基于神经网络的深厚软土地层参数反演分析

在深基坑工程数值分析中,土体本构关系的选取及其参数的确定对分析的结果会产生重要的影响。结合一个海中深厚软土基坑实例,根据现场实测数据,利用参数敏感性分析确定地层的关键参数,提出一个基于参数敏感性分析和BP神经网络的动态施工反演分析方法。分析结果显示,围护桩水平位移监测值与反演值吻合较好,说明基于参数敏感性分析和BP神经网络的动态施工反演分析方法能够很好地反映土体的非线性、不确定特征,依据该反分析方法获得的土体参数可用于估算下一工况的基坑位移。本次反演得到的土体参数可作为当地深厚软土地层类似工程土体参数的参考取值。     

Back analysis of geomechanical parameters by optimisation of a 3D model of an underground structure

One of the major difficulties for geotechnical engineers during project phase is to estimate the geomechanical parameters values of the adopted constitutive model in a reliable way. In project phase, they are normally evaluated by laboratory and in situ tests and, in the specific case of rock masses, by the application of empirical classification systems. However, all methodologies lead to uncertainties due to factors like local heterogeneities, representativeness of the tests, etc. In order to reduce these uncertainties, geotechnical engineers can use inverse analysis during construction, using monitoring data to identify the parameters of the involved formations. This paper shows the back analysis of geomechanical parameters by the optimisation of a 3D numerical model of the hydroelectric powerhouse cavern of Venda Nova II built in Portugal. For this purpose, two optimisation techniques were considered: one classical optimisation algorithm and an evolutionary optimisation algorithm. In the optimisation process, displacements measured by extensometers during excavation were used to identify rock mass parameters, namely the deformability modulus (E) and the stress ratio (K₀). Efficiency of both algorithms is evaluated and compared. Both approaches allowed obtaining the optimal set of parameters and provided a better insight about the involved rock formation properties.     

边坡加权位移反演方法及工程应用研究

参数反演是获得岩土强度参数的重要手段,而对于分层或者含有软弱夹层的边坡,加权位移反分析是获得其土体参数的有效反演方法。利用边坡测斜数据与土体分块的基本思想,提出了一种加权方法。根据土体深部位移曲线与最小二乘原理,将边坡土体划分为若干个具有不同位移特点的块体,单个块体的位移可以用两个量进行表示:滑动位移与变形位移。将反映块体自身强度的变形位移作为加权反分析的权重,并提出了新的反演目标函数。最后,依托实际工程,利用新方法计算了边坡的强度参数,其结果与现场试验符合较好。同时,敏感度计算的结果也表明该方法的反演效果更佳。     

Slope reliability and back analysis of failure with geotechnical parameters estimated using Bayesian inference

A Bayesian approach is proposed for the inference of the geotechnical parameters used in slope design. The methodology involves the construction of posterior probability distributions that combine prior information on the parameter values with typical data from laboratory tests and site investigations used in design. The posterior distributions are often complex, multidimensional functions whose analysis requires the use of Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods. These procedures are used to draw representative samples of the parameters investigated, providing information on their best estimate values, variability and correlations. The paper describes the methodology to define the posterior distributions of the input parameters for slope design and the use of these results for evaluation of the reliability of a slope with the first order reliability method (FORM). The reliability analysis corresponds to a forward stability analysis of the slope where the factor of safety (FS) is calculated with a surrogate model from the more likely values of the input parameters. The Bayesian model is also used to update the estimation of the input parameters based on the back analysis of slope failure. In this case, the condition FS = 1 is treated as a data point that is compared with the model prediction of FS. The analysis requires a sufficient number of observations of failure to outbalance the effect of the initial input parameters. The parameters are updated according to their uncertainty, which is determined by the amount of data supporting them. The methodology is illustrated with an example of a rock slope characterised with a Hoek-Brown rock mass strength. The example is used to highlight the advantages of using Bayesian methods for the slope reliability analysis and to show the effects of data support on the results of the updating process from back analysis of failure.     

