基于粗糙集理論的膨脹土路基氣候作用分析及水毀災(zāi)害預(yù)測.pdf

1、膨脹土是一種顆粒高度分散、能夠反復(fù)脹縮變形、對環(huán)境的濕熱變化十分敏感的高塑性粘土，它具有吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的工程特性。由于其不良的工程特性導(dǎo)致了工程上的許多問題或地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生。作為淺表層輕型構(gòu)筑物的路基工程，膨脹土路基的水毀損害一直是巖土工程界和工程地質(zhì)領(lǐng)域中世界性的重大工程難題之一。 膨脹土路基的水毀受氣候的影響非常之大。就膨脹土的形成和分布而言，它與氣候有很大的關(guān)系，特別是降雨和干旱對膨脹土路基的水毀更是有著直

2、接的關(guān)聯(lián)。在全球變暖的大環(huán)境下考慮異常氣候?qū)ε蛎浲谅坊畾У挠绊懛浅１匾?。本文結(jié)合交通部西部課題《水對膨脹土路基的損害作用機(jī)理研究》，綜合分析了國內(nèi)外對膨脹土水毀研究的現(xiàn)狀，通過理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、大型模型試驗(yàn)和粗糙神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等方法，對膨脹土的水毀機(jī)理和災(zāi)害預(yù)測進(jìn)行了廣泛而深入的研究，取得了一些創(chuàng)新性的成果，得出了如下幾方面的結(jié)論： 1．提出了運(yùn)用粗糙集理論對膨脹土進(jìn)行分類的新方法。本文基于粗糙集的理論和方法，運(yùn)用粗糙集理論的

3、重要性原理，對膨脹土分類指標(biāo)的重要性進(jìn)行排序，可以剔除膨脹土脹縮等級評價體系中的相互關(guān)聯(lián)甚至無效的指標(biāo)。現(xiàn)行的對膨脹土脹縮等級進(jìn)行評判的指標(biāo)和方法很多，但是從評判結(jié)果與試驗(yàn)指標(biāo)之間的粗糙依賴度來看，在許多膨脹土分級方法中，評判結(jié)果并不完全依賴于某些試驗(yàn)指標(biāo)。研究表明：通過計(jì)算膨脹土脹縮指標(biāo)的重要性可以補(bǔ)充新的試驗(yàn)指標(biāo)以完善指標(biāo)體系，使之更加準(zhǔn)確地對膨脹土進(jìn)行分級。 針對膨脹土分類時數(shù)據(jù)不相容和信息不完備等情況，提出了引入貝葉斯方

4、法計(jì)算可信度和支持度的條件概率，以及提取條件概率大于某一閾值的規(guī)則。最后通過邏輯合取與析取歸并膨脹土的分類規(guī)則。該算法解決了粗糙集在處理類似問題時容易出現(xiàn)的數(shù)據(jù)挖掘規(guī)則失真等問題。 2．分析了氣候?qū)ε蛎浲谅坊畾У挠绊?。特別是干燥的膨脹土具有強(qiáng)大的膨脹潛勢，對膨脹土路基的穩(wěn)定尤為不利。通過對廣西南(寧)友(誼關(guān))路寧明路段中膨脹土和湖南常(德)張(家界)路慈利路段弱膨脹土的一系列室內(nèi)試驗(yàn)和大型模型試驗(yàn)研究，深入地探討了不同氣候條

5、件下膨脹土路基土體內(nèi)含水量的變化規(guī)律和干濕循環(huán)對路基土體的影響；分析了雨水入滲與土體風(fēng)化作用對邊坡土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響：指出了由于膨脹土路基裂隙的存在，不能忽視降雨沖刷力和地表徑流對路基穩(wěn)定的影響；并根據(jù)膨脹土地區(qū)的路基附屬建筑物的受力分析，提出了一種新的膨脹土路基附屬物的設(shè)計(jì)方法。 3．對膨脹土路基水毀有著重要影響的降雨和干旱兩種氣候進(jìn)行了概率分析。為了更好地分析極端降雨對膨脹土路基的影響，本文根據(jù)某地的日降雨量資料，對極端

6、降雨的分析中公認(rèn)較為出色的皮爾遜-Ⅲ型分布、耿貝爾分布建立了分析模型，進(jìn)行了極值分布模型擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，指出皮爾遜-Ⅲ型分布可以更好地模擬日降雨量的極值。并分析了干旱對膨脹土以及膨脹土路基的影響，建立了基于馬爾可夫鏈的晴雨轉(zhuǎn)化矩陣，并引入某干旱模型來評價干旱等級，為膨脹土路基水毀的預(yù)測提供了依據(jù)。 4．根據(jù)災(zāi)害學(xué)原理對膨脹土路基的水毀進(jìn)行了分類。膨脹土路基水毀是嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害的屬性特征和等級劃分，對膨脹土的地質(zhì)災(zāi)

7、害特征進(jìn)行了分析，指出膨脹土路基水毀是突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。并根據(jù)常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害等級的劃分對膨脹土災(zāi)害進(jìn)行了分析，確定了膨脹土的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級和地質(zhì)災(zāi)害等級。結(jié)合常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情的評估，分析了膨脹土路基地質(zhì)災(zāi)害評估和預(yù)測的特點(diǎn)，并提出了評估和預(yù)測膨脹土路基水毀災(zāi)害的方法。 5．采用粗糙神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對膨脹土路基的水毀進(jìn)行了預(yù)測。膨脹土路基水毀是一個典型的非線性問題，本文采用改進(jìn)型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對膨脹土路基的水毀進(jìn)行預(yù)測。本文提出了運(yùn)用粗糙集對

8、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，約簡輸入數(shù)據(jù)來簡化輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，并提取規(guī)則確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)個數(shù)，從而確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。 對于MATLAB中已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在相同輸入出現(xiàn)不同輸出的現(xiàn)象，首次提出了用蒙特卡洛方法對膨脹土脹縮等級、降雨量、干旱持時和路基坡度進(jìn)行概率模擬，然后再輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對輸出結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，確定膨脹土路基水毀的發(fā)生概率。計(jì)算結(jié)果分析表明：該算法為計(jì)算任意地區(qū)的膨脹土路基水毀的概率提