圍堤水泥攪拌樁加固工程地基沉降預(yù)測模型對比研究

汪 敏

(浩喬建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330077)

軟土一般具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性墻以及抗剪強(qiáng)度與承載力不足等諸多不良工程地質(zhì)特性，通常位于濱海、湖泊等地區(qū)，給當(dāng)?shù)氐谭赖人こ探ㄔO(shè)造成不利影響[1]。因此，在具體的工程施工中必須要對這種地基進(jìn)行有效的加固處理，而水泥攪拌樁在此類地基處理方面具有顯著的優(yōu)勢，并獲得廣泛的應(yīng)用[2]。水泥攪拌樁處理技術(shù)最早源于20世紀(jì)60年代的美國，是一種施工擾動小、簡單迅速、工程造價低、見效快的軟弱地基加固處理方法，一經(jīng)出現(xiàn)就受到工程建設(shè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注并大量應(yīng)用于相關(guān)工程施工。但是，在軟土地基的施工過程中，地基的厚度、回填高度以及施工中的各種技術(shù)因素，都會對地基沉降造成較大的影響，進(jìn)而造成實測沉降值和安全沉降值之間存在一定的差距[3]。因而，提高軟土地基沉降預(yù)測的準(zhǔn)確性，就成為該工程領(lǐng)域亟待解決的問題。另一方面，在地基沉降領(lǐng)域的預(yù)測方法較多，而不同方法的有不同的適用條件，對觀測數(shù)據(jù)也有不同要求，這就需要選擇合適的預(yù)測方法[4]?；诖?，本文以圍堤水泥攪拌樁加固工程為例，通過常用預(yù)測方法與實測值的對比研究，分析獲取適合此類工程的地基沉降預(yù)測方法，力求為類似工程建設(shè)提供寶貴的資料。

1 材料與方法

1.1 工程背景

某港口的新建碼頭工程計劃布置1個10000t級雜貨泊位和1個50000t級散貨泊位，碼頭下游內(nèi)檔設(shè)置1個3000t級散貨泊位，占用岸線長度450m。受場地條件限制本工程擬采用單引橋的布置形式，引橋布置于兩個泊位中間。為盡量減少碼頭引橋橋基樁穿堤影響，采用短突堤連接碼頭引橋與圍堤。針對擬建碼頭引橋樁基對堤防滲漏的影響，根據(jù)工程建設(shè)方案中引橋具體布置，設(shè)計考慮在引橋近堤處設(shè)置短突堤，與原有圍堤銜接形成封閉。同時對原有圍堤堤身采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固處理，以有效提高地基承載力和地基的均勻性，有效控制堤身加固區(qū)的土體變形[5]。水泥攪拌樁加固處理范圍：寬度24m(引橋軸線上游12m、下游12m)，長度12m(南起于旱閘口外側(cè)2m)。結(jié)構(gòu)形式：樁徑50cm水泥攪拌樁，樁底高程-12.00m，外江側(cè)第一排樁間咬合30cm，其余攪拌樁為正方形布置，樁距為1.2m×1.2m。

1.2 斷面沉降觀測

根據(jù)現(xiàn)場勘查，K11+509—K11+521段的地質(zhì)特征比較典型。結(jié)合施工現(xiàn)場的實際情況以及本次研究的目的，確定該段為本次研究的地基沉降觀測段，長度為12m。選擇位于上述觀測段中部的K11+515斷面為典型觀測斷面。在該斷面布置6塊沉降板。其中沉降板1、2、3位于斷面上部迎水面、中部和背水面，水平間距為12m[5]。在研究斷面的水泥攪拌樁施工完畢之后，開始進(jìn)行沉降量的觀測，觀測周期為300d，部分關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)見表1。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，在水泥攪拌樁施工完畢之后，研究斷面各觀測點(diǎn)的沉降量隨著時間推移而迅速增加，之后增加速率趨緩，最后趨于穩(wěn)定。

表1 各觀測點(diǎn)沉降量實測數(shù)據(jù)

1.3 沉降量預(yù)測方法

一直以來，諸多學(xué)者在地基沉降預(yù)測方面進(jìn)行了深入的研究和探索，提出了一系列行之有效的沉降預(yù)測方法[6]。這些方法根據(jù)預(yù)測原理的不同，大致可以分為曲線擬合法、系統(tǒng)分析法和參數(shù)反演法三大類[7]。同時，這些方法一般都是以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考慮各種復(fù)雜因素的影響，實現(xiàn)對地基沉降的整體預(yù)測，具有較高的預(yù)測精度。本次研究中結(jié)合各種預(yù)測方法的適用性以及背景工程的實際情況，選擇雙曲線法、指數(shù)曲線法以及BP神經(jīng)網(wǎng)模型法等3種方法對地基的沉降值進(jìn)行預(yù)測，并與實測值進(jìn)行對比，以獲取最適合的沉降預(yù)測方法[8]。

