PHC管樁極限承載力影響因素敏感性分析

許旭堂，吳能森，崔廣強(qiáng)，龔燦寧，肖勇杰

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通學(xué)院，福建福州350002;2.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州350002)

當(dāng)前，靜壓樁在我國各地區(qū)的用量越來越廣泛，尤其是PHC管樁的應(yīng)用更在各類樁型中占據(jù)明顯優(yōu)勢［1]?；A(chǔ)工程的首要問題是穩(wěn)定問題。研究表明，影響PHC管樁穩(wěn)定性的因素包括樁長、樁徑、入土深度、側(cè)摩阻力和端阻力等［2－4]，即樁基失穩(wěn)的機(jī)理和模式與這些影響因素有密切的關(guān)系。我國有很多的學(xué)者利用樁基試驗(yàn)、純數(shù)學(xué)理論和交叉學(xué)科等方法，建立了多種樁基承載力預(yù)測模型［5－9]，但很少對影響樁基承載力的諸因素進(jìn)行敏感性分析研究。誠然，根據(jù)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式可以分析一些單因素對樁基承載力的影響，但實(shí)際上有些影響因素在經(jīng)驗(yàn)公式中并未得到體現(xiàn)，而且各影響因素的敏感性也不盡相同。為此，根據(jù)實(shí)際工程的試樁資料，通過建立預(yù)測樁基承載力的GA－BP網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對影響PHC管樁承載力的各主要影響因素進(jìn)行敏感性分析。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論簡介

1.1 BP 和 GA －BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［10]

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱層和輸出層組成(圖1)。輸入層有n個(gè)輸入信號，每個(gè)輸入信號用小圓圈(圓圈也代表神經(jīng)元)表示，輸出層有一個(gè)輸出信號，輸入與輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)具體問題而定，一般情況下隱含層個(gè)數(shù)m(m=2n+1)。層與層之間的節(jié)點(diǎn)通過權(quán)值調(diào)節(jié)，各神經(jīng)元之間的數(shù)據(jù)變換函數(shù)一般為Sig－moid函數(shù)。

然而BP算法在應(yīng)用中暴露出不少內(nèi)在的缺陷，如容易形成局部極小而得不到全局最優(yōu)，學(xué)習(xí)效率低，收斂速度慢;訓(xùn)練時(shí)學(xué)習(xí)新樣本有遺忘舊樣本的趨勢。因此，可以通過遺傳算法來對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值、閾值進(jìn)行優(yōu)化，即GA－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后再用BP算法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，將初步得到的權(quán)值矩陣賦給尚未開始訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論［11]

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表來安排與分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法。它是由試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)的，通過對這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合。

正交表是正交試驗(yàn)的分析工具，它具有正交性、代表性和綜合可比性3種性質(zhì)。具體表現(xiàn)在:(1)任一列的各水平出現(xiàn)的次數(shù)相等;任兩列間所有水平組合出現(xiàn)次數(shù)相等;(2)任一列或任兩列的各水平都出現(xiàn)，確保部分試驗(yàn)中包括了所有因素的所有水平，使得任意兩因素間的試驗(yàn)組合為全面試驗(yàn)。因此用正交表安排的試驗(yàn)，具有均衡分散和整齊可比的特點(diǎn)。

2 單樁承載力影響因素敏感性分析

2.1 GA－BP網(wǎng)絡(luò)和正交試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)文獻(xiàn)［2～4] ，影響PHC單樁豎向承載力的主要因子可歸納為:樁徑、樁長、入土深度、側(cè)摩阻力、端阻力、壓樁力、滲透系數(shù)和休止期，即網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)n=8，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)m=17，而輸出層為單樁極限承載力值，節(jié)點(diǎn)數(shù)k=1，則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為8－17－1。采用浮點(diǎn)數(shù)編碼方式，每個(gè)個(gè)體均為一個(gè)實(shí)數(shù)串，個(gè)體包含了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全部權(quán)值和閾值。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已知的情況下，就可以構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)、權(quán)值、閾值確定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。遺傳算法編碼長度S(S=n×m+m×k+m+k)為171。個(gè)體適應(yīng)度值可取預(yù)測輸出和期望輸出之間的誤差絕對值之和，經(jīng)多次驗(yàn)算得到較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為:種群規(guī)模50，遺傳代數(shù)100，交叉概率 Pc取0.4，變異概率 Pm取0.1，動量參數(shù)取0.1，學(xué)習(xí)率取1.05。

選定8個(gè)影響因素，各因素的位極水平為7個(gè)(表 1)，選用正交表為 L49(78)［11]。

2.2 應(yīng)用實(shí)例及分析

2.2.1 工程算例

選用福建某地區(qū)實(shí)際工程的58根PHC管樁的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。采用帶動量項(xiàng)的GA－BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過1239步學(xué)習(xí)收斂，精度達(dá)0.01，訓(xùn)練誤差隨訓(xùn)練次數(shù)變化曲線見圖2。訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)確定了各輸入、輸出層間的權(quán)重和閾值。

以該地區(qū)具有代表性的土層(淤泥層和殘積粘性土層都比較厚)和比較常用的PHC500－100管樁(88#工程樁)為例，其相關(guān)參數(shù)見表1?；緮?shù)據(jù)按照表1的位極進(jìn)行組合后形成49組樣本，用已經(jīng)訓(xùn)練好的GA－BP網(wǎng)絡(luò)對組合樣本進(jìn)行試驗(yàn)，輸出的單樁極限承載力值見表2。把相同水平下的各因素的均值作為每個(gè)因素在不同水平下的預(yù)測值，反映各因素變化情況的極差值為同一因素不同水平下均值的最大值與最小值之差，結(jié)果如表3所示。由于各因素變化的范圍在同一幅度內(nèi)，所以極差的大小就代表敏感性的大小。由表3可見，影響單樁豎向極限承載力的因素敏感性排序?yàn)?樁徑、樁側(cè)摩阻力加權(quán)平均值、休止期、樁長、入土深度、滲透系數(shù)和終止壓樁力，其中樁徑和樁側(cè)摩阻力值的影響最為敏感，其次是休止期。