地下空间施工时内部损伤监测的计算机方法

地下洞室施工时围岩损伤场的动态监测对裂隙岩体的安全施工相当重要。利用多元分布参数拟合逼近理论建立损伤场的映射拟合函数反演法 ,以识别与监测围岩损伤的演化。将分布参数系统用若干正交函数族的乘积描述 ,通过量测的位移值反演分配系数以确定损伤的函数分布形式 ,还探讨了拟合项数对反演精度的影响问题以及时变反演与工况、竣工模型反演的比较分析     

考虑隶属函数特性的边坡模糊可靠性分析

针对边坡工程岩土参数所具有的随机性、模糊性与区间性,根据隶属函数分布特征与截集技术提出岩土参数隶属函数截集取值方案,构建隶属函数不同分布形式的表征方法及其取值界限确定方法,建立基于截集技术与模糊点估计法的边坡模糊可靠性分析方法。通过两个典型算例不同工况计算结果的系统分析获得了岩土参数隶属函数分布形式、截集取值方案与取值界限对边坡模糊可靠度的影响规律。岩土参数样本数据量较少时可优先采用取值界限为±2.5σ的三角形分布与正态分布,对数正态与拟正态分布次之,而Beta(4,3)与Beta(4,4)分布将使模糊可靠度计算结果偏大。界限截集水平对计算结果影响程度显著,三角形、拟正态与Beta(4,3)分布的截集区间可取[0,1.0],正态与对数正态分布的截集区间可取[0.05,0.95],并选取隶属函数界限值与0.1间隔的截集水平值进行计算。获得了考虑隶属函数特性的边坡模糊可靠性分析方法,其将使边坡模糊可靠度计算结果更具合理性。     

基于差异进化算法的土层多参数动态反分析

为得到更加真实准确的深基坑施工过程各土层参数值,确保深基坑工程质量和安全稳定性,以大连某地铁车站深基坑工程为研究背景,根据现场地下连续墙水平位移实测数据,采用正交设计法对各土层参数进行敏感性分析,然后,基于差异进化多参数反分析方法,对深基坑各土层参数进行静态和动态位移优化,最后,根据地下连续墙体水平位移现场监测数据,对数值模拟结果进行辅助验证。研究结果表明:动态反分析的土层参数值更接近土层真实值,利用动态反分析得到的土层参数进行数值模拟分析,其结果比静态反分析模拟结果更接近实际监测数据,从而验证了该方法的合理性和正确性,为后续深基坑稳定性研究和变形预测提供技术支持。     

岩土参数最优概率分布推断方法及判别准则的研究

 为了获得岩土参数概率分布的最佳推断方法,首先考虑岩土参数均为非负值的特性,提出以“3?”准则为基础并考虑样本数据偏度进行调整的积分区间确定方法;以5组典型岩土参数作为基本信息,利用经典分布拟合法、最大熵法、一般多项式逼近法、正交多项式逼近法和正态信息扩散法分别对其概率分布函数进行了推断,并根据K-S检验法进行检验。通过所得概率分布的检验值、累积概率值和函数曲线的对比,研究上述方法的优劣。结果表明：与经典分布拟合法相比,其他4种方法的检验值普遍较小,均克服了经典分布无法反应样本随机波动性的缺陷,并且满足累积概率值等于1的要求。但最大熵法的检验值存在大于经典分布检验值的情况,一般多项式和正交多项式方法的概率密度函数则在样本数据局部分布区间存在负值情况。正态信息扩散法不存在上述缺陷,而且该方法得到的检验值最小,累积概率值始终为1,并可以随着样本的波动呈现多峰状态,拟合精度最高,是一种比较理想的最佳推断方法。最后给出了岩土参数最优概率分布的判别准则。     

三维地应力场BP反分析的改进

从回归分析出发,对地应力场的神经网络反分析进行了改进:采用线弹性有限元计算进行线性回归分析,获得优化参数的大致范围;应用均匀设计来确定计算参数不同水平的组合,进行弹塑性有限元计算获得训练的样本;采用Levenberg-Marquardt算法来训练BP神经网络,以提高效率;使用及早停止和正规化方法来避免神经网络的过拟合问题;得到离散化的应力值后,用神经网络拟合出了以坐标为参量的全场应力函数。     

基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析

 受爆破松动影响,地下洞室开挖后围岩强度会有所降低,根据松动损伤程度将其视为一个连续的三维“参数场”。由围岩松动圈的形成机制,分析地下洞室开挖后松动圈的计算方法,提出考虑松动圈的围岩参数场增量位移反分析法。针对岩土工程反分析计算量巨大的实际问题,对反演计算过程进行了基于MPI的主从式并行框架改进,运用计算机集群网络进行并行计算,减少了迭代计算次数和计算耗时,极大地提高了计算效率。通过对溪洛渡水电站右岸地下厂房的参数反演,得到了较好的反演效果,验证了此法的可行性和合理性。依据反演得到的参数场对现有支护设计及洞室围岩稳定状态进行评价,并对后续开挖进行预测,为工程设计施工提出合理建议,为地下工程参数反演提供了一种新方法和新思路。     

