一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡土體伯格斯模型參數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡土體伯格斯模型參數(shù)的方法，包括確定模型參數(shù)及其水平；確定數(shù)值試驗(yàn)的參數(shù)組合和試驗(yàn)順序；計(jì)算響應(yīng)面方程；優(yōu)化識(shí)別模型參數(shù)。本發(fā)明基于室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的綜合手段，利用響應(yīng)面分析法確定伯格斯模型參數(shù)與邊坡表面位移的回歸方程，并采用回歸分析構(gòu)建參數(shù)的最優(yōu)組合。
【專利說明】
一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡土體伯格斯模型參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種綜合室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值仿 真手段的邊坡土體伯格斯流變參數(shù)識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 蠕滑型邊坡在工程建設(shè)中廣泛存在，伯格斯模型是描述穩(wěn)定變形土體的理想流變 模型，其本構(gòu)參數(shù)識(shí)別是巖土體流變特性分析中的重要課題之一。巖土流變參數(shù)辨識(shí)的方 法通?？蓜澐譃檎?、反分析兩大類。正分析方法確定流變參數(shù)的前提是準(zhǔn)確掌握巖土體應(yīng) 力狀態(tài)，然而由于地層的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)很難準(zhǔn)確獲取，這限制了正分析法在實(shí)際工程中的 應(yīng)用。因此，參數(shù)反分析方法在實(shí)際工程中應(yīng)用更為廣泛。
[0003] 目前，在邊坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域以位移監(jiān)測(cè)方法為主，同時(shí)將位移作為邊坡演化階段識(shí)別 和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)最為核心的數(shù)據(jù)，因此位移反演是反分析中應(yīng)用最為普遍的方法。位移反分析 法一般采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群法等方法進(jìn)行人工智能分析，但此類人工智能方法的準(zhǔn)確性 是以大量的學(xué)習(xí)樣本為前提，即需要大量的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這在工程實(shí)踐中會(huì)消耗大量 的人力物力。
[0004] 土體流變參數(shù)識(shí)別實(shí)質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)方法中的參數(shù)尋優(yōu)過程，響應(yīng)曲面分析方法是解 決多變量問題的一種統(tǒng)計(jì)方法，其不但能定量評(píng)價(jià)各類輸入?yún)?shù)對(duì)于輸出響應(yīng)值的影響程 度，并且能給出主要影響因素與響應(yīng)值間的定量關(guān)系式，在定量評(píng)價(jià)方面較人工智能方法 有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。在巖土工程領(lǐng)域，響應(yīng)面分析法主要應(yīng)用于可靠性分析和數(shù)值計(jì)算模 型的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在土體流變參數(shù)優(yōu)化、識(shí)別方面目前未見相關(guān)的研究。同時(shí)，由上述分 析可知，響應(yīng)面分析法作為解決多變量尋優(yōu)問題的統(tǒng)計(jì)方法，適用于土體伯格斯流變本構(gòu) 參數(shù)的識(shí)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡土體伯格斯模型 參數(shù)的方法，能準(zhǔn)確辨識(shí)邊坡土體伯格斯模型的參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡土體伯格 斯模型參數(shù)的方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，確定模型參數(shù)及其水平；
[0008] 步驟2，確定數(shù)值試驗(yàn)的參數(shù)組合和試驗(yàn)順序；
[0009] 步驟3,計(jì)算響應(yīng)面方程；
[0010]步驟4，優(yōu)化識(shí)別模型參數(shù)。
