软土路基变形的非线性时序建模及应用研究
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摘要
软土路基变形比较复杂，影响因素众多，从软土路基变形机理出发来建立模型，并对路基变形进行拟合和预测是困难的。本文从实测变形数据出发，利用数据中所蕴含许多信息，来建立沉降模型。
本文的主要内容如下：
(1)介绍了软土路基稳定与变形的基本特性和机理，总结了软土路基变形预测的必要性，分析了软土路基变形预测的难点和存在的问题，简要介绍了时间序列的优缺点以及应用的广泛性。
(2)详细阐明了时间序列的基本思想、几种常见的时间序列模型以及时间序列的动态特征，分析了如何利用自相关函数和偏相关函数来对模型进行判定，通过对时间序列的几种定阶准则的比较，确定一种好的定阶准则来建立模型，从而可以利用逆函数法进行预报。
(3)介绍了混沌时间序列的研究意义，阐述了混沌时间序列的基本理论以及三种预测模式，确定了最大Lyapunov指数的计算步骤。
(4)从路基实测变形数据出发，将时间序列非平稳性模型(ARIMA模型)转化成时间序列平稳模型(ARMA模型)，通过模型识别、参数估计、模型验证等步骤来建立模型，从而进行路基动态变形预测，利用路基变形的控制标准对路基下一级填土的时间进行预测，优化了施工组织设计，节省了时间和资金。
(5)路基超载完成后，在路基荷载稳定期间内，利用混沌时间序列中的最大Lyapunov指数和全域法进行长期预测，同时与一些比较成熟的变形预测方法进行对比，对工程中一些重点断面进行综合评判，确定一个较理想的预测结果，从而对路基超载进行卸载，使其满足工程设计要求。
时间序列预测方法虽广泛的应用于各行各业，并取得了比较好的效果，但是在预测高速公路路基变形方面应用较少，尤其是用于填土期间的变形预测罕见报道，本文作者在这方面作了一些开拓性的工作。
The warp of soft soil foundation is much complicated and the factors affected are much more. It's difficult to fit and predict the warp of road foundation just from the model setted up from the warp principle itself. The thesis stars from the warp material got in the practice,and sets up the road warp model from the much information that affects the warp factors.
The main content of the thesis is as the following:
(1) It states the basic peculiarity and the principle of the steady of road foundation and the warp settlement, sums up the necessity of the predict of soft soil road foundation warp, analyses the difficulty and the questions unsolved existing in the predict of soft soil road foundation settlement,and simply introduces both the advantages and disadvantages and the wide utilization of time series.
(2) It explains the basic concept of time series, some kinds of the common time series models and the development characteristics of time series in detail. It analyses how to judge the model from the self-related function and the deviation related function. Determining a better standard to set up models from the comparison of some kinds of fixed step time series standards, then predicts utilizing the counter function.
(3) It introduces the study significance of chaotic the time series, explains the basic theory and three kinds of predict models of the chaotic time series, and makes sure the step that counts the biggest index number Lyapunov.
(4) The thesis converts unrest model (ARIMA model )of time series to the rest model (ARMA model ) of time series. It sets up models acrossing some procedures, such as model identify, factor estimation, model check, ect, then predict the development short-term warp of road foundation. It predicts the time of the filling soil of the next grade utilizing the growth theory of the strength of the road foundation, assures that the working organization and design go smoothly during the filling work of road foundation and saves time and money.
(5) Another is the long-term predict utilizing the biggest index number Lyapunov in the chaotic time series and the whole space method during the steady period of the road foundation load, after the overload of the road foundation finished. Meanwhile, contrasts with some mature settlement predict methods, estimating some important section in the engineering synthetically, making sure an ideal outcome of the predict warp, then unload the overload of
road foundation and make it satisfy the design request.
Though the predict methods in the thesis are widely used in every field and acquire better consequence, but the methods using in the predict of the high way road foundation warp are little, especially reported little in the settlement predict during the period of filling soil. The author of the thesis does some pioneer study on it.
本文的主要内容如下：
(1)介绍了软土路基稳定与变形的基本特性和机理，总结了软土路基变形预测的必要性，分析了软土路基变形预测的难点和存在的问题，简要介绍了时间序列的优缺点以及应用的广泛性。
(2)详细阐明了时间序列的基本思想、几种常见的时间序列模型以及时间序列的动态特征，分析了如何利用自相关函数和偏相关函数来对模型进行判定，通过对时间序列的几种定阶准则的比较，确定一种好的定阶准则来建立模型，从而可以利用逆函数法进行预报。
(3)介绍了混沌时间序列的研究意义，阐述了混沌时间序列的基本理论以及三种预测模式，确定了最大Lyapunov指数的计算步骤。
(4)从路基实测变形数据出发，将时间序列非平稳性模型(ARIMA模型)转化成时间序列平稳模型(ARMA模型)，通过模型识别、参数估计、模型验证等步骤来建立模型，从而进行路基动态变形预测，利用路基变形的控制标准对路基下一级填土的时间进行预测，优化了施工组织设计，节省了时间和资金。
(5)路基超载完成后，在路基荷载稳定期间内，利用混沌时间序列中的最大Lyapunov指数和全域法进行长期预测，同时与一些比较成熟的变形预测方法进行对比，对工程中一些重点断面进行综合评判，确定一个较理想的预测结果，从而对路基超载进行卸载，使其满足工程设计要求。
时间序列预测方法虽广泛的应用于各行各业，并取得了比较好的效果，但是在预测高速公路路基变形方面应用较少，尤其是用于填土期间的变形预测罕见报道，本文作者在这方面作了一些开拓性的工作。
The warp of soft soil foundation is much complicated and the factors affected are much more. It's difficult to fit and predict the warp of road foundation just from the model setted up from the warp principle itself. The thesis stars from the warp material got in the practice,and sets up the road warp model from the much information that affects the warp factors.
