王怡慎 張尚根

在城市建設(shè)和地下空間開(kāi)發(fā)中,大型深基坑工程越來(lái)越多,基坑的開(kāi)挖將引起周圍地層的變形,對(duì)臨近基坑建筑物的安全必然產(chǎn)生一定程度的影響,由此引起的環(huán)境土工公害問(wèn)題也十分突出,因此需要對(duì)基坑周邊建筑物沉降等進(jìn)行觀測(cè)[1]。常用的預(yù)測(cè)方法主要有回歸分析、灰色預(yù)測(cè)[2]、時(shí)間序列分析[3]等,但這些方法本質(zhì)上都是用某一確定的模型來(lái)表達(dá)變量間的關(guān)系,存在一定的缺陷。研究表明[1],神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是解決變形預(yù)測(cè)最有效方法之一。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已經(jīng)有60余年的歷史了,但實(shí)際的應(yīng)用卻是在最近的30年里。作為一種新的方法體系,由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模并行、分布式存儲(chǔ)和處理、非線性映射、自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力和魯棒容錯(cuò)等特性,特別適合處理需要同時(shí)考慮許多因素或條件不精確和模糊的信息處理問(wèn)題,這使得它在許多方面都有著廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐表明,多層前向BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,一般由三層組成,即1個(gè)輸入層、1個(gè)隱含層和1個(gè)輸出層。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

2 工程實(shí)例計(jì)算

2.1 工程概況

蘇州新景天商務(wù)地產(chǎn)發(fā)展有限公司擬建的蘇州高新國(guó)際商務(wù)廣場(chǎng)位于蘇州高新區(qū)。該工程主體建筑設(shè)3層地下室,采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。本工程的基坑工程分為A區(qū),C區(qū)及B區(qū)。根據(jù)勘察結(jié)果,勘察深度覆蓋層主要為長(zhǎng)江沖擊形成的黏性土和砂性土,層次較多,呈交錯(cuò)沉積或互層狀?？辈焐疃葍?nèi)的土層可分為16個(gè)大層,24個(gè)亞層,包括素填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等。B區(qū)持力層為④2粉細(xì)砂(Ql4濱海—河口相):灰色,飽和,密實(shí)為主。主要成分為長(zhǎng)石及石英,次之云母碎屑。頂板標(biāo)高-9.22～-7.58,厚度5.3 m～8.6 m。系低壓縮性,中高度土層,工程性能良好。該層土承載力特征值220 kPa,預(yù)制樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值80 kPa,鉆孔灌注樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值70 kPa,抗拔系數(shù)0.5。自然地坪標(biāo)高-0.600,A區(qū),C區(qū)基坑平面形狀為不規(guī)則八邊形,開(kāi)挖深度在-15.200～-22.400之間,開(kāi)挖面積約為7 100 m2,支護(hù)體系采用灌注樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系,水泥土深攪拌樁作為止水帷幕;B區(qū)呈矩形區(qū),開(kāi)挖深度為-14.100,開(kāi)挖面積約為4 500 m2,支護(hù)體系采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系(北側(cè)為灌注樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系),水泥土深攪拌樁作為止水帷幕。

基坑西側(cè)與金獅大廈群房最近處約3 m,該大廈群房有一層地下室,獨(dú)立基礎(chǔ),埋深-4.650,與B區(qū)地下室埋深相差約10 m。本文利用深基坑變形預(yù)報(bào)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)基坑西側(cè)的金獅大廈群房沉降進(jìn)行預(yù)測(cè),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

2.2 預(yù)測(cè)方法

在基坑施工過(guò)程中,為預(yù)測(cè)下步某一時(shí)間段內(nèi)建筑物沉降,可用前幾次相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為原始輸入,將以后幾次該相應(yīng)點(diǎn)的各預(yù)測(cè)值視為輸出,在時(shí)間推進(jìn)到下一日以后,將該日的實(shí)際監(jiān)測(cè)值滾入作為新的輸入,而置換掉最前一日的監(jiān)測(cè)值,以不斷更換輸入數(shù)據(jù)而進(jìn)行下一時(shí)間預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 樣本的訓(xùn)練、檢驗(yàn)與預(yù)測(cè)

首先選擇地質(zhì)條件、開(kāi)挖深度與該基坑工程類似的建筑物沉降數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,達(dá)到精度要求后,再對(duì)基坑西側(cè)的金獅大廈群房沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究,總共選擇20組數(shù)據(jù),其中,前15組用來(lái)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),后5組用于檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò),訓(xùn)練樣本采用前3次的數(shù)據(jù)作為輸入,第4次的數(shù)據(jù)作為輸出,以此類推,不斷對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。樣本數(shù)要考慮到土方開(kāi)挖及支撐施工周期,并用前兩次和當(dāng)次的數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)初始數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)第2次及以后的建筑物沉降,預(yù)測(cè)步長(zhǎng)為6 d。

2.4 預(yù)測(cè)結(jié)果

本文基于MATLAB 6.5這一平臺(tái),編制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多步預(yù)測(cè)程序。BP模型網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層、輸出層組成,其中輸入層包含3個(gè)神經(jīng)元,分別表示前3次的輸入向量,輸出層包含 1個(gè)神經(jīng)元,表示第4天的預(yù)測(cè)值。建筑物沉降預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較見(jiàn)表1。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合較好,能滿足工程應(yīng)用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在深基坑開(kāi)挖中,應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)建筑物沉降具有較高的精度,在工程實(shí)踐中有較好的實(shí)用性;

2)由于建筑物沉降受到工況的影響較大,尤其是基坑支撐拆除前后建筑物沉降改變量較大,因此,在學(xué)習(xí)樣本中,至少應(yīng)包含1個(gè)以上的工況。

[1] 袁金榮.地下工程施工變形的智能預(yù)測(cè)與控制[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2001.

[2] 廖野瀾.監(jiān)測(cè)位移的灰色預(yù)報(bào)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1996,15(3):269-274.

[3] 張玉祥.巖土工程時(shí)間序列預(yù)報(bào)問(wèn)題初探[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998,17(5):552-558.

[4] 樓順天.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1998.