CN111274720B - 一种桩基模型参数的反演识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于识别桩基横向动力学模型参数的反演识别方法，步骤如下，首先利用激振方法，用加速度传感器获取测点的加速度响应试验结果。然后用桩基激振的理论模型求解对应加速度响应理论结果。再用多信息融合方法对试验与理论结果进行评分，评分值越大，即桩基模型参数越贴合实际。再以评分值最大化为目标函数，以桩基模型参数为设计变量，以传感器的安装位置及激振器的激振位置的不确定性误差为噪声因子，通过田口的稳健性设计内外表，构造评分结果的信噪比计算表。最后计算表中评分值的望大特征信噪比，将其中信噪比最大参数组合作为最终确定的桩基模型参数。本发明提出的反演识别方法为桩基模型参数的确定，提供了一条有效的途径。

Description

一种桩基模型参数的反演识别方法

技术领域

本发明涉及桩基测试技术领域，特别涉及一种桩基模型参数的反演识别方法。

背景技术

桩基模型参数的准确确定是桩基工程设计、建设中的关键问题，尽管可以通过室内试验和“单桩水平静载试验”或者依靠经验关系式等传统方法来确定桩基模型参数，但是由于上述传统方法会扰动土样的原状性，导致桩-土的相互作用关系发生改变，从而会使得到的参数与实际值存在一定的偏差，或是存在耗费资金，试验周期长等不足，因此也不能快速且准确的确定地基模型参数。

本发明将田口的稳健性设计方法与多信息融合方法相结合，提出一种桩基模型参数的反演识别方法，首先，利用激振试验，获取桩基测点的加速度响应试验结果，这是桩基真实的响应信息；然后，通过建立与激振试验完全对应的桩基激振有限元分析模型，通过对有限元模型的求解，获取桩基相应测点加速度响应的理论结果；随后，针对桩基测点加速度响应的试验结果与理论结果，利用多信息融合方法对这2个结果的吻合程度进行评分，获取评分结果；再根据田口的稳健性设计方法，以评分结果最大化为目标函数，以桩基模型参数为设计变量，以加速度传感器的安装位置及激振器的激振位置的不确定性误差为噪声因子，通过田口的稳健性设计内外表，构造评分结果的信噪比计算表；最后，根据评分结果的望大特征，分别计算出信噪比计算表中评分结果的望大特征信噪比，并在全部望大特征信噪比中，挑选出信噪比最大的桩基模型参数组合，作为最终确定的桩基模型参数。本发明提出的一种桩基模型参数的反演识别方法，用于识别桩基横向动力学模型参数，为桩基模型参数的确定提供了一条有效的途径。

发明内容

为确定桩基横向动力学模型参数，本发明提出了一种桩基模型参数的反演识别方法。

本发明实施例技术方案是以图1为总流程图，下列的实施步骤均要结合图1中的总流程图穿插实施，共包括以下步骤：

S1：利用激振方法，通过安装在桩基上的加速度传感器，获取桩基测点的加速度响应试验结果，包括以下子步骤：

S1.1：将加速度传感器安装在桩基的合适位置；

S1.2：对所述安装好加速度传感器的桩基进行激振，以获得测点的加速度响应。

S2：建立桩基激振的理论模型，利用理论模型求解桩基测点的加速度响应理论结果，包括以下子步骤：

S2.1建立与S1中测试桩基完全对应的桩基激振模型，实现方式如下：在非线性弹性地基反力系数法的基础上，增加阻尼器，即得桩基的理论模型。非线性弹性地基反力法模型既适合小变形分析，也适合大变形分析。根据非线性弹性地基反力法，桩基的非线性弹性性质可近似地用如下非线性关系表示：

p(x，y)＝kx^myⁿ (1)

式中，p(x，y)为桩上某深度x处单位面积的平均土反力，与深度x及横向位移y有关。

S3：针对桩基测点加速度响应的试验结果与理论结果，利用多信息融合方法对这2个结果的吻合程度进行评分，获取评分结果，包括以下子步骤：

S3.1：对测点kc的试验结果与理论结果，利用一元响应分析方法SRA，对加速度响应的试验结果与理论结果的吻合程度进行评分，获取评分结果SRA(kc)。

S3.2：设桩基的测点数为nc，循环步骤S3.1，获取每个测点的评分结果SRA(1),SRA(2),…,SRA(nc)；

S3.3：利用中，3σ法则(拉依达法则)，剔除SRA(1),SRA(2),…,SRA(nc)中的粗大误差，再对剩余测点的评分结果取平均值，得到所求的评分结果SRA。

