值相對誤差單位：cm
序號〖〗1〖〗2〖〗3〖〗4〖〗5〖〗6觀測值〖〗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(fù)合地基沉降量s的預(yù)測模型。
?。?）公路復(fù)合地基最終沉降量的確定
根據(jù)表1可得公路復(fù)合地基相鄰兩次沉降差ΔS（I）隨時間的變化規(guī)律是總體上逐漸減小。而根據(jù)所建的灰色模型，當(dāng)t無限增大時，模型計算值趨于極限，與實際情況符合。根據(jù)“最終沉降量”的定義，其極限就應(yīng)該是公路復(fù)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(jī)程序
由于計算過程復(fù)雜的原因，手工計算速度慢而且準(zhǔn)確率低。按照建模步驟編制計算機(jī)程序。鑒于此，按照建模步驟開發(fā)計算機(jī)計算數(shù)據(jù)的程序，實現(xiàn)計算的準(zhǔn)確快速。程序包括：數(shù)據(jù)輸入模塊；矩陣轉(zhuǎn)置、矩陣求逆、矩陣求積模塊；求參數(shù)模塊；模型計算模塊；觀測值與模型計算值相對誤差計算模塊；預(yù)測值計算模塊；數(shù)據(jù)輸出模塊。輸入變量數(shù)值，如“原始數(shù)列”等觀測所得到的數(shù)據(jù)后，便自動計算出結(jié)果。
4. 結(jié)論
根據(jù)南京至高淳高速公路工程中粉噴樁復(fù)合地基沉降與時間關(guān)系曲線特征，提出用灰色Verhulst模型來模擬公路沉降的方法，并給出建模步驟。對于荷載穩(wěn)定時得到的觀測數(shù)據(jù)可直接使用該方法進(jìn)行預(yù)測。對于加載過程中得到的觀測數(shù)據(jù)，可先對數(shù)據(jù)處理再使用該方法進(jìn)行預(yù)測。實踐證明，這種建模方法計算程序簡單。且只需較少的觀測數(shù)據(jù)（一般要求不少于5個）就可建模，可以得到任意時刻的沉降值，能減少長期沉降觀測的時間。
參考文獻(xiàn)：
［1］張國祥，朱利香?地基極限承載力的灰色預(yù)測?工程勘察，1998，2?
［2］鄧聚龍?灰色控制系統(tǒng)?武漢：華中理工大學(xué)出版社，1988