周 靜 張艷妮

高速公路對(duì)地基變形的要求很高,一般要求在使用期限內(nèi)路堤的工后沉降不超過30 cm,路橋搭接處低于10 cm。由于軟土地基具有高壓縮性、低滲透性、低強(qiáng)度等特點(diǎn),如不對(duì)軟土地基進(jìn)行處理,則路基的沉降量大,影響道路的使用質(zhì)量,如處理不當(dāng),則工后沉降過大,同樣影響路基的使用性能。所以要滿足設(shè)計(jì)要求,就必須對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理。

在存在軟土的施工路段,一般地基加固的費(fèi)用占總投資的比重約為1/3,甚至更大,因此選取經(jīng)濟(jì)、有效的加固方案在公路建設(shè)中至關(guān)重要。但是要成功的完成這一工作并非易事,這是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,要考慮土的特性、產(chǎn)生壓縮變形的機(jī)理、加固方案的成熟性和質(zhì)量檢測(cè)的難易程度以及施工隊(duì)伍的素質(zhì)等等。

近年來在這方面研究人員取得了不小的進(jìn)展,先后提出了很多地基處理決策方法,比如評(píng)分優(yōu)化法、層次分析法、模糊評(píng)判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)法及范例推理法等。本文結(jié)合巖土工程、土質(zhì)學(xué)和土力學(xué)等學(xué)科的最新發(fā)展,對(duì)建立高速公路軟基處理智能決策模型進(jìn)行了研究。

1 基于評(píng)分優(yōu)化法的軟基處理方案決策模型

評(píng)分優(yōu)化法就是指選擇合理的指標(biāo)體系,根據(jù)專家評(píng)分來決定最優(yōu)方案的一種系統(tǒng)工程方法。所選常見指標(biāo)一般包括工程造價(jià)、施工工期、施工技術(shù)可靠性、施工復(fù)雜程度、環(huán)境影響等。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)通常采用很低、低、一般、高、很高;很簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)單、一般、復(fù)雜、很復(fù)雜等,在考慮各個(gè)指標(biāo)的影響權(quán)重后,選擇綜合分值最高的方法作為軟基處理方法[1]。

2 基于模糊評(píng)價(jià)的軟基處理方案決策模型

模糊評(píng)價(jià)是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種方法,即根據(jù)給出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)值,經(jīng)過模糊變換后對(duì)事物做出評(píng)價(jià),這種方法將不確定的信息用定量的方法加以處理,變定性決策為定量決策,增加判斷的直觀性和準(zhǔn)確性。

軟土處理方案評(píng)價(jià)中的許多因素有模糊性,如處理效果的好壞、對(duì)環(huán)境影響的大小等已成為人們的共識(shí),為了處理影響軟基處理方案評(píng)價(jià)中因素的模糊性,許多研究人員應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論來解決軟基處理方案評(píng)價(jià)問題。王建華、李夕兵[2]提出的將模糊優(yōu)選理論運(yùn)用到評(píng)價(jià)和選擇地基處理方案中,利用相對(duì)優(yōu)屬度來選擇最佳處理方案。劉國[3]用模糊數(shù)學(xué)中的聚類分析方法分析幾種常用的軟基處理方案的技術(shù)、造價(jià)、工期等指標(biāo),并對(duì)其處理方案進(jìn)行模糊選擇是一種比較直觀的數(shù)學(xué)方法,它解決了模糊語言的歸屬問題。評(píng)價(jià)借助于計(jì)算機(jī),所考慮的因素較多,模糊矩陣樣本容量增大,那么選擇的方案越接近實(shí)際。但是,在用模糊數(shù)學(xué)來選擇軟基加固方案是隸屬度和樣本數(shù)據(jù)的確定,需要對(duì)大量的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì),需要有較豐富經(jīng)驗(yàn)的人員參與確定,否則聚類動(dòng)態(tài)分析時(shí)可能出現(xiàn)“失效或失真”現(xiàn)象。

