CN105512390A - 分级堆载预压下大型原料堆场地基变形的动态预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分级堆载预压下大型原料堆场地基变形的动态预测方法，包括以下步骤：(1)收集并处理堆载预压下地基变形监测数据；(2)根据区域地质条件和地基处理要求建立有限元计算模型；(3)结合精确罚函数的Nelder-Mead算法编制土体参数反演程序；(4)利用反演程序对沉降数据进行反演分析得到堆载后土体参数；(5)利用反演得到的土体参数预测下一级堆载地基变形量，并基于此进行下一级原料场的堆载设计。本发明能够利用堆载过程中的实时监测数据对土体设计参数不断修正，实现各级堆载预压下原料堆场地基变形的动态预测，为地基处理设计、施工提供依据，极大节约工程投资成本，具有较高推广应用价值。

Description

分级堆载预压下大型原料堆场地基变形的动态预测方法

技术领域

本发明涉及岩土工程地基处理设计技术领域，具体的是一种分级堆载预压下原料堆场地基变形的动态预测方法。

背景技术

地基沉降变形一直为工程界所关注，而目前工程师对地基沉降的预测大多建立在实践经验的基础上，而缺乏系统性和传承性。通过理论或数值模拟(无论是有限元、有限差分还是离散元)，仅能反映出沉降分布范围和分布规律，对数量上的难以预测，参数调整离散度较大，最终还是归结于经验判断。由于岩土工程的复杂性(土体分布不均、环境条件复杂、施工方法各异、施工队伍参差不齐)，通过理论分析、精确预测地表沉降值难度较大。因此，数值计算成为预测地铁施工引起地表沉降的普遍方法。但目前由于场地的复杂性和模型建设的人为性，使得实用性不高，无法向工程技术人员推广。

原料场由于考虑运输成本，一般选址大部分位于滨海相、河流漫滩相甚至内陆湖塘相地貌上，这些地貌上地基土普遍很软弱，极易造成地基土失稳，导致巨大的经济损失。根据原料场地基处理面积大、有足够堆载源、对地基沉降变形敏感性较小等特点，从经济角度考虑，利用预设排水通道加分级堆载预压进行排水固结加固软土地基已成为最经济的处理方式之一。

进行原料场地基处理后发现往往大面积堆载预压法加固软土地基的最终沉降理论预测值与实测值差异很大，而目前对堆载预压过程中施工的施工沉降和工后沉降预测能力较差，缺乏有效的设计方法及计算理论。参数反演分析方法是一种有效解决这一问题的手段，根据施工现场实测数据运用反演理论来计算、分析地基土体的参数，使参数更接近于土体的实际情况，以作为工程设计的依据而进行正分析来达到预测的目的。

发明内容

本发明的目的是针对分级堆载预压过程中的施工沉降和工后沉降预测的不准确性问题，采用结合精确罚函数的Nelder-Mead算法，提供堆载预压下原料堆场地基变形的动态预测方法。

分级堆载预压下大型原料堆场地基变形的动态预测方法，包括如下步骤：

(1)地基变形监测数据的收集与处理：由于原料场面积大，一般会选取具有代表性区域作为试验区埋设监测点，收集整理每一级堆载下地基变形的监测数据。对测得的各类监测数据，根据现场实际情况进行筛选，剔除异常数据；

(2)根据原料场勘察报告、土工试验成果资料及地基处理设计要求等，建立原料场合理的有限元计算模型，确定模型计算所需的土体已知参数与待反演参数；

(3)采用结合精确罚函数的Nelder-Mead优化算法编制土体参数反演程序并嵌入到有限元软件中，所述土体参数反演程序如下：

a.建立土体参数反演分析的初始目标函数:其中，m为所选用的测点数量，y为沉降监测值向量，Y为有限元计算得到的沉降值，x为待反演土体参数向量，l为待反演土体参数下限值，u为待反演土体参数上限值。

b.反演过程中土体参数值x必须在其下限值l和上限值u之间取值，此时反演为有约束的优化问题，不能采用Nelder-Mead优化算法求解。因此引入罚函数 $v\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& (l\≤x\≤u)\\ +\∞& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$ 建立新的目标函数：ψ(x)＝f(x)+v(x)，此时将土体参数反演变为无约束优化问题。

c.反演过程中，首先给出待反演参数的初始值x₀，将x₀代入有限元计算模型，得到土体沉降的有限元计算值Y_k(x₀)，计算值目标函数值ψ(x₀)＝f(x₀)+v(x₀)。将ψ(x₀)与收敛标准eps进行对比。如果ψ(x₀)大于eps，计算不收敛，采用Nelder-Mead算法计算得新的待反演参数值x_i，并将x_i代入有限元进行新的迭代计算，并重新计算目标函数ψ(x_i)直至ψ(x_i)小于eps，迭代结束，输出反演结果x_op。

