一種地鐵隧道巖土體等效計算參數(shù)反演方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種地鐵隧道巖土體等效計算參數(shù)反演方法。采集地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析后作為反演計算的目標；建立標準有限元模型；提取土層的原始勘察參數(shù)并進行加權(quán)計算處理；在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)范圍的條件下，在各參數(shù)取值空間內(nèi)采用拉丁超立方取樣方法獲取樣本組，將各樣本組帶入標準模型進行計算，并對得到的結(jié)果擬合生成響應(yīng)面。在響應(yīng)面上，取得對應(yīng)實際沉降值的土體參數(shù)，視為等效參數(shù)。包括：等效彈性模量、等效粘聚力、等效內(nèi)摩擦角、等效泊松比。本發(fā)明專利有效的利用常規(guī)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和勘察數(shù)據(jù)反演土層的等效計算參數(shù)，對地鐵暗挖區(qū)間的復雜土層條件有一定的適應(yīng)能力，本發(fā)明具有計算范圍廣、精確度高、計算量小、計算速度快、操作方便。
【專利說明】一種地鐵隧道巖土體等效計算參數(shù)反演方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利屬于土木工程【技術(shù)領(lǐng)域】，用于為地鐵隧道開挖過程中數(shù)值建模計算土 體變形使用的土體等效計算參數(shù)的反演。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著軌道交通建設(shè)的發(fā)展，其暗挖施工引起的地表沉降一直為工程界所關(guān)注，而 目前工程師對地表沉降的預測大多建立在實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，而缺乏系統(tǒng)性和傳承性。通 過理論或數(shù)值模擬（無論是有限元、有限差分還是離散元），僅能反映出沉降分布范圍和分 布規(guī)律，對數(shù)量上的難以預測，參數(shù)調(diào)整離散度較大，最終還是歸結(jié)于經(jīng)驗判斷。由于巖土 工程的復雜性（土體分布不均、城市道路路面結(jié)構(gòu)的影響、地下水的不確定性、環(huán)境條件復 雜、施工方法各異、施工隊伍參差不齊），通過理論分析、精確預測地表沉降值難度較大。因 此，數(shù)值計算成為預測地鐵施工引起地表沉降的普遍方法。但目前由于場地的復雜性和模 型建設(shè)的人為性，使得實用性不高，無法向工程技術(shù)人員推廣，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： [0003] (1)對計算模型進行了若干假設(shè)；
[0004]在建立模型過程中，對模型的本構(gòu)關(guān)系、邊界條件、網(wǎng)格劃分等均做了諸多假設(shè)， 這就導致了其在一定程度上與原型背離，導致計算結(jié)果的差異性。
[0005] (2)勘察報告中無法提出數(shù)值計算需要的參數(shù)；
[0006] 在一般的地鐵建設(shè)勘察報告中，可以給出的數(shù)值模擬計算所需要的參數(shù)包括容 重、黏聚力、內(nèi)摩擦角等，但對沉降計算結(jié)果影響較大的彈性模量或體積模量，勘察報告中 無法給出，且報告中給出的多為室內(nèi)試驗數(shù)據(jù),無法真實反映現(xiàn)場的復雜條件和地鐵施工 的應(yīng)力轉(zhuǎn)化狀態(tài)。這就給數(shù)值計算模型參數(shù)的選取帶來了困難。
[0007] (3)計算模型參數(shù)與實際巖土體狀態(tài)相差較遠。
[0008] 模型中選取合理的計算參數(shù)對計算結(jié)果的影響較大，但目前的計算分析中，多根 據(jù)監(jiān)測結(jié)果反復調(diào)整計算參數(shù)，導致最終參數(shù)的選取背離巖土體的實際狀態(tài)。
[0009] (4)模型標準化欠缺
[0010] 由于影響模型計算結(jié)果的因素較多，包括：計算邊界的選取、網(wǎng)格的劃分、土層的 劃分、本構(gòu)關(guān)系的選擇、物理力學參數(shù)的選取等。所以參數(shù)調(diào)整的因素較多。這就給計算參 數(shù)的確定帶來了諸多困難。因此在參數(shù)反演之前，必須對所建立的模型進行標準化處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明專利的目的在于提供一種利用地鐵隧道沉降監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)、常規(guī)的勘察報 告提供的土體物理力學參數(shù)數(shù)據(jù)，反演地鐵開挖有限元計算模型中巖土體等效計算參數(shù)的 方法，得到與實際相符的土體變形和地表沉降。
[0012] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0013] 1)實測數(shù)據(jù)的提取與回歸分析，包括：
[0014] 1. 1)設(shè)定監(jiān)測點，并獲取各個監(jiān)測點距隧道中線的距離X，以及監(jiān)測點的沉降值 y ；