The main content of the thesis is as the following:
(1) It states the basic peculiarity and the principle of the steady of road foundation and the warp settlement, sums up the necessity of the predict of soft soil road foundation warp, analyses the difficulty and the questions unsolved existing in the predict of soft soil road foundation settlement,and simply introduces both the advantages and disadvantages and the wide utilization of time series.
(2) It explains the basic concept of time series, some kinds of the common time series models and the development characteristics of time series in detail. It analyses how to judge the model from the self-related function and the deviation related function. Determining a better standard to set up models from the comparison of some kinds of fixed step time series standards, then predicts utilizing the counter function.
(3) It introduces the study significance of chaotic the time series, explains the basic theory and three kinds of predict models of the chaotic time series, and makes sure the step that counts the biggest index number Lyapunov.
(4) The thesis converts unrest model (ARIMA model )of time series to the rest model (ARMA model ) of time series. It sets up models acrossing some procedures, such as model identify, factor estimation, model check, ect, then predict the development short-term warp of road foundation. It predicts the time of the filling soil of the next grade utilizing the growth theory of the strength of the road foundation, assures that the working organization and design go smoothly during the filling work of road foundation and saves time and money.
(5) Another is the long-term predict utilizing the biggest index number Lyapunov in the chaotic time series and the whole space method during the steady period of the road foundation load, after the overload of the road foundation finished. Meanwhile, contrasts with some mature settlement predict methods, estimating some important section in the engineering synthetically, making sure an ideal outcome of the predict warp, then unload the overload of
road foundation and make it satisfy the design request.
Though the predict methods in the thesis are widely used in every field and acquire better consequence, but the methods using in the predict of the high way road foundation warp are little, especially reported little in the settlement predict during the period of filling soil. The author of the thesis does some pioneer study on it.
引文
【1】 张诚厚，袁文明，戴济群．高速公路软基处理．北京：中国建筑工业出版社，1997
【2】 经绯，刘松玉，邵光辉．软土地基上路堤沉降变形特征分析．岩土工程学报，2001．23(6)：728-730
【3】 张惠明，徐玉胜，曾巧玲．深圳软土变形特性与工后沉降．岩土工程学报，2002．24(4)：509-514
【4】 刘金元，杨春林，吴正文．时间序列方法在观测资料分析中的应用．河海大学学报，1999．27(2)：116-118
【5】 龚晓南．高速公路软土地基处理技术．高速公路软弱地基处理理论与实践，1998
【6】 许永明，徐泽中．一种预测路基工后沉降量的方法．河海大学学报，2000．28(5)：111-113
【7】 张诚厚 袁文明 戴济群．高速公路软基处理．中国建筑工业出版社，1997
【9】 张玉祥．岩土工程时间序列预报问题初探．岩石力学与工程学报，1998．17(5)：552-558
【10】 项静恬，杜金观，史久思．动态数据处理—时间序列分析．北京：气象出版社，1986
