巖土工程數(shù)值模擬分析(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究生課程作業(yè)課程名稱 巖土工程數(shù)值模擬分析 導(dǎo)師姓名 胡老師 研究生姓名 XX 所在院系 土木工程學(xué)院（巖土與地震工程研究中心）類 別 學(xué)術(shù)型碩士 日 期 2013 年 6月 09日 評 語老師評語:平時成績：課程作業(yè)成績：總 成 績：評閱人簽名：注：1、無評閱人簽名成績無效；2、必須用鋼筆或圓珠筆批閱，用鉛筆閱卷無效；3、如有平時成績，必須在上面評分表中標(biāo)出，并計算入總成績。GABP網(wǎng)絡(luò)在巖土體力學(xué)參數(shù)的位移反分析研究中的應(yīng)用摘要：本文以長春地鐵1號線解放大路站基坑開挖為工程背景，綜合運用了正交試驗法、有限差分法以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行了基坑巖土體力

2、學(xué)參數(shù)的位移反分析研究。根據(jù)正交試驗對各土層土體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分組設(shè)計，運用有限差分軟件FLAC3D對基坑開挖工況進(jìn)行模擬計算，根據(jù)FLAC3D計算結(jié)果構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，通過GA-BP(遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))算法進(jìn)行位移反分析研究，并利用由該網(wǎng)絡(luò)得到的巖土體參數(shù)對基坑位移作正向分析，結(jié)論表明了該方法在土性參數(shù)反演中的適用性，可以作為地鐵深基坑開挖設(shè)計施工的參考和借鑒。關(guān)鍵詞：FLAC3D，遺傳算法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，正交試驗設(shè)計，巖土體參數(shù)反演專心-專注-專業(yè)引言巖土體的力學(xué)性態(tài)及原始應(yīng)力狀態(tài)等參數(shù)是數(shù)值方法能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵，試圖從改進(jìn)實驗技術(shù)和采用新的實驗手段解決有關(guān)巖土工程設(shè)計參數(shù)是很困難

3、的12，利用現(xiàn)場量測信息為數(shù)值分析提供實用的“計算參數(shù)”的所謂“反分析”就由此而產(chǎn)生。從系統(tǒng)角度來看，基坑工程是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，人們對其進(jìn)行的各種施工活動，均可看成系統(tǒng)輸入，而人們量測到的位移、變形破壞則為系統(tǒng)對輸入的響應(yīng)，即系統(tǒng)的輸出。而反分析則是根據(jù)一個灰色系統(tǒng)的輸出確定輸入的過程12。參數(shù)反分析可歸為三類：反演法，即直接按量測位移求解逆方程得到參數(shù)；正演法，即首先給定參數(shù)的試探值，通過迭代運算和誤差函數(shù)的優(yōu)化技術(shù)求得參數(shù)的“最佳值”； 考慮先驗信息及量測誤差的貝葉斯(Beyes)方法或卡爾曼(Caiman)濾波法34。由于巖土體介質(zhì)的非線性，難以建立待反演參數(shù)與量測信息之間的顯式關(guān)系，

4、目前主要采用正演優(yōu)化反分析方法實現(xiàn)上述參數(shù)識別過程，即第二種方案土的工程性質(zhì)受應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑及自身結(jié)構(gòu)影響，呈現(xiàn)出非線性性質(zhì)，因此在基坑工程反分析中采用非線性土的本構(gòu)模型日益受人們采納56。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種建立輸入和輸出的映射關(guān)系，具有高度的學(xué)習(xí)能力、容錯能力，三層以上(含三層)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意非線性函數(shù)34，可用來描述土的力學(xué)參數(shù)和位移之間的非線性關(guān)系。工程概況本工程為長春地鐵1號線一期工程解放大路站工程，工程包括內(nèi)部豎井、風(fēng)道施工。豎井井口位于人民大街和解放大路十字路口東北角綠地上。豎井采用矩形截面形式，支護(hù)外緣尺寸為15.55m×7.20m，豎井深約29.89m，采

