房屋建筑混凝土施工地表沉降預(yù)測(cè)方法

劉 同

（呂梁學(xué)院，山西 呂梁 033001）

1 房屋建筑混凝土施工地表沉降預(yù)測(cè)方法

1.1 房屋建筑混凝土施工地表沉降影響因素分析

房屋建筑混凝土施工產(chǎn)生的地表沉降通常會(huì)受到多種復(fù)雜因素的影響。因此，為對(duì)地表沉降進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，需要對(duì)其影響因素進(jìn)行具體分析[1]。地表沉降的影響因素具體可分為4個(gè)部分，分別是地質(zhì)因素、房屋建筑設(shè)計(jì)因素、施工因素以及周邊環(huán)境因素，具體分析過程如下。

首先，水文地質(zhì)因素主要包括地下水位因素以及土體結(jié)構(gòu)。房屋建筑區(qū)域下的地下水位如果過高或遇到汛期水位升高，都會(huì)引起地表沉降的變化。通常情況下，地下水位與土體的密度與強(qiáng)度有直接關(guān)系，因此地下水位會(huì)間接影響房屋建筑承重結(jié)構(gòu)的荷載變化，進(jìn)而對(duì)房屋建筑區(qū)域內(nèi)土體的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生影響，使地表發(fā)生沉降。在土體結(jié)構(gòu)方面，地表沉降通常與土體的實(shí)際密度相關(guān)[2-3]。土體的密度越大，強(qiáng)度越大，則土體結(jié)構(gòu)的承載力也會(huì)越大，進(jìn)而不容易發(fā)生變形，也不容易使地表產(chǎn)生沉降。而土體密度主要的影響因素為內(nèi)摩擦角與土壤含水量，其中土體內(nèi)摩擦角越大，地表沉降越慢；土壤含水量越高，地表沉降越快[4]。

其次，房屋建筑設(shè)計(jì)因素主要包括建筑的尺寸以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型[5]。在同一土體上進(jìn)行房屋施工，建筑設(shè)計(jì)的平面尺寸越大，則地表沉降越大；平面尺寸越小，地表產(chǎn)生的沉降也就越小。因此在對(duì)地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，除了要考慮地面因素，房屋自身的尺寸信息也需要納入考量范圍。房屋建筑的支護(hù)結(jié)構(gòu)一般包括連續(xù)墻和圍護(hù)樁，不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地表沉降的影響強(qiáng)度也有所不同。一般來說，為了判斷一個(gè)房屋建筑的支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生多大的影響，可以采用測(cè)量支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的方式[6]。支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度越大，對(duì)外力的承載性能也就越強(qiáng)，因此也就不容易發(fā)生地表沉降。

再次，施工因素具體包括現(xiàn)場(chǎng)的施工排水以及施工開挖深度。一般房屋建筑施工需要在無水的環(huán)境下進(jìn)行，為此需要在施工時(shí)將開挖面的地下水位降低到1 m以下，施工排水工作做得越好，土體的結(jié)構(gòu)越密實(shí)，久越不容易使地面發(fā)生沉降。而施工開挖深度一般與地表沉降量呈正相關(guān)，因此在對(duì)地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要結(jié)合房屋建筑的設(shè)計(jì)高度以及地下開挖深度2個(gè)因素[7]。

最后，周邊環(huán)境因素主要包括管線分布情況以及建筑物分布情況。當(dāng)房屋建筑施工的周邊存在較多其他建筑物或者地下埋藏了多條管線時(shí)，隨著荷載力的不斷加大，該區(qū)域土體的壓力也會(huì)變大，進(jìn)而使房屋建筑周圍的地表發(fā)生沉降。因此在進(jìn)行地表沉降預(yù)測(cè)時(shí)需要考慮周邊建筑以及管線的排列密度。

根據(jù)上述對(duì)地表沉降影響因素的分析，結(jié)合層次分析法（AHP，Analytic Hierarchy Process），構(gòu)建出如圖1所示的分析方案。

圖1 房屋建筑無凝土施工地表沉降影響因素

AHP的分析原理中包括指標(biāo)層A、目標(biāo)層B以及基準(zhǔn)層C。該文通過上述步驟對(duì)地表沉降的影響因素進(jìn)行分析，以此為后續(xù)的地表沉降預(yù)測(cè)提供理論支持。

1.2 地表沉降影響因素權(quán)重值計(jì)算

根據(jù)層次分析法的原理，結(jié)合上述對(duì)地表沉降影響因素的具體分析，構(gòu)建地表沉降判斷矩陣，記為B=（bij）n×n，其中bij代表目標(biāo)層的各項(xiàng)影響因素，此時(shí)該矩陣具有以下性質(zhì)，如公式（1）所示。

由于該矩陣具備傳遞性，因此該判斷矩陣可滿足公式（2）。

式中：bjk和bik分別為其他橫向目標(biāo)層影響因素。

為對(duì)該判斷矩陣的一致性進(jìn)行確定，定義一致性指標(biāo)為C，如公式（3）所示。

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為影響因素的總個(gè)數(shù)。定義最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為wi，則層次排序表達(dá)式如公式（4）所示。

根據(jù)上述構(gòu)建的一致性指標(biāo)可計(jì)算出一致性比率，具體如公式（5）所示。

式中：Ri為單次排序指標(biāo)。

當(dāng)CR值小于0.1時(shí)，說明此刻的排序結(jié)果一致性較高。根據(jù)排序結(jié)果對(duì)矩陣進(jìn)行乘法運(yùn)算，即可得到每個(gè)影響因素的具體權(quán)值[8]。根據(jù)上述步驟即可計(jì)算出地表沉降影響因素的權(quán)重值，為沉降預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 構(gòu)建地表沉降預(yù)測(cè)模型

