一种双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法技术

本发明专利技术公开了一种双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，包括以下步骤：建立双侧壁导坑隧道的岩土体的数值模型；确定表征待模拟岩土体参数空间变异性的概率模型和统计特征；确定待模拟场地信息，包括场地维度和尺寸；网格离散化待模拟场地；构建基于协方差矩阵分解法的随机场模型；基于就近原则的参数随机场模型到数值模型的映射；完成双侧壁导坑隧道的随机场建模。本发明专利技术的有益效果为：采用就近原则首先是获取数值模型的尺寸及网格信息，然后确定与之匹配的随机场模型的尺寸及网格大小，从而实现两种模型之间的一一对应，对应关系明确，模型可以完全反映对应的参数随机性和相关性特征，准确度高。

【技术实现步骤摘要】
一种双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法
本专利技术涉及岩土工程
，具体涉及一种双侧壁导坑隧道的岩土参数随机场建模方法。技术背景岩土体作为大自然的产物，其形成过程的复杂性和多样性是不言而喻的。不同历史时期大自然造就了不同岩土体类型，并且同一类岩土体内矿物组成、应力历史等条件的差异导致其物理、力学参数表现出不同程度的差异性，称之为空间变异性。空间变异性是岩土工程中不确定性的重要来源，因此，如何准确地描述地质模型对于经济合理地解决岩土工程不确定性问题极为重要。目前，多数岩土工程设计方法中，将土体看作水平层状的“均质”材料，这种假设虽然给岩土工程设计方法带来了极大便利，但难以反映和展现天然土体材料的空间变异性。最近颁布的欧洲岩土工程设计规范Eurocode7中明确提到土体参数特征值的选取需要考虑参数不确定性的影响，并要求在最不利参数取值条件下的计算结果达到系统极限状态的概率不超过5％。2017年，国际土力学与岩土工程学会(ISSMGE)成立了联合工作组，积极开展基于空间变异性分析的岩土工程可靠度设计方法的研究。经对现有技术文献检索发现，Vanmarcke于1977年在《JournaloftheGeotechnicalEngineering，ASCE》发表的《Probabilisticmodelingofsoilprofiles》中提出采用随机场模型描述岩土体参数空间变异性，该模型可以同时反映岩土体参数的随机性和相关性两方面的特征。Davis于1987年在《MathematicalGeology》发表的《ProductionofConditionalSimulationsviatheLUTriangularDecompositionoftheCovarianceMatrix》中发展了一种随机场建模方法-协方差矩阵分解法，该方法已经广泛的应用到岩土参数随机场模拟中。现有的随机场建模方法有协方差矩阵分解法、LAS法、KL级数分解法，但是鲜有人将其应用到复杂的数值模型中。针对近些年来，国内的基础建设突飞猛进地发展，越来越多复杂的岩土施工工法应用到实际的工程建设中，双侧壁导坑隧道是其中典型的一种。针对双侧壁导坑隧道施工过程中岩土参数的不确定性，亟需发展双侧壁导坑隧道的岩土参数随机场建模方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种基于就近原则的双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法。本专利技术采用的技术方案为：一种双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，包括以下步骤：步骤一、建立双侧壁导坑隧道的岩土体的数值模型；步骤二、确定表征待模拟岩土体参数空间变异性的概率模型和统计特征；步骤三、确定待模拟场地信息，包括场地维度和尺寸；步骤四、网格离散化待模拟场地；步骤五、构建基于协方差矩阵分解法的随机场模型；步骤六、基于就近原则的参数随机场模型到数值模型的映射；步骤七、完成双侧壁导坑隧道的随机场建模。按上述方案，在步骤二中，岩土体参数概率模型和统计特征是指均值、方差、变异系数、概率分布类型、自相关函数、水平自相关距离和竖向自相关距离。按上述方案，在步骤三中，二维随机场的待模拟场地为为矩形或正方形，三维随机场的待模拟场地为长方体或正方体。按上述方案，在步骤三中，待模拟场地为非规则形状时进行规整化处理，具体处理方法为：选择非规则场地的最长长度所在的方向作为二维或三维直角坐标系中的任意一个主轴，最长长度值即为规整化场地的长度；然后确定非规则场地在其余坐标系主轴上的长度值。按上述方案，在步骤四中，网格化离散的方法为：是指采用规则排列的相同尺寸网格单元对待模拟场地进行离散化。二维随机场的待模拟场地采用四边形单元进行网格化离散，三维随机场的待模拟场地采用六面体单元进行网格化离散，并对离散后的网格单元进行编号。按上述方案，在步骤五中，协方差矩阵分解法通过构建协方差矩阵来实现参数自相关随机场的模拟，假设xi和xj(i,j＝1,2,…,n)为随机场中的离散点，τij为任意两点xi和xj之间的相对距离，C为n个点之间的协方差所组成的n阶协方差矩阵，该矩阵为一正定对称矩阵，矩阵C任一元素中Cij表示xi和xj之间的协方差，Cij＝C(τij)。对协方差矩阵C进行Cholesky分解得到上三角、下三角矩阵：C＝LU＝LLT(1)；式中：L为下三角矩阵，U为上三角矩阵，LT为矩阵L的转置；Y为由n个相互独立且服从标准正态分布的随机数所组成的列向量，则n阶随机场矩阵Z可以表示为：Z＝LY(2)；式中：随机场矩阵Z中任意点Zij服从标准正态分布，且协方差矩阵E(ZZT)＝E(LYYTLT)＝E(LLT)＝C，满足相关性要求，因此矩阵Z可以作为随机场的一次实现。按上述方案，在步骤六中，映射方法具体为：根据随机场模型网格的空间坐标和数值模型网格的空间坐标的位置关系，基于就近原则编写网格搜索程序，使得随机场网格和数值模型网格能够一一对应，从而实现了随机场模型网格到数值模型网格之间的映射。按上述方案，在步骤七中，参数随机场导入到数值模型后，按照隧道开挖顺序在数值模型中完成双侧壁导坑隧道的施工过程，实现双侧壁导坑隧道的随机场建模。本专利技术的有益效果为：本专利技术基于协方差矩阵分解法建立了随机场模型，然后基于就近原则实现了随机场网格到数值模型网格之间的映射，从而在随机场模型和数值模型之间建立起来了“桥梁”，采用就近原则首先是获取数值模型的尺寸及网格信息，然后确定与之匹配的随机场模型尺寸及网格大小，从而实现两种模型之间的一一对应，该方法的优点在于空间网格之间的对应关系明确，最终模型可以完全反映对应的参数随机性和相关性特征，准确度高。附图说明图1为在hypermesh软件中建立的数值模型(隧道周围局部放大)。图2为本实施例FLAC3D中的数值模型。图3为本实施例MATLAB中弹性模量随机场的一次实现。图4为随机场模型与有限差分数值模型一一映射的原理图。图5为本实施例中双侧壁导坑隧道施工流程示意图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步地描述。实施例：国内某双侧壁导坑隧道的勘察资料显示，隧道主要穿越地层的典型力学性质在空间位置上变异性比较明显，在后期施工过程中可能导致隧道上方地表变形过大的不利现象。一种双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，具体包括以下步骤：步骤一、建立双侧壁导坑隧道岩土体的数值模型。将CAD软件中模拟双侧壁导坑隧道地质剖面图导入到HYPERMESH软件，利用HYPERMESH软件建立模型，并划分网格；再导入到ANSYS软件中，并转化成FLAC3D软件能够识别的格式；最后编写ANSYS到FLAC3D中的接口程序，将建立好的数值模型导入到FLAC3D中，此时数值模型可被FISH语言识别。步骤二、确定表征双侧壁导坑隧道岩土体参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、建立双侧壁导坑隧道的岩土体的数值模型；/n步骤二、确定表征待模拟岩土体参数空间变异性的概率模型和统计特征；/n步骤三、确定待模拟场地信息，包括场地维度和尺寸；/n步骤四、网格离散化待模拟场地；/n步骤五、构建基于协方差矩阵分解法的随机场模型；/n步骤六、基于就近原则的参数随机场模型到数值模型的映射；/n步骤七、完成双侧壁导坑隧道的随机场建模。/n

