余曉雅,張海清

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 保定 071002)

1 引言

建筑施工過程中,地基深基坑的開挖勢(shì)必引起地基內(nèi)應(yīng)力場變化,土體和周邊建筑物產(chǎn)生形變,影響工程質(zhì)量[1,2],嚴(yán)重則會(huì)產(chǎn)生樓體坍塌事故,帶來重大經(jīng)濟(jì)損失,威脅人民群眾生命安全。所以對(duì)基坑開挖底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)是十分必要的,這也是當(dāng)前建筑領(lǐng)域研究的核心問題[3]。

針對(duì)建筑深基坑的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)問題,現(xiàn)階段學(xué)者們給出了如下典型處理方案:李宏釗等人[4]提出一種基于空間遙地耦合探測(cè)技術(shù)的建筑地基監(jiān)測(cè)方法。使用遙感信息探測(cè)得到建筑參數(shù),融合遙感探測(cè)、工程分析參數(shù)與建筑空間測(cè)算,構(gòu)成用來計(jì)算地基形變的探測(cè)技術(shù)。王曉磊等人[5]提出基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地基糾偏沉降預(yù)測(cè)方法。在遺傳算法-反向傳播(Genetic Algorithm-Back Propagation,GA-BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,將掏土量和掏土方位擬作控制參數(shù),分析建筑底板沉降情況,完成地基糾偏過程評(píng)估。但以上兩種方法計(jì)算復(fù)雜度高,且輸出風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)間較長。

由此,提出一種基于改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)的基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)方法。剖析現(xiàn)階段基坑底面下沉真實(shí)狀況,從不同層面劃分基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo),利用改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)方法實(shí)現(xiàn)基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè),在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證了所提方法有效性,能為高效率建筑施工發(fā)揮重要作用。

2 基坑開挖底面下沉模態(tài)

為進(jìn)一步明確基坑開挖底面下沉情況,分析基坑開挖地面形變過程。在形變特點(diǎn)剖析中,地基會(huì)受到靜水壓力的作用,且不考慮重度梯度影響[6]。融合構(gòu)件滯回特點(diǎn),利用松弛參數(shù)分析底面應(yīng)力與屈服響應(yīng)。使用最大累計(jì)下沉控制策略研究建筑地基深基坑開挖下沉模式與形態(tài)。

設(shè)定深基坑開挖的單元應(yīng)力矢量是a,應(yīng)變矢量是β,基坑底面中產(chǎn)生網(wǎng)狀縫隙的解析式為

(1)

其中,am、βm依次表示總測(cè)量點(diǎn)的縫隙開展度與鋼筋屈服,i表示其中任意測(cè)量點(diǎn)。

(2)

其中,

(3)

(4)

式中,bmn表示彈性因子,C表示壓力數(shù)據(jù)彈性模量,Gi為第i組形變方位節(jié)點(diǎn)的板角約束力,Ei為基坑底面豎向撓度。

按照以上內(nèi)容,即可實(shí)現(xiàn)建筑地基深基坑開挖底面形變參數(shù)模擬,得到現(xiàn)階段基坑底面下沉的真實(shí)情況,為后續(xù)下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)提供理論支持。

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系構(gòu)建

基坑開挖底面下沉存在很多風(fēng)險(xiǎn)元素,如果不精準(zhǔn)辨別隱含風(fēng)險(xiǎn)源,會(huì)延誤建筑施工進(jìn)度[9]。建筑地基基坑開挖時(shí),具備如下風(fēng)險(xiǎn)元素:

1)自然狀態(tài):地質(zhì)、水文、氣候等;

2)所處環(huán)境:周邊建筑物、地下管線(涵蓋管道埋深、材質(zhì)、竣工時(shí)間)、周邊道路狀況等;

3)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):基坑開挖深度、寬度、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等;

4)施工元素:排水措施、場地布置、施工模式、機(jī)械選擇、工程順序等。

建筑深基坑施工是一項(xiàng)內(nèi)容豐富、頗具風(fēng)險(xiǎn)的工程,尤其是在雨季,由于地質(zhì)條件、地下水狀況、天氣變化、施工次序及周邊環(huán)境,極大影響了深基坑施工進(jìn)度[10]。在此基礎(chǔ)上,采用層次分析法來評(píng)價(jià)基坑工程底面下沉危險(xiǎn)性。層次分析法將定性與定量相結(jié)合,將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)[11],構(gòu)成了一個(gè)有序、多層的層級(jí)結(jié)構(gòu)。基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與指標(biāo)層,將其表示成圖1。

