分級(jí)堆載預(yù)壓下大型原料堆場地基變形的動(dòng)態(tài)預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程地基處理設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體的是一種分級(jí)堆載預(yù)壓下原料 堆場地基變形的動(dòng)態(tài)預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地基沉降變形一直為工程界所關(guān)注，而目前工程師對(duì)地基沉降的預(yù)測大多建立在 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(duì)數(shù)量上的難以預(yù)測，參數(shù)調(diào)整離 散度較大，最終還是歸結(jié)于經(jīng)驗(yàn)判斷。由于巖土工程的復(fù)雜性(土體分布不均、環(huán)境條件復(fù) 雜、施工方法各異、施工隊(duì)伍參差不齊），通過理論分析、精確預(yù)測地表沉降值難度較大。因 此，數(shù)值計(jì)算成為預(yù)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(fù)雜性和模 型建設(shè)的人為性，使得實(shí)用性不高，無法向工程技術(shù)人員推廣。
[0003] 原料場由于考慮運(yùn)輸成本，一般選址大部分位于濱海相、河流漫灘相甚至內(nèi)陸湖 塘相地貌上，這些地貌上地基土普遍很軟弱，極易造成地基土失穩(wěn)，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 根據(jù)原料場地基處理面積大、有足夠堆載源、對(duì)地基沉降變形敏感性較小等特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)角 度考慮，利用預(yù)設(shè)排水通道加分級(jí)堆載預(yù)壓進(jìn)行排水固結(jié)加固軟土地基已成為最經(jīng)濟(jì)的處 理方式之一〇
[0004] 進(jìn)行原料場地基處理后發(fā)現(xiàn)往往大面積堆載預(yù)壓法加固軟土地基的最終沉降理 論預(yù)測值與實(shí)測值差異很大，而目前對(duì)堆載預(yù)壓過程中施工的施工沉降和工后沉降預(yù)測能 力較差，缺乏有效的設(shè)計(jì)方法及計(jì)算理論。參數(shù)反演分析方法是一種有效解決這一問題的 手段，根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)運(yùn)用反演理論來計(jì)算、分析地基土體的參數(shù)，使參數(shù)更接近于 土體的實(shí)際情況，以作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)而進(jìn)行正分析來達(dá)到預(yù)測的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)分級(jí)堆載預(yù)壓過程中的施工沉降和工后沉降預(yù)測的不準(zhǔn)確 性問題，采用結(jié)合精確罰函數(shù)的Nelder-Mead算法，提供堆載預(yù)壓下原料堆場地基變形的動(dòng) 態(tài)預(yù)測方法。
[0006] 分級(jí)堆載預(yù)壓下大型原料堆場地基變形的動(dòng)態(tài)預(yù)測方法，包括如下步驟：
[0007] (1)地基變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與處理：由于原料場面積大，一般會(huì)選取具有代表性 區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，收集整理每一級(jí)堆載下地基變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)。對(duì)測得的各類 監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行篩選，剔除異常數(shù)據(jù)；
[0008] (2)根據(jù)原料場勘察報(bào)告、土工試驗(yàn)成果資料及地基處理設(shè)計(jì)要求等，建立原料場 合理的有限元計(jì)算模型，確定模型計(jì)算所需的土體已知參數(shù)與待反演參數(shù)；
[0009] (3)采用結(jié)合精確罰函數(shù)的Nelder-Mead優(yōu)化算法編制土體參數(shù)反演程序并嵌入 到有限元軟件中，所述土體參數(shù)反演程序如下：
[0010] a.建立土體參數(shù)反演分析的初始目標(biāo)函數(shù):/(X)=(lSxiiu)，其中， α=ι |.Λ I m為所選用的測點(diǎn)數(shù)量，y為沉降監(jiān)測值向量，Y為有限元計(jì)算得到的沉降值，χ為待反演土體 參數(shù)向量，1為待反演土體參數(shù)下限值，U為待反演土體參數(shù)上限值。