5、用倒掛井壁法施工，鋼筋格柵+型鋼支撐+噴射混凝土支護(hù)形式。豎井鎖口圈梁為C30鋼筋混凝土。井身采用注漿錨管+鋼筋格柵型鋼支撐噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)形式，噴射混凝土為C20濕噴早強混凝土，厚度為350mm。施工開挖模擬和反分析參數(shù)選擇根據(jù)基坑開挖和支護(hù)的施工步序，計算共考慮4個工況：開挖至第一道支撐底標(biāo)高并并設(shè)置第一道支撐為工況1，開挖至第二道支撐底標(biāo)高并設(shè)置第二道支撐為工況2，開挖至第三道支撐底標(biāo)高并設(shè)置第三道支撐為工況3，開挖至第四道支撐底標(biāo)高并設(shè)置第四道支撐為工況4，計算中將每一個工況作為一個計算步時，按增量法近似模擬施工過程反分析結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的可靠性與代表性57。

6、反分析所得的巖土體參數(shù)一般來說是代表某一基坑土層變形與強度特征的“綜合參數(shù)”，即要求實測數(shù)據(jù)也能充分體現(xiàn)這一點，所以從以下三個方面選取反分析實測數(shù)據(jù)：實測數(shù)據(jù)初分析，剔除因局部軟弱帶、監(jiān)測失真等因素導(dǎo)致的不合理位移；考慮數(shù)據(jù)點的時間分布特征，選取不同開挖層的典型位移；考慮數(shù)據(jù)點的空間分布，選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移和沉降位移及周邊建筑物的沉降位移。綜合以上分析，我們選擇四種參數(shù)：E,C,?；贔LAC3D的計算模型FLAC3D一種基于三維顯示有限差分法的數(shù)值分析軟件，在計算求解中它采用了動態(tài)松弛法，能夠較好地模擬巖土材料的塑性流動、軟化、屈服，尤其適合做材料的彈塑性分析，大變形和模擬施工期的開

7、挖過程及支護(hù)模擬。因此本文采用FLAC3D做數(shù)值分析的手段8。模型計算域范圍：基坑開挖深度為15m，當(dāng)前開挖長64m，基坑寬18.5m。根據(jù)基坑開挖影響長度方向約為開挖深度的3-4倍，深度方向約為開挖深度的2-4倍，取基坑沿長邊方向延伸約46m，基坑兩側(cè)短邊各延伸約40m，基坑底部以下取45m，到達(dá)下部含碎石粉質(zhì)粘土層，對計算結(jié)構(gòu)不會有大的影響，即模型尺寸為110m×100m×60m（長×寬×高）。在FLAC3D模型中，地下連續(xù)墻和土體采用三維六面體8節(jié)點的實體單元模擬，鋼支撐采用3節(jié)點的梁單元模擬，材料模型選用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)關(guān)系和強

8、度判據(jù)。由于模型范圍選取足夠大，因此我們在基坑的長邊方向（X方向）兩端（X=0,X=90）施加X方向約束，基坑的短邊方向（Y方向）兩端（Y=0,Y=70）施加Y方向約束，而在模型的底面（Z=-55）施加了XYZ三個方向的約束。計算模型材料參數(shù)如表1，計算模型如圖1。表1計算模型圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters for calculating model of surrounding rock and supporting structures土層名稱雜填土 粘土 粉沙質(zhì)粘土190018741810C12 21 22 18 12 110.330.3

9、30.3K/MPa7.93 6.548.28G/MPa4.0 2.39 3.30層厚2.64.722圖1FLAC3D數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model of FLAC3DGA-BP模型的建立1 目標(biāo)函數(shù)的建立本文選取現(xiàn)場實測位移增量值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射值的殘差平方和作為目標(biāo)函數(shù)，也是遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，即：式中：為需要確定的參數(shù)向量，為參數(shù)約束條件，即待反演參數(shù)應(yīng)滿足本構(gòu)關(guān)系理論規(guī)則和參數(shù)允許的取值范圍；和分別為第測點某一施工步或某幾個施工步前后位移增量的網(wǎng)絡(luò)映射值和實測值，優(yōu)化反分析的目標(biāo)就是求得使取得最小值時的參數(shù)值。2基于GA-BP算法的位移反分

