基于實測數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測方法綜述★

張炳乾 李戰(zhàn)勝

(1.安陽市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 安陽 455000； 2.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，河南 鄭州 450002)

基于實測數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測方法綜述★

張炳乾1李戰(zhàn)勝2

(1.安陽市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 安陽 455000； 2.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，河南 鄭州 450002)

介紹了靜態(tài)和動態(tài)兩種基于實測數(shù)據(jù)的沉降外推預(yù)測方法，闡述了各種方法的適用范圍和優(yōu)缺點，指出基于實測數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測法是針對建筑實測所得的離散沉降值，用數(shù)學(xué)模型預(yù)測地基的最終沉降量，具有較好的適用性。

實測數(shù)據(jù)，復(fù)合地基，沉降，預(yù)測方法

工程實際表明，復(fù)合地基能夠有效減小軟弱地基的變形量及沉降差。在工程實踐中，建筑物對地基沉降變形有不同限值要求和適應(yīng)能力，這是由建筑物的功能要求決定的，在保證安全和使用功能的前提下允許出現(xiàn)一定的沉降變形。沉降控制設(shè)計方法的基本思想是：為達到參數(shù)合理，經(jīng)濟效益最優(yōu)的目的，需要將復(fù)合地基的沉降變形控制在一定范圍內(nèi)[1]。

自1923年Terzaghi提出固結(jié)理論以來，地基的沉降變形計算方法已有非常大的發(fā)展，計算方法種類眾多，有簡單的半經(jīng)驗的圖表法，也有數(shù)值模擬分析方法。目前，有很多種地基沉降的計算方法，究其原理，可分為基于固結(jié)原理、考慮土的性質(zhì)的理論計算法[2]和基于實測沉降資料的沉降外推預(yù)測方法兩大類。這兩類方法都有其適用性和可操作性，本文對基于實測數(shù)據(jù)的沉降外推預(yù)測方法進行綜述，對工程實際地基問題有著重要意義。

1 靜態(tài)預(yù)測方法

1.1 指數(shù)公式法[3]

根據(jù)不同的排水條件，得到不同的固結(jié)度的理論解，由t時刻固結(jié)度與固結(jié)度的理論解的關(guān)系，可推導(dǎo)出下式：

(1)

其中，a，b為與地基土種類、性質(zhì)、地基的排水條件等有關(guān)的參數(shù)；Sd為初始沉降量；St為t時刻的沉降量；S為最終沉降量。

1.2 星野法[4]

星野法地基變形計算公式為：

(2)

其中，S0為假定的瞬時沉降；St為隨時間變化的沉降量；S∞為總沉降值；a，b均為待定參數(shù)。將上式轉(zhuǎn)化為直線方程如下：

(3)

1.3 雙曲線法[5]

當實測數(shù)據(jù)足夠多時，可以利用雙曲線式進行沉降預(yù)測，下式可近似表示沉降隨時間的變化規(guī)律：

(4)

其中,S0為t0時刻的沉降值；St為t時刻的沉降值；a，b均為曲線擬合系數(shù)。

變換式(4)可得到：

(5)

1.4 三點法[6]

根據(jù)土力學(xué)中對固結(jié)度的定義和曾國熙推導(dǎo)的沉降變形固結(jié)度方程可得：

St=Sdae-bt+S∞(1-ae-bt)

(6)

具體預(yù)測時，根據(jù)沉降實測曲線，在滿足等時距原則條件下，從恒載段上選取三個點，即選取滿足Δt=t2-t1=t3-t2條件下的(S1，t1)(S2，t2)(S3，t3)三點，代入式(6)，并聯(lián)立求解可得：

(7)

(8)

(9)

1.5 對數(shù)曲線法[7]

假定沉降隨時間是緩慢增加的，可以把實測沉降曲線近似看成是對數(shù)曲線，即為對數(shù)曲線法，其方程為：

St=a+blnt

(10)

其中,St為t時刻的沉降量；a,b均為待定參數(shù)。

1.6 泊松曲線法[8]

為了表達沉降量隨時間發(fā)展的全過程，即“S”形曲線，宰金珉等提出利用泊松曲線來預(yù)測，得到較好的效果。

泊松曲線的表達式如下：

(11)

