一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯模型参数的方法技术

本发明专利技术提供一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯模型参数的方法，包括确定模型参数及其水平；确定数值试验的参数组合和试验顺序；计算响应面方程；优化识别模型参数。本发明专利技术基于室内试验、数值模拟和现场监测的综合手段，利用响应面分析法确定伯格斯模型参数与边坡表面位移的回归方程，并采用回归分析构建参数的最优组合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于岩土工程
，具体涉及一种综合室内试验、现场监测和数值仿真手段的边坡土体伯格斯流变参数识别方法。
技术介绍
蠕滑型边坡在工程建设中广泛存在，伯格斯模型是描述稳定变形土体的理想流变模型，其本构参数识别是岩土体流变特性分析中的重要课题之一。岩土流变参数辨识的方法通常可划分为正、反分析两大类。正分析方法确定流变参数的前提是准确掌握岩土体应力状态，然而由于地层的实际应力状态很难准确获取，这限制了正分析法在实际工程中的应用。因此，参数反分析方法在实际工程中应用更为广泛。目前，在边坡监测领域以位移监测方法为主，同时将位移作为边坡演化阶段识别和预测预报最为核心的数据，因此位移反演是反分析中应用最为普遍的方法。位移反分析法一般采用神经网络、粒子群法等方法进行人工智能分析，但此类人工智能方法的准确性是以大量的学习样本为前提，即需要大量的试验和监测数据，这在工程实践中会消耗大量的人力物力。土体流变参数识别实质上是统计方法中的参数寻优过程，响应曲面分析方法是解决多变量问题的一种统计方法，其不但能定量评价各类输入参数对于输出响应值的影响程度，并且能给出主要影响因素与响应值间的定量关系式，在定量评价方面较人工智能方法有较为明显的优势。在岩土工程领域，响应面分析法主要应用于可靠性分析和数值计算模型的参数优化设计，在土体流变参数优化、识别方面目前未见相关的研究。同时，由上述分析可知，响应面分析法作为解决多变量寻优问题的统计方法，适用于土体伯格斯流变本构参数的识别。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯
模型参数的方法，能准确辨识边坡土体伯格斯模型的参数。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯模型参数的方法，包括以下步骤：步骤1，确定模型参数及其水平；步骤2，确定数值试验的参数组合和试验顺序；步骤3，计算响应面方程；步骤4，优化识别模型参数。在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：所述步骤1具体包括以下步骤：1)根据伯格斯模型方程确定E0、η1、E1、η2四个需要识别的参数；2)取边坡滑动面附近原状土样，开展原状土样室内三轴流变试验；3)拟合函数模块拟合试验曲线，确定步骤1)中各参数的上、下水平和零水平值。所述伯格斯模型方程为所述步骤2具体包括：选取4个流变参数作为自变量xi，选取边坡中部表面位移模拟值作为因变量yi，按照伯格斯矩阵抽样法进行试验设计，确定4因素3水平的试验方案，并制定方案表格。所述步骤3具体包括：以边坡测量高程数据和钻孔数据为依据建立边坡三维模型，根据步骤2确定的参数组合和试验顺序，进行数值模拟，建立自变量与因变量的多项式回归模型。所述步骤4具体包括以下步骤：1)在边坡主剖面中部设置GPS监测墩，并开展表面位移监测；2)利用边坡变形速率稳定后的4个表面位移数据为目标值，求解步骤3的响应面方程，构建4个伯格斯模型参数组织；3)取每个参数的平均值作为最终值，实现伯格斯模型参数的识别。所述方法在步骤4之后还包括边坡土体伯格斯模型参数的反演识别步骤，该步骤具体包括：1)将步骤4优化得到的参数输入边坡三维数值模型中计算；2)模拟和监测位移时间序列曲线的相关性系数；3)判断上一步的值，如果值≤0.85则返回步骤1重新计算至步骤4，如此循环直至其值＞0.85。本专利技术的有益效果：本专利技术基于室内试验、数值模拟和现场监测的综合手段，利用响应面分析法确定伯格斯模型参数与边坡表面位移的回归方程，并采用回归分析构建参数的最优组合。该方法避免为输入大量的试验和监测数据而进行数量众多的试验和现场监测工作，利用少量的三轴流变试验和数值仿真试验，结合位移监测数据，可以通过响应面法准确有效的识别边坡土体的伯格斯模型参数，其识别的模型参数组合准确可靠，为边坡的位移预测、安全监控和科学防治提供有效支撑。附图说明图1为100kPa围压下流变试验拟合曲线。图2为200kPa围压下流变试验拟合曲线。图3为400kPa围压下流变试验拟合曲线。图4为600kPa围压下流变试验拟合曲线。图5为边坡数值模型纵剖面图。图6为边坡GPS监测墩结构图。图7为边坡位移监测数据和模拟曲线。其中：1-滑体、2-滑带、3-滑床、4-对中盘。具体实施方式以下结合附图，以公路均质土坡的土体流变参数识别研究为例，详细地阐述本专利技术的实施步骤：步骤1：确定模型参数及其水平。根据伯格斯模型的本构方程，确定E0、η1、E1、η2四个参数作为反演识别参数。按照《原状土取样技术标准》(JGJ89-92)采取边坡滑动面深度处的原状土样，按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)开展大尺寸室内三轴流变试验，试样尺寸为