S4：根据田口的稳健性设计方法，以评分结果最大化为目标函数，以桩基模型参数为设计变量，以加速度传感器的安装位置及激振器的激振位置的不确定性误差为噪声因子，通过田口的稳健性设计内外表，构造评分结果的信噪比计算表，包括以下子步骤：

S4.1：构造正交试验内表，即通过单因素分析，选取桩基模型中的4个待求参数(特征参数)作为设计变量(即可控因子)，并根据单因素分析结果，选择可控因子的水平，构造出正交试验内表，设内表的尺寸组合共有N个；

S4.2：确定正交试验外表，即将加速度传感器A、B、C及激振器D的位置作为噪声因子。对每一激振工况，根据测量工具允许的误差范围，取噪声因子的水平数为2(因噪声因素在操作中难以控制，故分析中可将噪声因素控制在截然不同的两个水平上——即取其极大值与极小值)，由此构造该工况对应的正交试验外表L₈(2⁷)，该外表中共有8个噪声因子组合，若有M次激振工况，就有K＝8×M个噪声因子组合，这K个噪声因子组合均是内表每种组合的激振条件；

S4.3：根据内外表的试验设计，即可构造出S3的评分结果的信噪比计算表。

S5：根据评分结果的望大特征，分别计算出信噪比计算表中评分结果的望大特征信噪比，并在全部望大特征信噪比中，挑选出信噪比最大的桩基模型参数组合，作为最终确定的桩基模型参数，具体实现方式如下：

S5.1：计算

此处，sn(j)为评分结果的望大特征信噪比，表示期望评分结果A(j，i)越大越好。

S5.2：计算sn_max＝max(sn(1)，sn(2)，…，sn(j)) (j＝1，2，…，N)，此处，sn_max为评分结果A(j，i)的望大特征信噪比sn(j)中的最大值，信噪比越大，表示得到的桩基模型参数越稳健；

S5.3：将sn_max对应的桩基模型参数，作为待求的桩基模型参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够通过对桩基的激振这种无损检测的方法，获取桩基模型参数，从而为桩基模型参数的确定提供了一条原位无损检测的新途径。

附图说明

此处说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例的总流程图；

图2为本发明实施例时采用的多信息融合方法；

图3为本发明实施例时采用的一元响应分析方法SRA框架图；

图4为本发明实施例的桩基测点加速度响应的试验结果获取示意图；

图5为本发明实施例的桩基测点加速度响应的理论结果获取的计算模型图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明，值得强调的是，本发明实施例技术方案是以图1为总流程图，下列的实施步骤均要结合图1中的总流程图穿插实施，共包括以下步骤：

S1：利用激振方法，通过安装在桩基上的加速度传感器，获取桩基测点的加速度响应试验结果包括以下两个步骤：

S1.1：将加速度传感器安装在桩基的合适位置；

S1.2：对所述安装好加速度传感器的桩基进行激振，以获得测点的加速度响应，优选地，激振采用带测力传感器的力锤对桩基的实施锤击激振(参见图4、图5)，通过力锤中的力传感器获取激振力的同时，通过加速度计获取测点的加速度响应，即桩基测点加速度响应的试验结果。

S2：建立桩基激振的理论模型，利用理论模型求解桩基测点的加速度响应理论结果，包括以下步骤：

S2.1建立与S1中测试桩基完全对应的桩基激振模型，优选地，在非线性弹性地基反力系数法的基础上，增加阻尼器，即得桩基的理论模型(参见图5)，非线性弹性地基反力法模型既适合小变形分析，也适合大变形分析。根据非线性弹性地基反力法，桩基的非线性弹性性质可近似地用如下非线性关系表示：

p(x，y)＝kx^myⁿ (1)

式中，p(x，y)为桩上某深度x处单位面积的平均土反力，与深度x及横向位移y有关。

S2.2对地基模型进行理论推导并求解，实现方式如下：利用地基反力法求解过程中，Winkler地基梁模型把桩当成欧拉-伯努利梁来分析，其中梁的质量矩阵为：

式中，ρ：材料密度；A：梁单元截面面积；M_b：单元质量矩阵；N：形函数。根据最小势能原理导出单元刚度矩阵，以结点位移的形式来表达梁单元的应变能。则梁单元的刚度矩阵为：

