CN117473636B - 一种建筑物地下土体应力与形变关系测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种建筑物地下土体应力与形变关系测量方法,涉及土体应力形变测量技术领域,将目标土体区域离散化,构建土体离散单元并进行类型标记,合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域;针对同一类型的土体离散区域,计算沿土体离散区域侧面横纵方向的土体应力分布;计算单位时间段内土体离散区域在横纵方向上的位移量;基于横纵方向上的位移量,预测经过N个监测周期的横纵方向上的位移量;计算N个监测周期内各土体离散区域的横纵位移率,并计算形变量。
Description
技术领域
本发明涉及土体应力与形变技术领域,具体涉及一种建筑物地下土体应力与形变关系测量方法。
背景技术
目前大量建筑工程建设在城市中,常常面临着开挖深度大、开挖规模大、施工场地小、周围建构筑物多的问题,大尺寸深基坑的开挖常常会伴随着三维空间变形,常用来反映土体变形特性的监测项目主要包括土体结构轴向位移与沉降形变两种。
在超深基坑建筑物的施工中,常采用地下连续墙与内支撑作为支挡结构,而地下土体在建筑过程中便可将应变计浇筑在土体内部,布设间隔一般为0.5m,因此,应变计能够较好的反映土体的整体变形情况。而土体沉降由于受到施工场地条件的限制,导致的周边土体的沉降量难以确定,例如城市中的地铁站基坑,开挖深度大,周边建筑密集,施工场地有限,厂区内能够布设的地表沉降监测点范围远远小于开挖导致的地表沉降范围,最大沉降点难以确定,最大沉降量更难以获得,加之厂区内经常堆放杂物,停留大型车辆,也给开挖过程中地表沉降的监控量测工作带来了极大的困难,导致现场监测数据不能够及时准确的反映基坑工程的变形空间特性,监测数据不能动态指导设计工作,给基坑工程的施工带来了巨大的风险。
土体结构是由分散的颗粒组成的。土的强度、渗透性和应力应变关系特性是由这些颗粒的矿物、大小、形状,颗粒间的排列和粒间的作用力决定的。土体结构是指颗粒、粒组和孔隙空间的几何排列方式,而土体结构则更倾向于用来表示土的组成成分、空间排列和粒间作用力的综合特性。土体的结构性就是由于土颗粒的空间排列集合及土中各相间和颗粒间的作用力造成的力学特性。结构性的强弱表示土的结构对于其力学性质(强度、渗透及变形性质)影响的强烈程度。土体应力应变关系具有显著的时间响应,受力后变形随时间变化,卸载后恢复又有延迟过程,同时具有弹性和粘性两种不同机理的形变。同时,土流变受多种因素影响,且形式复杂。目前尚无统一的方法与标准表征土体的流变性质。流变测量学为研究材料的流变特性提供了强有力的帮助。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提出了一种建筑物地下土体应力与形变关系测量方法,包括如下步骤:
S1、将目标土体区域离散化,构建土体离散单元并进行类型标记,合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域;
S2、针对同一类型的土体离散区域,计算沿土体离散区域侧面横纵方向的土体应力分布;
S3、计算单位时间段内土体离散区域在横纵方向上的位移量;
S4、基于横纵方向上的位移量,预测经过N个监测周期的横纵方向上的位移量;
S5、计算N个监测周期内各土体离散区域的横纵位移率,并计算形变率。
进一步地,步骤S1包括:
S11、将目标土体区域离散化,确定离散单元及其邻居单元;
S12、对每个离散单元进行类型标记,合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域。
进一步地,步骤S11中,目标土体区域被离散成若干个小的离散单元,假设S={S1,…,SI,…,Sn}代表目标土体区域的离散单元集合,其中SI为目标土体区域的第I个离散单元;
用NI={NI1,…,NIj,…,NIm}来表示第I个离散单元周围的m个邻居单元的集合,NIj为第I个离散单元的第j个邻居单元。
进一步地,步骤S12中,每一个离散单元周围的每个邻居单元在状态集合L={L1,…,LK,…,LP}中都有对应的状态取值,LK为状态集合中第k个状态取值,统计离散单元周围的m个邻居单元的状态取值,将数量最多的状态取值作为该离散单元的类型标记。
进一步地,设侧面分为x轴方向和y轴方向,计算侧面x轴和y轴的轴向应力,即:
;
式中:E为土体弹性模量;μ为土体横纵拉伸比;、/>分别为x轴和y轴的轴向应力;、/>分别为x轴和y轴的轴向应变。
进一步地,步骤S3中,土体离散区域形变方程为:
;
;
式中,弯矩的水平方向分量为,竖直方向分量为/>,E为土体的弹性模量;I为土体的惯性矩,土体的抗弯刚度为/>,/>和/>分别为监测周期内土体离散区域在水平和竖直方向的位移量,/>为位移自动监测设备主体与竖直方向的倾角,C为常数。
进一步地,步骤S5中,设土体离散区域的土体竖直位移率V1与水平位移率V2的差异为形变率V:
;
式中,T为监测周期,监测周期个数为N,分别为经过N个监测周期的竖直位移量、水平位移量。
相比于现有技术,本发明具有如下有益技术效果:
将目标土体区域离散化,构建土体离散单元并进行类型标记,合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域;针对同一类型的土体离散区域,计算沿土体离散区域侧面横纵方向的土体应力分布;计算单位时间段内土体离散区域在横纵方向上的位移量;基于横纵方向上的位移量,预测经过N个监测周期的横纵方向上的位移量;计算N个监测周期内各土体离散区域的横纵位移率,并计算形变量。避免了以往的方法存在的建筑物地下土体应力与形变关系测量差异的问题,广泛适用于实际工程中的各类测量扰动问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的建筑物地下土体应力与形变关系测量方法的流程图。
图2为本发明的离散单元及其周围邻居单元的纵向截面示意图。
图3为本发明的监测周期与形变率曲线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中,为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理,表现所述设备中各部分的连接关系,只是明显区分了各元件之间的相对位置关系,并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
土体应力形变具有各向异性,在不同方向上材料的物理力学性质不同。由于土体在沉积过程中,针、片、棒状颗粒在重力作用下倾向于水平方向排列而处于稳定的状态。另外,在随后的固结过程中,竖向的上覆土体重力产生的竖向应力与水平土压力产生的水平应力大小是不等的,这种不等向固结也会产生土的各向异性。
如图1所示,为本发明的建筑物地下土体应力与形变关系测量方法的流程图,包括如下步骤:
S1、将目标土体区域离散化,构建土体离散单元并进行类型标记,合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域。
S11、将目标土体区域离散化,确定离散单元及其邻居单元。
目标土体区域被离散成若干个小的离散单元。
假设S={S1,…,SI,…,Sn}代表目标土体区域的离散单元集合,其中SI为目标土体区域的第I个离散单元。离散单元集合S中的离散单元之间通过各自周围的邻居单元相互关联影响。
用NI={NI1,…,NIj,…,NIm}来表示第I个离散单元周围的m个邻居单元的集合,NIj为第I个离散单元的第j个邻居单元。
如图2所示为离散单元及其周围邻居单元的纵向截面示意图,以一个离散单元周围围绕八个单元为例,第I个离散单元SI的周围具有八个邻居单元NI={NI1,…,NIj,…,NI8}。邻居单元的集合代表离散单元之间的相互关系,因此可以利用邻居单元的集合来表示真实土体的空间相关性。
S12、对每个离散单元进行类型标记,合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域。
每一个离散单元周围的每个邻居单元在状态集合L={L1,…,LK,…,LP}中都有对应的状态取值,LK为状态集合中第k个状态取值,统计离散单元周围的m个邻居单元的状态取值,将数量最多的状态取值作为该离散单元的类型标记,该类型标记代表该离散单元土体的类型。
合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域,例如砂土类型离散区域,粘土类型离散区域,岩体类型离散区域等。若土体材料是由岩土体组成,其整体破坏是岩土体局部渐进变形破坏的累积过程。针对整个土体,其破坏是岩土体局部破坏,然后滑面形成、扩展,最后连通形成整体破坏。
S2、针对同一类型的土体离散区域,计算沿土体离散区域侧面横纵方向的土体应力分布。
设侧面分为x轴方向和y轴方向,计算侧面x轴和y轴的轴向应力,即:
;
式中:E为土体弹性模量;μ为土体横纵拉伸比;、/>分别为x轴和y轴的轴向应力;、/>分别为x轴和y轴的轴向应变。将通过应变计实测的x轴和y轴的应变值代入上式,即可计算得出相应相应方向的应力值。
S3、计算监测周期内土体离散区域在x轴和y轴方向上的位移量。
在土体离散区域不同点埋设位移自动监测设备,在不同监测周期内实施监测,各点的时间-滑移力曲线发展规律不同。发现并提出了土体监测时间-滑移力曲线特征和确定具体特征点的时间-滑移力曲线作为监测预报局部和整体破坏的依据。
具体地,在位移自动监测设备主体上设置有力学传感器和MEMS姿态角度传感器,位移自动监测设备主体上所受滑移力为F,滑移力F的水平方向分量为,竖直方向分量为。
土体离散区域形变方程为:
;
;
式中,M为土体的弯矩;弯矩M的水平方向分量为,竖直方向分量为/>,E为土体的弹性模量;I为土体的惯性矩,则土体的抗弯刚度为/>,而土体的弹性模量E和惯性矩I均已知,属于土体的自身属性参数,/>和/>分别为监测周期内土体离散区域在水平和竖直方向的位移量,/>为位移自动监测设备主体与竖直方向的倾角,C为常数。
由位移自动监测设备主体的受力平衡条件可知:
;/>;
、/>为由位移自动监测设备主体受到的滑移力F的水平分量和竖直分量,B为位移自动监测设备主体的长度。
通过上述计算,即可得出监测周期内位移自动监测设备主体在水平方向和竖直方向上的位移量和/>。
S4、基于水平方向和竖直方向上的位移量,预测经过N个监测周期的竖直位移量、水平位移量。
设初始周期内水平方向和竖直方向上的位移量构成位移序列为 ,/>分别为初始周期内的竖直位移量、水平位移量。
X(1)为经过1个监测周期的位移序列,则:
;/>分别经过1个监测周期的竖直位移量、水平位移量。
E(1)为第1个监测周期的差分序列,则:
。
X(i-1)为经过i-1个监测周期的位移序列,则
;
其中,分别为经过/>个监测周期的竖直位移量、水平位移量。
X(i)为经过i个监测周期的位移序列,则:
;
其中,分别为经过i个监测周期的竖直位移量、水平位移量。
