李向玉

(貴州順康檢測股份有限公司,貴州 貴陽 550000)

橋梁樁基是橋梁建設(shè)中不可或缺的一部分,它們是構(gòu)成橋梁框架的重要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),負責(zé)橋梁的承載、抗震、抗滑、抗拉等功能。然而,由于樁基受到外力的影響,樁基的破壞是大多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)的主要破壞模式,直接影響橋梁的安全性和穩(wěn)定性[1-2]。因此,研究和開發(fā)準(zhǔn)確高效的橋梁樁基破壞評估模型是保證橋梁安全穩(wěn)定性的現(xiàn)實需求。許方安等[3]通過理論分析和現(xiàn)場試驗,分析了水利工程基坑開挖對臨近橋梁樁基的影響,并提出了相應(yīng)的防治措施。李煉[4]通過實地測量,研究了樁基施工對高鐵隧道的影響情況,利用有限元法建立了施工時的結(jié)構(gòu)受力模型,以確保施工的安全、可靠和高效。胡瀟等[5]對橋梁樁基施工質(zhì)量控制措施進行了分析,提出了一系列有效的方法,來保證橋梁施工質(zhì)量。基于批量歸一化(Batch Normalization,BN)的橋梁樁基破壞評估模型應(yīng)用及研究,將應(yīng)用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)結(jié)合批量歸一化對研究所確立的橋梁樁基破壞評估指標(biāo)進行分析,并針對不同地質(zhì)條件,建立對應(yīng)的橋梁樁基破壞模型,以實現(xiàn)樁基損傷系數(shù)的精確評估。該評估模型應(yīng)用于橋梁樁基破壞評估,能夠幫助工程師更好地了解樁基破壞的原因和影響因素,從而更好地采取預(yù)防措施。此外,此次研究的新穎性在于采用層次分析法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法構(gòu)建新型評估模型,將定性和定量相結(jié)合,可以更準(zhǔn)確地評估樁基破壞的風(fēng)險,并可以為工程師提供預(yù)防樁基破壞的建議和措施。

1 工程概況及樁基病害檢測方法與模型構(gòu)建

1.1 工程概況及試驗探測方法

新星大橋位于龍惠高速段的丘陵區(qū),中部為丘間谷地,主要為魚塘、水庫;兩側(cè)橋臺附近為丘陵低山,山體高大、山坡較陡。橋址兩端位于山坡上,山坡較陡,植被發(fā)育,場區(qū)有鄉(xiāng)村土路與外界相通,交通條件較差。橋位區(qū)地面標(biāo)高約33.5～89.6 m。場區(qū)地貌上屬于丘陵地貌單元區(qū)。結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)和場地條件等特點,考慮工程的安全性、經(jīng)濟性、施工可行性、景觀性要求,橋型方案左幅上部結(jié)構(gòu)采用(3×35+5×20+5×20+5×20+4×20+4×20+4×20+1×20)m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)小箱梁,折合整幅橋長671.1 m。橋跨起點樁號為K44+156.4,終點樁號為K44+827.5,中心樁號為K44+492.5;右幅上部結(jié)構(gòu)采用(3×35+3×20)m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)小箱梁,折合整幅橋長177.2 m。下部橋墩采用圓柱墩;橋臺采用圓柱臺及肋板臺,伸縮縫均采用80型。本橋平面分別位于圓曲線(起始樁號:K44+156.36,終止樁號:K44+371.286,半徑:1 530 m,右偏)、緩和曲線(起始樁號:K44+371.286,終止樁號:K44+621.286,參數(shù)A:618.466,右偏)和直線(起始樁號:K44+621.286,終止樁號:K44+827.54)上,縱斷面位于R=25 000 m的豎曲線上;墩臺徑向設(shè)置。橋梁交角為90°,橋臺背墻前側(cè)線、橋墩中心線與道路設(shè)計線的右偏角為90°。因為此次檢測所處地區(qū)的水深并不是很深,而且在水中的能見度也比較高,在對經(jīng)濟效益和檢測的可用性進行了全面的考量之后,此次檢測最終采用了一種可以進行河底探摸和水下拍照的檢測方式[5-7]。

該試驗探測采用40臺攝像機構(gòu)成河底構(gòu)造表面觀察系統(tǒng),它能夠迅速地獲取到河底探測的影像,與常規(guī)的河底拍攝系統(tǒng)相比較,它顯著地提升了對探測數(shù)據(jù)進行分析和處理的效率,而且具有很好的現(xiàn)場適應(yīng)能力,對測試技術(shù)的需求也不高,適用于這次的測試。樁基礎(chǔ)沖刷測深點的布置采用固定的徑向網(wǎng)格模式,測深點之間間距≤1 m,樁基礎(chǔ)沖刷測深點總數(shù)為128點;樁基礎(chǔ)樁孔護筒測深點布置采用雙螺旋線形布置,測深點之間間距≤1 m,樁基礎(chǔ)樁孔護筒測深點總數(shù)為128點。本次檢測除了上述的河底探摸和水下拍照檢測外,還采用了X射線照相檢測和河底鋼筋檢查技術(shù),以保證橋梁構(gòu)件的安全性。針對橋梁構(gòu)件,采用X射線照相技術(shù),可以清楚地看到構(gòu)件內(nèi)部的結(jié)構(gòu),從而有效排查構(gòu)件的缺陷。而河底鋼筋檢查則可以準(zhǔn)確地檢測出橋梁構(gòu)件的鋼筋混凝土強度,以及構(gòu)件的銹蝕情況,以確保橋梁的安全性。測點分布如圖1所示。