[0011] 在采用上述技術(shù)方案的同時(shí)，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下進(jìn)一步的技術(shù) 方案：
[0012] 所述步驟1具體包括以下步驟：
[0013] 1)根據(jù)伯格斯模型方程確定隊(duì)取上…四個(gè)需要識(shí)別的參數(shù)；
[0014] 2)取邊坡滑動(dòng)面附近原狀土樣，開展原狀土樣室內(nèi)三軸流變?cè)囼?yàn)；
[0015] 3)擬合函數(shù)模塊擬合試驗(yàn)曲線，確定步驟1)中各參數(shù)的上、下水平和零水平值。
[0016] 所述伯格斯模型方程為
[0017] 所述步驟2具體包括:選取4個(gè)流變參數(shù)作為自變量Xi，選取邊坡中部表面位移模 擬值作為因變量又:，按照伯格斯矩陣抽樣法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定4因素3水平的試驗(yàn)方案，并 制定方案表格。
[0018] 所述步驟3具體包括：以邊坡測(cè)量高程數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)為依據(jù)建立邊坡三維模型， 根據(jù)步驟2確定的參數(shù)組合和試驗(yàn)順序，進(jìn)行數(shù)值模擬，建立自變量與因變量的多項(xiàng)式回歸 模型。
[0019] 所述步驟4具體包括以下步驟：
[0020] 1)在邊坡主剖面中部設(shè)置GPS監(jiān)測(cè)墩，并開展表面位移監(jiān)測(cè)；
[0021] 2)利用邊坡變形速率穩(wěn)定后的4個(gè)表面位移數(shù)據(jù)為目標(biāo)值，求解步驟3的響應(yīng)面方 程，構(gòu)建4個(gè)伯格斯模型參數(shù)組織；
[0022] 3)取每個(gè)參數(shù)的平均值作為最終值，實(shí)現(xiàn)伯格斯模型參數(shù)的識(shí)別。
[0023] 所述方法在步驟4之后還包括邊坡土體伯格斯模型參數(shù)的反演識(shí)別步驟，該步驟 具體包括：
[0024] 1)將步驟4優(yōu)化得到的參數(shù)輸入邊坡三維數(shù)值模型中計(jì)算；
[0025] 2)模擬和監(jiān)測(cè)位移時(shí)間序列曲線的相關(guān)性系數(shù)；
[0026] 3)判斷上一步的值，如果值<0.85則返回步驟1重新計(jì)算至步驟4,如此循環(huán)直至 其值>0.85。
[0027]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明基于室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的綜合手段，利用 響應(yīng)面分析法確定伯格斯模型參數(shù)與邊坡表面位移的回歸方程，并采用回歸分析構(gòu)建參數(shù) 的最優(yōu)組合。該方法避免為輸入大量的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而進(jìn)行數(shù)量眾多的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 工作，利用少量的三軸流變?cè)囼?yàn)和數(shù)值仿真試驗(yàn)，結(jié)合位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以通過響應(yīng)面法準(zhǔn) 確有效的識(shí)別邊坡土體的伯格斯模型參數(shù)，其識(shí)別的模型參數(shù)組合準(zhǔn)確可靠，為邊坡的位 移預(yù)測(cè)、安全監(jiān)控和科學(xué)防治提供有效支撐。
【附圖說明】
[0028]圖1為lOOkPa圍壓下流變?cè)囼?yàn)擬合曲線。
[0029]圖2為200kPa圍壓下流變?cè)囼?yàn)擬合曲線。
[0030]圖3為400kPa圍壓下流變?cè)囼?yàn)擬合曲線。
[0031]圖4為600kPa圍壓下流變?cè)囼?yàn)擬合曲線。
[0032]圖5為邊坡數(shù)值模型縱剖面圖。
[0033]圖6為邊坡GPS監(jiān)測(cè)墩結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖7為邊坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬曲線。
[0035] 其中：1 -滑體、2-滑帶、3-滑床、4-對(duì)中盤。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 以下結(jié)合附圖，以公路均質(zhì)土坡的土體流變參數(shù)識(shí)別研究為例，詳細(xì)地闡述本發(fā) 明的實(shí)施步驟：
