关键词：复合地基、承载力、静载试验、异常值修正
复合地基承载力静载试验，宛如评估地基承载力的“精准天平”，是确保地基质量的关键手段。然而，在试验的复杂过程中，数据异常值就像隐藏在平静湖面下的暗礁，悄无声息地干扰着试验结果的准确性。基于此，本文犹如一位技艺精湛的工匠，巧妙运用多项式回归法、斜率法、滑动窗口法等多种数据处理“利器”，对静载试验中的突变数据和非线性波动进行精准修正。同时，借助自适应滤波法和插值法等进一步雕琢数据，确保数据能够如实地反映荷载与沉降之间的真实关系。这些方法如同为数据质量加上了一层坚固的“防护盾”，有效提升了数据的可靠性与精确性，为复合地基的承载力评估提供了坚实有力的支撑。
在建筑工程蓬勃发展的时代浪潮中，随着工程项目规模如滚雪球般不断扩大，地基承载要求也日益严苛，传统地基就像一位力不从心的老将，已难以满足实际工程的复杂需求。而复合地基，作为一种高效的地基加固“新星”，通过加固材料与原状土的默契协同工作，如同给地基注入了一股强大的动力，大幅提升了地基的承载力。目前，静载试验宛如评估复合地基承载力的“试金石”，能够切实反映地基在荷载作用下的沉降特征，为工程安全提供重要依据。但在实际试验的“战场”上，异常值就像狡猾的敌人，悄悄潜入数据之中，严重影响数据结果的可靠性。因此，有效识别与处理数据异常值，就成为了提升试验精度的“关键战役”。本文旨在通过深入剖析复合地基承载力静载试验，探讨数据异常值的识别与处理方法，为复合地基的设计与优化提供可靠依据，助力建筑工程迈向更高质量的发展阶段。
01 复合地基承载力静载试验流程
1.1 场地条件勘测
场地条件勘测，就像是一场对大地的深度“体检”。工作人员通过钻孔取样这一精细操作，如同用一把精准的手术刀，深入土层内部，分析土层分布及土壤性质，明确场地土层类型、厚度、物理力学性质及地下水位等关键信息。为了获取更全面准确的数据，还可运用标准贯入试验和静力触探等勘探手段，如同给大地进行全方位的“扫描”，获取不同深度土层的承载能力、密实度和抗剪强度等参数。同时，仔细查看场地地下水位状况，评估水位季节性变化对地基稳定性的影响，为后续的试验和工程建设提供坚实的地质基础。场地条件勘测现场图如图1所示，仿佛一幅展现大地奥秘的画卷。
1.2 加载系统搭建
加载系统搭建，是静载试验的“骨架搭建”环节。首先，要安装稳固的压重平台，如同为试验搭建一个坚实的“舞台”，确保平台反力超过最大试验荷载的1.2倍，为试验提供足够的支撑力。在平台上精心布设液压千斤顶，调整其安装位置，使其精准处于试桩的合力中心，就像为舞台上的主角找准最佳表演位置。随后，设计并安装加载设备，选取适宜的千斤顶规格，并对每个千斤顶单独校验，保证其准确度，如同为演员配备精良的道具。施加荷载时，采用分级荷载方式逐级递增荷载，且每级荷载增量须严格按设计要求执行，就像一场精心编排的舞蹈，每一个动作都精准到位，确保试验的顺利进行。
1.3 承载力监测
承载力监测，是静载试验的“眼睛”，时刻关注着桩体的变化。试验过程中，需在桩周合理布设多个沉降观测点，借助千分表这一精密仪器，实时监测桩体沉降，如同敏锐的哨兵，不放过任何一个细微的变化。每完成一级荷载施加，便认真记录沉降数据，为后续分析提供详细资料。在试桩不同深度精准埋设应变计与土压力盒，实时监控桩身轴力及侧摩阻力变化情况。其中，应变计就像一位细心的观察者，能够有效捕捉桩体变形细节；土压力盒则如同一位精准的测量师，负责测量土体压力具体改变状况，为全面了解桩体受力情况提供有力支持。
1.4 数据采集