圖1 樁基礎(chǔ)沖刷測點布置方式

由圖1可知,樁基礎(chǔ)沖刷測深點的布置,為固定的徑向網(wǎng)格模式,測深點之間間距≤1 m。其在3點鐘、6點鐘、9點鐘以及12點鐘四個方向分別均勻排布有6個樁基礎(chǔ)沖刷測點。

1.2 水下樁基病害損傷評估模型構(gòu)建

為了更好地對新星大橋的樁基病害進行準(zhǔn)確評估,研究提出構(gòu)建新型的樁基病害損傷評估模型并進行評價。在進行特定的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建前,通常要對原始數(shù)據(jù)進行一個規(guī)范化處理(Normalization),然后將規(guī)范化的數(shù)據(jù)用于模型構(gòu)建和分析。研究選取的標(biāo)準(zhǔn)化方法為批量歸一化(Batch Normalization,BN)。這是由Google在2015年提出的一種算法,用于解決深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的梯度消失/爆炸問題,以及在數(shù)據(jù)建模時對大批量的數(shù)據(jù)進行歸一化處理,并加速網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程。BN的主要思想是在每一層的輸入數(shù)據(jù)上執(zhí)行歸一化操作,使其落入一個穩(wěn)定的分布中,從而消除參數(shù)之間的依賴關(guān)系,從而加速網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程。BN表達式如公式(1)所示。

(1)

式中:x為輸入數(shù)據(jù);mean為批次數(shù)據(jù)平均值;std為樣本方差;gamma為縮放比例;beta為平移參數(shù)。

在對數(shù)據(jù)進行歸一化處理后,選用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)對大橋水下樁基病害損傷進行評估。層次分析法是一種以定性和定量為基礎(chǔ)的多目標(biāo)決策分析方法,將與決策有關(guān)的因素分解為目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次,實現(xiàn)了對決策的定量化。層次分析法是根據(jù)兩個反差系數(shù)的相關(guān)性來構(gòu)造B類判斷矩陣,并確定兩者間的相關(guān)性。

利用B的屬性對矩陣進行計算,判定其相容性,該方法的具體實現(xiàn)方法為利用和積法對各個列的因素進行規(guī)范化處理,得出各因子的一般項如公式(2)所示。

b1=b2/∑bn

(2)

式中:bn為第n個因素,b1、b2為第一個因素和第二個因素,∑bn為第一個因素和第二個因素之間的總和。

利用B類判斷矩陣,根據(jù)計算結(jié)果,評價各因素的相關(guān)性,判斷決策的可行性。層次分析法有助于提高工程決策的效率,能夠找出最優(yōu)解,有助于把握復(fù)雜問題的發(fā)展趨勢,提高決策的科學(xué)性和質(zhì)量。大橋水下樁基病害損傷評估指標(biāo),具體如表1所示。

表1 橋梁樁基破壞綜合評價體系架構(gòu)

表1列出了橋梁樁基病害損傷評估指標(biāo)的框架,包括4個一級指標(biāo)和9個二級指標(biāo),其中橋墩、橋臺、基礎(chǔ)和附屬構(gòu)造分別包括5、1、4和1個二級指標(biāo)。判斷矩陣的數(shù)值是對每個評估因素的相對重要性最直觀的反映,數(shù)值的大小尺度及對重要性的響應(yīng)如表2所示。

表2 矩陣判定標(biāo)度及其含義

表2中的矩陣判定標(biāo)度表示不同評估因素之間的相對重要性。

2 基于批量歸一化和層次分析法的橋梁樁基破壞評估應(yīng)用效果分析

針對新星大橋橋梁樁基破壞評估進行應(yīng)用效果分析,采用基于批量歸一化和層次分析法,對橋梁樁基破壞評估進行深入研究。選取80組橋梁數(shù)值做評估研究。在歸一化步驟中,選取沖刷深度h來進行歸一化效果的評估。