10、析采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立巖土體力學(xué)參數(shù)和位移之間的映射關(guān)系，在數(shù)據(jù)進(jìn)行更新的時候，需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值計算，很大程度上降低了反分析的效率910。而將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法結(jié)合7，即利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高度非線性映射和預(yù)測的功能，又利用了遺傳算法全局尋優(yōu)特性，克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)陷入局部極小問題11。采用的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-BP)反分析步驟如下；(1) 基于正交試驗設(shè)計生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本和測試樣本的參數(shù)組合，通過FLAC3D正算程序獲取樣本的輸出，并進(jìn)行歸一化處理。(2) 給定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層及每個隱含層神節(jié)點數(shù)的范圍，隨機(jī)抽取一個樣本，利用GA搜索最佳ANN結(jié)構(gòu)。利用搜索得到的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行樣本學(xué)習(xí)，建立巖土體

11、力學(xué)參數(shù)與輸出位移之間的映射關(guān)系1213。(3) 利用測試樣本，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。對訓(xùn)練成熟的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化設(shè)置，并確定待反演參數(shù)的取值范圍。(4) 在待反演的參數(shù)取值范圍內(nèi)隨機(jī)生成可能參數(shù)群體，逐個代入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行位移預(yù)測，計算目標(biāo)函數(shù)值(適應(yīng)度)。若適應(yīng)度滿足精度要求，則當(dāng)前對應(yīng)參數(shù)即為最優(yōu)參數(shù)組合1415；若適應(yīng)度不滿足要求，則進(jìn)行復(fù)制、雜交、變異操作，產(chǎn)生下一子代可能的參數(shù)群體16。(6) 重復(fù)進(jìn)行(5)步操作，直到獲得滿足目標(biāo)函數(shù)精度的最優(yōu)參數(shù)組合。3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本構(gòu)造為了使選取的樣本能夠全面反映土體的力學(xué)影響因素，使試驗樣本具有充分的代表性11，采用正交試驗設(shè)計BP神經(jīng)網(wǎng)

12、絡(luò)樣本。利用SPSS軟件來設(shè)計正交試驗13，采用正交表L25(54)分別構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本和測試樣本，參數(shù)輸入部分如上表2，對于樣本輸出則采用FLAC3D正算獲取監(jiān)測點位移增量，如上表31213。其中，前20個樣本作為網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本，后5個為測試樣本。表2 BP網(wǎng)絡(luò)輸入樣本Table 2 Sample input of BP network編號輸入（FLAC計算位移mm）123416.345.229.987.3425.135.8410.778.6535.235.456.389.2145.146.358.2910.6355.746.358.726.6665.825.439.878.2474.31

13、4.799.659.4383.315.929.478.5897.368.668.557.76106.258.378.699.35116.266.987.967.64126.417.0210.308.31137.457.849.178.68146.817.926.268.51156.257.908.758.48167.267.167.266.44177.387.187.758.83187.557.018.396.75198.637.678.438.57207.716.899.567.37217.346.758.929.14227.325.898.768.35236.716.9711.499.77

14、246.536.619.759.64256.467.028.948.19表3 BP網(wǎng)絡(luò)輸出樣本Table 3 Sample output of BP network試驗編號樣本參數(shù)E0/GPaC/KPa/。u16.2634.2180.3426.2637.1200.2836.2638.4220.3646.2639.9240.3956.2642.0260.3367.3634.2180.3977.3637.1200.3687.3638.4220.3397.3639.9180.34107.3642.0200.34118.7434.2220.28 128.7437.1260.34138.7438.420

15、0.33148.7439.9180.39158.7442.0240.36169.5434.2260.39179.8237.1180.36189.8238.4200.33199.8239.9240.28209.8242.0220.282110.3134.2260.282210.3137.1240.342310.3138.4260.362410.3139.9220.392510.3142.0240.33參數(shù)的反演計算在Matlab12a中編寫進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過GA搜索ANN結(jié)構(gòu)，獲得最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為424164；采用學(xué)習(xí)率=0.20、動量因子=0.35、利用學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，選取測試樣本的系

