黃瑞梅

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深厚淤泥爆炸擠淤堆石壩沉降預(yù)測研究

黃瑞梅

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 漳州 363000）

針對當(dāng)前應(yīng)用于深厚淤泥處理軟基的控制加載爆炸擠淤堆石壩的沉降預(yù)測建立預(yù)測模型，采用灰色理論通過建立Verhulst模型預(yù)測爆破擠淤筑堤的沉降量，通過實(shí)測對比，表明預(yù)測數(shù)據(jù)能很好地與實(shí)際吻合。

控制加載；爆炸擠淤；堆石壩；沉降；預(yù)測

1 引言

地基沉降是影響建(構(gòu))筑物設(shè)計、施工和正常使用的主要因素，因此一直是土力學(xué)中的重要的研究課題之一。早在20世紀(jì)初，K Terzaghi[1-2]等人就曾建立了經(jīng)典的地基沉降分析法，此后又有很多人為該方法的改進(jìn)和完善作出了重要貢獻(xiàn)。20世紀(jì)70年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，采用有限元分析法計算地基沉降成為可能但是時至今天，某些地基沉降課題仍然困擾著土木工程技術(shù)人員。

2 控制加載爆炸擠淤置換法基本原理

為了使圍堤石料深埋入堤基淤泥深處 ,在需要進(jìn)行地基處理的圍堤端頭前沿的淤泥中埋設(shè)群藥包;爆炸時 ,爆破力將淤泥從藥包中心向四周排擠并向上拋起形成爆坑,這時處在爆坑前沿的圍堤堆積體將失去支撐，并在爆炸負(fù)壓和強(qiáng)烈振動作用下,瞬間滑入巨大爆坑內(nèi)形成泥石置換 ,從而達(dá)到擠淤換石的目的。[3-5]滑入爆坑的圍堤石料形成“爆炸石舌”,繼續(xù)在“爆炸石舌”上堆填混合石料堆積體,在新的圍堤石料前沿淤泥中埋設(shè)藥包并引爆,讓新的圍堤石料堆積滑入新的爆坑,這樣周而復(fù)始進(jìn)行,達(dá)到爆炸處理淤泥軟基的目的。

控制加載爆炸擠淤處理軟基以其施工簡便、人力消耗小、工期短、見效快、投資省、地基后期沉降小等優(yōu)勢近年來被廣泛應(yīng)用于深厚淤泥軟基的處理中。但由于應(yīng)用時間短，人們對該技術(shù)的作用機(jī)理和技術(shù)工藝仍僅限于在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的認(rèn)識。為此研究深厚淤泥爆炸擠淤堆石壩的沉降預(yù)測具有現(xiàn)實(shí)工程意義。

3 灰色沉降預(yù)測模型

深厚淤泥爆炸擠淤法處理深層軟基能否確保工期、保質(zhì)、保量完成，關(guān)鍵之一在于正確估算地基沉降量。本文采用實(shí)測資料擬合的方法計算最終沉降量。

灰色系統(tǒng)理論屬于系統(tǒng)科學(xué)，[6-8]它提供了在較少信息情況下求解系統(tǒng)問題的新途徑。它將一切隨機(jī)變量看作是在一定范圍內(nèi)變化的灰色量, 將隨機(jī)過程看作是在一定范圍內(nèi)變化的、與時間有關(guān)的灰色過程。對灰色量用數(shù)據(jù)生成的方法, 將雜亂無章的原始數(shù)據(jù)整理成規(guī)律性較強(qiáng)的生成序列, 然后建立模型進(jìn)行預(yù)測。這樣, 就能在較高的層次上處理問題,從而較全面地揭示系統(tǒng)的長遠(yuǎn)變化規(guī)律。

3.1 灰色模型的提出

德國生物學(xué)家Verhulst 根據(jù)生物繁殖及人口變化的特征得出如下非線性微分方程模型:

式中：a，b—常數(shù)；（t）—生物繁殖量；p（t）—阻尼項(xiàng)。

灰色模型的p(t)-t曲線呈S狀，開始和末端處的p(t)隨t緩慢增長，中間段增長較快（見圖1）。該曲線與路堤沉降隨時間的變化曲線（見圖2）相近。因此, 本文用Verhulst提出的非線性微分方程來建立沉降預(yù)測模型。

圖1 Verhulst模型幾何形狀

圖2 實(shí)測沉降-時間曲線

灰色Verhulst模型屬單序列一階非線性數(shù)理統(tǒng)計動態(tài)模型。其基本思想是將監(jiān)測得到的離散的、隨機(jī)的原始位移一時間序列x(0)，經(jīng)過累加處理，得到一個累加生成序列x(1)，根據(jù)該序列建立模型進(jìn)行計算，最后將模型計算值進(jìn)行累減還原后即可得到沉降量預(yù)測值。

3.2 模型精度的檢驗(yàn)

通過對殘差、方差、方差比、小誤差概率等的計算再依據(jù)后驗(yàn)差比C和小誤差概率P判定預(yù)測值的精度，精度標(biāo)準(zhǔn)見表1。其中，C和P中只要有一個符合標(biāo)準(zhǔn)，就認(rèn)為滿足相應(yīng)的精度要求。如果不滿足精度要求，可根據(jù)殘差序列建立帶有殘差的Verhulst模型進(jìn)一步修正，直至滿足精度要求為止。

表1 模型精度標(biāo)準(zhǔn)

4 沉降預(yù)測實(shí)例

本工程屬濱海及淺海地貌單元，灘涂原始地面標(biāo)高為-2.73～4.86m，場地約70％～80％的面積已成為填石陸域區(qū)，地面高程-2.12～12.85m。場地地址情況分棄方覆蓋區(qū)及非棄方取土區(qū)，棄方區(qū)主要為石方，混有土和淤泥，棄方區(qū)厚度變化不規(guī)則，棄方區(qū)下部為淤泥層，大部分厚度約5～15m，淤泥下為含泥角礫碎石、粘土等。非棄方區(qū)，頂標(biāo)高+4.0m～+8.0m，面層為淤泥，淤泥厚度約29～40m(包括擠淤隆高的5～9m)。計算斷面如圖3。

該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，淤泥層較厚，施工中采用了儲能藥包的裝置，利用控制加載爆炸擠淤法來處理深厚淤泥。工程沉降觀測從2006年9月開始，本文選擇從2006年10月7日至2007年3月9日的沉降數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行了灰色預(yù)測。

圖3 堤壩斷面設(shè)計圖

本文對沿堤身布置的8個不同測點(diǎn)進(jìn)行模擬，圖4即是部分測點(diǎn)模擬結(jié)果（篇幅所限僅給出2個測點(diǎn)的曲線，其余測點(diǎn)曲線類似），結(jié)果顯示預(yù)測值能夠很好的接近實(shí)際監(jiān)測值，在初步估計的情況下，模型的誤差是可以接受的。從預(yù)測與實(shí)測結(jié)果對比看出，在最初的階段兩者有較大的誤差，這與最初的沉降量較大、沉降沒有規(guī)律有關(guān)，隨著時間的推移兩者日趨接近，預(yù)測值反映出了沉降的實(shí)際規(guī)律。模型參數(shù)及模型精度檢驗(yàn)結(jié)果見表1所示。

圖4 觀測點(diǎn)5沉降的預(yù)測值與實(shí)測值隨時間的變化曲線

表1 實(shí)例沉降灰色verhulst預(yù)測模型之參數(shù)及模型精度檢驗(yàn)

5 與其他分析方法比較

5.1 軟基沉降分析

對軟基沉降的分析,可以指導(dǎo)實(shí)際施工過程中的進(jìn)程,其中沉降速率是控制爆炸速率的主要指標(biāo)之一。沉降觀測資料整理結(jié)果圖5，從中可知：