本次地表沉降預(yù)測(cè)模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行構(gòu)建，結(jié)合上述計(jì)算出的地表沉降影響因素權(quán)值，對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行確定。假設(shè)神經(jīng)元個(gè)數(shù)為i，第j個(gè)元素輸出的矢量為xj，則對(duì)應(yīng)的權(quán)重值設(shè)為wij，對(duì)該值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，具體計(jì)算如公式（6）所示。

式中：yi為實(shí)際輸出結(jié)果；di為期望輸出矢量；a為動(dòng)態(tài)調(diào)整步幅參數(shù)。

如果期望輸出值與實(shí)際輸出值之差過大，超過了閾值控制范圍，則需要對(duì)其進(jìn)行重新調(diào)整，直到二者之差在閾值范圍內(nèi)為止。對(duì)此，需要引入一個(gè)比例因子幫助權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，具體如公式（7）所示。

式中：Δwab為節(jié)點(diǎn)a與b之間的權(quán)值；s（k）為比例因子；?（k）為節(jié)點(diǎn)處的誤差幅值；oa（k）為節(jié)點(diǎn)處的激活程度；γ為學(xué)習(xí)效率；k為迭代次數(shù)。

比例因子的具體表達(dá)式如公式（8）所示。

由此構(gòu)建出的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地表沉降預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中C1～C8分別代表基準(zhǔn)層的8個(gè)影響因素。

圖2 BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述步驟即可構(gòu)建出地表沉降預(yù)測(cè)模型，結(jié)合上述提到的地表沉降影響因素分析以及權(quán)重值計(jì)算，至此，房屋建筑混凝土施工地表沉降預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)完成。

2 試驗(yàn)部分

為證明該文提出的房屋建筑混凝土施工地表沉降預(yù)測(cè)方法在預(yù)測(cè)精度上優(yōu)于傳統(tǒng)的地表沉降預(yù)測(cè)方法，在理論部分設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以此對(duì)該預(yù)測(cè)方法的實(shí)際預(yù)測(cè)效果進(jìn)行分析。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于某市地鐵站附近的房屋建筑區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)，整片區(qū)域占地面積為20.23 km2，土體組成較為復(fù)雜，主要土質(zhì)包括雜填土、砂巖、風(fēng)化板巖、風(fēng)化泥巖、風(fēng)化灰?guī)r、粉質(zhì)黏土以及圓礫等，土層厚度為10 m～25 m，地下水位位于地表下約4.5 m處，土體含水量為25.43%。該區(qū)域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，地表徑流與地下徑流均受季節(jié)降雨量影響較大，降水年際變化量較大導(dǎo)致土體含水量變化浮動(dòng)較大。通過實(shí)地勘測(cè)，該文獲取了該區(qū)域下的相關(guān)參數(shù)，包括水文參數(shù)、土體參數(shù)以及建筑尺寸參數(shù)等。

為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，該文在使用3種地表沉降預(yù)測(cè)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行分析時(shí)，將所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，以保證預(yù)測(cè)結(jié)果不受數(shù)據(jù)變量的影響。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要為歸一化，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的變化范圍固定在[0，1]，以此減少模型的運(yùn)算難度，具體的歸一化公式如公式（9）所示。

式中：Xk與Yk分別為輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)；Xmax和Xmin分別為輸入數(shù)據(jù)中的最大值與最小值。

為提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本次試驗(yàn)選取2種傳統(tǒng)的地表沉降預(yù)測(cè)方法作為對(duì)比對(duì)象，分別是基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的地表沉降預(yù)測(cè)方法以及基于灰色模型的地表沉降預(yù)測(cè)方法。該文算法的參數(shù)設(shè)置見表1。本次試驗(yàn)共選取10組不同時(shí)段的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行10次對(duì)比試驗(yàn)，通過采用3種預(yù)測(cè)方法對(duì)該區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到地表沉降預(yù)測(cè)曲線，并與實(shí)際預(yù)測(cè)情況進(jìn)行對(duì)比，比較預(yù)測(cè)精度。

表1 算法參數(shù)設(shè)置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為預(yù)測(cè)方法與實(shí)際沉降情況的擬合程度，擬合程度越高，說明該方法的預(yù)測(cè)精度越高，也就越能對(duì)房屋建筑混凝土施工地表沉降的情況進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)。具體試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 地表沉降預(yù)測(cè)曲線對(duì)比

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，應(yīng)用不同的預(yù)測(cè)方法對(duì)不同時(shí)段的房屋建筑區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，其預(yù)測(cè)的精度也會(huì)有所不同。通過觀察預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)出的沉降量與實(shí)際地表沉降量之間的差距可以明顯看出，2種傳統(tǒng)的地表沉降預(yù)測(cè)方法得到的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，預(yù)測(cè)誤差最高可達(dá)0.25 m以上，說明傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)精度較差。而該文提出的房屋建筑混凝土施工地表沉降預(yù)測(cè)方法得到的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際地表沉降量差距較小，預(yù)測(cè)曲線的擬合程度也較高，由此可說明該文提出的預(yù)測(cè)方法具備較高的預(yù)測(cè)精度。

3 結(jié)論

該文提出的房屋建筑混凝土施工地表沉降預(yù)測(cè)方法通過采用層次分析法對(duì)影響地表沉降的關(guān)鍵因素進(jìn)行了有效分析，采用權(quán)重值計(jì)算的方法對(duì)影響因素進(jìn)行了排序。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出的地表沉降預(yù)測(cè)模型能夠結(jié)合多方面影響因素，輸出較為科學(xué)可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果，能夠滿足對(duì)地表沉降的預(yù)測(cè)需求。