[0011] b.反演過程中土體參數(shù)值χ必須在其下限值1和上限值u之間取值，此時(shí)反演為有 約束的優(yōu)化問題，不能采用Nelder-Mead優(yōu)化算法求解。因此引入罰函數(shù) ^) = 1° _，建立新的目標(biāo)函數(shù):iKx)=f(x)+v(x)，此時(shí)將土體參數(shù)反演變?yōu)闊o
[+00 otherwise 約束優(yōu)化問題。
[0012] C.反演過程中，首先給出待反演參數(shù)的初始值XQ，將XQ代入有限元計(jì)算模型，得到 土體沉降的有限元計(jì)算值Yk( XQ)，計(jì)算值目標(biāo)函數(shù)值Φ( XQ) = f ( XQ) +V ( XQ)。將Φ( XQ)與收斂標(biāo) 準(zhǔn)eps進(jìn)行對(duì)比。如果Φ(χο)大于eps，計(jì)算不收斂，采用Nelder-Mead算法計(jì)算得新的待反演 參數(shù)值Xi，并將Xi代入有限元進(jìn)行新的迭代計(jì)算，并重新計(jì)算目標(biāo)函數(shù)iKxi)直至iKxi)小于 eps，迭代結(jié)束，輸出反演結(jié)果χοΡ。
[0013] (4)聯(lián)合土體參數(shù)反演程序與有限元軟件對(duì)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，計(jì)算得 到最優(yōu)土體參數(shù)。利用反演得到土體參數(shù)預(yù)測下一級(jí)堆載下原料場的地基變形，并根據(jù)計(jì) 算得到的地基變形等其他計(jì)算結(jié)果對(duì)堆載設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行評(píng)估；
[0014] (5)在反演計(jì)算的引導(dǎo)下，重復(fù)完成步驟（1)-(4)，逐級(jí)進(jìn)行原料場的堆載設(shè)計(jì)和 施工。
[0015] 本發(fā)明較優(yōu)的技術(shù)方案:所述的收斂標(biāo)準(zhǔn)eps可取值為5%。
[0016] 本發(fā)明的有益效果：（1)具有計(jì)算范圍廣、精確度高、計(jì)算量小、計(jì)算速度快、操作 方便，利于工程技術(shù)人員推廣等特點(diǎn)。（2)能夠利用堆載過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)土體設(shè)計(jì) 參數(shù)不斷修正，使得土體參數(shù)更為合理，實(shí)現(xiàn)堆載預(yù)壓下原料場地基變形的動(dòng)態(tài)預(yù)測。（3) 可以為類似原料場地基處理設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)，極大節(jié)約工程投資成本，避免造成不必要 的工程建設(shè)費(fèi)用，具有較高推廣應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明預(yù)測方法的基本流程圖，
[0018] 圖2為土體參數(shù)反演程序框圖，
[0019] 圖3為原料料場變位點(diǎn)監(jiān)測示意圖，
[0020] 圖4為某監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算沉降值與實(shí)測位移值對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0022] 如圖1、2所示，一種分級(jí)堆載預(yù)壓下大型原料堆場地基變形的動(dòng)態(tài)預(yù)測方法，包括 如下步驟：
[0023] (1)地基變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與處理：由于原料場面積大，一般會(huì)選取具有代表性 區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，收集整理每一級(jí)堆載下地基變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)。對(duì)測得的各類 監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行篩選，剔除異常數(shù)據(jù)；
[0024] (2)根據(jù)原料場勘察報(bào)告、土工試驗(yàn)成果資料及地基處理設(shè)計(jì)要求等，建立原料場 合理的有限元計(jì)算模型，確定模型計(jì)算所需的土體已知參數(shù)與待反演參數(shù)；
[0025] (3)采用結(jié)合精確罰函數(shù)的Nelder-Mead優(yōu)化算法編制土體參數(shù)反演程序并嵌入 到有限元軟件中，所述土體參數(shù)反演程序如下：
[0026] a.建立土體參數(shù)反演分析的初始目標(biāo)函數(shù)：
（195:10，其中， m為所選用的測點(diǎn)數(shù)量，y為沉降監(jiān)測值向量，Y為有限元計(jì)算得到的沉降值，X為待反演土體 參數(shù)向量，1為待反演土體參數(shù)下限值，U為待反演土體參數(shù)上限值。
[0027] b.反演過程中土體參數(shù)值X必須在其下限