（1）地表沉降量隨時間的增加逐步增加，但變化逐漸變緩，沉降速率逐漸變小，說明沉降快速趨于穩(wěn)定。

（2）在爆破后的整個觀測過程中，監(jiān)測到的最大沉降速率達(dá)到28.86 mm/d，出現(xiàn)在觀測點(diǎn)1 的爆后初期，在爆炸后的前三個月內(nèi)（12周），沉降速率平均達(dá)到13.37 mm/d，在后期（21周后），基本上在1 mm/d以內(nèi)。

（3）沉降量的增量(即沉降速率)在監(jiān)測初期較大,至監(jiān)測末期(19周后)已很小,收斂速度很快,說明沉降已趨于穩(wěn)定。沉降穩(wěn)定很快，這是爆炸擠淤置換法的一大特點(diǎn)，也是一大優(yōu)點(diǎn)。

圖5 沉降過程線

5.2 固結(jié)度分析

固結(jié)度與實(shí)測沉降量和最終沉降量有關(guān)，實(shí)測沉降量是已定，則其值取決于計算最終沉降量的大小，圖6是用灰色Verhulst模型預(yù)測的不同時期的固結(jié)度曲線，圖9中可以看出：

觀測前期固結(jié)度增長較快，幾乎成線性增長。前七周以每周7.5%左右的速度增加，中間8周約增長6%/每周，到15周基本固結(jié)90%，爆破擠淤23周后各點(diǎn)的固結(jié)度均達(dá)99%左右，其收斂速度相當(dāng)快。故控制加載爆炸擠淤法處理軟基具有加快工期，提高效率等優(yōu)點(diǎn)。

以上通過對累計沉降量和沉降速率及固結(jié)度的分析計算，得出的結(jié)論基本與灰色模型分析結(jié)論想吻合。但這些方法相對于灰色模型計算繁瑣，速度慢，且對后期的預(yù)測稍有偏差。而用灰色模型則計算速度和效果較好，與試驗(yàn)工程吻合也較好。能有效地預(yù)測此種堤壩的變形沉降，具有理論與實(shí)用價值。

圖6 固結(jié)度曲線

6 結(jié)論

介紹了深厚淤泥爆炸擠淤定向滑移的原理及軟基處理中常見的沉降計算方法的研究發(fā)展及其內(nèi)容和應(yīng)用。通過分析研究得到以下結(jié)論：

1）利用灰色Verhulst模型對典型工程進(jìn)行沉降預(yù)測，結(jié)果表明，爆炸擠淤置換法處理軟基一般4-5個月即可達(dá)沉降穩(wěn)定，可以大大提高施工進(jìn)度；

2）從預(yù)測結(jié)果可知，灰色verhulst模型能夠較好的預(yù)測爆破擠淤筑堤的沉降量，而且誤差小、精度高（后驗(yàn)差比C<0.1，小誤差概率P =1），減少了常規(guī)方法的工作量，應(yīng)在類似工程中推廣應(yīng)用；

3）灰色Verhulst模型能有效削弱原始數(shù)據(jù)中隨機(jī)項(xiàng)的影響，因而有較強(qiáng)的適應(yīng)性。本文根據(jù)Verhulst模型預(yù)測路堤沉降，預(yù)測精度均屬好；

4）實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明，灰色Verhulst沉降預(yù)測模型能有效地預(yù)測此種堤壩的變形沉降，具有理論與實(shí)用價值。

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Research on Predicting the Settlement of Rock-fill Dam through Deep Mud Displacement by Blasting

HUANG Rui-mei

（Architectural Engineering Department, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000，China）

In connection with the current method of predicting the settlement of rock-fill dam through deep mud displacement by blasting in the way of control load to treat soft cley ground, this paper sets up a predicting model by employing Grey Theory and by establishing Verhulst model to predict the settlement of dam by blasting. By comparision with actual measurement, it shows that the predicted data are in good accordance with the paractice.

control load; mud displacement by blasting; rock-fll dam; settlement; to predict

2009－12－15

漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研計劃資助項(xiàng)目（ZZY0810）

黃瑞梅（1972－），女，福建漳州人，副教授，碩士，主要從事建筑工程教學(xué)及研究。

TU 14

A

1673-1417（2010）01-0017-05

（責(zé)任編輯：季平）