【技术特征摘要】
1.一种双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立双侧壁导坑隧道的岩土体的数值模型；
步骤二、确定表征待模拟岩土体参数空间变异性的概率模型和统计特征；
步骤三、确定待模拟场地信息，包括场地维度和尺寸；
步骤四、网格离散化待模拟场地；
步骤五、构建基于协方差矩阵分解法的随机场模型；
步骤六、基于就近原则的参数随机场模型到数值模型的映射；
步骤七、完成双侧壁导坑隧道的随机场建模。


2.如权利要求1所述的双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，其特征在于，在步骤二中，岩土体参数概率模型和统计特征是指均值、方差、变异系数、概率分布类型、自相关函数、水平自相关距离和竖向自相关距离。


3.如权利要求1所述的双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，其特征在于，在步骤三中，二维随机场的待模拟场地为为矩形或正方形，三维随机场的待模拟场地为长方体或正方体。


4.如权利要求1所述的双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，其特征在于，在步骤三中，待模拟场地为非规则形状时进行规整化处理，具体处理方法为：选择非规则场地的最长长度所在的方向作为二维或三维直角坐标系中的任意一个主轴，最长长度值即为规整化场地的长度；然后确定非规则场地在其余坐标系主轴上的长度值。


5.如权利要求1所述的双侧壁导坑隧道的岩土体参数随机场建模方法，其特征在于，在步骤四中，网格化离散的方法为：是指采用规则排列的相同尺寸网格单元对待模拟场地进行离散化。二维随机场的待模拟场地采用四边形单元进行网格化离散，三维随机场的待模拟场地采...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯文汇，朱红西，陈健，易顺，余焰春，吴吉武，徐平，孙斌，涂东东，邹迪，李领，任华庆，高一鸣，
申请(专利权)人：武汉市市政建设集团有限公司，武汉市市政工程机械化施工有限公司，中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42