深厚淤泥爆炸挤淤堆石坝沉降预测研究

黄瑞梅



深厚淤泥爆炸挤淤堆石坝沉降预测研究

黄瑞梅

（漳州职业技术学院 建筑工程系，福建 漳州 363000）

针对当前应用于深厚淤泥处理软基的控制加载爆炸挤淤堆石坝的沉降预测建立预测模型，采用灰色理论通过建立Verhulst模型预测爆破挤淤筑堤的沉降量，通过实测对比，表明预测数据能很好地与实际吻合。

控制加载；爆炸挤淤；堆石坝；沉降；预测

1 引言

地基沉降是影响建(构)筑物设计、施工和正常使用的主要因素，因此一直是土力学中的重要的研究课题之一。早在20世纪初，K Terzaghi[1-2]等人就曾建立了经典的地基沉降分析法，此后又有很多人为该方法的改进和完善作出了重要贡献。20世纪70年代以来，随着计算机技术的进步，采用有限元分析法计算地基沉降成为可能但是时至今天，某些地基沉降课题仍然困扰着土木工程技术人员。

2 控制加载爆炸挤淤置换法基本原理

为了使围堤石料深埋入堤基淤泥深处 ,在需要进行地基处理的围堤端头前沿的淤泥中埋设群药包;爆炸时 ,爆破力将淤泥从药包中心向四周排挤并向上抛起形成爆坑,这时处在爆坑前沿的围堤堆积体将失去支撑，并在爆炸负压和强烈振动作用下,瞬间滑入巨大爆坑内形成泥石置换 ,从而达到挤淤换石的目的。[3-5]滑入爆坑的围堤石料形成“爆炸石舌”,继续在“爆炸石舌”上堆填混合石料堆积体,在新的围堤石料前沿淤泥中埋设药包并引爆,让新的围堤石料堆积滑入新的爆坑,这样周而复始进行,达到爆炸处理淤泥软基的目的。

控制加载爆炸挤淤处理软基以其施工简便、人力消耗小、工期短、见效快、投资省、地基后期沉降小等优势近年来被广泛应用于深厚淤泥软基的处理中。但由于应用时间短，人们对该技术的作用机理和技术工艺仍仅限于在经验基础上的认识。为此研究深厚淤泥爆炸挤淤堆石坝的沉降预测具有现实工程意义。

3 灰色沉降预测模型

深厚淤泥爆炸挤淤法处理深层软基能否确保工期、保质、保量完成，关键之一在于正确估算地基沉降量。本文采用实测资料拟合的方法计算最终沉降量。

灰色系统理论属于系统科学，[6-8]它提供了在较少信息情况下求解系统问题的新途径。它将一切随机变量看作是在一定范围内变化的灰色量, 将随机过程看作是在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程。对灰色量用数据生成的方法, 将杂乱无章的原始数据整理成规律性较强的生成序列, 然后建立模型进行预测。这样, 就能在较高的层次上处理问题,从而较全面地揭示系统的长远变化规律。

3.1 灰色模型的提出

德国生物学家Verhulst 根据生物繁殖及人口变化的特征得出如下非线性微分方程模型:

式中：a，b—常数；（t）—生物繁殖量；p（t）—阻尼项。

灰色模型的p(t)-t曲线呈S状，开始和末端处的p(t)随t缓慢增长，中间段增长较快（见图1）。该曲线与路堤沉降随时间的变化曲线（见图2）相近。因此, 本文用Verhulst提出的非线性微分方程来建立沉降预测模型。

图1 Verhulst模型几何形状

图2 实测沉降-时间曲线

灰色Verhulst模型属单序列一阶非线性数理统计动态模型。其基本思想是将监测得到的离散的、随机的原始位移一时间序列x(0)，经过累加处理，得到一个累加生成序列x(1)，根据该序列建立模型进行计算，最后将模型计算值进行累减还原后即可得到沉降量预测值。

3.2 模型精度的检验

通过对残差、方差、方差比、小误差概率等的计算再依据后验差比C和小误差概率P判定预测值的精度，精度标准见表1。其中，C和P中只要有一个符合标准，就认为满足相应的精度要求。如果不满足精度要求，可根据残差序列建立带有残差的Verhulst模型进一步修正，直至满足精度要求为止。

