基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在高速鐵路路基填料改良試驗(yàn)研究

楊 松

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地路處，湖北武漢430063)

我國高速鐵路的運(yùn)行，其安全可靠為世人矚目。要使列車高速安全平穩(wěn)地運(yùn)行，線路的穩(wěn)定與平順是必不可少的條件。路基是軌道的基礎(chǔ)，因此高速鐵路要求路基必需具有強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好、不易變形、縱向變化均勻或變化緩慢等工程性質(zhì)[1]。

高速鐵路的基床(分表層和底層)是人工填筑部分，填料的工程性質(zhì)必須滿足一定的要求，一般應(yīng)該使用品質(zhì)優(yōu)良的填料[2]，這樣既可以減少工后沉降，又可以有較高的安全儲(chǔ)備以保證路基的穩(wěn)定，并且不產(chǎn)生病害。在我國許多地區(qū)，特別是黃淮海平原地區(qū)，優(yōu)質(zhì)填料A組缺乏，運(yùn)距較遠(yuǎn)，造價(jià)較高[3]。為了解決這一難題，需擴(kuò)大可用填料的范圍，也就是要將部分B、C組細(xì)粒填料經(jīng)過改良以后使用。用化學(xué)填料對不符合要求的細(xì)粒填料土進(jìn)行改良是一種有效的工程措施[4]。了解改良后填料土的工程性質(zhì)，開發(fā)評價(jià)改良土工程性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)與相應(yīng)的方法，對縮短高鐵工期、節(jié)省項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 現(xiàn)狀研究

目前國內(nèi)外將細(xì)粒土作為客運(yùn)專線路基填料的常用改良方法主要為化學(xué)改良，即添加生石灰或者水泥來改善其抗壓性能[5]。根據(jù)我國《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]要求，化學(xué)改良后填料強(qiáng)度需滿足350kPa才能達(dá)到客運(yùn)專線路基填料要求標(biāo)準(zhǔn)。

化學(xué)填料摻入量對改良土的飽和抗壓強(qiáng)度有很大的影響。改良土的強(qiáng)度往往隨著化學(xué)填料摻入量的增大而增大[7]，肖林指出改良土的抗壓強(qiáng)度和灰土比之間的關(guān)系可以近似用一條直線表示，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為[8]：

R=N·C

(1)

式中：R為改良土的抗壓強(qiáng)度(kPa)；C為水泥改良土中的灰土比(%)；N為與顆分有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

通過對以往化學(xué)改良試驗(yàn)成果調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在的問題如表1，其中7d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)所占的頻率次數(shù)最大(圖1)。

表1 化學(xué)改良試驗(yàn)存在問題

圖1 改良試驗(yàn)問題頻率

為了分析化學(xué)填料的摻量對應(yīng)的細(xì)粒土改良后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，需要多組改良試驗(yàn)，但無側(cè)限抗壓試驗(yàn)組數(shù)過多將導(dǎo)致試驗(yàn)工期的延長和試驗(yàn)費(fèi)用的增加[9]，因此找出不同填料的摻量與改良后抗壓強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，是客運(yùn)專線填料改良試驗(yàn)需要解決的主要癥結(jié)。

2 工程概況

本文以鄭徐客運(yùn)專線項(xiàng)目為依托，詳細(xì)分析提高改良試驗(yàn)效率方法研究。

鄭徐客運(yùn)專線是國家“四縱四橫”鐵路客運(yùn)專線網(wǎng)中徐州至蘭州客運(yùn)專線的組成部分，全長約362km，均位于黃河沖積平原區(qū)，線路經(jīng)過地段大部分被巨厚第四系地層覆蓋，少有基巖出露(圖2)。沿線地層多為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉細(xì)砂，層厚約30～200m，下伏基巖主要以奧陶系灰?guī)r(O)為主。地下水水量豐富，埋深約1.5～4.7m。上部細(xì)粒土屬于C、D組填料，其土源組成成份復(fù)雜，工程性質(zhì)差(表2)，不能直接用于客運(yùn)專線路基填筑，必須經(jīng)過改良，但各地成份組成差異性較大，改良后結(jié)果不穩(wěn)定，造成本線試驗(yàn)組數(shù)多，試驗(yàn)周期較長。

3 研究方法

(1)應(yīng)用MATLAB擬合曲線快速獲取擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。

由于飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)制作試樣，但常規(guī)處理擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)工作量大、計(jì)算過程繁瑣，影響試驗(yàn)的精度及工期[10]，因此本文采用MATLAB曲線擬合法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

通過數(shù)值分析在MATLAB程序上應(yīng)用，得出擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線。從圖3可以看出，當(dāng)階數(shù)n=2時(shí)，所擬合的曲線誤差較大，當(dāng)階數(shù)n=4時(shí)，雖然擬合誤差值為0，但由于階數(shù)過高，增大計(jì)算機(jī)計(jì)算工作量，影響計(jì)算速度。n=3與n=4的曲線擬合相近，且控制在誤差范圍內(nèi)，因此本文通過三階多項(xiàng)式做擬合曲線方程來求解擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度和最佳含水量。

圖2 鄭徐客專全線地形(1∶10000)