2 預(yù)測結(jié)果的對比分析

2.1 測點(diǎn)1預(yù)測結(jié)果對比分析

利用選擇的3種不同預(yù)測方法對典型斷面測點(diǎn)1的沉降量進(jìn)行預(yù)測計算，結(jié)果如表2所示。為了對比不同預(yù)測模型的預(yù)測計算精度，對各模型預(yù)測值與實測值的相對誤差進(jìn)行計算，結(jié)果如圖1所示。由表2和圖1可知，雙曲線法、指數(shù)曲線法以及BP神經(jīng)網(wǎng)模型法的相對誤差均值分別為0.60%、11.32%、0.93%；其相對誤差的最大值分別為1.07%、11.32%、1.29%。由此可見，預(yù)測誤差最小的是雙曲線法，其次是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，誤差最大的是指數(shù)曲線法。另一方面，隨著時間的推移，雙曲線法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測誤差在逐漸減小，也就是預(yù)測的精度不斷提高。綜上所述，從測點(diǎn)1來看，雙曲線法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法更適合于沉降量的預(yù)測計算。

表2 測點(diǎn)1沉降量預(yù)測結(jié)果

圖1 測點(diǎn)1不同模型預(yù)測值的相對誤差變化曲線

2.2 測點(diǎn)2預(yù)測結(jié)果對比分析

利用選擇的3種不同預(yù)測方法對典型斷面測點(diǎn)2的沉降量進(jìn)行預(yù)測計算，結(jié)果如表3所示。為了對比不同預(yù)測模型的預(yù)測計算精度，對各模型預(yù)測值與實測值的相對誤差進(jìn)行計算，結(jié)果如圖2所示。由表3和圖2可知，雙曲線法、指數(shù)曲線法以及BP神經(jīng)網(wǎng)模型法的相對誤差均值分別為1.52%、9.53%、2.61%；其相對誤差的最大值分別為2.99%、13.42%、5.81%。由此可見，對于測點(diǎn)2三種預(yù)測方法中誤差最小的是雙曲線法，其次是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，誤差最大的是指數(shù)曲線法。另一方面，隨著時間的推移，雙曲線法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測誤差在逐漸減小，也就是預(yù)測的精度不斷提高。綜上所述，從測點(diǎn)2來看，雙曲線法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測誤差較小，預(yù)測的精度相對較高，更適合于沉降量的預(yù)測計算。

表3 測點(diǎn)2沉降量預(yù)測結(jié)果

圖2 測點(diǎn)2不同模型預(yù)測值的相對誤差變化曲線

2.3 測點(diǎn)3預(yù)測結(jié)果對比分析

利用選擇的3種不同預(yù)測方法對典型斷面測點(diǎn)3的沉降量進(jìn)行預(yù)測計算，結(jié)果見表4。為了對比不同預(yù)測模型的預(yù)測計算精度，對各模型預(yù)測值與實測值的相對誤差進(jìn)行計算，結(jié)果如圖3所示。由表4和圖3可知，雙曲線法、指數(shù)曲線法以及BP神經(jīng)網(wǎng)模型法的相對誤差均值分別為1.76%、9.49%、2.35%；其相對誤差的最大值分別為3.51%、28.18%、5.29%。對于測點(diǎn)3，3種預(yù)測方法中誤差最小的是雙曲線法，其次是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，誤差最大的是指數(shù)曲線法。另一方面，隨著時間的推移，雙曲線法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測誤差在逐漸減小，也就是預(yù)測的精度不斷提高。綜上所述，從測點(diǎn)3來看，雙曲線法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測誤差較小，預(yù)測的精度相對較高，更適合于沉降量的預(yù)測計算。

表4 測點(diǎn)3沉降量預(yù)測結(jié)果

圖3 測點(diǎn)3不同模型預(yù)測值的相對誤差變化曲線

3 結(jié)語

本文以實際工程為背景，對水泥攪拌樁加固軟土地基工程領(lǐng)域的常用地基沉降預(yù)測方法進(jìn)行對比研究，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)預(yù)測精度最高、誤差最小的是雙曲線法，其次是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，精度最低、誤差最大的方法是指數(shù)曲線法。

(2)雙曲線法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測結(jié)果均比較準(zhǔn)確，可以有效描繪研究斷面的沉降變化，更適合于背景工程的沉降預(yù)測研究。

(3)不同的預(yù)測方法有不同的適應(yīng)對象，同時會受到工程特點(diǎn)，特別是地質(zhì)環(huán)境的較大影響，并在預(yù)測精度上可能存在顯著差異，因此在實際應(yīng)用中選擇合適的預(yù)測方法十分重要。