数据采集，是静载试验的“信息收集站”。试验前，仔细校准各监测设备，如同为精密仪器进行精心调试，保障数据精准可靠。试验开展时，设定合理的数据采集频率，依据加载增量阶段灵活调整观测次数，确保数据的及时性和准确性。每阶段荷载施加后，定时采集沉降、桩身轴力及侧摩阻力数据，并利用数据记录仪将这些数据实时传输至控制系统，保证数据完整连续记录存储，就像为数据搭建了一条畅通无阻的“高速公路”。所采集数据用于判断复合地基承载力是否符合设计标准。数据采集结束后，对全部数据进行严格校验，确认无误后用于分析处理，为后续的研究和决策提供可靠依据。
02 复合地基承载力静载试验数据异常值的识别方法
2.1 狄克逊准则异常值识别法
狄克逊准则异常值识别法，如同一位严谨的“数据侦探”，通过细致的分析找出隐藏在数据中的异常值。将数据按从小到大顺序排列，就像将一群士兵整齐排列，计算数据集中最大值与最小值的差值，以及数据集中相邻值的差值，以此形成标准化的异常值度量指标。将计算得到的数值与临界值对比，若数值大于临界值，则判定该数据为异常值，就像侦探找到了关键的线索，确定了“嫌疑人”。
2.2 三次样条插值异常值识别法
三次样条插值异常值识别法，如同一位技艺高超的“数据画家”，通过构建平滑曲线来识别异常值。根据静载试验所得数据，运用三次样条插值法精心构建数据的平滑曲线。插值曲线能够精确拟合原始数据点，并平滑掉数据中的噪声，就像画家用细腻的笔触描绘出一幅平滑的画卷。计算每个数据点与插值曲线之间的差异，若某一数据点与插值曲线的偏差过大，则认为该点为异常值，就像画家发现画布上有一处不和谐的色彩。
2.3 格鲁布斯检验异常值识别法
格鲁布斯检验异常值识别法，如同一位公正的“数据法官”，通过严谨的计算判断数据是否异常。计算数据集的均值与标准差，再根据格鲁布斯检验公式计算出每个数据点的标准化残差。将计算出的数值与预设的临界值进行比较，若数值超过临界值，则认为该数据点是异常值，就像法官依据法律条文做出了公正的判决。
2.4 支持向量机异常值识别法
支持向量机（support vector machine, SVM）作为适用于分类和回归分析的机器学习方法，如同一位智能的“数据卫士”，可通过构建最优超平面实现正常数据与异常数据的区分。在静载试验数据的异常值检测过程中，需将数据集映射至高维空间内，随后寻找最优超平面以使正常数据点与异常数据点之间形成明显的间隔区分。SVM的核心目标是求解优化问题以完成最优超平面的寻找。数据点经过约束条件被划分为两类。使用SVM算法，可以有效地识别出静载试验数据中的异常点，并将其与正常数据进行区分，就像卫士成功拦截了入侵的“敌人”。
2.5 动态时间规整异常值识别法
动态时间规整异常值识别法，如同一位敏锐的“数据对比师”，通过最小化2条时间序列间的差异实现数据相似度对比。通过这种方法，能够准确找出数据中的异常点，就像对比师发现了两份文件中的差异之处。
03 复合地基承载力静载试验数据异常值的处理方法
3.1 去噪法
去噪法，如同一位细心的“数据清洁工”，通过滤除数据中的异常波动，确保所获取的沉降、轴力和侧摩阻力数据能够切实反映地基的实际响应。在实际应用中，采用低通滤波的方式对数据进行平滑处理，滤波过程依托快速傅里叶变换技术，通过频域分析辨识并剔除数据中的高频噪声。此过程将原始数据转换为频域形式，选取恰当的频率范围滤除高频部分，保留低频部分，就像清洁工用筛子过滤掉杂质，留下纯净的物质。数据去噪的实际操作步骤涵盖以下几个环节：采集原始静载试验数据并对其实施快速傅里叶变换；识别出高频噪声区域，设定合理的截止频率；将数据经过逆傅里叶变换转换回时域，得到滤波后的平滑数据。该方法有效地清除了数据中的随机噪声，留存了地基的真实变形趋势。在实际应用状况下，加载过程中的最大沉降值为10.44 mm，通过去噪处理后，数据的变化趋势变得更为平稳，降低了因试验设备或外界环境干扰而产生的误差，去噪后的数据更加平滑，有助于精确评估复合地基的承载力和变形特征。去噪法去噪前后数据对比如表1所示，清晰展现了去噪效果。
