基于灰色理論的碼頭堆場細砂地基承載力檢測方法

◎ 金鵬 汕頭招商局港口集團有限公司

重力式碼頭是港口工程的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，重力式碼頭在施工中對地基承載力有較高要求，因此為了減小碼頭底部作用在地基上的豎向應(yīng)力，通常設(shè)置碼頭的拋石基床，將上部結(jié)構(gòu)施加在地基的豎向應(yīng)力分散開，從而達到降低承載力的目的，減少地基倒塌和結(jié)構(gòu)沉降。由于港口工程環(huán)境復雜，沉箱結(jié)構(gòu)除了自身重量和箱體回填力外，還要承受波浪力、回填土壓力等一系列載荷。考慮基床厚度的影響，地基的極限承載力成為港口工程設(shè)計的研究熱點之一，因此，進行地基承載力檢測十分必要，但傳統(tǒng)的地基承載力檢測方法忽略了地基土體模量的影響，檢測不準確，因此，設(shè)計了基于灰色理論的碼頭堆場細砂地基承載力檢測方法。

1.基于灰色理論的碼頭細砂地基承載力檢測方法設(shè)計

1.1 計算碼頭細砂地基承載力分布

在計算碼頭細沙地基承載力分布時，首先需要計算碼頭周邊的潮位，消除極端高水位與極端低水位的影響，確定此時的覆蓋層厚度和基槽深度準備完成后，進行地基承載力分布式計算，計算公式如下（1）所示。

公式（1）中，σ 代表分布式應(yīng)力，m代表施工洗漱，M代表實際邊緣力數(shù)值，V代表應(yīng)力檢測方向的測算數(shù)值，此時的計算結(jié)果如表1所示。

表1 分布式計算結(jié)果

由表1可知，此時碼頭的分布式應(yīng)力符合目前的公里規(guī)范，為了分析此時碼頭堆場細沙的各項承載力數(shù)值，需要利用有限元，構(gòu)建此時的碼頭三維圖，為構(gòu)建后續(xù)的灰色預(yù)測模型提供參考。

1.2 基于灰色理論構(gòu)建承載力灰色預(yù)測模型

灰色理論可以將碼頭承載力看作一個系統(tǒng)，通過對上述設(shè)計的碼頭三維圖像進行開發(fā)，可以提取有價值的信息，實現(xiàn)承載力的有效識別，應(yīng)用灰色理論構(gòu)建承載力模型可以將整個碼頭堆場細砂承載力與灰色系統(tǒng)擬合實現(xiàn)承載力的控制，此時，以灰色模塊為基礎(chǔ)，設(shè)計承載力灰色預(yù)測模型，如下（2）、（3）所示。

模型（2）、（3）中x（k）代表白化方程，a代表參數(shù)，z代表相鄰序列，b代表灰色作用數(shù)值，d代表離散時間，該模型也是一個非原始的序列，可以在承載力計算中劃分各個區(qū)域不同的承載力離散響應(yīng)時間，預(yù)測累加的承載力數(shù)值，該模型并非在所有的情況下均有效，需要將發(fā)展系數(shù)設(shè)定在某個范圍內(nèi)，才能應(yīng)用該模型預(yù)測具體的承載力數(shù)值。

除此之外，模型的使用精度可以反饋承載力預(yù)測的實際精度，因此在進行承載力預(yù)測時，一定要消除模型精度對承載力的影響，需要進行承載力模型精度評估，即檢驗此時承載力模型的灰色關(guān)聯(lián)度。本文設(shè)計的方法首先需要使用殘差檢驗消除模型與原數(shù)值的誤差，其次使用后驗差檢驗，消除殘差的概率分布誤差，最后進行關(guān)聯(lián)度檢驗，描述承載力檢測的整個過程，進行預(yù)測評價，為承載力誤差消除作基礎(chǔ)。

1.3 消除碼頭極限地基承載力檢測誤差

為了保證承載力檢測的精確性，需要在灰色預(yù)測模型建立后消除碼頭極限承載力檢測誤差。首先將整個碼頭的三維圖像進行二維模擬變化，設(shè)置此時的沉箱長、寬、高，擬定此時機床的擴散指數(shù)，其次，劃分從事的荷載邊界，劃分示意圖如下圖1所示。

圖1 劃分示意圖

由圖1可知，此時碼頭的承載力包括波吸力，需要消除此時的波吸力誤差，根據(jù)劃分示意圖，在地基左右兩側(cè)進行填砂，約束此時的地基轉(zhuǎn)移角，根據(jù)力矩相等原則，將波吸力集中至碼頭堆載上，從而減小此時的承載力檢測誤差。

1.4 實現(xiàn)碼頭堆場細砂地基承載力檢測

實現(xiàn)碼頭堆場細砂地基承載力檢測還需要確定此時次級的極限狀態(tài)加載方式，本文使用ABAQUS有限元分析軟件，根據(jù)地基的穩(wěn)定性，收斂此時的有限元計算結(jié)果，保證地基性質(zhì)不發(fā)生改變的同時，增大碼頭的高度，直至承載力達到極限，此時檢測到的承載力即為承載力極限數(shù)值，需要在承載力極限數(shù)值的基礎(chǔ)上降低荷載，實現(xiàn)碼頭堆場細砂地基承載力的檢測。

2.實例分析

2.1 概況及準備

為了檢測本文設(shè)計的基于灰色理論的碼頭堆場承載力檢測方法，本文選取了某重力性碼頭，進行檢測，經(jīng)過初步篩查，選取的碼頭地基組成成分比較單一，均為細沙，但由于細沙的組成密度、含水量等指標在不同的區(qū)域存在差異，因此本文將地基影響指標設(shè)為自變量，構(gòu)建了參考序列，如表2所示。

表2 指標參考序列

根據(jù)表2的參考序列，可以建立此時的變量序列矩陣，計算的公式如（4）、（5）所示。

公式（4）、（5）中，X1代表依次迭代序列，X'代表量化序列，ΔK代表序列差值，X代表初始序列，N代表序列長度，I代表歸一系數(shù)，經(jīng)過均值化和歸一化的矩陣排布表如表3所示。

表3 歸一化矩陣排布表

由表3可知，此時的關(guān)聯(lián)系數(shù)檢測矩陣符合后續(xù)的實驗需求，可以進行后續(xù)的檢測實驗。

2.2 應(yīng)用效果與討論

分別使用本文設(shè)計的地基承載力檢測方法和傳統(tǒng)的地基承載力檢測方法對研究區(qū)域進行承載力檢測，檢測結(jié)果曲線如下圖2所示。

圖2 承載力檢測結(jié)果

由圖2可知，本文設(shè)計的方法檢測的地基承載力與預(yù)計的承載力相擬合，證明設(shè)計的方法檢測準確，有一定的應(yīng)用價值。

3.結(jié)束語

綜上所述，檢測灰色碼頭堆場細砂地基承載力可以及時預(yù)測基床的狀態(tài)，對碼頭運輸堆放安全性有重要作用，因此本文根據(jù)灰色理論構(gòu)建了灰色理論預(yù)測模型，提高地基承載力的檢測精度，進行實例分析證明，設(shè)計的地基承載力檢測方法檢測準確，有一定的應(yīng)用價值，可以作為后續(xù)檢測的參考。