16、統(tǒng)誤差極小值對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值，得到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在本工程意義下泛化能力是最佳的131617。然后設(shè)置遺傳代數(shù)Igen=100、種群規(guī)模Np=20、選擇變異概率0.09，然后調(diào)用gaot工具箱，經(jīng)GA搜索得到最優(yōu)參數(shù)17，見表4。表4 反分析所得巖土體參數(shù)Table 4 Soil mass parameters from back analysis參 數(shù)E0（GPa）（MPa） (°)反 演 值1215.521030反演分析結(jié)果檢驗反演分析得到巖土體參數(shù)不是我們的最終目標(biāo)，利用獲取的參數(shù)進(jìn)行后續(xù)開挖的預(yù)測（位移、應(yīng)力、應(yīng)變、松動圈深度等）和進(jìn)行基坑施工期穩(wěn)性評價、最后用于反饋設(shè)計與施工才是

17、我們最關(guān)注的事情。反演得到的巖土體參數(shù)是否可用還有待于驗證，本文利用獲取參數(shù)通過正算，獲取圍巖測點位移，借用灰色系統(tǒng)理論中的后驗差法1617進(jìn)行位移檢驗來判斷反演所得參數(shù)的可信性。用后驗差法來檢驗實測位移和計算位移間的偏差程度：首先，計算后驗差比值和小誤差概率，即： (2) (3)式中C為位移計算值方差與位移殘差方差的比值。殘差由計算。 然后根據(jù)、值按表6判斷結(jié)果是否可靠，經(jīng)檢驗達(dá)到“合格”及以上認(rèn)為反演結(jié)果可用。表5 精度等級劃分表Table 6 Accuracy grade classification PC好0.950.35合格0.850.50勉強合格0.700.65不合格0.

18、700.65對基坑粉質(zhì)粘土層開挖引起的增量位移進(jìn)行預(yù)測。將得到的預(yù)測值與現(xiàn)場實測值比較，兩者數(shù)值較接近，計算的后驗差比值和小誤差概率表明了反演得到的巖土體參數(shù)能夠較好代表解放大路站基坑粉質(zhì)粘土層的整體情況，見表6。結(jié)果說明了采用GABP算法得到的預(yù)測值是可信的，可以作為工程參考值。表6粉質(zhì)粘土層開挖位移增量計算值與實測值對比Table.7 Displacement comparison between computed and measured of excavation監(jiān)測點JF22JF23JF27實測位移-18.87-29.7418.34計算位移-17.599-28.20618.852絕對

19、誤差1.2711.5340.512相對誤差（%）-6.32-5.152.79結(jié)論與建議建立了模擬基坑實際開挖的平面應(yīng)變有限差分計算模型，進(jìn)行了巖土體參數(shù)的增量位移智能反演，得出以下結(jié)論：(1) 建立基坑分層開挖FLAC3D計算模型來模擬實際施工情況，基于正交試驗方法獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和測試樣本，通過遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-BP)算法，可以迅速地建立位移與巖土體參數(shù)之間的高度非線性映射關(guān)系，避免了參數(shù)調(diào)整時需要的復(fù)雜計算。(2) 合理選取反演參數(shù)和現(xiàn)場實測位移增量數(shù)據(jù)，運用遺傳算法全局尋優(yōu)特點，借助訓(xùn)練好的圍巖參數(shù)-位移之間非線性映射關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，成功反演出與彈塑性模型相

20、關(guān)4個巖土體參數(shù)。(3) 運用反演參數(shù)，通過正算對基坑粉質(zhì)粘土層開挖引起位移增量進(jìn)行了預(yù)測，并進(jìn)行了位移的后驗差法檢驗，結(jié)果表明反演參數(shù)的適用性，可作為后續(xù)開挖施工設(shè)計依據(jù)617。1楊林德,朱合華等.巖土工程問題的反演理論與工程實踐M.北京:科學(xué)出版社,1998. 2楊志法.巖土工程反分析原理及應(yīng)用.地震出版社，20023呂愛鐘,蔣斌松等.巖石力學(xué)反問題M.北京:煤炭工業(yè)出版社,1998.4黃運飛，馮靜.計算工程地質(zhì)學(xué)M.兵器工業(yè)出版社，1992.5朱維申等考慮時空效應(yīng)的地下洞室變形觀測及反分析J巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1989，8(4)346-353.6鄧聚龍.灰色控制系統(tǒng)J.華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1982(3):1