其中,St為t時刻對應(yīng)的預(yù)測沉降值；a，b，k均為待定系數(shù)。

2 動態(tài)預(yù)測方法

動態(tài)預(yù)測方法與靜態(tài)預(yù)測方法的最大區(qū)別在于：沉降數(shù)據(jù)的變化能夠及時影響系統(tǒng)，隨著觀測變形量的變化趨勢不斷改變，原始數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也在不斷變化，由此能夠得到更為合理的沉降預(yù)測值。

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[9]

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能科學(xué)領(lǐng)域中的一個重要分支，為了模擬人腦的一些基本特性，如：自適應(yīng)、自組織、容錯性等，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用了物理可實現(xiàn)的系統(tǒng)來處理數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對自然的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或人腦一些基本特性的概括和模擬，是非線性動力預(yù)測系統(tǒng)，它有很強的學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)性、自組織性，具有并行處理和分布式信息存儲能力，以及容錯、聯(lián)想及抗干擾能力，在處理背景不清晰、信息繁雜、規(guī)則含糊的問題時，它具有自己獨特的優(yōu)越性[10]。

目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有很多種，常用的有：CPN網(wǎng)絡(luò)、BP網(wǎng)絡(luò)、Hopfield網(wǎng)絡(luò)等。

2.2 灰色系統(tǒng)模型(Grey Model)[11]

灰色系統(tǒng)屬于系統(tǒng)科學(xué)范疇，它提供了求解系統(tǒng)問題的新途徑，特別是在貧信息情況下,灰色系統(tǒng)模型能夠?qū)⒁磺须S機變量都看作灰色量，將隨機過程看作是與時間有關(guān)的灰色過程，灰色量和灰色過程均在一定區(qū)間內(nèi)變化。用數(shù)據(jù)生成的方法對灰色量進行處理，將原本可能毫無規(guī)律的雜亂實測數(shù)據(jù)處理成具有一定規(guī)律的序列，進而利用生成序列建立模型進行預(yù)測。這樣站在較高的層次上對問題的分析能夠較全面地揭示系統(tǒng)的長期變化規(guī)律[12]，工程中常用的是GM(1,1)模型和Verhulst模型。

3 研究方向展望

基于實測數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測法是針對建筑實測所得的離散沉降值，用一定的數(shù)學(xué)模型來構(gòu)建某種關(guān)系，以此模型預(yù)測地基的最終沉降量，具有較好的適用性。但由于模型只是采用數(shù)學(xué)方法，沒有充分考慮地基土的類型、物理力學(xué)性質(zhì)、地下水和地基的處理方法，這些計算方法得到的變形預(yù)測結(jié)果往往與實測值存在著較大的偏差。因而，當工程情況比較復(fù)雜時，就不能很好地預(yù)測建筑物沉降發(fā)展規(guī)律，既能反映實測沉降數(shù)據(jù)規(guī)律又能考慮到土和地基實際性狀的預(yù)測方法將是未來基坑沉降研究的方向。

[1] 熊 輝.基于沉降控制理論的水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計[J].巖土工程技術(shù),2001(3)：169-172.

[2] 陳祥福.沉降計算理論及工程實例[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3] 王錦山,孟德光.基于實測數(shù)據(jù)軟土地基沉降預(yù)測方法及工程實例分析[J].河南理工大學(xué)學(xué)報,2006(4):151-155.

[4] 王立忠.巖土工程現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2000.

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[10] 王 偉.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理(入門與應(yīng)用)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995.

[11] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1987.

[12] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)(社會·經(jīng)濟)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.

Overview on subsidence detection methods based on practical measured data★

ZHANG Bing-qian1LI Zhan-sheng2

(1.AnyangBuildingEngineeringQualitySupervisionStation,Anyang455000,China;2.HenanUrban-RuralPlanning&DesignAcademyCo.,Ltd,Zhengzhou450002,China)

The paper introduces static and dynamic subsidence prediction methods based on practical measured data, describes their application scope and merits and defects, and points out that: subsidence prediction method is in light of discrete value， using mathematical model predicting foundation subsidence has better application.

practical measured data, composite foundation, subsidence, prediction methods

1009-6825(2014)22-0048-02

2014-05-09★:河南省教育廳科技攻關(guān)項目資助(項目編號：200510459073)

張炳乾(1986- )，男，助理工程師； 李戰(zhàn)勝(1981- )，男，碩士，工程師

TU433

A