彭啟林

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

如何對軟土路基沉降進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)路基沉降存在的隱患，降低路面凹凸、跳車等問題的出現(xiàn)率，是公路監(jiān)理部門關注的重點[1]。有學者提出綜合的評估方法，對軟土路基沉降觀測點的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，以提高處理結(jié)果的準確性[2]。公路軟土路基沉降對公路的穩(wěn)定性影響顯著，且需要進行持續(xù)的觀測，以便及時采取處理措施。如何對公路軟土路基沉降進行持續(xù)觀測，在海量數(shù)據(jù)中找到關鍵監(jiān)測量，是公路施工、監(jiān)理部門亟待解決的問題。目前通常采用傳統(tǒng)的算法進行數(shù)據(jù)處理與分析，但在實際工程中，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)量很大，這些海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往主要依靠人的經(jīng)驗判斷，主觀性強，費時費力且容易出錯，因此有必要提出一種新的計算方法，減少傳統(tǒng)計算分析方法對經(jīng)驗判斷的依賴，提高數(shù)據(jù)處理工作的效率及準確率。

基于上述原因，本文提出一種BP算法，對公路軟土路基沉降進行實時監(jiān)測，通過設置條件函數(shù)的方式，提高軟土路基沉降觀測的準確度，有利于公路工程施工、監(jiān)理、管理部門及時發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控路基沉降問題。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡分析方法與算法

1.1 客觀因素

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是利用輸入層、傳輸層和輸出層的數(shù)據(jù)分析方法，對已知問題進行綜合的定性、定量分析。其中，輸入層的分析與輸出層的結(jié)果之間，要進行多次的權重、閾值計算，以保證輸出結(jié)果的準確性。BP神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)勢在于模糊性、綜合性和學習性，可以對客觀世界中的少量數(shù)據(jù)進行綜合分析，并經(jīng)過多次的學習和調(diào)整，得到與客觀現(xiàn)實接近的綜合計算結(jié)果。目前，BP神經(jīng)網(wǎng)絡廣泛應用于社會各個領域，但在公路軟土路基方面的研究較少?；谏鲜鲈?，本文將軟土路基觀測內(nèi)容分為三方面：(1)軟土路段所處的地質(zhì)基礎差，設置為x1；(2)軟基路段土壤物理承受能力有限，設置為x2；(3)軟土路段受溫度、地下水影響，出現(xiàn)塑性變形，設置為x3。

1.2 主觀因素

主觀因素包括四個方面：(1)地下水位驟降，路段土壤下陷,設置為y1；(2)地質(zhì)調(diào)查不充分,設置為y2；(3)路徑設置存在人為失誤，或計算失誤,設置為y3；(4)施工過程不規(guī)范，施工材料不達標，施工評估不合理,設置為y4。

通過客觀與主觀的兩個層面分析，不僅可以降低人為因素對于軟土路基沉降觀測的影響，而且可以對觀測結(jié)果進行定量的分析，為后期處治策略的制定提供數(shù)據(jù)性的保障。

1.3 公路軟土路基沉降觀測的BP算法

(1)

式中:xi為主觀影響因素，yj為客觀影響因素，bij為閥值，wij為權重。為了保證路基沉降的準確性，根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》、《公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范》，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，得到數(shù)據(jù)的誤差值e，即監(jiān)測數(shù)值與相關規(guī)定中的數(shù)值差異。公式(1)可轉(zhuǎn)化為以下公式：

(2)

式中：O為理論輸出值，D為實際輸出值。

1.4 公路軟土路基沉降觀測的誤差分析

軟土路基沉降觀測分為隨機誤差Em和系統(tǒng)誤差EC。Em是觀測過程中由于難以控制的因素所導致的誤差；EC是觀測過程中由于觀測工具、人為原因所導致的誤差，如式(3)所示。

(3)

通過上述分析，公路軟土路基沉降觀測的系統(tǒng)誤差和隨機誤差判斷，可以從部分和整體兩個方面進行誤差分析，以此降低誤差值。

2 BP算法與傳統(tǒng)算法的對比分析

2.1 工程概況

廣東興寧至汕尾高速公路海豐至紅海灣開發(fā)區(qū)項目是《廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2004～2030年)》規(guī)劃布局方案中二縱的組成部分，也是溝通汕尾與粵東北地區(qū)的交通干線，線路起自汕尾，經(jīng)陸河、揭西、平遠、興寧至粵贛省界，項目一期工程起止位置為塘尾至赤坑。本施工監(jiān)理合同段起止樁號為：K0+000～K21+840，路線總長21.84km，設特大橋、大橋5 758.316m/11座；中、小橋294.8m/8座；隧道1 684.5m/2座(雙洞平均長)；涵洞33座，均為鋼筋砼蓋板涵；設塘尾、陸豐西、西湖、沙港互通立交共4處，可塘服務區(qū)1處。橋梁占路線總長的比例為27.7%，隧道比為7.7%，橋隧比為35.4%。

