几种软基处理方案决策模型

几种软基处理方案决策模型

杨萌

湖北工业大学土木建筑与环境学院武汉

摘要：随着高速公路的修建软土问题越来越突出已成为影响工程质量建设工期和工程造价的关键因素之一。故如何选择技术可靠经济合理安全适用的软基处理方案具有重大的理论和现实意义。本文首先介绍了中国高速公路软基处理技术决策问题的研究现状，然后介绍了几种软基处理方案决策模型，有多层次模糊决策模型、基于MATLAB-NNT的决策模型、5参数ANN决策模型、基于灰色理论的决策模型、基于范例推理的决策模型等。

1.引言

近十几年来，中国高速公路发展迅速。在高速公路修建过程中，遇到大量软土问题。这时，需要对是否进行处理，是进行深层处理还是浅层处理等问题做出决策。对需要处理的地段，则需要确定是深层处理还是浅层处理。浅层处理常用砂垫层、砂构等；深层处理常用砂井预压、塑料排水板预压、粉体搅拌桩等。在这些决策中，影响因素众多，计算工作量大，设计理论不完善，经验往往起重要的作用。因此，如何使软基处理技术决策更具科学性变得非常重要，许多学者进行了研究，其中有：多层次模糊决策软基处理模型、基于MATLAB-NNT的软基处理决策模型、5参数ANN软基处理决策模型、基于灰色理论的软基处理决策模型、基于范例推理的软基处理决策模型等。

2.几种模型的简要介绍

2.1多层次模糊决策软基处理模型

模糊决策理论和层次分析法是系统工程理论中对非定量问题分析的有效决策方法。多层次模糊决策模型为二者相结合所构造，并用其对实际工程案例中的软基路段的加固方案进行多因素综合分析，筛选出最优方案，使得最终得到满意结果。多层次模糊决策模型不仅适用于软土地基加固设计的方案选择，而且还可以将其扩展到其它方面的工程设计中去，诸如道路选线、桥梁基础选择与桥型方案选择等。

该高速公路软基处理方案的多层次模糊决策模型，对实际软基处理工程进行了实例研究，可证明模型是有效的，得到了较满意的评价结果。当在加固方案较多的，使用该模型将定性指标定量化，使得方案简单明了。非常简易实用，且全面合理。

多层次模糊决策软基处理模型的最后评价结果取决于各判断矩阵元素的取值，这些数据的获取方法至关重要。一般可以通过对过去工程资料进行的分析、理论计算和专家咨询等方法。同时该模型不仅适用于软土地基加固设计的方案选择，而且还可以将其扩展到其他方面的工程设计中去，诸如道路选线、桥梁基础选择与桥型方案选择等。

2.2基于MATLAB-NNT的软基处理决策模型

MATLAB是由美国MathWorks公司推出的为科学和工程计算而专门设计的高级交互式软件包。他是一种高性能的用于工程计算的编程软件。MATLAB提供的神经网络工具箱NNT(NeuralNetworkToolbox)几乎完整地概括了现有的神经网络的新成果，所涉及到的网络模型有：感知器、线性络、BP网络、径向基函数网络、自组织网络、回归网络等。

对于各种网络模型，NNT集成了多种学习算法，为用户提供了极大的方便。NNT的最新版本4.01还提供了更便捷的功能，可方便地创建神经网络、建立输入和目标数据向量。

以MATLAB-NNT为工具建立的高速公路软基处理方案决策模型，经工程实例所得出的数据，进行训练、回判和预测，得到了满意的结果，证明模型是有效的。可以看出，该模型非常方便。本文中的建模方法完全可移植到其他高速公路的地基处理工程中，从而得

出在其他地质条件下合适的处理方法，对软土处理方案决策具有指导意义。该模型只是用于软基处理问题的一个简单的例子，下一步应考虑以更多的软土的物理力学参数作为模型的输入，如初始孔隙比、先期固结压力、压缩指数和回弹指数等，使模型的实用性更强。

2.35参数ANN软基处理决策模型

针对高速公路软基处理的决策问题，在研究了有关土工参数的相关性后，提出以软土厚度、软土压缩模量、路堤高度、地表硬壳层厚度和硬壳层压缩模量作为决策参数。模型检验证明，这些决策参数的选择是合适的。以高速公路工程实例的资料为原始数据，以MATLAB-NNT为工具，建立了5参数高速公路软基处理方案的ANN决策模型，对所建立的ANN模型进行训练、回判和预测。得到了满意的结果，证明模型是有效的。该建模方法完全可移植到其它高速公路的地基处理工程中，从而得出在其它工程中合适的处理方法，对软土处理方案决策具有指导意义。

2.4基于灰色理论的软基处理决策模型

灰色系统理论是指系统中既含有已知信息，又含有未知信息的系统，灰色系统理论是研究解决灰色系统分析、建模、预测、决策和控制的理论。灰色关联分析是对一个系统发展变化态势的定量描述和比较的方法，是灰色系统理论中最基本的方法之一。其基本思想是通过确定参考数列和若干比较数列的几何形状相似程度判断其联系是否紧密，它反映了曲线间的关联程度，大者为优。灰色关联分析实质上是比较一系列数据对—条参考曲线的拟合程度。显然某组数据的变化趋势越接近参考曲线，其关联度越大、该组数据代表的主体越符合设想要求。基本步骤包括:确定比较数据列、确定参考数据列、关联系数计算、关联度计算。

灰色关联分析是一种数学运算理论，数据处理过程中，并没有渗入人的主观判断，而是对确定的定量指标进行比较计，这样保证了结论的准确性。但该模型涉及到影响因素的权重，因而包含了人的主观因素，但由于采用层次分析确定权重可大大减少人的主观因素，用灰色关联分析法来选择最优软基处理方案具有直观、考虑因素多、评价优选结果可靠等优点。

2.5基于范例推理的软基处理决策模型

在软土地基上修建高速公路，首先需要对是否进行处理做出决策，对某些地质条件若处理不当，会对土的天然结构产生扰动，引起过大的附加沉降。对需要处理的地段，则需要对深层处理还是浅层处理做出决策：浅层处理有换填土、砂垫层等；深层处理有砂井预压、塑料排水板预压、粉体搅拌桩、碎石桩、二灰桩等。在软基处理技术决策中，涉及的影响因素众多，有地质因素(土的压缩模量、强度、硬壳层厚度等)、工程因素(填土高度、施工难度等)、经济因素(投资、维护费用等)及环境影响因素等。计算工作量大，设计理论不完善，经验往往起着重要的作用。对于缺少工程经验的工程师来说，可能有盲目性。

如何使软基处理技术决策更具科学性变得非常重要，近年来这方面的研究取得了不少新的进展，研究人员先后提出了新的地基处理决策方法，如评分优化法、模糊评判法、层次分析法以及神经网络决策法等等，这些方法的研究从不同的角度反映了影响软基处理方案的因素的随机性和未知性，而且有大量的、成熟的软基处理方法在软基处理方案决策中可进行比较和应用。

3.结语

在软基处理技术决策中，涉及的影响因素众多，计算工作量大，设计理论不完善，经验往往起着重要的作用。如何使软基处理技术决策更具科学性变得非常重要，近年来这方面的研究取得了不少新的进展，研究人员先后提出了新的地基处理方案决策新方法。本文提出的几种软基处理决策模型，在大量的软基处理工程实例的基础上，对所建立的模型进行训练、回判和预测。得到了满意的结果，证明模型是有效的。文中的所列的建模方法完全可移植到其它高速公路的地基处理工程中，从而得出在其它工程中合适的处理方法，对软土处理方案决策具有指导意义。