3 基于層次分析法的軟基處理方案決策模型

層次分析法是系統(tǒng)工程中的一種決策方法,它首先把問題層次化,然后根據(jù)問題的性質(zhì)和要求達(dá)到的總目標(biāo),將問題分解為不同的組成因素,并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將不同層次聚集組合,形成一個(gè)層次階梯模型,并最終把系統(tǒng)分析歸結(jié)為最低層相對(duì)最高層的相對(duì)重要性權(quán)值的確定和相對(duì)優(yōu)劣次序的排列問題,從而選出最優(yōu)方案。劉挺、蔡升華[4]將軟基處理方案投資、工期、質(zhì)量、效果作為準(zhǔn)則層,地基處理費(fèi)用、施工工期、技術(shù)成熟性等12個(gè)指標(biāo)作為指標(biāo)層,運(yùn)用層次分析對(duì)軟基處理方案做出了綜合評(píng)價(jià)。馮仲仁、朱瑞賡[5]建立了高速公路軟基處理方案的多層次模糊決策。但層次分析法一般只用于結(jié)構(gòu)性較好的決策,而且評(píng)價(jià)主體的偏好信息和評(píng)價(jià)對(duì)象都要求量化。

4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟基處理方案決策模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是二十世紀(jì)八九十年代發(fā)展起來的基于模仿生物大腦的結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)成的一種信息處理系統(tǒng),它最大的特征是其固有的并行結(jié)構(gòu)和大規(guī)模并行處理,信息的分布式存儲(chǔ),連續(xù)時(shí)間非線性動(dòng)力學(xué),全局集體作用,高度的容錯(cuò)性和魯棒性,自組織、自學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)處理,特別是它可以從積累工程實(shí)例中學(xué)習(xí)知識(shí),盡可能多地把各種定性與定量的影響因素作為變量加以輸入,建立各影響因素與結(jié)論之間的高度非線性映射,采用自適應(yīng)模式識(shí)別方法完成預(yù)測(cè)任務(wù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為完成某一特定的任務(wù),通常采用“訓(xùn)練”的辦法。這種“訓(xùn)練”實(shí)質(zhì)上是網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程,一般它根據(jù)事先定義好的“學(xué)習(xí)規(guī)則”,按照提供的特定作業(yè)的學(xué)習(xí)實(shí)例,調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間相互連接的權(quán)值大小,從而達(dá)到記憶、聯(lián)想、歸納等目的。它已廣泛應(yīng)用于分類、診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。軟基處理方案決策是一個(gè)受多因素影響的、非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)決策問題,ANN對(duì)解決這一問題奠定了基礎(chǔ)。通過研究土的物理力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系,選用5個(gè)輸入?yún)?shù)(軟土厚度、軟土壓縮模量、地表硬殼層厚度、硬殼層壓縮模量和路堤高度),3個(gè)輸出參數(shù)(即處理方法:不處理、淺層處理和深層處理),建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速公路軟基處理方案決策模型。

5 基于灰色關(guān)聯(lián)理論的軟基處理方案決策模型

灰色關(guān)聯(lián)分析的基本思想是通過確定參考數(shù)列和若干比較數(shù)列的幾何形狀相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密,它反映了曲線間的關(guān)聯(lián)程度,大者為優(yōu)。灰色關(guān)聯(lián)分析實(shí)質(zhì)上是比較一系列數(shù)據(jù)對(duì)一條參考曲線的擬合程度。顯然,某組數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)越接近參考曲線,其關(guān)聯(lián)度也越大,該組數(shù)據(jù)代表的主體也越符合設(shè)想的要求。在軟基處理方案決策過程中,有些信息如工程造價(jià)、施工工期等可通過計(jì)算成為已知信息;有些信息如施工難度、處理效果、技術(shù)可靠性等只能定性描述而不能定量,且信息并不十分完全,各因素間的關(guān)系也不很明確,因此軟基處理方案選擇實(shí)質(zhì)上是灰色系統(tǒng)問題。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法可以解決這一問題。文獻(xiàn)[7]運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論,建立的軟基處理方案決策模型,合理確定了方案決策評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重,根據(jù)計(jì)算出的灰色關(guān)聯(lián)度來實(shí)現(xiàn)對(duì)擬選方案的優(yōu)選和排序,從而對(duì)方案做出決策,實(shí)例分析表明,該模型使用方便、決策結(jié)果合理,具有實(shí)用價(jià)值。