路線區(qū)域內(nèi)幾乎均有軟土存在，軟土埋深約0～10.2m，處理深度約4.3～21.0m，主要為淤泥質(zhì)細砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，具有含水量高、高孔隙性、低滲透性、高壓縮性、低抗剪強度、較顯著的觸變性和蠕變性等特點。軟土路基起訖里程為K11+483～K21+840, 其中袋裝砂井約355萬m，管樁約17萬m，A型素砼樁約22萬m。軟基預壓荷載設計為等載預壓，預壓土方39.58萬m3，預壓高度約為0.9m。橋頭段落前后30m超載預壓，預壓高度為1.2m。

2.2 常規(guī)軟基監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

首先必須弄清地質(zhì)情況，了解施工要求，理解設計意圖后，制定詳細的監(jiān)測工作方案(細則)，待審批后，按方案細則要求進行準備工作。儀器埋設就緒后，監(jiān)測小組成員嚴格按照制訂的方案進行監(jiān)測。

在監(jiān)測儀器調(diào)試正常后，施工單位按“薄層輪加法”進行填土施工。填土后，監(jiān)理工程師立即進行動態(tài)跟蹤觀測，經(jīng)監(jiān)控小組判別，反饋路堤穩(wěn)定信息，若監(jiān)控指標超標，則報監(jiān)控領導小組，采取相應的停加載等措施。在取得強度增長規(guī)律后及時提出調(diào)整填土計劃，總結(jié)本階段監(jiān)控成果，向業(yè)主匯報。

網(wǎng)板主要由絲網(wǎng)、網(wǎng)框和掩膜圖形等組成。具體參數(shù)設置包括網(wǎng)板開孔尺寸、厚度及開孔方向。網(wǎng)板開孔尺寸主要由印刷板對應焊盤的尺寸決定；網(wǎng)板的越厚則開孔越小，越不有利于焊膏釋放；焊膏釋放在焊盤的長度方向與印刷方向一致時，印刷效果較好。常見網(wǎng)板設計工藝見表1。

監(jiān)測工作是指導路基安全穩(wěn)定填筑到設計高度的基礎，監(jiān)測設施的保護就顯得尤為重要。施工單位務必做好現(xiàn)場管理工作，發(fā)現(xiàn)儀器損壞及時通知監(jiān)控單位，并協(xié)助其進行儀器的恢復和復測工作。

軟土路基沉降監(jiān)測是公路地基穩(wěn)定的保障。常規(guī)軟土路基沉降觀測的監(jiān)測數(shù)據(jù)量較大，存在監(jiān)測時間較長的問題，監(jiān)控資料很難在當天整理及時分析并形成監(jiān)測報告，將監(jiān)測成果反饋給業(yè)主或監(jiān)控領導小組，由監(jiān)控領導小組通報給設計、監(jiān)理和施工單位。

2.3 BP算法與傳統(tǒng)算法對比分析

以興寧至汕尾高速公路海豐至紅海灣開發(fā)區(qū)段一期工程的軟土地基為觀測對象，I期的軟土層為低液限粉土粘層，且地下水位在1.5m左右。觀測BP算法與傳統(tǒng)算法的指標，包括：地質(zhì)基礎x1、土壤物理承受能力x2、塑性變形x3；路段土壤下陷程度y1、地質(zhì)調(diào)查情況y2、計算失誤y3。具體內(nèi)容見表1。

表1 觀測點設置情況

由表1可知，BP算法的觀測點少于傳統(tǒng)算法，即BP算法的冗余數(shù)據(jù)量更少，為后期計算準確性的提高奠定基礎。為了提高數(shù)據(jù)處理的效率，需確定數(shù)據(jù)的分類中心(分類中心即數(shù)據(jù)的聚類中心，便于提出非特征值)。通過上述分析，可以得到不同k值的分類中心(表2)。