如圖2所示,將沖刷深度h數(shù)據(jù)矩陣進行歸一化處理后得到數(shù)據(jù)柱狀圖,從圖中可知,經(jīng)過歸一化處理后的數(shù)據(jù),均在[0,1]之間分布,且其排布層次感更加鮮明,經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣,不但去除了數(shù)據(jù)中的白噪聲,而且將高斯白噪聲剔除,使其接近于無干擾狀態(tài)。因此,基于批量歸一化和層次分析法的橋梁樁基破壞評估應(yīng)用效果較好,評估精度高,可靠性強;批量歸一化技術(shù)可以消除原始數(shù)據(jù)中的影響因素,有效控制評估結(jié)果的變異性,提高評估精度。利用MATLAB分別建立不同類型的評估模型,并由10名專家對不同級別的評估因子進行對比,得出不同級別的評估結(jié)果,計算出不同級別的判定矩陣的最大特征值與最大特征根之間的正規(guī)化矢量,并驗證判定矩陣的相容性。具體如表3所示。

表3 指標(biāo)層權(quán)重結(jié)構(gòu)表

圖2 沖刷深度h進行歸一化處理前后效果對比

表3顯示了橋梁樁基破壞評估模型的指標(biāo)層權(quán)重結(jié)構(gòu)。從總指標(biāo)層上看,橋墩占有最大的比重,占總比重的38.6%,其次是橋臺占21.1%,基礎(chǔ)占23.5%,附屬構(gòu)造占16.8%。在一級指標(biāo)層上,墩身水平位移、墩身垂直位移、混凝土表面破損、水下墩身裂縫寬度和水下墩身裂縫深度的權(quán)重分別為20.9%、20.4%、19.8%、18.6%和20.3%;在基礎(chǔ)一級指標(biāo)層上,沖刷深度、基礎(chǔ)變形程度、基礎(chǔ)表面破損和其他病害程度的權(quán)重分別為31.4%、20.6%、29.4%和18.6%。以標(biāo)準(zhǔn)層次為基礎(chǔ),可以求出最優(yōu)化的綜合權(quán)值。在二級指標(biāo)層上,按照現(xiàn)有的評定標(biāo)準(zhǔn),橋臺和附屬構(gòu)造的權(quán)重均為1。經(jīng)過計算后,隨機一致性比率CR2=0.0292<0.1,表明一致性測試通過,接受所求得的比較矩陣與權(quán)值系數(shù)。因此,橋梁樁基破壞評估模型的指標(biāo)層權(quán)重結(jié)構(gòu)完整、清晰,為橋梁破壞評估模型提供了有力的支持。基于上述指標(biāo)層權(quán)重結(jié)構(gòu),可以求出橋梁樁基破壞評估模型的綜合權(quán)值。根據(jù)現(xiàn)有的評價標(biāo)準(zhǔn),在每個一級指標(biāo)層上,可以計算出最優(yōu)化的綜合權(quán)值。這樣,就能夠得出橋梁樁基破壞的綜合評價,為橋梁的管理和維修提供有效的參考。為了進一步探究橋梁樁基在河水沖刷時的穩(wěn)定性,選取不同水位、不同滲透率以及不同水位下降速率來對橋梁樁基的穩(wěn)定性進行分析,如圖3所示。

圖3 不同影響因子條件下對橋梁樁基損傷系數(shù)的影響程度

由圖3(a)可知,隨著水位的增加,橋梁樁基的損傷系數(shù)由降低到增加,當(dāng)水位高度為1～4 m時,損失系數(shù)由1.285下降為1.238; 當(dāng)水位高度為4～7 m時,損失系數(shù)由1.238上升至1.296。由圖3(b)可知,初始條件下,橋梁樁基的損傷系數(shù)隨著滲透率的增加而增加,且其損失系數(shù)由0.5%滲透率時的1.138上升至3.0%滲透率時的1.289。經(jīng)過6個小時的強降雨,會導(dǎo)致橋梁樁基的損傷系數(shù)的降低。所以在水平方向滲流系數(shù)低于豎直方向時,降水對橋梁樁基的影響更大。由圖3(c)可知,水位高度在6 m以下時,不論水位下降速率維持在哪種水平,其損傷系數(shù)并未發(fā)生太大變化。初始損傷系數(shù)為1.0～1.2,若水位>6 m時,其斜率出現(xiàn)了驟增的現(xiàn)象,損傷系數(shù)驟升至1.5～1.7。當(dāng)水位升到9 m 時,橋梁樁基的損傷系數(shù)已經(jīng)達到1.67。在橋梁樁基破壞評估中,滲透率、水位及水位下降速率均為重要的影響因素。

3 結(jié) 論

以新星大橋為例,對構(gòu)建的新型樁基損壞評估模型在實際中的應(yīng)用進行了分析。經(jīng)過計算,隨機一致性比率CR2=0.0292<0.1,證明一致性測試符合要求,接受所求得的比較矩陣與權(quán)值系數(shù)。因此,橋梁樁基破壞評估模型的指標(biāo)層權(quán)重結(jié)構(gòu)完整、清晰。此外,通過實證分析還發(fā)現(xiàn),在橋梁樁基破壞評估中,滲透率、水位及水位下降速率均為重要的影響因素。