圖1 基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系示意圖

4 風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)基坑地面下沉風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,利用改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)監(jiān)測(cè)基坑地面下沉風(fēng)險(xiǎn)。為有效提升基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)精度與速率,提出一種基于改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)的基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)方法。極限學(xué)習(xí)機(jī)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型使用復(fù)雜度最小的單隱層架構(gòu)[12],如果輸入層、隱含層、輸出層的節(jié)點(diǎn)依次是c、H、1,那么將極限學(xué)習(xí)機(jī)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)表示成圖2。

圖2 極限學(xué)習(xí)機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對(duì)固定數(shù)據(jù)集K={(x1,y1),L,(x1,y1)},將極限學(xué)習(xí)機(jī)數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型描述成

(5)

其中,αi、oi依次表示輸出層神經(jīng)元、輸入層神經(jīng)元和第i個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)重,pi是第i個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的偏置,xi為訓(xùn)練數(shù)量,l(x)表示隱含層輸出矩陣。

訓(xùn)練開始前,預(yù)先選擇原始輸入權(quán)重oi與偏置pi。同時(shí)在訓(xùn)練中oi的值固定不變[13],輸出權(quán)重αi可利用式(6)獲取

(6)

其中,yi代表第i個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

極限學(xué)習(xí)機(jī)方法將訓(xùn)練偏差最低作為輸出結(jié)果的衡量準(zhǔn)則,導(dǎo)致在訓(xùn)練時(shí)極易產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象[14],減少了基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。面向此類問題,設(shè)計(jì)一種融合經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小與結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小的改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)方法。把式(6)的方程變換為

(7)

在式(7)內(nèi)引入拉格朗日算子,得到

(8)

其中,φi代表拉格朗日算子。

利用最優(yōu)化定理,設(shè)置Q對(duì)α、φi的偏導(dǎo)均為0,即可獲得以下線性方程

(9)

其中,R表示偏導(dǎo)因子,κ為非零常數(shù),Ω代表方陣。將方陣內(nèi)的元素值記作

Ωij=[(o1,p1,xi)·(o1,p1,xj)]

(10)

在式(8)、(9)中可知,在建模改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)法時(shí)無需計(jì)算隱含層偏置pi,增強(qiáng)訓(xùn)練計(jì)算效率,并全方面考慮了經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)與結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)兩種要素,在一定程度上減少過擬合現(xiàn)象。

建筑地基深基坑開挖底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的具體步驟如下:

步驟1,歸一化處理。訓(xùn)練數(shù)據(jù)前,要對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理。歸一化條件屬性是訓(xùn)練樣本的輸入數(shù)據(jù),決策屬性是輸出數(shù)據(jù),使用離散化處理全部數(shù)據(jù)屬性,得到基坑開挖底面下沉數(shù)據(jù)的決策表。將r類樣本的能量均值描述成

(11)

歸一化處理的本質(zhì)就是把數(shù)據(jù)依照比例投射至某個(gè)區(qū)間,通常使用極值法完成歸一化過程,這里將其定義為

(12)

其中,xmin為數(shù)據(jù)序列內(nèi)的最小值,xmax為數(shù)據(jù)序列內(nèi)的最大值。

步驟2,計(jì)算延遲步數(shù)。為明確最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)輸入架構(gòu),要獲得其具體的延遲步數(shù)[15]。針對(duì)時(shí)間序列z而言,推算其延遲步數(shù)的自相關(guān)指數(shù)u(q)即可得到延遲步數(shù)的值,將其運(yùn)算過程表述成

(13)

若自相關(guān)指數(shù)u(q)符合式(14)的約束條件,那么該時(shí)間序列延遲步數(shù)的相關(guān)性較為明顯,反之相關(guān)性較差。

(14)

其中,M代表訓(xùn)練迭代次數(shù),u是延遲步數(shù)平均值。

步驟3,確立風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)臨界值。建筑基坑下沉值d≤10mm,證明其處于低風(fēng)險(xiǎn),10≤d≤30mm表明處于中風(fēng)險(xiǎn),30≤d≤50mm證明處于高風(fēng)險(xiǎn)。

步驟3,構(gòu)建訓(xùn)練模型。確立了延遲步數(shù)后,就能獲得各層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)量并創(chuàng)建基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)訓(xùn)練模型,記作

(15)