Φ130mm×300mm，在SY250型应力控制室三轴压缩仪，固结围压分别为0.1、0.2、0.4、0.6MPa，试验固结结束后进行围压恒定的三轴排水剪切试验，剪切速率控制为0.005mm/min，试验过程中轴向压力、孔隙水压力和轴向变形均由微机自动采集，应变值为15％时终止试验。取得围压为0.1、0.2、0.4、0.6MPa下的土体蠕变曲线后，利用origin软件自定义函数模块拟合曲线，初步确定相应流变模型参数在不同围压下的试验值，确定模型参数的上、下水平和零水平值，水平代码分别为1、-1和0。表1为模型参数的水平设定：表1土体伯格斯模型参数水平表模型参数E0/MpaE1/Mpaη1/Mpa·dη2/Mpa·d下水平(-1)2.241.03110.51982.00零水平(0)3.001.92260.621496.00上水平(+1)3.762.81410.732010.00步骤2：设计数值试验的方案。4个模型参数E0、η1、E1、η2作为自变量数组X，分别标识为x1、x2、x3、x4，数值仿真得到边坡中部的表面位移作为因变量，标识为y1，根据上表中的3个因素水平，按Box-Behnken矩阵抽样法进行4因素3水平的试验设计，对应的试验次数为29次，包含5个重复的中心点。数值试验设计顺序和组合如表2：表2因素组合和试验结果表编号x1x2x3x4y1编号x1x2x3x4y11-110083.02216000087.16320-10191.00117000087.16330-1-1087.36518-100190.9004-100-178.88119-10-1080.09351-10084.0322010-1085.9516-1-10080.29521001-177.2657000087.16322100-182.9218101082.82023000087.1639001189.284240-10-181.00210000087.16325-101081.9111101-1081.91126100189.89120-11081.81027010191.2031300-1185.0422800-1-178.78014010-181.00229011086.45615110083.022步骤3：响应面模型方程计算。将边坡高程数据转换成三角面化数据的stl
文件，导入FLAC3D形成边坡三维模型，根据步骤2确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯模型参数的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，确定模型参数及其水平；步骤2，确定数值试验的参数组合和试验顺序；步骤3，计算响应面方程；步骤4，优化识别模型参数。

【技术特征摘要】
1.一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯模型参数的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，确定模型参数及其水平；步骤2，确定数值试验的参数组合和试验顺序；步骤3，计算响应面方程；步骤4，优化识别模型参数。2.如权利要求1所述的一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯模型参数的方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：1)根据伯格斯模型方程确定E0、η1、E1、η2四个需要识别的参数；2)取边坡滑动面附近原状土样，开展原状土样室内三轴流变试验；3)拟合函数模块拟合试验曲线，确定步骤1)中各参数的上、下水平和零水平值。3.如权利要求2所述的一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯模型参数的方法，其特征在于：所述伯格斯模型方程为4.如权利要求1所述的一种利用响应面法识别边坡土体伯格斯模型参数的方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：选取4个流变参数作为自变量xi，选取边坡中部表面位移模拟值作为因变量yi，按照伯格斯矩阵抽样法进行试验设计，确定4因素3水平的试验方案，并制定方案表格。5.如权利要求1所述的一种利...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙淼军，汪明元，单治钢，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33