(4)联合土体参数反演程序与有限元软件对沉降监测数据进行反演分析，计算得到最优土体参数。利用反演得到土体参数预测下一级堆载下原料场的地基变形，并根据计算得到的地基变形等其他计算结果对堆载设计合理性进行评估；

(5)在反演计算的引导下，重复完成步骤(1)-(4)，逐级进行原料场的堆载设计和施工。

本发明较优的技术方案：所述的收敛标准eps可取值为5％。

本发明的有益效果：(1)具有计算范围广、精确度高、计算量小、计算速度快、操作方便，利于工程技术人员推广等特点。(2)能够利用堆载过程中的实时监测数据对土体设计参数不断修正，使得土体参数更为合理，实现堆载预压下原料场地基变形的动态预测。(3)可以为类似原料场地基处理设计、施工提供依据，极大节约工程投资成本，避免造成不必要的工程建设费用，具有较高推广应用价值。

附图说明

图1是本发明预测方法的基本流程图，

图2为土体参数反演程序框图，

图3为原料料场变位点监测示意图，

图4为某监测点计算沉降值与实测位移值对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1、2所示，一种分级堆载预压下大型原料堆场地基变形的动态预测方法，包括如下步骤：

(1)地基变形监测数据的收集与处理：由于原料场面积大，一般会选取具有代表性区域作为试验区埋设监测点，收集整理每一级堆载下地基变形的监测数据。对测得的各类监测数据，根据现场实际情况进行筛选，剔除异常数据；

(2)根据原料场勘察报告、土工试验成果资料及地基处理设计要求等，建立原料场合理的有限元计算模型，确定模型计算所需的土体已知参数与待反演参数；

(3)采用结合精确罚函数的Nelder-Mead优化算法编制土体参数反演程序并嵌入到有限元软件中，所述土体参数反演程序如下：

a.建立土体参数反演分析的初始目标函数:其中，m为所选用的测点数量，y为沉降监测值向量，Y为有限元计算得到的沉降值，x为待反演土体参数向量，l为待反演土体参数下限值，u为待反演土体参数上限值。

b.反演过程中土体参数值x必须在其下限值l和上限值u之间取值，此时反演为有约束的优化问题，不能采用Nelder-Mead优化算法求解。因此引入罚函数 $v\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& (l\≤x\≤u)\\ +\∞& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$ 建立新的目标函数：ψ(x)＝f(x)+v(x)，此时将土体参数反演变为无约束优化问题。

c.反演过程中，首先给出待反演参数的初始值x₀，将x₀代入有限元计算模型，得到土体沉降的有限元计算值Y_k(x₀)，计算值目标函数值ψ(x₀)＝f(x₀)+v(x₀)。将ψ(x₀)与收敛标准eps进行对比，收敛标准eps取值为5％。如果ψ(x₀)大于eps，计算不收敛，采用Nelder-Mead算法计算得新的待反演参数值x_i，并将x_i代入有限元进行新的迭代计算，并重新计算目标函数ψ(x_i)直至ψ(x_i)小于eps，迭代结束，输出反演结果x_op。

(4)联合土体参数反演程序与有限元软件对沉降监测数据进行反演分析，计算得到最优土体参数。利用反演得到土体参数预测下一级堆载下原料场的地基变形，并根据计算得到的地基变形等其他计算结果对堆载设计合理性进行评估；

