基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全評(píng)估方法研究①

陳志海， 葉金鉍

(1.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州510010;2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045)

0 引言

伴隨著高層和超高層建筑的迅速發(fā)展和城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)利用，基坑工程發(fā)展迅速，開挖深度和開挖規(guī)模急劇增大，施工工藝和周邊環(huán)境日益復(fù)雜，‘群坑效應(yīng)’明顯［1～2］.因此，基坑設(shè)計(jì)和施工的難度越來越大，不可避免的帶來諸多基坑安全問題.深基坑的安全性包括兩個(gè)方面，一是基坑自身的安全性，二是對(duì)開挖深度3～4倍范圍建筑物等周邊環(huán)境影響.可見，深基坑安全性影響因素眾多，且相互作用，難以準(zhǔn)確的單純用一個(gè)指標(biāo)表示出來［3］.文獻(xiàn)［3］運(yùn)用可拓學(xué)原理，通過對(duì)多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化分析確定安全等級(jí)，建立了基于變形控制的深基坑工程安全評(píng)估模型.文獻(xiàn)［4］采用模糊綜合評(píng)判模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定基坑施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).對(duì)基坑的安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)尚不多見，現(xiàn)有的安全性評(píng)價(jià)方法不能勝任對(duì)深基坑安全性的動(dòng)態(tài)控制，也無法對(duì)整體安全性做出客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià).可見基坑的安全性評(píng)價(jià)至今尚未形成比較完善、科學(xué)且操作性強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法.

因此，分析深基坑失穩(wěn)的主導(dǎo)因素，建立評(píng)估指標(biāo)模型;對(duì)深基坑的安全性進(jìn)行等級(jí)劃分，建立深基坑安全性定量評(píng)價(jià)方法是深基坑工程研究的關(guān)鍵問題.本文嘗試在理論分析的基礎(chǔ)上，建立深基坑安全狀態(tài)的評(píng)估方法，對(duì)深基坑的安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

1 建立安全性評(píng)估模型

1.1 選取評(píng)估指標(biāo)

影響深基坑安全性的參數(shù)繁多，比如巖土體本身性質(zhì)如彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度，支護(hù)參數(shù)如支護(hù)類型、樁直徑、樁間距、樁長(zhǎng).此外，周圍環(huán)境如地面沉降、建筑物及地下管線變位等也將對(duì)其產(chǎn)生影響.

為了合理地對(duì)深基坑的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以深基坑工程設(shè)計(jì)過程中普遍采用的內(nèi)力計(jì)算指標(biāo)和變形計(jì)算指標(biāo)作為各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo).文獻(xiàn)［2］在基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中認(rèn)為穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)包括抗傾覆穩(wěn)定、抗隆起穩(wěn)定、抗?jié)B流穩(wěn)定、抗承壓水穩(wěn)定計(jì)算;變形計(jì)算指標(biāo)包括最大變形量△除以開挖深度H.

考慮工程自身特點(diǎn)，選取的內(nèi)力指標(biāo)包括坑底回彈、墻體彎矩和支撐軸力，變形計(jì)算指標(biāo)包括墻體側(cè)斜、立柱隆起與地表沉降.詳見表1.

設(shè)基坑支護(hù)體系因素集為:

={坑底回彈，墻體側(cè)斜，墻體彎矩，

支撐軸力，墻體豎向變位，地表沉降}

表1 基坑支護(hù)體系單因素安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 各因素評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

依據(jù)基坑按照失事后果對(duì)環(huán)境造成的影響，將基坑支護(hù)體系安全等級(jí)劃分為五級(jí)，見表2:

并定量給出深基坑安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示.

表2 基坑安全等級(jí)劃分

圖1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 評(píng)價(jià)方法研究

2.1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種可以用來處理模糊數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).成功運(yùn)用在多個(gè)領(lǐng)域的各種評(píng)估當(dāng)中［5～9］.將模糊理論與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于深基坑工程的安全性評(píng)價(jià)，可以發(fā)揮模糊理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)點(diǎn)，為深基坑安全性評(píng)價(jià)提供一個(gè)新的途徑.

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑安全評(píng)價(jià)的過程，本文設(shè)計(jì)了多輸入多輸出的五層前向模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示.簡(jiǎn)單說明如下:

第1層是輸入層，為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量.第2層是隸屬函數(shù)層，隸屬函數(shù)采用正態(tài)分布;

μ(xi)為神經(jīng)元的輸出，mij為隸屬函數(shù)的中心，σi為方差，決定隸屬函數(shù)的寬度.第3層為模糊運(yùn)算層;第4層為量化輸出層輸出結(jié)果為模糊化數(shù)值;第5層是反模糊化層，輸出向量y.

3 工程運(yùn)用

3.1 工程概況與監(jiān)測(cè)布置

某深基坑工程位于深厚軟土地區(qū)，基坑開挖深度約為16.3m，采用明挖順作法施工.土體力學(xué)參數(shù)值，經(jīng)試驗(yàn)室測(cè)定取值范圍為 E =2200 ～2400kPa，μ =0.34 ～0.38，c=18 ～21kPa，φ =19°～23°.地下水位埋深 1.0 ～1.8m，對(duì)基坑開挖影響較大.鑒于本工程工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較差，工程實(shí)施過程中容易發(fā)生事故，對(duì)該車站的基坑工程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè).車站主體結(jié)構(gòu)為四層三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻加鋼管內(nèi)支撐，墻深29米，埋入坑底以下13.7m.基坑豎向設(shè) 3道支撐，鋼支撐采用Φ609 mm鋼管，支撐水平間距約為3m，設(shè)計(jì)橫撐力為780 kN.周邊建筑主要是民用砌體結(jié)構(gòu)的小型建筑，距離在10m之外.基坑安全等級(jí)為一級(jí).監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照規(guī)范要求均勻布置于基坑各處.基坑土方開挖采用分層開挖，降低開挖風(fēng)險(xiǎn).

