基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的嵌巖樁溶洞頂板破壞預(yù)測研究

摘要：在施工或運營過程中，常常會出現(xiàn)溶洞坍塌，給工程的施工帶來了很大的危害。如何根據(jù)已有的地質(zhì)資料預(yù)測其在施工或運營條件下是否穩(wěn)定，對順利的施工和運營有著重要的研究價值和實用價值。文章通過數(shù)值分析多種條件下溶洞頂板的穩(wěn)定性作為訓(xùn)練組，并對測驗組進行驗證得出了較為滿意的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：巖溶；嵌巖樁；溶洞頂板；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；地質(zhì)資料預(yù)測 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U416 文章編號：1009-2374（2017）10-0229-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.115

近年來，隨著我國工程建設(shè)的大規(guī)模開展，尤其是西部地區(qū)，很多的建筑、橋梁、公路、水利水電工程、地下工程等不可避免地會穿過或建在巖溶地區(qū)。同時隨著樁基礎(chǔ)在巖溶地區(qū)的廣泛應(yīng)用，樁基在巖溶地區(qū)的穩(wěn)定性成為了比較突出的問題。尤其是施工中出現(xiàn)很多的問題，比如施工過程中基坑或樁孔中出現(xiàn)大量的涌水冒漿現(xiàn)象，可能導(dǎo)致基坑和樁孔的坍塌；由于巖層的不均勻性出現(xiàn)樁體的滑移現(xiàn)象等。溶洞坍塌是由于溶洞頂板的失穩(wěn)導(dǎo)致。目前對于溶洞頂板的失穩(wěn)的判斷失穩(wěn)有很多種方法，主要有定性、半定量、定量的方法。定性分析方法主要有影響因素分析法、專家系統(tǒng)評價法、工程地質(zhì)分析判定法和經(jīng)驗比擬法等；半定量分析方法是采用半定量近似結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析方法；定量分析方法主要有解析法、模糊分析方法、數(shù)值分析法等。溶洞頂板穩(wěn)定性分析對項目的設(shè)計、施工和運營是必不可少的。目前定量方法對溶洞頂板穩(wěn)定分析應(yīng)用最為廣泛，也是最準(zhǔn)確的。如何準(zhǔn)確、科學(xué)、便捷地進行溶洞頂板穩(wěn)定性的預(yù)測，本文通過ABAQUS對建立的樁土模型機型數(shù)值仿真模擬，并嘗試用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對溶洞頂板穩(wěn)定性進行預(yù)測。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱誤差反向傳播多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括一個輸入層、一個或多個隱含層、一個輸出層。BP算法使用最優(yōu)化方法中的梯度下降法，目的是使實際輸出和目標(biāo)輸出之間的均方差最小化。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在巖土與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下三大功能：（1）能實現(xiàn)任何布爾函數(shù)，所以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分類功能；（2）在模式識別中能劃分輸入空間，生成復(fù)雜邊界，所以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有導(dǎo)師的模式識別的功能；（3）能逼近從Rn到Rm的任意連續(xù)映射，特別是高度非線性映射，所以BP網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)化功能。

本文研究中，遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)是利用的MATLAB2014a提供的工具箱以及遺傳算法工具箱的函數(shù)完成的。

2 預(yù)測模型的實現(xiàn)

2.1 輸入層的確定

溶洞頂板穩(wěn)定性的影響因素很多，巖體的完整性、溶洞跨度、溶洞高度、上覆層土的厚度、樁體直徑、樁體嵌巖深度等。本文選取對溶洞頂板穩(wěn)定性影響比較大的影響因素：上覆層土體厚度、樁徑、洞跨、施加荷載、巖體的完整性（RMR）。對這五種影響因素進行正交和均勻試驗設(shè)計，獲得五水平五因素的25和5組試驗（如表1和2）。將這五種影響因素作為輸入層。

2.2 隱含層節(jié)點數(shù)目的確定

本文選取三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隱含層節(jié)點數(shù)對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性有較大影響。本文通過for循環(huán)對節(jié)點建立多個預(yù)測模型，將誤差最小的模型所對應(yīng)的節(jié)點數(shù)作為隱含層節(jié)點數(shù)。

2.3 輸出層的確定

本文主要是判斷樁土模型在施加荷載情況下，溶洞頂板是否穩(wěn)定。這需要BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類功能。將試驗的結(jié)果分為兩類：穩(wěn)定設(shè)定為“1”，失穩(wěn)設(shè)定為“0”。一般將接近“1”的為穩(wěn)定，接近“0”為失穩(wěn)。這里將[-0.1，0.1]認為穩(wěn)定，[0.8，1.2]為失穩(wěn)。

3 訓(xùn)練樣本的整理及結(jié)果的分析

通過ABAQUS對正交試驗設(shè)計組進行數(shù)值仿真模擬，對樁土模型樁頂施加1000kN荷載。溶洞頂板失穩(wěn)判斷方法：相對沉降法、轉(zhuǎn)折點法、塑性貫通法。將正交試驗設(shè)計的25組模型仿真結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本（表3），均勻試驗設(shè)計5組模型仿真結(jié)果用來檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性（表4）。

采用MATLAB建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將正交試驗的結(jié)果作為訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。得出多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型，通過MSE和RNL指標(biāo)選擇出較好的模型。采用測試組的試驗結(jié)果進行驗證（如表4）。從表中結(jié)果可以看出數(shù)值分析的結(jié)果與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果基本相符，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對判斷溶洞頂板穩(wěn)定是可行的。

表4 BP預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)語

（1）從表4中，可以看出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果與數(shù)值分析的結(jié)果相符，因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來預(yù)測BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；（2）不足：由于條件限制對于選取訓(xùn)練樣本是理想化的，有一定的局限性。訓(xùn)練比較準(zhǔn)確的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量數(shù)據(jù)，本文訓(xùn)練數(shù)據(jù)較少。

參考文獻

[1] 巖土工程手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[2] 周建普，李憲民.巖溶地基穩(wěn)定性分析評價方法[J].礦業(yè)工程，2003，23（1）.

[3] 工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[4] 趙明華，袁騰方，黎莉，蔣德松.巖溶區(qū)樁端持力層巖層安全厚度計算研究[J].中國公路，2003，1（1）.

[5] 楊軍生，張軍，張起森，張家生.溶洞上方圓形基礎(chǔ)地基極限承載力有限元分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，（2）.

[6] 胡慶國，張可能，楊軍生.溶洞上方條形基礎(chǔ)地基極限承載力有限元分析[J].中南大學(xué)學(xué)報，2005，（1）.

[7] 顏艷芬.基樁樁端巖溶頂板穩(wěn)定性模糊可靠性分析

[D].湖南大學(xué)，2009.

[8] 黎斌，范秋雁，秦鳳榮.巖溶地區(qū)溶洞頂板穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（4）.

[9] 張林，楊志剛，錢慶強，唐紹輝.溶洞頂板穩(wěn)定性影響因素正交有限元法分析[J].中國巖溶，2005，（2）.

[10] 符策簡.巖溶地區(qū)隱伏溶洞頂板穩(wěn)定性及變形分析

[J].巖土力學(xué)，2010，（31）.

[11] Ethem Alpaydin，范明，牛常勇，等.機器學(xué)習(xí)導(dǎo)論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[12] 聞新，李新，張興旺，等.應(yīng)用MATLAB實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

作者簡介：張帆（1970-），男，江西撫州人，供職于深圳市交運工程集團有限公司。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）