[0015]為了能g滿足沉降槽生成的需要和區(qū)域性預測的需要，監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取需提取距 隧道中線不同距離的沉降值，詳見圖1。其中Xi表示監(jiān)測點距隧道中線的距離，71表示監(jiān)測 點的沉降值。 _6] 1. 2)對實測數(shù)據(jù)（X，y)進行回歸分析，回歸公式為

【權(quán)利要求】
1. 一種地鐵隧道巖土體等效計算參數(shù)反演方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 實測數(shù)據(jù)的提取與回歸分析，包括： 1. 1)設(shè)定監(jiān)測點，并獲取各個監(jiān)測點距隧道中線的距離X，以及監(jiān)測點的沉降值y ; 1.2) 對實測數(shù)據(jù)（x，y)進行回歸分析，回歸公式為
得到常數(shù)項

-τ并得到曲線公式 ，其中最大沉降值 沉降槽寬度 α ^ bf ' 1 = 1/(?05; 2) 建立標準有限元計算模型，包括： 2. 1)建立幾何模型：有限元模型的隧道上部土體厚度按實際埋深選取，模型的隧道下 部距離取距隧道底邊緣2D的長度；模型的縱深取為單位長度1 ;模型的隧道兩側(cè)土體邊界 距隧道邊緣的距離為4D ;其中D表示隧道的直徑；模型底邊界為固定邊界；模型在兩個水 平方向上分別約束該水平方向位移；模型頂面為自由面，不做任何約束，巖土本構(gòu)關(guān)系采用 理想彈塑性本構(gòu)模型與摩爾-庫倫強度準則； 2. 2)確定標準有限元計算模型輸入?yún)?shù)：提取幾何模型范圍內(nèi)各層土體的厚度h、天 然重度Y、粘聚力c、內(nèi)摩擦角f、壓縮模量E、泊松比V，并計算加權(quán)平均參數(shù)，包括：加權(quán) 平均重度Y wx、加權(quán)平均粘聚力cwx、加權(quán)平均內(nèi)摩擦角供jnR、加權(quán)平均壓縮模量E wx 和加權(quán)平均泊松比v wx ;以這些加權(quán)平均參數(shù)作為在幾何模型中土體的初始輸入?yún)?shù)； 3) 設(shè)定目標計算量、優(yōu)化參數(shù)及其取值空間，包括： 3. 1)設(shè)定目標計算量y0fi :y0fi為步驟2)中回歸曲線上的最大沉降值，即y0fi= smax ; 3.2) 設(shè)定優(yōu)化參數(shù)及其取值空間：包括粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比，各參數(shù) 的取值范圍以步驟2. 2)中計算的加權(quán)平均粘聚力、加權(quán)平均內(nèi)摩擦角、加權(quán)平均泊松比為 基準分別減少和增加20%，即粘聚力取值范圍為（80%加權(quán)平均粘聚力，120%加權(quán)平均粘 聚力）；內(nèi)摩擦角取值范圍為（80%加權(quán)平均內(nèi)摩擦角，120%加權(quán)平均內(nèi)摩擦角）；泊松比 取值范圍為（80%加權(quán)平均泊松比，120%加權(quán)平均泊松比）；彈性模量取值范圍為（300% 加權(quán)平均壓縮模量，500 %加權(quán)平均壓縮模量）； 4) 優(yōu)化參數(shù)敏感性分析，包括： 4. 1)在步驟3. 2)確定的各個優(yōu)化參數(shù)的取值空間內(nèi)，由采用拉丁超立方抽樣方法進 行掃描取樣（q、釣、爲、。），......，（C,,、、￡"、Vn),并將生成的每組樣本帶入步 驟2. 1)和步驟2. 2)建立的標準有限元模型中進行計算，從各計算結(jié)果中分別提取（Cl，yi+ 算 1)， ......，(Cn，y 計算 n);(魏，y 計算I ),......，(ft, y II ) ; (Ep y 計算 i)， ......，(En，y 計算 n) ; ( v i，yif#i)，......，（vn，yn)形成各參數(shù)與計算沉降y的離散關(guān)系，其中y為步 驟2.1)和步驟2. 2)建立的標準有限元模型計算的、隧道軸線正上方地表沉降值； 4.2) 對步驟4. 1)得到的各參數(shù)與計算沉降yi+#的離散關(guān)系，利用最小二乘法進行線 性回歸，從而分別得到參數(shù)粘聚力c、內(nèi)摩擦角夢、彈性模量E、泊松比v與計算沉降y i+#的 關(guān)系曲線，進而得到參數(shù)粘聚力c、內(nèi)摩擦角f、彈性模量E、泊松比v與計算沉降yi+#的 關(guān)系曲面，即y?f=f (e，f，￡，1/ ); 5)確定等效參數(shù)，用于有限元模擬計算，包括： 5. 1)在步驟4. 2)得到的曲面上取yi+#i使yi+#i = y ，得到對應(yīng)的粘聚力ck、內(nèi)摩 擦角約、彈性模量Ek、泊松比vk，其中 y_為步驟3.1)設(shè)定的計算目標； 5.2)以步驟5.1)得到粘聚力ck、內(nèi)摩擦角Λ、彈性模量Ek、泊松比vk為等效粘聚力、 等效內(nèi)摩擦角、等效彈性模量、等效泊松比；以步驟2. 2)得到的加權(quán)平均重度γ wx為等效 重度，從而得到地鐵隧道巖土體的等效計算參數(shù)，用于有限元模擬計算。
【文檔編號】G06F19/00GK104252576SQ201410407670
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】張晉勛, 金淮, 張建全, 劉永勤, 張建旭, 邱德隆, 羅華麗, 張波, 梅圖術(shù), 馬骉, 周明科, 孟濤 申請人:北京城建集團有限責任公司, 北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司