则第i个监测周期的差分序列E(i)为,则:
;
将每个监测周期的差分序列作为BP网络训练的输入样本,将经过该监测周期的形变值序列作为BP网络训练的输出样本。
利用训练好的BP网络求解经过N个监测周期的位移序列预测值:
;/>分别为经过N个监测周期的竖直位移量、水平位移量。
S5、计算N个监测周期内各土体离散区域的竖直位移率与水平位移率,并计算形变率。
由于离散单元周围土体应力路径不同,其体积行为表现也有所不同,土体体积行为具有明显的应力路径相关性。为了定量研究各土体离散区域的竖直位移率与水平位移率情况,此处定义土体离散区域的土体竖直位移率V1与水平位移率V2的差异为形变率V:
;
式中,T为监测周期,监测周期个数为N。
如图3所示,为监测周期与形变率曲线。曲线很明显地表示:当土体离散区域处于Ⅰ型状态,且经历了Ⅰ型的稳定状态、欠稳定状态和不稳定状态,那么该土体离散区域将呈现出Ⅰ型非稳定曲线特征;当土体离散区域处于Ⅰ型状态,且只经历了Ⅰ型的稳定状态,那么该土体离散区域将呈现出Ⅰ型稳定曲线特征;当土体离散区域处于Ⅲ型状态,那么该土体离散区域将呈现出Ⅲ型稳定曲线特征。
土体颗粒受到一定的应力发生应变后,将发生空间位置的变化,从而改变了土的空间结构。这种结构的变化对于土进一步加载的应力形变关系将产生影响,并且不同于初始加载时的应力形变关系。
在上述实施例中,可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时,可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时,全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程设备。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中,或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质,(例如,软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如,DVD)、或者半导体介质(例如,固态硬盘(solid state disk,SSD))等。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种建筑物地下土体应力与形变关系测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、将目标土体区域离散化,构建土体离散单元并进行类型标记,合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域;
S2、针对同一类型的土体离散区域,计算沿土体离散区域侧面横纵方向的土体应力分布;
S3、计算监测周期内土体离散区域在横纵方向上的位移量;
S4、基于所述步骤S3计算所得的监测周期内土体离散区域在横纵方向上的位移量,预测经过N个监测周期的横纵方向上的位移量;
S5、计算N个监测周期内各土体离散区域的横纵位移率,并计算形变率;设土体离散区域的土体竖直位移率V1与水平位移率V2的差异为形变率V:
;
式中,T为监测周期,监测周期个数为N,分别为经过N个监测周期的竖直位移量、水平位移量。
2.根据权利要求1所述的建筑物地下土体应力与形变关系测量方法,其特征在于,步骤S1包括:
S11、将目标土体区域离散化,确定离散单元及其邻居单元;
S12、对每个离散单元进行类型标记,合并同一类型的离散单元,形成土体离散区域。
3.根据权利要求2所述的建筑物地下土体应力与形变关系测量方法,其特征在于,步骤S11中,目标土体区域被离散成若干个小的离散单元,假设S={S1,…,SI,…,Sn}代表目标土体区域的离散单元集合,其中SI为目标土体区域的第I个离散单元;
用NI={NI1,…,NIj,…,NIm}来表示第I个离散单元周围的m个邻居单元的集合,NIj为第I个离散单元的第j个邻居单元。
4.根据权利要求2所述的建筑物地下土体应力与形变关系测量方法,其特征在于,步骤S12中,每一个离散单元周围的每个邻居单元在状态集合L={L1,…,LK,…,LP}中都有对应的状态取值,LK为状态集合中第k个状态取值,统计离散单元周围的m个邻居单元的状态取值,将数量最多的状态取值作为该离散单元的类型标记。
5.根据权利要求1所述的建筑物地下土体应力与形变关系测量方法,其特征在于,设侧面分为x轴方向和y轴方向,计算侧面x轴和y轴的轴向应力,即:
;
式中:E为土体弹性模量;μ为土体横纵拉伸比;、/>分别为x轴和y轴的轴向应力;/>、/>分别为x轴和y轴的轴向应变。
6.根据权利要求1所述的建筑物地下土体应力与形变关系测量方法,其特征在于,步骤S3中,土体离散区域形变方程为:
;
;
式中,弯矩的水平方向分量为,竖直方向分量为/>,E为土体的弹性模量;I为土体的惯性矩,土体的抗弯刚度为EI,/>和/>分别为监测周期内土体离散区域在水平和竖直方向的位移量,
为位移自动监测设备主体与竖直方向的倾角,C为常数。
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- 2023-12-28 CN CN202311824643.3A patent/CN117473636B/zh active Active
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