[0037] 步驟1:確定模型參數(shù)及其水平。根據(jù)伯格斯模型的本構(gòu)方程，確定Eo、ru 4^112四 個(gè)參數(shù)作為反演識(shí)別參數(shù)。按照《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ89-92)采取邊坡滑動(dòng)面深度處 的原狀土樣，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)開展大尺寸室內(nèi)三軸流變?cè)囼?yàn)， 試樣尺寸為①130mm X 300mm，在SY250型應(yīng)力控制室三軸壓縮儀，固結(jié)圍壓分別為0.1、0.2、 0.4、0.6 M P a，試驗(yàn)固結(jié)結(jié)束后進(jìn)行圍壓恒定的三軸排水剪切試驗(yàn)，剪切速率控制為 0.005mm/min，試驗(yàn)過程中軸向壓力、孔隙水壓力和軸向變形均由微機(jī)自動(dòng)采集，應(yīng)變值為 15 %時(shí)終止試驗(yàn)。
[0038] 取得圍壓為0.1、0.2、0.4、0.6MPa下的土體蠕變曲線后，利用origin軟件自定義函 數(shù)模塊擬合曲線，初步確定相應(yīng)流變模型參數(shù)在不同圍壓下的試驗(yàn)值，確定模型參數(shù)的上、 下水平和零水平值，水平代碼分別為1、-1和0。表1為模型參數(shù)的水平設(shè)定：
[0039]表1 土體伯格斯模型參數(shù)水平表
[0041]步驟2:設(shè)計(jì)數(shù)值試驗(yàn)的方案。4個(gè)模型參數(shù)￡〇、11141、112作為自變量數(shù)組乂，分別標(biāo) 識(shí)為XI、X2、X3、X4，數(shù)值仿真得到邊坡中部的表面位移作為因變量，標(biāo)識(shí)為yi，根據(jù)上表中的3 個(gè)因素水平，按Box-Behnken矩陣抽樣法進(jìn)行4因素3水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)次數(shù)為29 次，包含5個(gè)重復(fù)的中心點(diǎn)。數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)順序和組合如表2:
[0042] 表2因素組合和試驗(yàn)結(jié)果表

I〇〇44]~步驟3:響應(yīng)面模型方程計(jì)算。將邊坡高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三角面化數(shù)據(jù)的stl文件，導(dǎo) 入FLAC3D形成邊坡三維模型，根據(jù)步驟2確定的樣本點(diǎn)參數(shù)值和上表試驗(yàn)順序依次進(jìn)行邊 坡三維數(shù)值模擬，可以得到因變量7:的29組數(shù)據(jù)，如上表所示。針對(duì)表中的29組模擬數(shù)據(jù)和 對(duì)應(yīng)的自變量組合進(jìn)行方差分析，采用Design-Expert軟件對(duì)模型和模型各項(xiàng)的系數(shù)進(jìn)行 顯著性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果中相關(guān)項(xiàng)的P < 0.0 5，則表明該項(xiàng)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響顯著；若P < 0.01，則該項(xiàng)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響極為顯著;P>〇. 05的項(xiàng)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)影響不顯著，在模型中可 以剔除該項(xiàng)。同樣的，若模型項(xiàng)的P<〇.05,說明響應(yīng)指標(biāo)與各項(xiàng)的回歸方程的關(guān)系是顯著 的，可以采用該方程表達(dá)指標(biāo)與參數(shù)間的關(guān)系。方差分析結(jié)果如下表：
[0045]表3模型和參數(shù)項(xiàng)方差分析表
[0047] 根據(jù)上表中P值判斷，一次項(xiàng)的影響極其顯著，影響顯著，X2 (Hi)和X3(EQ)的影響均不顯著；交互項(xiàng)中僅X2*X3的影響顯著；二次項(xiàng)中 X12和132對(duì)71影響顯 著，其余二次項(xiàng)影響不顯著。
[0048]采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，由Design-Expert軟件建立自變量與因變量的多項(xiàng)式 回歸模型，模型方程如下式：
[0049] yi = 87 ? 16+15 ? 26xi+25 ? 50x2X3+275 ? 22x4+28 ? 83xi2+48 ? 68x32