【11】 史代敏．经济时间序列确定趋势与随机趋势辨析．天津商学院学报，2001．21(6)：12-14
【12】 王立杰，刘志东．经济时间序列分析技术在煤炭价格预测中的应用．煤炭学报，2001 26(1)：109-112
【13】 Jayawardena A W等．降雨和径流时间序列的混沌分析与预测．人民长江，1996． 27(6)：43-45
【14】 陈素维．时间序列在建筑结构振动分析中的应用．西安工程科技学院学报，2003．17(2)：179-181
【15】 刘永熙，闻邦椿，杨积东，郭立新．投资时间序列的混沌分维研究．东北大学学报(自然科学版)，2001．22(5)：524-526
【16】 耿显民．时间序列价格模型及其应用．应用数学学报，2002．25(2)：372-377
【17】 付义祥，刘志强．边坡位移的混沌时间序列分析方法及应用研究．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2003．27(4)：473-476
【18】 刘沫宇，迟秀文等．时间序列分析法与边坡位移预报．武汉工业大学学报．1995．(3)：46-49
【19】 吕培印，杨锦军，陈伟．时间序列分析法预报建筑物地基沉降量．辽宁工学院学报，1996．16(4)：27-30
【20】 朱永全，景诗庭，张清．时间序列分析在隧道施工监测中的应用．岩石力学与工程学报，1996．15(1)：353-359
【21】 郑璐石，任克亮．时间序列分析在岩体开挖位移监测中的应用．宁夏大学学报(自然科学版)，1998．19(2)：123-124
【22】 徐浩峰，应宏伟，朱向荣．时间序列分析方法预报基坑支撑轴力．水利学报，2004．15(1)：05-108
【23】 吴俐民．时间序列系统辨识在大坝变形分析中的应用研究．四川测绘，1993．16(4)：147-153
【24】 李志芬，张家权．平稳时间序列法的分析和应用．东北水利水电，2001．19(3)：25-26
【25】 常学将，陈敏，王明生．时间序列分析．北京：高等教育出版社，1993
【26】 陈兆国．时间序列及其谱分析．北京：科学出版社，1988
【27】 S．M．潘迪特，吴宪民．时间序列及系统分析与应用．北京：机械工业出版社，1988
【28】 杨位钦，顾岚．时间序列分析与动态数据建模．北京：工业学院出版社，1986
【29】 吴今培．实用时间序列．湖南：科学技术出版社，1989
【30】 安鸿志，陈兆国，杜金观，潘一民．时间序列的分析与应用．北京：科学出版社，1983
【31】 盛昭瀚，马军海．管理科学：面对复杂性Ⅱ—经济时序动力系统最佳时序采样间隔分析研究．管理科学学报，2000．3(1)：100—104
【32】 黄润生．混沌及其应用．武汉：武汉大学出版社，2000
【33】 吕金虎，路君安，陈士华．混沌时间序列分析及其应用．武汉：武汉大学出版社，2002
【34】 M.T.Rosenstein,J.J.couins and C.J.Deluca. A practical method for calculating largest Lyapunov exponents form small data sets, Physica D. 1993.65:117-134
【35】 CasdagliM. Nonlinear prediction of chaotic time series. PhysicaD35, 1989,335
【36】 常保平．软基路堤沉降历程预报的改进方法．中国公路学报，1993．8(3)：5-9
【37】 刘增贤．软基工后沉降的观测与分析．中外公路，2002．22(2)：33-35
【38】 殷宗泽等，沪宁高速公路地基沉降有限元计算分析，水利水电科技进展，1998，18(2)：22-26
【39】 赵维炳等，粘土塑性本构模型及其参数测定，中国青年学者岩土工程力学与应用计论合论文集，1994
【40】 刘和无，超长水泥土搅拌桩复合地基性状研究，东南大学硕士论文，1998
【41】 沈珠江，结构性粘土的弹塑性损伤模型，岩土工程学报，1993．15(3)：21-28
【42】 施建勇等，考虑损伤的软土地基变形分折，岩士工程学报，1998．20(2)：2-5
【43】 谢新宇等，饱和土体一维大变形固结理论斩进展，岩土工程学报，1997．19(4)：30-38
【44】 洛秋元等、排水固结法，(地基处理手册)，北京：中国建筑工业出版社，1986
【45】 中国人民共和国交通部．公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ017-96)．北京：人民交通出版社，1996
【46】 赵明华．土力学与基础工程．武汉：武汉工业大学出版社，2001
【47】 AsaokaA.Observational procedure of settlement prediction. Soils and fonundations , 1978,18(4):30-34
【48】 河海大学．交通土建软土地基工程手册．人民交通出版社，2001
【2】 经绯，刘松玉，邵光辉．软土地基上路堤沉降变形特征分析．岩土工程学报，2001．23(6)：728-730
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【36】 常保平．软基路堤沉降历程预报的改进方法．中国公路学报，1993．8(3)：5-9
【37】 刘增贤．软基工后沉降的观测与分析．中外公路，2002．22(2)：33-35
【38】 殷宗泽等，沪宁高速公路地基沉降有限元计算分析，水利水电科技进展，1998，18(2)：22-26
【39】 赵维炳等，粘土塑性本构模型及其参数测定，中国青年学者岩土工程力学与应用计论合论文集，1994
【40】 刘和无，超长水泥土搅拌桩复合地基性状研究，东南大学硕士论文，1998
【41】 沈珠江，结构性粘土的弹塑性损伤模型，岩土工程学报，1993．15(3)：21-28
【42】 施建勇等，考虑损伤的软土地基变形分折，岩士工程学报，1998．20(2)：2-5
【43】 谢新宇等，饱和土体一维大变形固结理论斩进展，岩土工程学报，1997．19(4)：30-38
【44】 洛秋元等、排水固结法，(地基处理手册)，北京：中国建筑工业出版社，1986
【45】 中国人民共和国交通部．公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ017-96)．北京：人民交通出版社，1996
【46】 赵明华．土力学与基础工程．武汉：武汉工业大学出版社，2001
【47】 AsaokaA.Observational procedure of settlement prediction. Soils and fonundations , 1978,18(4):30-34
【48】 河海大学．交通土建软土地基工程手册．人民交通出版社，2001