表1 模型精度标准

4 沉降预测实例

本工程属滨海及浅海地貌单元，滩涂原始地面标高为-2.73～4.86m，场地约70％～80％的面积已成为填石陆域区，地面高程-2.12～12.85m。场地地址情况分弃方覆盖区及非弃方取土区，弃方区主要为石方，混有土和淤泥，弃方区厚度变化不规则，弃方区下部为淤泥层，大部分厚度约5～15m，淤泥下为含泥角砾碎石、粘土等。非弃方区，顶标高+4.0m～+8.0m，面层为淤泥，淤泥厚度约29～40m(包括挤淤隆高的5～9m)。计算断面如图3。

该工程地质条件复杂，淤泥层较厚，施工中采用了储能药包的装置，利用控制加载爆炸挤淤法来处理深厚淤泥。工程沉降观测从2006年9月开始，本文选择从2006年10月7日至2007年3月9日的沉降数据资料，进行了灰色预测。

图3 堤坝断面设计图

本文对沿堤身布置的8个不同测点进行模拟，图4即是部分测点模拟结果（篇幅所限仅给出2个测点的曲线，其余测点曲线类似），结果显示预测值能够很好的接近实际监测值，在初步估计的情况下，模型的误差是可以接受的。从预测与实测结果对比看出，在最初的阶段两者有较大的误差，这与最初的沉降量较大、沉降没有规律有关，随着时间的推移两者日趋接近，预测值反映出了沉降的实际规律。模型参数及模型精度检验结果见表1所示。

图4 观测点5沉降的预测值与实测值随时间的变化曲线

表1 实例沉降灰色verhulst预测模型之参数及模型精度检验

5 与其他分析方法比较

5.1 软基沉降分析

对软基沉降的分析,可以指导实际施工过程中的进程,其中沉降速率是控制爆炸速率的主要指标之一。沉降观测资料整理结果图5，从中可知：

（1）地表沉降量随时间的增加逐步增加，但变化逐渐变缓，沉降速率逐渐变小，说明沉降快速趋于稳定。

（2）在爆破后的整个观测过程中，监测到的最大沉降速率达到28.86 mm/d，出现在观测点1 的爆后初期，在爆炸后的前三个月内（12周），沉降速率平均达到13.37 mm/d，在后期（21周后），基本上在1 mm/d以内。

（3）沉降量的增量(即沉降速率)在监测初期较大,至监测末期(19周后)已很小,收敛速度很快,说明沉降已趋于稳定。沉降稳定很快，这是爆炸挤淤置换法的一大特点，也是一大优点。

图5 沉降过程线

5.2 固结度分析

固结度与实测沉降量和最终沉降量有关，实测沉降量是已定，则其值取决于计算最终沉降量的大小，图6是用灰色Verhulst模型预测的不同时期的固结度曲线，图9中可以看出：

观测前期固结度增长较快，几乎成线性增长。前七周以每周7.5%左右的速度增加，中间8周约增长6%/每周，到15周基本固结90%，爆破挤淤23周后各点的固结度均达99%左右，其收敛速度相当快。故控制加载爆炸挤淤法处理软基具有加快工期，提高效率等优点。

以上通过对累计沉降量和沉降速率及固结度的分析计算，得出的结论基本与灰色模型分析结论想吻合。但这些方法相对于灰色模型计算繁琐，速度慢，且对后期的预测稍有偏差。而用灰色模型则计算速度和效果较好，与试验工程吻合也较好。能有效地预测此种堤坝的变形沉降，具有理论与实用价值。

图6 固结度曲线

6 结论

介绍了深厚淤泥爆炸挤淤定向滑移的原理及软基处理中常见的沉降计算方法的研究发展及其内容和应用。通过分析研究得到以下结论：

1）利用灰色Verhulst模型对典型工程进行沉降预测，结果表明，爆炸挤淤置换法处理软基一般4-5个月即可达沉降稳定，可以大大提高施工进度；

2）从预测结果可知，灰色verhulst模型能够较好的预测爆破挤淤筑堤的沉降量，而且误差小、精度高（后验差比C<0.1，小误差概率P =1），减少了常规方法的工作量，应在类似工程中推广应用；

3）灰色Verhulst模型能有效削弱原始数据中随机项的影响，因而有较强的适应性。本文根据Verhulst模型预测路堤沉降，预测精度均属好；

4）实际应用结果证明，灰色Verhulst沉降预测模型能有效地预测此种堤坝的变形沉降，具有理论与实用价值。

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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

漳州职业技术学院科研计划资助项目（ZZY0810）

黄瑞梅（1972－），女，福建漳州人，副教授，硕士，主要从事建筑工程教学及研究。

TU 14

A

1673-1417（2010）01-0017-05

（责任编辑：季平）