考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，首先，沿长条形地下结构轴线获取钻孔土样，进行不同应力状态下的蠕变试验，并拟合得到蠕变本构方程及参数；其次，对土层的底标高和厚度进行统计分析，获取统计分布拟合函数；然后，基于分段长度为L，建立考虑地层空间变异性的随机有限元模型；第四步，进行随机有限元计算分析，获取地下结构内的最大拉应力或拉应变的累计概率曲线，并确定对应的可靠度指标值，若计算的设计可靠度对应拉应力大于设计允许拉应力值，则重新选择分段长度L，重新计算，直至满足设计要求或等于设计要求。本发明专利技术实现了考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度优化的可靠度设计。的长条形地下结构分段长度优化的可靠度设计。

【技术实现步骤摘要】
考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法


[0001]本专利技术涉及长条形地下结构分段长度优化设计方法，具体涉及考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法

技术介绍

[0002]对于综合管廊和交通隧道等长条形地下结构，地层分布的不均匀性，通常是引发纵向不均匀沉降的主要原因，而不均匀沉降必将导致结构体内拉应力的增加，是地下结构开裂的主要原因，也是分段长度需要考虑的主要因素之一，特别是地层的蠕变特性差异大时，应从全寿命安全控制为目标作为分段长度优化设计考虑的首要因素。
[0003]目前，现有技术范中没有考虑空间变异性条件下地下结构分段长度优化的方法，也未见同时考虑地层厚度空间随机分布和蠕变特性不均匀性的长条形地下结构体分段长度优化方法的研究成果。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，解决目前没有考虑地层空间变异性而导致长条形地下结构分段长度不合理引发开裂等病害的问题。
[0005]技术方案：本专利技术所述的考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：一种考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]步骤1、沿长条形地下结构轴线在地下结构影响区内获取若干钻孔土样(理论上取样越密集越好)，对土样进行不同应力状态下的蠕变试验，并采用拟合方法获取蠕变本构模型及参数；
[0007]步骤2、根据钻孔土样信息对长条形地下结构影响区域内每一层土层的底标高和厚度进行统计分析，获取土层底标高和厚度统计分布拟合函数，作为地层空间变异性的计算分析函数；
[0008]步骤3、假设设计的分段长度为L，建立考虑地层空间变异性的随机有限元模型，所述随机有限元模型中土层底标高和厚度满足步骤2所述地层空间变异性的计算分析函数；且沿轴向左右两侧L/2长度范围内土层类别相同的土层分别采用蠕变实验获得的最大和最小蠕变总量对应的本构模型；
[0009]步骤4、对考虑地层空间变异性的随机有限元模型进行随机有限元计算分析，获取地下结构内的最大拉应力或拉应变的累计概率曲线，依据地下结构的设计允许拉应变值或允许拉应力值，确定拉应力或拉应变累计概率曲线上对应的可靠度指标值，若可靠度指标值不满足设计要求，则改变设计分段长度L并继续计算，直至满足设计要求为止。
[0010]对上述技术方案的进一步设计为，所述地下结构影响区内土样的蠕变本构模型的等效蠕变速率曲线采用下列广义指数函数拟合：
[0011][0012]式中为等效蠕变应变随时间的变化，C1、C5为蠕变特征参数，可以通过实测曲线拟合确定，σ
e
为等效应力，t为蠕变时间。
[0013]蠕变本构模型的应变率指数方程如下：
[0014][0015]式中为蠕变应变随时间的变化，σ为应力，E1为粘弹性模量，η1为粘性系数，t为蠕变时间。
[0016]上述技术方案的一种优选方案为：沿长条形地下结构轴线获取钻孔土样过程中，对于每一种类型的土样至少取2个样，且沿纵向每5m～30m取一个。
[0017]上述技术方案的一种优选方案为：选取0.8以上置信度区间内土层底标高和厚度统计分布拟合函数的截断式函数，作为地层空间变异性的计算分析函数。