地層巖性 狀態(tài) ω/% γ/(kN·m-3) eIL Cu/kPa Φu/° Es/MPa Ps/MPa 粉土 稍密～密實(shí) 21.6～31.0 18.1～20.7 0.51～0.95 0.32～0.43 17～30 8.1～13.1 5.4～8.0 1.8～2.5 粉質(zhì)黏土、黏土 軟～流塑 36.4～49.8 17.5～18.8 0.8～1.3 0.7～1.2 6.0～19 1.7～11.4 2.5～4.0 0.5～0.8 粉質(zhì)黏土、黏土 軟～硬塑 21.0～23.0 19.5～20.3 0.54～0.79 0.32～0.79 12～30 4.0～19.4 5.13～7.29 0.9～1.5 粉細(xì)砂 稍密～中密 / / / / / / 7～12 1.5～3.0

圖3 不同階次多項(xiàng)式的擬合曲線

(2)建立BP網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果。

BP(BackPropagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即誤差反傳誤差反向傳播算法的學(xué)習(xí)過程，由信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個(gè)過程組成。外部輸入的信號經(jīng)輸入層、隱含層的神經(jīng)元逐層處理向前傳播到輸出層給出結(jié)果。如果在輸出層得不到期望輸出，則轉(zhuǎn)入逆向傳播過程，將實(shí)際值與網(wǎng)絡(luò)輸出之間的誤差沿原來連接的通路返回，通過修改各層神經(jīng)元的聯(lián)系權(quán)值，使誤差小于給定的值為止[11]。該模型的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的非線性擬合能力，可以用來預(yù)測非線性時(shí)間序列數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢。

根據(jù)所得擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，對黏土、粉質(zhì)黏土摻合水泥做無側(cè)限飽和抗壓試驗(yàn)。由表3可知，當(dāng)摻入6 %水泥時(shí)填料強(qiáng)度高于規(guī)范要求的350kPa，已滿足高鐵要求，試驗(yàn)過程中未考慮到摻入水泥量為5 %的情況，故采用BP檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行估算。

表3 黏土、粉質(zhì)黏土摻水泥試驗(yàn)指標(biāo)

通過建立網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測出黏土、粉質(zhì)黏土摻5 %水泥后其無側(cè)限飽和抗壓強(qiáng)度為355kPa，可以滿足規(guī)范要求。為了證明本模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，作者在化驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，得出實(shí)際飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為368kPa，預(yù)測誤差僅為3.5 %(圖4)。

圖4 黏土、粉質(zhì)黏土摻水泥試驗(yàn)曲線對比

同理，對粉土摻合不同配比的水泥進(jìn)行無側(cè)限飽和抗壓試驗(yàn)。由表4可知，當(dāng)摻入9 %水泥時(shí)填料強(qiáng)度滿足高鐵規(guī)范的要求。采用BP檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對粉土參入量為8 %水泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測及驗(yàn)證(圖5)，得出其擬合值為423kPa，實(shí)測值為383kPa，滿足要求。

表4 粉土摻合水泥試驗(yàn)指標(biāo)

圖5 粉土摻水泥試驗(yàn)曲線對比

通過建立BP檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合全線計(jì)劃的試驗(yàn)組數(shù)，共可減少12組黏土、粉質(zhì)黏土摻水泥改良試驗(yàn)，8組粉土摻水泥改良試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

路基填料改良試驗(yàn)的過程影響著工程施工的工期，改良

試驗(yàn)的效果直接影響著路基工程的安全性，為了更快更好地得出預(yù)期的改良效果，本文分別從提高擊實(shí)試驗(yàn)的計(jì)算流程和建立BP檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來減少改良試驗(yàn)組數(shù)、預(yù)測改良試驗(yàn)結(jié)果等方向做了研究，得出的結(jié)論為：

(1)通過數(shù)值分析得出擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線，求解其最大干密度ρdmax和最佳含水量ω0，減少了人工作圖求解的任意性，極大地提高了工作效率和降低人為誤差。

(2)通過建立網(wǎng)絡(luò)模型，對未實(shí)施的化學(xué)填料改良方案進(jìn)行預(yù)測，并使誤差控制在可控范圍內(nèi)，減少了改良土試驗(yàn)組數(shù)，縮短了試驗(yàn)工期，節(jié)省了大量試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)值。

[1] 孫軍溪. 高速鐵路路基改良土工程性質(zhì)試驗(yàn)及施工技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2007

[2]TB10001-2005鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] 曹新文，蔡英,蘇謙.高速鐵路路基穩(wěn)定性及變形控制值的研究[J].路基工程，1998，(2):38-41

[4] 郝巨濤.水泥土材料力學(xué)特性的探討[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1991,(3)：53-59

[5]ThomsonWT.Transmissionofelasticwavesthroughastratifiedsolidmedium[J].JournalofAppliedPhysics, 1950, 21:86-97

[6]TB10621-2009.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行) [S]

[7]WongPKK,MitchillRJ.YieldingandPlasticFlowofSensitiveCementedClay[J].Geotechnique,1997，(14): 750-786

[8] 肖林，王春義，郭漢生.建筑材料水泥土[M].北京:水利電力出版社,1987

[9] 游波，王寶田，李治朋,等.水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2010，(5)：4-7

[10] 黃鶴，張俐.水泥土材料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，(6)：703-712

[11]VenkatesanR,BalamuruganB.Areal-timehardwarefaultdetectorusinganartificialneuralnetworkfordistanceprotection[J].IEEETransactionsonPowerDelivery, 2001, 16(1):75-82