基于聚类算法与碎石桩钻进参数的地层识别.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:中国水科院三型人才专项项目()国家重点研发计划项目()作者简介:李继平男硕士研究生研究方向为岩土工程、大数据挖掘分析等 :.通信作者:赵宇飞男正高级工程师博士主要从事岩土工程及大数据分析等方面的研究工作 :.文章编号:()引用本文:李继平赵宇飞刘必旺等.基于聚类算法与碎石桩钻进参数的地层识别.人民长江():.基于聚类算法与碎石桩钻进参数的地层识别李 继 平赵 宇 飞刘 必 旺王 文 博(.中国水利水电科学研究院北京 .中国水利水电第八工程局有限公司湖南 长沙.中国水利水电第六工程局有限公司辽宁 沈阳)摘要:在深厚覆盖层地基的振冲碎石桩处
2、理中有效进行地层辨识对碎石桩成桩中的填料量、控制电流、留振时间、反插深度等施工过程控制参数的确定与实时控制具有重要的指导意义 通过采集的振冲碎石桩施工过程实时监测信息对不同地层的钻进耗能进行分析并引进钻进比功概念利用不同的聚类算法在进尺深度、电流与钻进比功 个指标上进行了不同深度地层的聚类分析 研究表明:采用轮廓系数、指数和 指数 种聚类精度指标可对不同聚类算法的有效性进行评价 经筛选凝聚层次()聚类算法是最适合振冲碎石桩钻进过程中地层辨识的方法 研究成果为振冲碎石桩施工过程中海量数据挖掘分析提供重要参考为振冲碎石桩施工质量控制提供技术支撑关 键 词:振冲碎石桩 钻进比功 聚类算法 评估指标
3、地层辨识中图法分类号:.文献标志码:./.引 言软土地基常包括淤泥质土、软黏性土以及湿陷性黄土地基等 这类地基强度低、压缩性高、易液化对其上部的工程建筑物安全稳定有着极大的隐患针对此类问题国内外普遍采用振冲碎石桩对软弱地基进行置换和排水处理以此提高地基的承载力而精准掌握软弱地基的地质信息是采用振冲碎石桩加固处理的前提和基础在振冲碎石桩施工前通常在已掌握区域地层特征的基础上采用现场钻孔取土与室内外试验相结合的方法综合评价软弱地基的地质条件并以此作为确定振冲碎石桩施工工艺的设计依据 但是在实际工程中对于软弱地基的勘探数量较少再加上软弱地层的形成过程、地层产状与赋存条件较为复杂很难通过较少的勘探资料
4、全面掌握整个地基加固区域中所有软弱地层的分布情况 针对此类问题国内外研究者利用施工过程中监测到的各类参数通过数学模型、机器学习以及大数据挖掘等方法对各类地层岩石特性的辨识进行了大量研究 等利用基于差分进化优化算法的模糊 均值聚类方法有效识别了岩体的结构面 等通过将岩石物理与地球化学数据相结合进行岩体聚类分析能有效地识别岩石物理结构和岩石力学性质的潜能 谭英卓、周泽宏 等通过钻进参数的模型分析对不同岩层的类型进行了有效的辨识 熊虎林等利用钻进参数与地层类型通过神经网络模型对钻进速率进行了有效预测可见钻进工程中的各类参数与地层类型是密切相关的本文研究对象为金沙江拉哇水电工程的振冲碎石桩加固围堰地基
5、工程该围堰地基的地质条件复杂各地层类型分布变化大 该碎石桩加固工程利用 碎石桩机伸缩式导杆连接振冲器运用“水气联动”的 人 民 长 江 年方法进行造孔 同时通过安装在不同设备上的传感器实现了对振冲施工过程深度、电流、电压、水量、水压、气压、填料密度等的实时监控从而对整个施工过程进行动态跟踪 如何利用海量采集的数据对振冲碎石桩成孔过程中的地层进行有效辨识分析对后续进行振冲碎石桩施工质量控制与振冲碎石桩智能化施工管理有着重要的指导意义本文基于以往工程的研究案例结合前述工程振冲碎石桩施工过程的实时监测数据在成桩过程能量消耗的基础上引入碎石桩钻进比功的概念通过对不同维度参数的地层钻进展开类型辨识分析并
6、用聚类评估指标筛选出最有效的地层类型辨识聚类算法以为类似的工程成桩质量控制提供技术支撑 围堰地基地层初勘类型该工程枢纽区河床覆盖层最大深度为.主要为河流冲积物、湖相沉积物以及岸坡坡积物等 通过现场钻孔取土与室内外试验勘探得到的河床覆盖层性状如图 所示 上游围堰地基河床覆盖层最厚约 由上至下分别 冲积砂卵石层厚度.堰塞湖静水沉积砂质粉土厚度.堰塞湖沉积层可细分为 黏土层 砂质粉土层与 粉土层 个亚层层厚约.底部 为以冲积为主的卵石、块石层厚度约.由于前期初步勘察钻探数量有限得到的深厚覆盖层地层分界及地质信息并不十分精准但是作为最直接及最基础的地质信息它可以作为后期利用钻进参数来辨识地层类型的参考