3.2 插值法
在静载试验过程中，一旦出现数据采集异常或偶发性设备故障，极有可能导致数据中出现明显的不连续点或错误值，就像一条流畅的线条突然出现了断点。为修复这些异常数据，通常会采用插值法进行补充处理。针对缺失或不连续的数据点，选择合理的插值方法能够有效地恢复数据的连续性，从而保障试验数据的完整性。在本次试验中，选用拉格朗日插值法开展异常数据的修复工作。利用该方法，能根据已知的邻近数据点对缺失的异常数据点作出预测，具体操作步骤为：辨识并标记静载试验中异常的缺失数据点；选取其周边2个或多个正常数据点，借助插值公式算出缺失点数值；用插值所得值替换异常数据点，以此恢复数据连续性。静载试验中某阶段轴力数据出现异常，未能正常体现加载过程中的变化情况。插值法修复前后数据对比如表2所示，直观呈现了插值法的修复效果。
3.3 剔除法
对于静载试验时极端偏离正常变化范围的异常数据，采用异常值剔除法处理。这类数据多因设备故障、操作失误或其他不可控因素产生，就像一群整齐的队伍中突然出现的“捣乱分子”，可能严重影响试验结果准确性。在分析数据前，需先对数据进行异常值识别，剔除明显不合理的值。为检测这些异常值，采用标准差法计算出数据集的均值和标准差，若Ｚ值大于设定阈值，则该数据点为异常数据。具体步骤：计算数据集的均值和标准差；计算每个数据点的Ｚ值；将超出阈值范围的数据点从数据集中剔除，就像清理队伍中的“捣乱分子”，确保队伍的整齐有序。
3.4 多项式回归法
为了准确刻画荷载与沉降之间的映射关系，并对这些非线性变化趋势进行有效修正，采用二次多项式回归方法开展数据拟合工作。二次多项式回归能够建立一个二次数学方程来精确拟合荷载与沉降数据之间的对应关系，经过最小二乘法可以计算出这些回归系数，确保拟合曲线尽可能地接近试验数据，就像用一条精准的曲线去贴近一组散点。具体步骤包含：从静载试验中获取荷载与沉降数据，选择荷载处于200～1 000 kN、呈现明显非线性趋势的沉降数据段落。搭建二次多项式回归模型，并借助最小二乘法求解回归系数，最小二乘法的目标在于将误差平方和降至最低。通过求解获取回归系数后，将其代入回归方程得出拟合曲线，该曲线能够精准刻画荷载与沉降之间的非线性关系，利用拟合曲线对原始数据中的异常波动点进行修正，进而得到平滑的数据变化趋势。在加载至600 kN的工况下，原始沉降数据依次为6.35 mm、6.60 mm、6.75 mm、6.50 mm，而经过二次多项式回归拟合得到的沉降值为6.58 mm，采用修正后的数据替换异常点，可确保数据趋势更加平稳，且符合实际工程的变化规律。
3.5 斜率法
斜率法，如同一位敏锐的“数据趋势观察员”，通过计算每2个相邻数据点之间的变化率，洞察数据的动态变化。通过该方法计算出每一对相邻数据点之间的变化率（即斜率）。根据预设的阈值判断变化率是否超出正常范围，如果某一对相邻数据点之间的变化率超出了阈值范围，则该数据点为突变数据。采用斜率法对异常数据点进行修复处理，具体的修复方式为根据相邻数据点的动态变化趋势，选用加权平均或插值方法替换异常数据。当第5个数据点的沉降变化率超过预先设定的阈值，并且数据明显偏离正常变化趋势时，就可以运用第4和第6个数据点的具体数值，经过线性插值或加权平均法估算第5个数据点的修复数值。对突变数据点逐个进行修正能够使整个数据集变得更加平滑，与地基承载力试验的实际情形相符合。在静载试验采集的数据中，特定荷载段的沉降数据突然出现剧烈变化，其中最大沉降值飙升至8.55 mm，与之相邻的荷载段数据始终在6.35 mm附近作稳定波动。运用斜率法对其变化率进行严谨计算后，明确该数据点的变化率呈现异常高值状态，与正常的加载趋势出现明显偏离，最终将修正后的沉降值精准调整为7.5 mm，以此确保数据能够更精准地契合荷载 - 沉降关系的实际演变规律。