5 實(shí)驗(yàn)分析

為證明研究方法的應(yīng)用可行性,設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析不同方法的性能差異,將文獻(xiàn)[4]提出的基于空間遙地耦合探測(cè)技術(shù)的建筑地基監(jiān)測(cè)方法(遙地耦合探測(cè)方法)和文獻(xiàn)[5]提出的基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地基沉降預(yù)測(cè)方法(GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法)作為對(duì)照組,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為MATLAB 7.0,實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為某市正在施工的建筑,在該軟件平臺(tái)上構(gòu)建建筑地基模型,如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)建筑深地基模型

該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用900m厚地下連續(xù)墻,主體架構(gòu)基坑開挖深度是16～19m,設(shè)定該基坑包含1道砼支撐與6道鋼支撐。建筑周邊具備較多建筑物,其中距離最近的是1棟6層磚混架構(gòu)民房,距離基坑只有5m左右。待施工建筑使用條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深約為2.5m,條形基礎(chǔ)下方是15m深度的深層攪拌樁地基加固,加固體和基坑之間的距離為0.8～4.5m。將實(shí)驗(yàn)劃分為三個(gè)階段,分別為降水階段、注漿階段和開挖失水階段,監(jiān)測(cè)日期為2021年8月5日～10月15日,挑選較有代表性下沉數(shù)據(jù)的日期為分析目標(biāo),對(duì)比真實(shí)基坑底面沉降值與三種方法下得到的沉降值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 降水階段地基下沉累計(jì)變化值

圖5 注漿階段地基下沉累計(jì)變化值

根據(jù)圖4～圖6所得數(shù)據(jù)可知,降水階段得到的最高下沉值為-8mm,注漿階段在地表有部分隆起,最高隆起約為6mm,降水僅能把水位下降到巖土分界面,深基坑開挖失水期部分裂隙有水溢出,又一次引發(fā)基坑底面下沉,得到最終的基坑開挖下沉真實(shí)值為-15.5mm,所提方法下沉值為-16mm,遙地耦合探測(cè)方法、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到的下沉值依次為-20mm和-18mm?？梢钥吹?當(dāng)前基坑底面下沉處于中等風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)采取對(duì)應(yīng)措施避免底面下沉情況繼續(xù)惡化,這也與實(shí)際施工情況基本相符。

圖6 開挖失水階段地基下沉累計(jì)變化值

為證明所提方法可靠性,使用三種方法評(píng)估建筑地基深基坑開挖底面下沉中存在的風(fēng)險(xiǎn),比較不同方法的誤判率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種方法基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)誤判率對(duì)比

根據(jù)圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,所提方法在下沉風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面具備較低誤判率,四種風(fēng)險(xiǎn)元素的誤判率均保持在5%以下,遙地耦合探測(cè)方法、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)誤判率分別處在10%、7.5%左右。這是因?yàn)樗岱椒L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估前首先采取分析基坑形變特點(diǎn),得到較為真實(shí)的計(jì)算數(shù)據(jù),大大提升了后續(xù)下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

設(shè)定基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的迭代次數(shù)為800次,以耗時(shí)指標(biāo)為測(cè)試指標(biāo),對(duì)比三種方法在風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)效性方面的優(yōu)劣,結(jié)果如圖8所示。

圖8 三種方法時(shí)對(duì)比

從圖8可知,伴隨實(shí)驗(yàn)數(shù)量的增多,三種方法的監(jiān)測(cè)總耗時(shí)呈上升趨勢(shì),但所提方法耗時(shí)增長速率較為緩慢,且在第600次實(shí)驗(yàn)后基本保持在8ms～9ms,說明該方法具備更強(qiáng)的適用性。

6 結(jié)論

建筑地基深基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)受到較多因素影響,屬于一種復(fù)雜不確定性問題,為更好地分析底面下沉風(fēng)險(xiǎn)情況,提出基于改進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)的基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)方法。推算基坑底面網(wǎng)狀縫隙,分析載荷-平面移動(dòng)分布彈性模量與裂縫開展度、鋼筋屈服間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),獲得底面下沉實(shí)時(shí)狀態(tài),創(chuàng)建基坑底面下沉風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,在極限學(xué)習(xí)機(jī)方法中代入經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小與結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小條件,獲得高精度基坑下沉風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)輸出結(jié)果。所提方法計(jì)算簡便、實(shí)用性強(qiáng),可為建筑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供新的計(jì)算思路。