其中，

梁单元刚度矩阵；EI：抗弯刚度；B：刚度形函数。

地基土的阻尼矩阵为：

其中，

地基土阻尼矩阵；c：地基土阻尼系数；N：梁单元形函数。

地基土非线性弹力的单元力向量为：

其中，j：埋深梁单元个数；h：为埋深编号；l：梁单元长度；B：桩基宽度；k：地基弹性系数；N：梁单元形函数。

当桩某个位置作用有集中载荷f(t)时：

其中，

ξ为集中载荷f(t)作用位置，也就是激振器给桩基施加激振力的位置，当采用力锤激振时，此处为力锤敲击的位置(参见图4、图5)。

(1)式中的k，m，n加上(4)中c即为本文所需要反演的4个参数。

采用有限元方法对桩进行受迫振动分析时，应用Hamilton原理，把上述公式通过矩阵组装后最终归结为求解一耦合的方程组：

其中，M、C、K、F分别为梁单元的总质量矩阵、地基总阻尼矩阵、梁单元总刚度矩阵、桩基受力总矩阵，/>

U别为节点的加速度、速度和位移矩阵。

S3：针对桩基测点加速度响应的试验结果与理论结果，利用多信息融合方法对这2个结果的吻合程度进行评分，获取评分结果，包括以下子步骤(参见图2)：

S3.1：对测点kc的试验结果与理论结果，利用多信息融合方法，对加速度响应的试验结果与理论结果的吻合程度进行评分，优选地，利用一元响应分析方法SRA，对加速度响应的试验结果与理论结果的吻合程度进行评分，获取评分结果SRA(kc)，其中，一元响应分析方法SRA的具体内容，在2019年4月长沙理工大学陈小勇的硕士学位论文《动态系统仿真模型验证方法及工具研究》“第二章一元响应分析方法”中有详细论述，在此不再赘述。

S3.2：设桩基的测点数为nc，循环步骤S3.1，获取每个测点的评分结果SRA(1)，SRA(2)，…，SRA(nc)。

S3.3：利用3σ法则(拉依达法则)，剔除SRA(1)，SRA(2)，…，SRA(nc)中的粗大误差，再对剩余测点的评分结果取平均值，得到所求的评分结果SRA，具体实施方案如下：

由于3σ法则(拉依达法则)是最经典、最常用的异常数据处理方法，其主要原理是先假设每个测点的评分结果SRA(1)，SRA(2)，…，SRA(nc)含有随机误差，对其进行计算处理得到标准差，按一定概率确定一个区间，认为所有超过该区间的数据都是异常数据，并将其剔除。该法则的甄别计算公式如下：

式(8)中，SRA(i)表示SRA(1)，SRA(2)，…，SRA(nc)中的任意一个样本，

表示SRA(1)，SRA(2)，…，SRA(nc)的平均值，σ表示SRA(1)，SRA(2)，…，SRA(nc)的标准差。凡是满足公式(8)的数据点SRA(i)，都被认为是异常数据，应当将其作为粗大误差予以剔除，此时，再对剩余测点的评分结果取平均值，即为所求的评分结果SRA。

S4：根据田口的稳健性设计方法，以评分结果最大化为目标函数，以桩基模型参数为设计变量，以加速度传感器的安装位置及激振器的激振位置的不确定性误差为噪声因子，通过田口的稳健性设计内外表，构造评分结果的信噪比计算表，包括以下子步骤(参见图1)：

S4.1：构造正交试验内表，即通过单因素分析，选取桩基模型中的4个待求参数(特征参数)作为设计变量(即可控因子)，并根据单因素分析结果，选择可控因子的水平，构造出正交试验内表，设内表的尺寸组合共有N个。

S4.2：确定正交试验外表，即将加速度传感器A、B、C及激振器D的位置作为噪声因子。对每一激振工况，根据测量工具允许的误差范围，取噪声因子的水平数为2(因噪声因素在操作中难以控制，故分析中可将噪声因素控制在截然不同的两个水平上——即取其极大值与极小值)，由此构造该工况对应的正交试验外表L₈(2⁷)，该外表中共有8个噪声因子组合，若有M次激振工况，就有K＝8×M个噪声因子组合，这K个噪声因子组合均是内表每种组合的激振条件。

S4.3根据内外表的试验设计，即可构造出S3的评分结果的信噪比计算表(表1)。

表1评分结果的信噪比计算表

S5：根据评分结果的望大特征，分别计算出信噪比计算表中评分结果的望大特征信噪比，并在全部望大特征信噪比中，挑选出信噪比最大的桩基模型参数组合，作为最终确定的桩基模型参数，具体实现方式如下：