表2 不同k值下的分類中心

由表2可見，聚類數(shù)目k=5時，di系數(shù)最大。兩種算法的結(jié)果顯示：Di和di分別為BP、傳統(tǒng)算法的分類中心，Di最小值為0.230、最大值為0.303；di最小值0.309，最大值為0.462，表明BP算法的結(jié)果更優(yōu)。

2.4 工程監(jiān)測結(jié)果對比分析

在路堤、涵洞、橋梁等結(jié)構(gòu)物的布設觀測點，進行兩種算法的比較。通常軟土路段1 000m需平均布設5個斷面，橋梁兩端各3個,同一橫斷面布設3個沉降板。軟土路基沉降應低于1.5cm/d。每填1層均需進行1次測量記錄，因故停工時，3d觀測1次。將BP算法對公路軟土路基沉降觀測的結(jié)果進行比較(表3)。

表3 不同測試點的觀測結(jié)果比較

通過上述分析可知，各觀測點的預警結(jié)果符合興汕項目設計要求及軟土路基中誤差率<0.1的指標，整體的測試結(jié)果比較滿意。BP算法的實際與理論觀測誤差較小，處于0～1范圍內(nèi)，其中觀測結(jié)果與實際需求相一致[4]。BP算法的水位沉降、土壤沉降的觀測頻率較高，優(yōu)于傳統(tǒng)算法，存在顯著差異，與國內(nèi)的相關研究結(jié)果相一致[5]。兩種算法測得的地質(zhì)變形的觀測次數(shù)較少，主要是由于地質(zhì)變形的發(fā)生概率較低。總體來說，兩種算法不同測試點的觀測結(jié)果比較平均，說明整體的觀測效果較好。

2.5 BP算法與傳統(tǒng)算法準確度對比

為了進一步驗證該公路軟土路基沉降的觀測結(jié)果，需對其觀測時間、觀測準確度進行判斷和分析。

通過圖1的觀測結(jié)果顯示，在多觀測頻率下，BP算法不同觀測點的觀測準確性較高，處于95%～98%之間，明顯高于傳統(tǒng)算法。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因，是由于BP算法利用傳輸層的權重、閾值，大幅降低數(shù)據(jù)的處理量，提高數(shù)據(jù)中特征值的比例。因此，本文提出的公路軟土路基沉降監(jiān)測方法，可以提高監(jiān)測公路軟土路基的準確性。

圖1 觀測準確性

2.6 BP算法與傳統(tǒng)算法觀測的時效性對比

公路軟土路基觀測監(jiān)理的另一個重要指標為觀測時效，該指標主要是在觀測準確性一定情況下的觀測效率，為相關處理措施的提出提供數(shù)據(jù)支持。

通過圖2分析可知，兩種算法的數(shù)據(jù)處理時間主要集中在23.2s，數(shù)據(jù)觀測準確性集中在96%，而BP算法的準確率較高。由此可知，本文提出的BP算法在公路原土路基沉降觀測方面，可以有效地對軟土路基沉降進行觀測。

圖2 觀測時間與準確性之間的對比

3 結(jié)論

公路軟土路基沉降觀測技術的關鍵，是要把握主觀和客觀因素，結(jié)合路段的地質(zhì)、水文、土壤承載力等多方面因素，進行有效的觀測。同時，公路軟土路基沉降觀測點越多，監(jiān)測的效果越好，但也存在測試數(shù)據(jù)過多，延長數(shù)據(jù)處理時間的問題。

(1)BP算法的理論值與實際觀測值相比誤差較小，處于0～1范圍內(nèi)，其中觀測結(jié)果與實際需求相一致。

(2)BP算法的水位沉降、土壤沉降的觀測頻率較高，優(yōu)于傳統(tǒng)算法，存在顯著差異，與國內(nèi)的相關研究結(jié)果相一致。總體來說，BP算法與傳統(tǒng)算法的不同測試點的觀測結(jié)果比較平均，說明整體的觀測效果較好。

(3)本文采用的BP算法，在多觀測頻率下，不同觀測點的觀測準確性較高，處于95%～98%之間，并且數(shù)據(jù)處理時間主要集中在23.2s，數(shù)據(jù)觀測準確性集中在96%。由此說明，本文提出的公路軟土路基沉降監(jiān)測BP算法，可以實現(xiàn)公路軟土路基的準確監(jiān)測。

(4)本文提出的公路軟土路基沉降監(jiān)測BP神經(jīng)網(wǎng)絡計算分析方法與算法，可以實現(xiàn)對軟土路基沉降監(jiān)測外業(yè)數(shù)據(jù)的智能分析和有效管理。