(5)在反演计算的引导下，重复完成步骤(1)-(4)，逐级进行原料场的堆载设计和施工。

实施例一

某码头料场濒临长江，地貌单元属于长江Ⅰ级阶地；料场分三个料条，面积分别为510.7×35m²、475.5×35m²、400×25m²；料区矿粉采用分级增高方式堆放，高度分别为6.0m、9.0m、11.0m和13.0m；料场地基处理方案是采用以砂石桩加砂石垫层作排水路径的分期堆载预压法进行地基处理；料场布设了28个料条中心沉降监测点和58个料条边缘地表变位监测点，如图3所示。为验证本发明提供的堆载预压下原料场地基变形动态预测方法是合理有效的，建立了二维模型进行计算。待反演的参数有五个，分别是b1：土体压缩模量换算弹性模量的系数；b2、b3、b4、b5：每一级加载后土体模量增长的比例，所得结果如表1所示。

表1参数反演结果

	b1	b2/％	b3/％	b4/％	b5/％
						初始值	6.0	8	5	3	2
取值范围	5.0～15.0	1.0～50.0	1.0～50.0	1.0～50.0	1.0～50.0
						反演值	8.4	10.1	2.3	1.9	1.2

同时根据反演的数据分析比较了各级堆载期间，地基实际累计变形值、原始设计值和修正后变形值之间是否存在差异，实验结果如表2所示，数据表明经本发明提供的地基变形动态预测方法分析修正后的累计变形值更接近实测值，且相对误差较小，这一结果充分说明了本发明提供的堆载预压下原料场地基变形动态预测方法是合理有效的。

表2监测结果与反演分析计算结果比较

采用本方法和未采用本方法两种情况下计算得到的沉降值与实测值的对比如图4所示，说明采用本发明提供的堆载预压下原料场地基变形动态预测方法计算得到的地基变形与实测数据差异不大，可以有效的增大堆载预压过程中的施工沉降和工后沉降预测的准确性，为类似的堆场工程(如原料场、城市堆山工程等)的地基处理设计、施工提供依据，具有较高推广应用价值。

以上所述仅为本发明的具体实施方案的详细描述，并不以此限制本发明，凡在本发明的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种分级堆载预压下大型原料堆场地基变形的动态预测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)地基变形监测数据的收集与处理：选取具有代表性区域作为试验区埋设监测点，收集整理每一级堆载下地基变形的监测数据，对测得的各类监测数据，根据现场实际情况进行筛选，剔除异常数据；

(2)根据原料场勘察报告、土工试验成果资料及地基处理设计要求，建立原料场合理的有限元计算模型，确定模型计算所需的土体已知参数与待反演参数；

(3)采用结合精确罚函数的Nelder-Mead优化算法编制土体参数反演程序并嵌入到有限元软件中，所述土体参数反演程序如下：

a.建立土体参数反演分析的初始目标函数:其中，m为所选用的测点数量，y为沉降监测值向量，Y为有限元计算得到的沉降值，x为待反演土体参数向量，l为待反演土体参数下限值，u为待反演土体参数上限值；

b.反演过程中土体参数值x必须在其下限值l和上限值u之间取值，引入罚函数 $v\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& (l\≤x\≤u)\\ +\mathrm{\∞}& otherwise\end{array}\right.,$ 建立新的目标函数：ψ(x)＝f(x)+v(x)，此时将土体参数反演变为无约束优化问题；

c.反演过程中，首先给出待反演参数的初始值x₀，将x₀代入有限元计算模型，得到土体沉降的有限元计算值Y_k(x₀)，计算值目标函数值ψ(x₀)＝f(x₀)+v(x₀)，将ψ(x₀)与收敛标准eps进行对比，如果ψ(x₀)大于eps，计算不收敛，采用Nelder-Mead算法计算得新的待反演参数值x_i，并将x_i代入有限元进行新的迭代计算，并重新计算目标函数ψ(x_i)直至ψ(x_i)小于eps，迭代结束，输出反演结果x_op；

(4)联合土体参数反演程序与有限元软件对沉降监测数据进行反演分析，计算得到最优土体参数，利用反演得到土体参数预测下一级堆载下原料场的地基变形，并根据计算得到的地基变形结果对堆载设计合理性进行评估；

(5)在反演计算的引导下，重复完成步骤(1)-(4)，逐级进行原料场的堆载设计和施工。

2.根据权利要求1所述的分级堆载预压下大型原料堆场地基变形的动态预测方法，其特征在于：所述的收敛标准eps取值为5％。