[0018]有益效果：本专利技术采用统计学方法获取地层厚度的空间分布函数，并采用拟合的方法获取不同土层的蠕变本构方程及参数，采用极限思想，建立了左右两侧土层蠕变性差异最大工况的地下结构体的应力场、位移场等模拟预测方法，采用允许拉应力或拉应变为分段长度优化的控制值，实现了考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度优化的可靠度设计，并提出采用结构体拉应力或拉应变等可靠度对应的差异沉降作为后期安全监测控制值，为实现地下结构分段长度可靠度设计及安全管控提供了理论支撑。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例中土样1的蠕变应变率历时曲线及本构拟合曲线；
[0020]图2为本专利技术实施例中土样2的蠕变应变率历时曲线及本构拟合曲线；
[0021]图3为本专利技术实施例中底标高统计分布拟合曲线；
[0022]图4为建立的随机有限元模型示意图；
[0023]图5为管廊最大等效应力累积概率分布图和概率分布图；
[0024]图6为管廊最大拉应力累积概率分布图和概率分布图；
[0025]图7为管廊最小沉降累积概率分布图和概率分布图；
[0026]图8为地表土层最大沉降累积概率分布图和概率分布图；
[0027]图9为地表土层最小沉降累积概率分布图和概率分布图；
[0028]图10为管廊最大差异沉降累积概率分布图和概率分布图；
[0029]图11为地表土层最大差异沉降累积概率分布图和概率分布图。
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本专利技术进行进一步说明。
[0031]本实施例的考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，
[0032]步骤一、首先沿长条形地下结构(本实施例中为管廊)轴线获取地下结构影响区域内的若干钻孔土样，进行不同应力状态下的蠕变试验，结合ansys软件中的3号隐式方程，把应变和应力都采用等效应变和应力表示，获得等效应变率的蠕变方程，采用拟合方法获取
蠕变本构方程及参数；
[0033]本实施例中地下结构主要影响区内主要土样的等效蠕变速率曲线采用下列广义指数函数拟合：
[0034][0035]式中C1、C5为蠕变特征参数，可以通过实测曲线拟合确定，为等效蠕变应变随时间的变化，σ
e
为等效应力，t为蠕变时间。
[0036]针对地下结构影响区域土层不同位置的总蠕变最大和最小两个土样的应变率拟合蠕变方程及参数如图1和图2所示，
[0037]西原粘弹性蠕变本构模型的应变率指数方程如下：
[0038][0039]式中为蠕变应变随时间的变化，σ为应力，E1为粘弹性模量，η1为粘性系数，t为蠕变时间。
[0040]根据对比分析，结合实测的应变历时曲线，可获得上述两个方程之间的相互关系式如下：
[0041][0042][0043]式中E1为粘弹性模量，η1为粘性系数，C1、C5、a、b为蠕变特征参数，可以通过实测曲线拟合确定。
[0044]初始弹性模量采用如下公式计算：
[0045][0046]式中ε
e
为等效蠕变应变，σ0为起始时刻的等效应力值，ε0为起始时刻的等效蠕变应变值，E0为弹性阶段的弹性模量。
[0047]因此可获得数值模拟需要的蠕变模型参数见下表：
[0048]表1广义指数蠕变模型参数
[0049][0050]步骤二、根据钻孔土样资料对每一层土层的底标高和厚度进行统计分析，获取土层的底标高和厚度统计分布函数；本实施例主要影响区内的土层底标高统计分布拟合函数如图3所示，选择底标高置信度范围为2m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、沿长条形地下结构轴线在地下结构影响区内获取若干钻孔土样(理论上取样越密集越好)，对土样进行不同应力状态下的蠕变试验，并采用拟合方法获取蠕变本构模型及参数；步骤2、根据钻孔土样信息对长条形地下结构影响区域内每一层土层的底标高和厚度进行统计分析，获取土层底标高和厚度统计分布拟合函数，作为地层空间变异性的计算分析函数；步骤3、假设设计的分段长度为L，建立考虑地层空间变异性的随机有限元模型，所述随机有限元模型中土层底标高和厚度满足步骤2所述地层空间变异性的计算分析函数；且沿轴向左右两侧L/2长度范围内土层类别相同的土层分别采用蠕变实验获得的最大和最小蠕变总量对应的本构模型；步骤4、对考虑地层空间变异性的随机有限元模型进行随机有限元计算分析，获取地下结构内的最大拉应力或拉应变的累计概率曲线，依据地下结构的设计允许拉应变值或允许拉应力值，确定拉应力或拉应变累计概率曲线上对应的可靠度指标值，若可靠度指标值不...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东彪，罗良乾，沈才华，王业钊，于瀚森，
申请(专利权)人：河海大学中交南京交通工程管理有限公司，
类型：发明
国别省市：