地层三维粘弹性反演分析

本文在假设围岩服从三元件粘弹性模型和初始地应力场分量按线性规律分布的基础上,采用直接边界单元法,依据边界、域内位移量测信息和域内扰动应力量测信息,建立了可以同时反演确定三维初始地应力和弹性常数E₁,E₂,v以及粘性常数η₂的计算法。文中采用插值函数,考虑了在边界上量测点的任意设置问题。最后,给出了算例验证及工程应用实例。     

均匀设计原理在地下工程位移反分析中的应用

以小湾水电站为背景，在试验、监测、前期分析结果的基础上，建立地质与施工的概化模型。以围岩基本力学参数和初始应力场为基本变量，按均匀设计方法进行计算方案的组合，采用考虑开挖卸荷效应的三维弹塑性有限元方法完成了地下硐室群开挖模拟，并应用多元线性回归模型进行了围岩基本力学参数和初始应力场的反演分析。应用反演计算所得围岩基本力学参数和初始应力场计算各监测点的开挖扰动位移增量，相应的计算值与实测值较为吻合，表明反演得到的力学参数和地应力场基本合理，均匀设计原理在地下工程位移反分析中具有较高的实用价值。     

岩土参数随机场特性及线性预测

对利用随机场理论来研究岩土参数的几个基本问题进行了探讨 ,指出目前对岩土参数随机场的随机性描述存在半变异函数和相关函数两种理论方法 ,通过理论分析和推导研究了两种方法的内涵和联系 ,探讨了计算岩土参数的相关距离的几种方法 ,在此基础上证明加权最小二乘多项式可作为最佳线性预测函数 ,并通过大量实测资料进行了验证。     

Assessing the construction cost of Greek transportation tunnel projects

Cost estimation is a crucial factor for the success of an engineering project. This element is even more important at the initial stages of design where decisions should be taken based on the more accurately available cost data. In underground construction projects especially, where the variability of the geotechnical conditions can change initial estimates, the accurate estimation of the construction cost from the preliminary phases of the project can minimize cost overrun issues as well construction claims and disputes. The purpose of this paper is to provide insight in cost estimation for underground projects focusing on tunnels. For this reason, the analysis of construction cost is undertaken, based on data from a set of 9 tunnels that have been constructed in Greece. The analysis presented focuses on the excavation and temporary support cost with respect to the geotechnical conditions encountered. Although the cost is influenced by many parameters, through the analysis of past data using the Case Base Reasoning approach, valuable lessons can be learned by decoding the effect of the ground conditions on the construction cost. The construction cost of the Greek tunnels is estimated for 2011 price levels and it is expressed though range estimation for 5 rock mass categories that were identified. Furthermore, a direct linkage between construction cost and the encountered geotechnical conditions, as expressed in GSI values, are made in an attempt to capture the general trend of construction cost in terms of €/m³ and €/m. The findings can be used as a first order assessment in order to have a representative estimation of the tunneling cost from the initial stages of project design.     

地铁隧道施工对周边环境影响的数值分析方法适宜性评价及其改进方法

岩土工程数值分析方法用于地铁隧道施工对周边环境的预测,不能仅采用单个断面模拟结果较好的数值方法,应该采用本地区多个断面模拟后改进方法进行,才能使预测结果具有适宜性.分析时应对隧道线路上的岩土工程设计参数综合分析,得到大多数断面适用的调整参数.同时对地铁隧道施工应区分矿山法和盾构法的差异,对推进速度、衬砌时间、注浆压力、注浆量、注浆时间做出严格规定;对隧道施工沉降控制标准做出切合实际的规定.在这个基础上做出的数值分析预测才能真正起到对线路优化设计,保证施工工期、降低处理费用的作用.     

