淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測方法

王正宏，耿慶方，朱 巍

(江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225000)

淮河沿岸淤泥地層土質松軟，孔隙率較大，且具有極高的含水率，自身穩定性較差。因此，針對沿岸淤泥地層雨水箱涵相比于普通地層雨水箱涵更容易發生沉降變形的現象。而預測淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形是解決此問題的有效途徑，淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測方法應勢而生。以往，主要通過側移估算法以及沉降估算法，預測淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形。但此方法在實際應用過程中只適用于已經發生雨水箱涵沉降變形的淮河沿岸淤泥地層，對未發生雨水箱涵沉降變形的情況很難通過該預測起到預防效果，導致傳統淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測方法在實際應用中預測分維數低，無法為預防淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形提供精準的預測數據。因此，針對淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測方法的優化設計具有現實意義，本文通過設計一種新型淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測方法，為雨水箱涵沉降變形提供精準的預測數據，從根本上提高淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵的穩定性以及安全性能。

1 變形成因

1.1 淮河沿岸淤泥地層土質問題

淮河沿岸淤泥地層土質土質松軟，孔隙率較大，含水率高，穩定性差，導致雨水箱涵施工區域的地下水位上升，降低土基的抗剪強度。由于長時間的受力壓迫，必然會導致淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形。

1.2 臺背填料

臺背填料的不合理選擇也是造成淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形的主要因素之一，在臺背填料的選擇過程中，一旦選擇空隙率大的臺背填料，必然會導致在淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵壓實臺背填料過程中，對壓實整體度提出很高要求。

1.3 雨水箱涵剛度差異

雨水箱涵施工過程中出現沉降變形問題產生原因有較多，最顯著的問題是由于雨水箱涵組織結構中，不同區段間剛度存在差異所產生的。由于雨水箱涵結構整體屬于剛性組織，受到負載影響，不同區段受到的作用力不同，長時間受到外界負載作用，其彈性作用力失效，以此產生淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形問題。

1.4 雨水箱涵設計不合理

除上述原因，對雨水箱涵組織結構進行實地勘察過程中發現，雨水箱涵施工過程中，存在對其整體結構設計不合理問題。如忽略對雨水箱涵有關深度施工參數的選擇、未能按照工程標準實施工程設計等，因此設計成果與工程實際需求不符合，進而造成淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形。

2 數值模擬

明確淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形成因后，分析淮河沿岸淤泥地層中，雨水箱涵沉降變形結構。本文采用數值模擬的方式，模擬淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形受力過程，進而分析出淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結構。

2.1 雨水箱涵沉降變形數值模擬基本假設

為保證淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形數值模擬精度，本文通過模擬雨水箱涵沉降變形數值，將復雜的淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形問題轉換為簡單的線性問題。數值模擬具體內容包括：淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結構內力在應力應變過程中必須保持平面形態；排除由于抗拉強度的不同，造成沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結構內力狀態數值模擬誤差值大的情況；在發生沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形時，沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結構內力與彎曲變形為彈塑性關系。

2.2 模擬變形承載力

在明確雨水箱涵沉降變形數值模擬基本假設的前提下，本文運用二次拋物線原理，模擬淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形狀態下的承載力，以二次拋物線的高度代表淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形當下的承載力。設二次拋物線的高度為y，可得下式：

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(1)

式中，x—淮河沿岸淤泥地層含水率；ε1—雨水箱涵長度；ε2—雨水箱涵寬度；r—雨水箱涵鋼筋混凝土彈性系數。

通過式(1)，可推導出淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形承載力計算理論模型。設模型的數學表達式為M，則

(2)

式中，σ—淮河沿岸淤泥地層孔隙率；β—雨水箱涵構沉降變形最大承受剪應力；b—雨水箱涵構沉降變形結構內力的摩擦角；a—黏聚力；n—膨脹角度，為實數；f—地表沉降高度。

利用淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形承載力計算理論模型，進而判斷出此時雨水箱涵沉降變形結構狀態。通過淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形承載力計算理論模型中的自變量可以得出雨水箱涵沉降變形的主要影響因素為：雨水箱涵構沉降變形最大承受剪應力、摩擦角、黏聚力以及膨脹角度。在運用淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形承載力計算理論模型的過程中，必須對雨水箱涵沉降變形結構受力點位置進行精準計算，防止由于點位不準確造成雨水箱涵沉降變形結構分析參數誤差大的問題。以計算得出的雨水箱涵沉降變形結構狀態為依據，為淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測提供基礎數據。