[0050]步驟4:模型參數(shù)優(yōu)化識(shí)別。通過邊坡主剖面中部設(shè)置GPS監(jiān)測(cè)墩進(jìn)行表面位移監(jiān) 測(cè)，定期獲取數(shù)據(jù)形成位移時(shí)間序列曲線。以邊坡變形速率基本不變后的第8、10、12、14天 表面位移為求解目標(biāo)值，基于Design-Expert軟件運(yùn)用多項(xiàng)式求解步驟3建立的回歸模型， 分別構(gòu)建4個(gè)伯格斯模型參數(shù)的最優(yōu)組織，取每個(gè)參數(shù)的平均值作為最終值，從而實(shí)現(xiàn)伯格 斯模型參數(shù)的識(shí)別。該邊坡土體伯格斯模型參數(shù)中E〇 = 2.85MPa、m = 305.23MPa ? d、Ei = 2.70MPa、= 195.35MPa ? d。將優(yōu)化得到的參數(shù)輸入邊坡三維數(shù)值模型中計(jì)算，利用 origin計(jì)算模擬和監(jiān)測(cè)位移時(shí)間序列曲線的相關(guān)性系數(shù)為0.92,滿足精度要求，說明識(shí)別 的參數(shù)能較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)邊坡表面位移。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡±體伯格斯模型參數(shù)的方法，其特征在于:包括W下步 驟： 步驟1，確定模型參數(shù)及其水平； 步驟2，確定數(shù)值試驗(yàn)的參數(shù)組合和試驗(yàn)順序； 步驟3,計(jì)算響應(yīng)面方程； 步驟4,優(yōu)化識(shí)別模型參數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡±體伯格斯模型參數(shù)的方法，其特 征在于:所述步驟1具體包括W下步驟： 1) 根據(jù)伯格斯模型方程確定Eo、ru、Ei、ri2四個(gè)需要識(shí)別的參數(shù)； 2) 取邊坡滑動(dòng)面附近原狀±樣，開展原狀±樣室內(nèi)=軸流變?cè)囼?yàn)； 3) 擬合函數(shù)模塊擬合試驗(yàn)曲線，確定步驟1)中各參數(shù)的上、下水平和零水平值。3. 如權(quán)利要求2所述的一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡±體伯格斯模型參數(shù)的方法，其特 征在于:所述伯格斯模型方程另4. 如權(quán)利要求1所述的一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡±體伯格斯模型參數(shù)的方法，其特 征在于:所述步驟2具體包括:選取4個(gè)流變參數(shù)作為自變量Xi，選取邊坡中部表面位移模擬 值作為因變量yi，按照伯格斯矩陣抽樣法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定4因素3水平的試驗(yàn)方案，并制 定方案表格。5. 如權(quán)利要求1所述的一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡±體伯格斯模型參數(shù)的方法，其特 征在于:所述步驟3具體包括：W邊坡測(cè)量高程數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)為依據(jù)建立邊坡=維模型， 根據(jù)步驟2確定的參數(shù)組合和試驗(yàn)順序，進(jìn)行數(shù)值模擬，建立自變量與因變量的多項(xiàng)式回歸 模型。6. 如權(quán)利要求1所述的一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡±體伯格斯模型參數(shù)的方法，其特 征在于:所述步驟4具體包括W下步驟： 1) 在邊坡主剖面中部設(shè)置GI^監(jiān)測(cè)墳，并開展表面位移監(jiān)測(cè)； 2) 利用邊坡變形速率穩(wěn)定后的4個(gè)表面位移數(shù)據(jù)為目標(biāo)值，求解步驟3的響應(yīng)面方程， 構(gòu)建4個(gè)伯格斯模型參數(shù)組織； 3) 取每個(gè)參數(shù)的平均值作為最終值，實(shí)現(xiàn)伯格斯模型參數(shù)的識(shí)別。7. 如權(quán)利要求1所述的一種利用響應(yīng)面法識(shí)別邊坡±體伯格斯模型參數(shù)的方法，其特 征在于:所述方法在步驟4之后還包括邊坡±體伯格斯模型參數(shù)的反演識(shí)別步驟，該步驟具 體包括： 1) 將步驟4優(yōu)化得到的參數(shù)輸入邊坡=維數(shù)值模型中計(jì)算； 2) 模擬和監(jiān)測(cè)位移時(shí)間序列曲線的相關(guān)性系數(shù)； 3) 判斷上一步的值，如果值《0.85則返回步驟1重新計(jì)算至步驟4,如此循環(huán)直至其值 >0.85。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105912777SQ201610220850
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月9日
【發(fā)明人】孫淼軍, 汪明元, 單治鋼
【申請(qǐng)人】中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司