巷道裂隙岩体的损伤参数辨识

基于位移反分析理论及几何损伤理论 ,对巷道裂隙岩体的损伤参数进行了辨识。根据岩体中裂隙组数的不同 ,对于含一组裂隙、两组裂隙及多组裂隙情况下损伤参数辨识可靠性问题进行了分析 ,给出了精确辨识的参数组合。针对初值选取对某些参数的辨识精度影响较大的特点 ,采用蒙特卡罗优化法进行初值的优选 ,计算结果显示 ,优选初值下的辨识可靠性有很大提高     

基于贝叶斯更新和信息量分析的边坡钻孔布置方案优化设计方法

为在节省岩土工程勘察成本的前提下获得最有价值的现场试验数据,通常需要事先设计最优的工程勘察方案。提出了基于贝叶斯更新和信息量分析的边坡钻孔布置方案优化设计方法,其中采用贝叶斯方法更新空间变异土体参数统计特征和计算边坡后验失效概率,在此基础上进行场地信息量分析确定边坡最优钻孔位置和最佳钻孔间距。此外,为更加准确地表征土体参数的先验信息,发展了非平稳随机场模型以表征土体参数均值和标准差随埋深逐渐增加的特性。最后通过一个不排水饱和黏土边坡算例验证了提出方法的有效性。结果表明:所提出的方法能够在现场勘察试验之前仅利用现有的土体参数先验信息有效确定边坡最优钻孔位置和最佳钻孔间距。对了解边坡稳定性能所需的试验数据,并不是钻孔间距越小所获得的信息量越大。     

基于敏感性分析的围岩力学参数反演方法研究

由于影响隧道变形的围岩强度参数和变形参数较多,现有的反分析研究主要集中在算法的优化上,因而忽略了工程应用的便利性和实用性。针对这种状况,以南京某隧道工程为依托,结合数值模拟,提出了基于敏感性分析的反演方法。根据工程实际,将围岩和支护结构综合考虑分为初始围岩区(简称Z₁),松动圈与锚杆锚固共同作用区(简称Z₂)以及钢支撑和喷射砼等效作用区(简称Z₃);通过安排试算初始值,利用FLAC^3D程序计算并分析不同的力学参数对不同隧道变形的敏感性,从而确定反演流程;根据反演流程结合各测点的实测变形值获取合理、准确的围岩力学参数。研究结果表明:与常规的反演方法相比,通过敏感性分析确定隧道不同变形的主控因素,以此变形来反演该主控因素参数在很大程度上提高了工程应用的效率与可靠度;拱顶下沉受Z₁区弹性模量E₁、Z₂与Z₁区弹性模量比值n的影响较大,受围岩泊松比μ₁的影响相对较小;隧道收敛受E₁、n、μ₁ 三者的影响都较大;围岩力学参数反演结果为E₁=362.6 MPa、n=0.62、μ₁=0.30;现场应用证明了该方法的有效合理性。     

Integrated structural stability analysis for preliminary open pit design

A design module has been developed for integrating slope stability analysis into the data management, ore reserve and pit optimisation processes of an open pit mine. The developed slope stability analysis tools were successfully implemented along the full projected pit model of a surface mine in Canada. Undertaken stability analyses included both kinematic and limit equilibrium stability analysis for bench and interramp design. The developed stability analysis modules employed geographical information systems (GIS) techniques to provide visualization tools and establish stability susceptibility zones along the pit. This approach facilitated the selection of acceptable slope design criteria for the pit. A case study was used to illustrate the developed methodology and tools. This approach led to an improved design for the optimised 3D pit configuration and can facilitate communication between the mine planning and geotechnical groups. This can contribute to a better understanding of the economic impact of the different slope and pit design scenarios. Given that open pit design is an iterative process, the opportunity of having design tools that can readily accommodate the use of updated data and explore different options provide tangible economic benefits.     

摩擦型单桩承载性能设计理论研究

进一步分析了摩擦型单桩承载性能，建立了复杂介质中摩擦型单桩的地基-桩-土体系模型，将线性变形层模型和非线性传递函数模型相结合，以改进的适合于分层介质内的Mindlin解答为基础，给出了按摩擦型单桩承载机理分析计算的“广义弹性理论法”；同时，利用等效模量的概念解决了Mindlin解中土体位移为负值的现象，为桩基础设计计算提供了有力的理论依据。编制的计算程序，不仅可用于计算单桩竖向加载时的沉降值，而且可根据静载试验实测的荷载-沉降数据反演分析桩侧和桩端土的岩土力学参数值，可用于指导设计和施工，以弥补静载试验抽样率低的缺陷。对工程实例进行计算分析，结果显示，该种理论方法对于摩擦型单桩的计算具有较高的精度和实用性。