3 預測方法

3.1 劃分沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形單元網格

在淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測過程中，預先劃分淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形單元網格，為預測提供基礎環境支撐。將每個單元面積設置為1km×2 km×3km×3km，查明沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形特征，將沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形特征以矩形陣勢進行排列。設排列后的沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形特征矩形陣記為(X，Y)，則有公式如下：

(3)

式中，n—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形信息特征值；i—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形信息維數；h—預測時刻；a—實際地質橫坐標；b—實際地質縱坐標。

通過式(3)得到排列后的淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形矩形陣，進行單元格重組劃分，設置變量系數，提取淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測數據，變量系數越高證明淮河沿岸淤泥地層雨水箱發生沉降變形的幾率也就越高。

本次劃分淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形單元網格必須遵循以下兩點原則：①平面網格系統劃分采用國際上認可度高的角點網格系統；②平面網格系統劃分方向與主模擬層應力形變方向保持一致，為下文分析雨水箱涵沉降變形結構時間分形特征提供環境支撐。

3.2 分析雨水箱涵沉降變形結構時間分形特征

在劃分沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形單元網格的基礎上，本文采用分形理論，定量描述沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形。基于相似維數，分析沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形結構時間分形特征。設沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形時間分形特征方程式為D。

(4)

式中，t—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形監測時間。

通過式(4)，得出淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形時間分形特征的時間分形維數。以此，為淮河沿岸淤泥層雨水箱涵沉降變形預測提供依據。

3.3 計算雨水箱涵沉降變形預測映射誤差

由于淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形不確定因素大的特點，在映射沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測數據的過程中，必然會產生映射誤差。為確保沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測數據映射誤差能夠通過修正系數進行改進，且過程中不會出現權重比例失調的情況出現。將沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測映射誤差設為MSE。

(5)

式中，v—雨水箱涵沉降變形預測映射態勢值；B—雨水箱涵沉降變形預測特征維數。

剔除計算得出的映射誤差，提高雨水箱涵沉降變形預測映射準確性。

3.4 實現淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測

在淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測中，本文采用動態重構的方式，重構上文剔除誤差后的沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測數據。基于改進RVM模型建立淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測核函數，訓練淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測數據。運用改進RVM模型中的gemset作為訓練數據的環境背景，設淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測核函數表達式為p。

(6)

式中，ω—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測邊緣積分；l—淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測超參數的邊緣似然；α—最大循環次數。

通過式(6)，得出淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測核函數，訓練淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測數據，得出新的淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測樣本集，以此，判斷淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵出現沉降變形的幾率，實現淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測。

4 實例分析

4.1 實驗準備

構建實例分析，實驗對象選取某處淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵，并對其參數進行具體設計。某處淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵的具體參數信息，見表1。

表1 某處淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵參數

根據表1所示，首先，使用本文設計方法預測淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形，通過MATALB測試預測分維數，并記錄，將其設為實驗組；再使用傳統方法預測淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形，同樣通過MATALB測試預測分維數，并記錄，將其設為對照組。由此可見，本次實驗主要內容為測試兩種方法的預測分維數，分維數越高證明該預測方法的預測精度也就越高。通過10次對比實驗，針對實驗測得的預測分維數，記錄實驗數據。

4.2 實驗結果與分析

預測分維數對比結果，如圖1所示。

圖1 實驗結果對比圖

從圖1中可以看出，本文設計的預測方法下的分維數明顯高于對照組，具有實際應用價值，值得被大力推廣使用。

5 結語

本文通過實例分析的方式，證明了設計預測方法在實際應用中的適用性，以此為依據，證明此次優化設計的必要性。因此，有理由相信通過本文設計，能夠解決傳統淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵沉降變形預測中存在的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現為未對本次測定結果的精密度與準確度進行檢驗，進一步提高測定結果的可信度。這一點，在未來針對此方面的研究中可以加以補足。與此同時，還需要對淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵的優化施工設計提出深入研究，以此為提高淮河沿岸淤泥地層雨水箱涵的使用年限提供建議。