3.6 滑动窗口法
滑动窗口法，如同一位灵活的“数据平滑大师”，通过巧妙地滑动窗口对数据进行平滑处理。具体步骤如下：选定一个长度固定的窗口，包含5个数据点，窗口大小须根据试验数据的特性进行调整，将该窗口逐个滑动到数据集中的各个部位。在每个特定位置上，计算该窗口范围内数据点的平均值或中值。以计算平均值为例，在窗口内部计算出所有数据点的算术平均值，然后用该平均值替换窗口中间位置的数据点，从而得到经过平滑处理后的数据。窗口继续滑动到下一个数据点位置，再次重复上述计算与替换操作，如此循环，直到整个数据集里的所有数据点都完成平滑处理工作。在加载到600 kN荷载时，原始沉降数据为6.35 mm、6.60 mm、6.75 mm、6.50 mm和6.30 mm。在进行滑动窗口平滑时，计算其平均值为6.58 mm。此时，6.58 mm将替代这5个数据点中的中间数据点作为平滑后的值，继续按相同方式对后续数据点进行平滑操作，最终显著减少整个数据集的波动性，数据呈现出更为平滑的变化趋势。利用这种方式，滑动窗口法能够有效消除局部波动对整体数据趋势的影响，切实提升试验数据的可靠性。在实际操作场景中，应用滑动窗口法后，沉降值从原始数据中的波动变化状态，平滑成为更加稳定的变化曲线。
3.7 自适应滤波法
自适应滤波法作为一种可动态调整滤波器参数的技术，如同一位智能的“数据调节师”，能够根据数据的实时变化情况自动优化处理流程，从而达到去除噪声且保留数据真实变化趋势的目的。在静载试验开展过程中，受试验环境及设备等因素的影响，数据往往会受到各类不确定性因素的干扰，进而造成信号出现波动，而自适应滤波能够根据输入数据的特征，自动对滤波器的参数进行调节，使处理过程变得更加精准。在应用自适应滤波时，须设定初始的滤波器参数，其通常涵盖滤波器长度、增益及步长等。而后根据实时数据的动态变化，对这些参数进行动态调整。本次采用基于卡尔曼滤波的自适应方法，卡尔曼增益Kk可根据估计误差和观测误差的大小自动调整，从而确保滤波过程在每一时刻都能做出最优估计。在静载试验中，数据变化一般是逐步进行的，但由于设备误差或环境波动，数据可能会有剧烈起伏。某荷载级别下，原始沉降数据可能出现较大的不规则波动，经自适应滤波处理后，滤波器会根据数据变化自行调节滤波参数，减轻噪声影响，留存数据的长期趋势。自适应滤波法能有效抑制短期的噪声变动，保留体现地基实际性状的主要趋势，进而更精准地评估地基的承载力和沉降特性。同时，可实时追踪数据变化，持续更新滤波参数，以契合不同阶段的变化趋势。当加载至1 000 kN时，原始沉降数据在较短时间内剧烈波动，滤波器自动对增益作出调整，使数据恢复平稳。
04 结语
本文在处理复合地基承载力静载试验数据时，犹如一位技艺精湛的工匠，提出多种有效的数据修正方法，如去噪法、插值法、剔除法、多项式回归法、斜率法、滑动窗口法等，成功解决了数据中的异常波动与噪声问题，使复合地基承载力评估更加精确，为工程安全提供了有力保障。随着数据处理技术的不断发展，未来研究可进一步探索更多自适应算法，如同开拓新的“数据宝藏”，以应对更复杂的试验场景和数据挑战，从而为地基工程的设计与优化提供更坚实的理论基础和实践支持，推动建筑工程行业迈向更高质量的发展阶段。