2.2.2 結(jié)果分析

樁的極限承載力Qu由樁側(cè)極限阻力Qsu和樁端極限阻力Qbu組成，設(shè)樁側(cè)單位平均極限側(cè)阻力為，樁端單位極限阻力為qpu，則Qu可表示為:

式中:d－樁徑;l－樁長;Ap－樁截面積。

由表1可知，工程樁的長徑比l/d為61.7～63，介于40和100之間，屬于長樁。樁頂豎向荷載，隨著l/d的增大，傳遞到樁端的荷載減小;對均勻土層中的長樁，樁頂豎向荷載基本由樁側(cè)阻力承擔(dān)，樁端阻力分擔(dān)的荷載趨于零［12]。上述工程樁的土層不均勻，上部為淤泥層，下部殘積粘性土層，由于上部淤泥層的極限側(cè)阻力有限，而下部的殘積粘性土層的側(cè)阻力不能完全發(fā)揮，因此端阻力的敏感性很弱，即也就是說，在長徑比l/d一定的條件下，Qsu分別與樁徑d的平方及樁側(cè)單位平均極限側(cè)阻力成正比。

淤泥和殘積粘性土都具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，在壓樁過程中受擾動強(qiáng)度降低，但成樁后會隨著間歇時(shí)間(休止期)而得到逐步恢復(fù)［12－13]，從而使成樁的側(cè)阻力增加，因此休止期對Qu的影響也比較敏感。樁長和入土深度對Qu的影響主要表現(xiàn)在l/d上，由于本工程樁屬于長樁，且l/d值基本恒定，因此其敏感性的影響不突出;滲透系數(shù)大小會影響孔隙水壓力的消散，影響樁側(cè)土的固結(jié)度，進(jìn)而影響樁側(cè)極限阻力，但由于本工程樁側(cè)土的滲透系數(shù)在 0.642 ×10－6～1.284 ×10－6cm/s范圍內(nèi)，屬于弱透水性，在較短的6～12 d休止期內(nèi)，孔壓消散不明顯，因此其敏感性也很弱。至于終止壓樁力，由于壓樁過程的擾動和破壞作用，樁側(cè)阻力小，終止壓樁時(shí)其阻力以樁端堅(jiān)硬土層或巖層的阻力為主，這與工程樁的實(shí)際承載性狀差異很大，因此其相關(guān)性差，敏感性最弱。

3 結(jié)語

1)對樁側(cè)以淤泥層和殘積粘性土層為主，承載性狀為端承摩擦型的PHC管樁，其影響單樁豎向極限承載力因素的敏感性排序?yàn)?樁徑、樁側(cè)摩阻力加權(quán)平均值、休止期、樁長、入土深度、滲透系數(shù)和終止壓樁力。

表1 因素位極組合表Tab.1 The combination table of factor levels

表2 極限承載力正交試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.2 The summary of ultimate bearing capacity of orthogonal test results

表3 單因素變化對應(yīng)的極限承載力(MN)Tab.3 The ultimate bearing capacity corresponded with single factor changing unit:MN

2)樁徑和樁側(cè)摩阻力值對單樁豎向極限承載力的貢獻(xiàn)最大，而休止期的影響僅次二者，也很顯著。這點(diǎn)有時(shí)往往不為人們所重視，甚至忽視時(shí)間效應(yīng)的影響，盲目提前試樁時(shí)間，會影響試樁結(jié)果。

3)采用GA－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法分析影響樁基承載力因素的敏感性，能夠有效地對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值、閾值進(jìn)行優(yōu)化，克服了BP算法的內(nèi)在缺陷，而且能有效的節(jié)省計(jì)算工作量，具有實(shí)用價(jià)值。

［1] 張明義.靜力壓入樁的研究與應(yīng)用［M] .北京:中國建材工業(yè)出版社，2004.

［2] 馬利耕.開口型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁豎向承載力分析［D] .哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

［3] 張明義，時(shí)偉，王崇革，等.靜壓樁極限承載力的時(shí)效性［J] .巖石力學(xué)及工程學(xué)報(bào)，2002，21(增2):2601－2604.

［4] 張雁，劉金波.樁基手冊［M] .北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5] 朱守鵬，劉齊茂.樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用研究綜述及展望［J] .四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，24(3):253－257.

［6] 律文田，王永和，冷伍明.PHC管樁荷載傳遞的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析［J] .巖土力學(xué)，2006，27(3):466－470.

［7] 左宏亮，劉景云，李國東，等.松花江漫灘地區(qū)靜壓PHC管樁豎向承載力［J] .沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，25(6):1088－1093.

［8] 李萬慶，李錚.基于熵權(quán)法的PHC管樁承載力組合預(yù)測［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，28(1):64－67.

［9] 卓維松.泉州市區(qū)PHC樁豎向抗拔極限承載力預(yù)測［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，28(2):14－18.

［10] 袁曾任.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用［M] .北京:清華大學(xué)出版社，1999.

［11] 陳魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［12] 莫海鴻，楊小平.基礎(chǔ)工程［M] .北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［13] 吳能森.結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的特性及工程問題研究［D] .南京:南京林業(yè)大學(xué)，2005.