一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法技术

本发明专利技术提供一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法，包括以下步骤：根据工程经验，确定单条裂隙中点的位置参数，并建立单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型；分析单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的统计特性；获得随机裂隙对于地下洞室的应力响应衰减值的均值μ和方差Var。本发明专利技术将每条单条裂隙的影响都进行独立分析，并根据线性叠加原理将一定数量裂隙对于地下洞室应力响应的衰减值进行近似。随后应用单变量降维积分法来提高不确定性分析效率，获得单条裂隙对于地下洞室应力响应的衰减值的统计特性，能够大幅度减少计算量，最后获得随机裂隙对于洞室响应衰减值的均值和方差，为随后洞室设计提供了坚实的设计基础。设计提供了坚实的设计基础。设计提供了坚实的设计基础。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法


[0001]本专利技术涉及地下应力波分析
特别涉及一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法。

技术介绍

[0002]裂隙指的是在地质发展历史中，地质体在长时间的力学、热学、和化学的作用下形成的具有一定延伸方向和长度、厚度较小的地质界面或带。自然界中，裂隙在岩体中广泛发育、控制着岩体的强度和变形和渗透性等特征。由于裂隙发育的随机性和复杂性，岩体的力学性能通常表现出明显的非均值、非连续、各项异性和非线性。在受到爆炸而产生应力波时，裂隙对于应力波的衰减作用不可忽略。大量工程实践和研究表明，岩体内的裂隙多为透入性结构面，其分布具有随机性，其几何参数具有一定的统计规律，因此可以利用概率分布来描述的裂隙的分布参数与几何参数。由于裂隙的位置和几何信息具有一定的统计特性，其对应力波的衰减最终导致地下洞室的应力响应衰减值也必然具有一定的统计特性，分析研究该统计特性对后续地下工事结构可靠性分析与优化设计具有指导意义。因为地下裂隙的数量庞大，若是采用传统的办法，即把每一条裂隙的参数都纳入考虑，构建的不确定性传播模型涉及的维度极高，对现有不确定性传播方法与计算能力提出了巨大的挑战。鉴于此，亟需发展一种在受到地面爆炸而产生应力波冲击的情况下，随机裂隙对于地下洞室的应力响应的统计规律高效分析方法，为地下洞室的设计提供有效的指导和参考。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提供一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法。
[0004]为了实现本专利技术的目的，具体采用如下技术方案：一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法，包括以下步骤：
[0005]步骤1、根据工程经验，确定单条裂隙中点的位置参数，包括横坐标、纵坐标、迹长和倾角，并建立单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型：
[0006]Δσ≈g(x),x＝[X,Y,L,θ]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0007]其中，Δσ为单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值，x＝[X,Y,L,θ]表示的是以X、Y、L、θ为变量的4维随机变量，X为单条裂隙中点的横坐标，Y为单条裂隙中点的纵坐标，L为单条裂隙的迹长，θ为单条裂隙的倾角；
[0008]步骤2、分析单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的统计特性，即前四阶统计矩，即均值、方差、偏度、峰度；
[0009]步骤3、获得随机裂隙对于地下洞室的应力响应衰减值的均值μ和方差Var。
[0010]进一步地，所述步骤1中建立单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型具体包括以下步骤：
[0011]1)根据工程数据采集的各位置参数的概率统计特征，包括分布类型、概率密度参
数和分布参数，根据已有的单条裂隙位置参数的概率统计特征，对单条裂隙的位置参数进行拉丁超立方抽样，次数为Q，由此可以获得Q组不同的参数，每一组参数都能表示成一条裂隙；
[0012]2)建立Q组分别包含不同单条裂隙的有限元模型，并通过有限元软件进行计算获得Q组不同单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值；
[0013]3)建立径向基神经网络模型，进行深度学习训练，最终获得单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型。
[0014]进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：
[0015]步骤21、根据单变量降维积分法，将式(1)的神经网络模型近似为：
[0016][0017]式中，表示所建立的单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型近似响应函数；μ1为随机变量x1的均值，即单条裂隙中点的横坐标X的均值；μ2为随机变量x2的均值，即单条裂隙中点的纵坐标Y的均值；μ3为随机变量x3的均值，即单条裂隙中点的迹长L的均值；μ4为随机变量x4的均值，即单条裂隙中点的倾角θ的均值；