3.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

按上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，自動(dòng)生成40組標(biāo)準(zhǔn)理論樣本，30組用于訓(xùn)練，10組用于檢驗(yàn).對(duì)于樣本輸出則采用模糊綜合評(píng)價(jià)法確定，各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重由德爾菲法給出.其中，專家給出的各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)值向量為:ω =［0.077，0.190，0.224，0.177，0.140，0.192］.訓(xùn)練樣本見表2，本文給出部分訓(xùn)練樣本.標(biāo)準(zhǔn)BP算法在迭代計(jì)算過程中存在易陷入局部最小值和收斂速度慢的問題，為克服以上2個(gè)問題，采用加入動(dòng)量的改進(jìn)算法.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練目標(biāo)偏差為10－2，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率為0.01.初始權(quán)值由系統(tǒng)自動(dòng)賦值，經(jīng)反復(fù)迭代直到收斂，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)回判結(jié)果見表4.運(yùn)用該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選取測(cè)試樣本數(shù)據(jù)輸入到網(wǎng)絡(luò)中，得到評(píng)價(jià)結(jié)果，見表5.測(cè)試結(jié)果表明該訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)效果良好，與模糊綜合評(píng)價(jià)所得結(jié)果一致.

表3 典型訓(xùn)練樣本

表4 訓(xùn)練樣本模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 檢測(cè)樣本評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 實(shí)例運(yùn)用

為保證基坑的安全，在施工中對(duì)基坑進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，主要是前文所述的六項(xiàng)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)詳表6～9.限于篇幅以及便于觀察僅列出具有代表性的監(jiān)測(cè)值.

表6 部分監(jiān)控點(diǎn)坑底隆起值

表7 部分監(jiān)控點(diǎn)墻體最大彎矩值

表8 部分監(jiān)控點(diǎn)豎向最大位移值

表9 部分監(jiān)控點(diǎn)沉降最大值

將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)的最大值輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，可以得到該深基坑的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果.實(shí)際上，基坑各處幾乎不可能同時(shí)達(dá)到最不利狀態(tài)，也即評(píng)估指標(biāo)很難出現(xiàn)同時(shí)達(dá)到最大值的情況，但為便于對(duì)整個(gè)基坑的安全性有一個(gè)整體評(píng)估，選取各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值，使得評(píng)價(jià)結(jié)果偏于安全.該深基坑網(wǎng)絡(luò)輸入為(1.23.50.60.91.8 2)，網(wǎng)絡(luò)輸出為(0.000.290.180.620.04)，根據(jù)最大隸屬度原則確定該基坑的安全等級(jí)為IV級(jí)，安全性差，處報(bào)警狀態(tài)，基坑支護(hù)體系安全隱患大，應(yīng)采取補(bǔ)救措施.在工程實(shí)際建設(shè)過程中，在2011年9月21日時(shí)有降雨發(fā)生，在該深基坑沿長(zhǎng)向中部墻體中部發(fā)生較大的位移，支撐軸力也變大，基坑底部土體明顯隆起，顯現(xiàn)出破壞的征兆.建設(shè)單位組織專家對(duì)該基坑的安全狀況進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為該基坑應(yīng)立即采取有效措施進(jìn)行控制.根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)結(jié)果和專家的意見，施工單位及時(shí)采取有效措施控制基坑的變形，該基坑的安全隱患得到有效控制，工程未發(fā)生安全事故.

本文僅列舉了具有代表性的5個(gè)訓(xùn)練樣本和3個(gè)測(cè)試樣本，但并不失一般性.訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果表明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)結(jié)果與模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果也即預(yù)測(cè)輸出具有良好的一致性，可以用于基坑的安全性評(píng)價(jià).

將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于實(shí)際工程中，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符，但此處取的均為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值，評(píng)價(jià)結(jié)果偏于安全，因?yàn)楦鼽c(diǎn)難以同時(shí)達(dá)到最不利情況，故在某些情況下評(píng)估結(jié)果可能偏于保守.

4 結(jié)論

(1)本文研究了深基坑安全評(píng)估的特點(diǎn)，在文獻(xiàn)分析及實(shí)際工程調(diào)研的基礎(chǔ)上，認(rèn)為影響深基坑安全性的主要影響因素為側(cè)壓力、墻體傾斜、墻體彎矩、支撐軸力、立柱隆起以及地表沉降;將基坑的安全性等級(jí)劃分為5級(jí)，根據(jù)不同的安全等級(jí)擬定不同的防治措施;對(duì)評(píng)估指標(biāo)安全等級(jí)進(jìn)行量化處理，建立評(píng)估指標(biāo)和安全等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

(2)論證模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于深基坑安全性評(píng)估的可行性，在此基礎(chǔ)上建立安全性評(píng)價(jià)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.

(3)利用樣本數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練和測(cè)試，并用于工程實(shí)例.結(jié)果顯示，該評(píng)價(jià)方法的精度能滿足工程應(yīng)用要求，為深基坑施工安全評(píng)價(jià)提供一種新的可靠途徑.

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