6 基于范例推理的軟基處理方案決策模型

范例推理(簡(jiǎn)稱CBR)的思想就是通過訪問范例庫中過去相關(guān)的事例的求解利用類比推理而獲得當(dāng)前問題解,其推理過程蘊(yùn)含了學(xué)習(xí)和歸納的功能,從而簡(jiǎn)化了知識(shí)的獲取過程。在軟土地基上修建高速公路,首先需要對(duì)是否進(jìn)行處理做出決策,某些地質(zhì)條件若處理不當(dāng),會(huì)對(duì)土的天然結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng),引起過大的附加沉降。對(duì)需要處理的地段,則需對(duì)采用深層處理還是淺層處理做出決策。影響高速公路軟基處理方案決策的因素很多,有地質(zhì)因素(土的壓縮模量、強(qiáng)度、硬殼層厚度等)、工程因素(填土高度、施工難度等)、經(jīng)濟(jì)因素(投資、維護(hù)費(fèi)用等)及環(huán)境影響因素等。長(zhǎng)期以來,研究人員已經(jīng)對(duì)軟基處理方法進(jìn)行過深入的研究,獲得了比較明確的結(jié)論。文獻(xiàn)[8]提出的基于范例推理的軟基處理決策模型,在大量的軟基處理工程實(shí)例的基礎(chǔ)上,利用類比推理的方法來獲得軟基處理方式,原理簡(jiǎn)單、直觀,使用方便。

7 結(jié)語

綜述以上6種軟基處理方案決策模型,不難發(fā)現(xiàn)這些研究對(duì)軟土地基處理的智能化決策具有重要的意義。但是仍然存在一些不容忽視的問題,以太沙基的經(jīng)典土力學(xué)為基礎(chǔ)的理論公式法仍被廣泛應(yīng)用,數(shù)值計(jì)算技術(shù)與實(shí)際情況有一定的差距,沒有充分表現(xiàn)出其優(yōu)越性,在計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天,這些問題確實(shí)是一種遺憾。軟土地基處理的設(shè)計(jì)與施工中,智能化水平不夠,地基處理的方案決策和施工決策問題研究不夠,基本停留在人為經(jīng)驗(yàn)決策階段。

[1]宋應(yīng)文,唐業(yè)績(jī).地基處理決策法[J].地基基礎(chǔ)工程,1993,3(1):7-12.

[2]王建華,李夕兵.模糊數(shù)學(xué)優(yōu)選理論評(píng)價(jià)和選擇地基處理方案[J].西部探礦工程,2002,14(3):21-24.

[3]劉 國.用模糊數(shù)學(xué)方法選擇軟土地基加固方案[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2000(4):17-19.

[4]劉 挺,蔡升華.層次分析法在地基處理方案優(yōu)化中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè),2002,35(3):31-35.

[5]馮仲仁,朱瑞賡.高速公路軟基處理方案的多層次模糊決策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(6):915-918.

[6]馮仲仁,朱瑞賡.基于MATLAB-NNT的高速公路軟基處理方案決策模型[J].巖土力學(xué),2002(4):67-68.

[7]馮仲仁,陳向陽,鄢恒珍.基于灰色理論的軟基處理方案決策模型[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004(10):11-14.

[8]馮仲仁,陳向陽,鄢恒珍.基于范例推理的公路軟基處理方案決策模型[J].巖土力學(xué),2004(11):318-320.