S5.1：计算

此处，sn(j)为评分结果A(j，i)的望大特征信噪比，表示期望评分结果A(j，i)越大越好。

S5.2：计算sn_max＝max(sn(1)，sn(2)，…，sn(j)) (j＝1，2，…，N)，此处，sn_max为评分结果A(j，i)的望大特征信噪比sn(j)中的最大值，信噪比越大，表示得到的桩基模型参数越稳健。

S5.3：将sn_max对应的桩基模型参数，作为待求的桩基模型参数，此时，意味着：得到的桩基模型参数不仅能够保证试验结果与理论结果最吻合，而且，确保了桩基模型参数自身是最稳健的，或者说，即使存在加速度传感器安装位置及激振器的激振位置的不确定性误差，也能保证这些不确定性误差对桩基测点响应的影响是最小的。

Claims (2)

1.一种桩基模型参数的反演识别方法，用于识别桩基横向动力学模型参数，其特征在于包括：

S1：利用激振方法，通过安装在桩基上的加速度传感器，获取桩基测点的加速度响应试验结果；

S2：建立桩基激振的理论模型，利用理论模型求解桩基测点的加速度响应理论结果；包括以下步骤：

S2.1建立与S1中测试桩基完全对应的桩基激振模型，在非线性弹性地基反力系数法的基础上，增加阻尼器，即得桩基的理论模型，非线性弹性地基反力法模型既适合小变形分析，也适合大变形分析，根据非线性弹性地基反力法，桩基的非线性弹性性质可近似地用如下非线性关系表示：p(x，y)＝kx^myⁿ(1),式中，p(x，y)为桩上某深度x处单位面积的平均土反力，与深度x及横向位移y有关；

S2.2对地基模型进行理论推导并求解，实现方式如下：利用地基反力法求解过程中，Winkler地基梁模型将桩通过欧拉-伯努利梁方程分析，其中梁的质量矩阵为：

式中，ρ：材料密度；A：梁单元截面面积；N：梁单元形函数；

根据最小势能原理推导出单元刚度矩阵，以结点位移的形式来表达梁单元的应变能，则梁单元的刚度矩阵为：

其中，/>

梁单元刚度矩阵；EI：抗弯刚度；B：桩基宽度；

地基土的阻尼矩阵为:

其中，/>

地基土阻尼矩阵；c：地基土阻尼系数；N：梁单元形函数；

地基土非线性弹力的单元力向量为：

其中，j：埋深梁单元个数；h：为埋深编号；l：梁单元长度；B：桩基宽度；k：地基弹性系数；N：梁单元形函数；

当桩某个位置作用有集中载荷f(t)时：

梁单元形函数，ζ为集中载荷f(t)作用位置，也就是激振器给桩基施加激振力的位置，当采用力锤激振时，此处为力锤敲击的位置；

(1)式中的k，m，n加上(4)中c即为所需要反演的4个参数；采用有限元方法对桩进行受迫振动分析时，应用Hamilton原理，把上述公式(2)-(6)通过矩阵组装后最终归结为求解一耦合的方程组：

其中，M、C、K、F分别为梁单元的总质量矩阵、地基总阻尼矩阵、梁单元总刚度矩阵、桩基受力总矩阵，/>

U别为节点的加速度、速度和位移矩阵；

S3：针对桩基测点加速度响应的试验结果与理论结果，利用多信息融合方法对这2个结果的吻合程度进行评分，获取评分结果，评分结果越大，表示试验结果与理论结果的吻合越好，此时，桩基模型参数越贴合实际；

S4：根据田口的稳健性设计方法，以评分结果最大化为目标函数，以桩基模型参数为设计变量，以加速度传感器的安装位置及激振器的激振位置的不确定性误差为噪声因子，通过田口的稳健性设计内外表，构造评分结果的信噪比计算表；

S5：根据评分结果的望大特征，分别计算出信噪比计算表中评分结果的望大特征信噪比，并在全部望大特征信噪比中，挑选出信噪比最大的桩基模型参数组合，作为最终确定的桩基模型参数。

2.根据权利要求1所述的一种桩基模型参数的反演识别方法，其特征在于，所述的多信息融合方法，是能够将S1中桩基上的多个测点的信息融合为1个代表性信息、将S2中桩基上的多个测点的信息融合为另1个代表性信息的方法。

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