[0018]步骤22、由于计算所得应力响应衰减值都为负数，即相比于不含裂隙的连续岩体介质，裂隙的引入将导致应力波的衰减，地下洞室响应衰减量的大小为因此式(2)可以改写为：
[0019][0020]再次利用应力响应衰减值及g(x1,x2,x3,x4)均为负值的条件，因此有：
[0021][0022]由此，单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型近似响应函数的p阶统计矩m
p
便可通过式(5)获得：
[0023][0024]其中，表示求的p次方的均值，即为的p阶统计矩；
[0025]设：
[0026][0027]由二项式展开定理可将式(5)写为：
[0028][0029]其中，E为二项式系数，p为统计矩阶数，j为二项式展开系数中的各项的次方数；
[0030]定义其中q为g(x)的随机变量x的维度；
[0031]则有：
[0032][0033]其中，t为中间变量，无含义；
[0034]则：
[0035][0036]步骤23、采用高斯积分法计算统计矩，即可以将统计矩的计算转换成不同积分节点的函数值的加权之和，即：
[0037][0038]式(9)中，式中，M为积分节点数；l
io
为第i个变量的第o个积分节点；ω
io
为第i个变量的第o个权重，j为二项式展开系数中的各项的次方数；
[0039]由式(5)
‑
式(9)可知，只需计算下式便可计算得到所需的单条裂隙作用下的地下洞室响应衰减统计矩：
[0040][0041]其中，η为高斯积分过程中的函数值的次方数。
[0042]进一步地，所述步骤3具体包括：
[0043]由于地下裂隙的数量服从离散泊松分布，即：
[0044][0045]其中，v为研究域体积，单位：m3；λ为裂隙密度，单位：条/m3；P[N＝k]指的是离散泊松分布中，裂隙的数量N为k的概率大小；
[0046]当地下存在k个裂隙时，其应力响应衰减值的神经网络模型近似响应函数为
[0047][0048]式中，x
z
为第z条裂隙的位置参数,ξ为所有裂隙的位置参数，即ξ＝[x1,x2,...,
x
k
]；g(x
z
)为第z条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值；
[0049]由此，可获得随机裂隙对于地下洞室的应力响应衰减值的均值μ和方差Var：
[0050][0051]其中，E(g(x))表示对g(x)求均值；
[0052][0053]其中，D(g(x))表示对g(x)求方差；E(g(x))表示对g(x)求均值。
[0054]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0055]本专利技术将每条裂隙对地下洞室应力响应的影响都进行独立分析，并根据线性叠加原理将一定数量裂隙对于地下洞室应力响应的衰减值进行近似。随后应用单变量降维积分法来提高不确定性分析效率，获得单条裂隙对于地下洞室应力响应的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据工程经验，确定单条裂隙中点的位置参数，包括横坐标、纵坐标、迹长和倾角，并建立单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型：Δσ≈g(x),x＝[X,Y,L,θ]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，Δσ为单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值，x＝[X,Y,L,θ]表示的是以X、Y、L、θ为变量的4维随机变量，X为单条裂隙中点的横坐标，Y为单条裂隙中点的纵坐标，L为单条裂隙的迹长，θ为单条裂隙的倾角；步骤2、分析单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的统计特性，即前四阶统计矩，即均值、方差、偏度、峰度；步骤3、获得随机裂隙对于地下洞室的应力响应衰减值的均值μ和方差Var。2.如权利要求1所述的一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法，其特征在于，所述步骤1中建立单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型具体包括以下步骤：1)根据工程数据采集的各位置参数的概率统计特征，包括分布类型、概率密度参数和分布参数，根据已有的单条裂隙位置参数的概率统计特征，对单条裂隙的位置参数进行拉丁超立方抽样，次数为Q，由此可以获得Q组不同的参数，每一组参数都能表示成一条裂隙；2)建立Q组分别包含不同单条裂隙的有限元模型，并通过有限元软件进行计算获得Q组不同单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值；3)建立径向基神经网络模型，进行深度学习训练，最终获得单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型。3.如权利要求1所述的一种考虑随机裂隙的地下洞室应力响应不确定性分析方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：步骤21、根据单变量降维积分法，将式(1)的神经网络模型近似为：式中，表示所建立的单条裂隙对于地下洞室应力响应衰减值的神经网络模型近似响应函数；μ1为随机变量x1的均值，即单条裂隙中点的横坐标X的均值；μ2为随机变量x2的均值，即单条裂隙中点的纵坐标Y的均值；μ3为随机变量x3的均值，即单条裂隙中点的迹长L的均值；μ4为随机变量x4的均值，即单条裂隙中点的倾角θ的均值；步骤22、由于计算所得应力响...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘越峰，胡德安，倪冰雨，杨刚，赵章泳，
申请(专利权)人：中国人民解放军九六九一一部队，
类型：发明
国别省市：