7、依据图 河床覆盖层性状.数据获取与预处理随着智能化施工管理与物联网技术的不断发展该工程在振冲碎石桩施工设备上安装了多种智能传感器以获取振冲器的深度、电流、速率、留振时间以及桩体填料量等重要施工信息 同时利用无线传输方式将各类数据传输到智能化监控系统中实现对碎石桩施工过程进行实时监控与优化管理 安装在振冲碎石桩设备上的信息采集传感器按照每秒 条的频率进行施工数据的采集与传输 一根深 的振冲碎石桩将会产生约 条数据该围堰地基处理所需的振冲碎石桩超过 根整个施工过程中共收集了超过 万条数据 通过这些实时采集的施工数据能够绘制碎石桩施工过程中工作深度、加密电流、填料量、实时桩形与留振时间之间的过程曲线
8、获取的振冲碎石桩施工参数不是独立的数据各参数和地层属性之间存在一定的对应关系 这些重要的监测数据不仅能反映施工状况还能反映出不同地质条件下的地层特性尤其是在桩成孔的过程中经历河床不同覆盖层物质时钻孔的速度以及所需的加密电流都不尽相同 因此本文选取成孔过程中的数据作为原始数据集并在此基础上进行围堰地层类型的辨识.碎石桩数据选取对于如何选取碎石桩数据主要考虑了振冲碎石桩钻孔分布位置同时兼顾不同区域中振冲碎石桩施工信息相互校核与对比分析便利性的需要根据上述选取原则本次的地层聚类分析选取 组水平方向的碎石桩数据每组有 根进尺成孔数据桩共 根数据桩 选取桩分布位置如图 所示 为了使每根施工的碎石桩机所采
9、集的数据尽可能地表征出同类地层区域的施工动态所选取不同组的 根桩对应的编号均相同分别为 图 选取的碎石桩分布位置.异常值处理对施工数据进行深度挖掘与分析之前需要对数据进行一系列的处理从而提取出有价值的数据进行地层分类研究主要包括剔除无效数据、删除重复数据、数据归类整理等方面内容 振冲碎石桩施工过程中的异常数据主要是指不符合钻进时间序列趋势不能反映钻进过程真实状态的的监测值 本文对碎石桩监测数据处理如下:定义碎石桩监测过程中进尺深度样本的样本 第 期 李继平等:基于聚类算法与碎石桩钻进参数的地层识别集组成为 ()()在单位时间序列中应当有 剔除样本中不符合该序列的样本值同时保留进尺深度随时间不变
10、的初始值以及对应电流值定义监测过程中进尺深度对应的电流样本 的样本集组成为()在碎石桩钻孔施工过程中应当有着剔除电流值为 的样本以及对应的进尺深度值 振冲碎石桩钻进比功岩土工程中常根据仪器钻进过程中的参数与能量变化对岩层结构进行分类 谭卓英、岳中琦等 根据花岗岩钻进过程中的能量变化对其进行了实时分级 田昊等、张幼振等利用钻进中的能量变化分别对隧道凝灰岩、含煤地层界面进行了识别分类许明等利用随钻参数与地层比功对持力层进行了有效判定 本文利用安装在振冲器上的传感器对振冲施工过程的深度、电流、电压等数据进行实时采集并提出振冲碎石桩在钻进过程中的钻进比功概念定义振冲碎石桩钻进比功为()式中:为碎石桩钻
11、进过程单位时间所做的功 为钻进电压 为钻进时电流 为单位钻进时间 为碎石桩单位时间钻进的地层体积 为碎石桩钻孔接触面积 为单位钻进速率在碎石桩实际钻进过程中由于钻速很小且该施工的地基土层以粉质砂土与低液限黏土为主所以轴向方向的黏滞力可以忽略不计碎石桩做功可以全部当作破碎土层所消耗的能量 不同地层类型的岩性存在差异随着钻进时间的推进在不同类型地层中所消耗的能量会不同与其对应的钻进比功也不同 部分振冲碎石桩的钻进时间与钻进比功关系如图 所示由图 可知振冲碎石桩在不断钻进的过程中在不同类型的地质层中对应的钻进比功有着显著的不同 当遇到软弱地层时其钻破地层所消耗的能量少对应的钻进比功较低 当钻进到区域
12、性较硬的块石与卵石层时其钻进比功会在一定峰值处稳定波动 为了进一步验证进尺深度与钻进过程的能量消耗情况选取 数据桩分析其在钻进过程的进尺深度与钻进比功的关系如图 所示图 钻进时间与钻进比功关系.图 进尺深度与钻进比功关系.由图 可知此根数据桩所钻进的地层区域中钻进比功随着地层软弱程度的减弱而增大 当进入中部 的堰塞湖相沉积层时由于该地层主要为砂质低液限黏土层强度低、易液化故消耗的能量较低对应的钻进比功也较低 当碰触到黏土层的部分卵石等坚硬块石时消耗的钻进能量会在局部突然增大 当钻进到底部 层时由于此类地层主要为较硬的卵石、块石等故钻进消耗的能量增加其对应的钻进比功也会稳定在较高范围 可见碎石桩
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- 关 键 词:
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