CN118094957A - 一种基于土拱效应的地层韧性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于土拱效应的地层韧性评估方法，所述方法包括：获取目标地层的地面反应曲线和地下结构顶部的标准化位移，根据所述地面反应曲线和所述标准化位移计算所述目标地层的土拱率；根据所述土拱率和所述标准化位移计算地层韧性指标；根据所述地层韧性指标判断所述目标地层是否满足安全条件，若所述目标地层不满足所述安全条件，则发出需要采取措施的提示。本发明通过构建基于土拱率的地层韧性评估模型，从而计算地层的地层韧性指标，为地层的韧性评估提供了参考和依据，在此基础上，本发明根据地层韧性指标判断当前的地层情况是否安全，是否需要发出采取措施的提示，以提示相关人员及时对地层进行加固处理。

Description

一种基于土拱效应的地层韧性评估方法

技术领域

本发明涉及地层韧性评估技术领域，尤其涉及的是一种基于土拱效应的地层韧性评估方法。

背景技术

随着经济持续高速发展，对基础设施建设需求量越来越大，例如对城市地下空间的开发。地层是支撑和保障各类基础设施安全运行的基石，在基础设施的稳定性、安全性和经济性方面扮演着至关重要的角色，因此，合理地评估地层性状对于城市基础设施建设，特别是地下空间开发至关重要。

地层是由地球表层中的岩石、矿物或其他物质组成，其包括岩石和土层。土层是经岩石物理或化学风化作用形成，而岩石是由土层经过沉积、变质或火成过程而形成。地层是自然界的产物，其性质最为复杂。作为承载人类文明的重要载体，在外界环境扰动下，地层的韧性尤为重要。

目前韧性相关理论在生态学、经济学、心理学、工程学等领域均开展了大量而丰富的研究。其中在工程学领域中更多的关注结构和工程系统的韧性，例如针对盾构隧道结构韧性评估以及地铁网络系统韧性评估等方面的应用。

但现有技术中，对于地层韧性的评估方向存在空白，对于地层韧性的评估，缺乏参考和依据，导致对地层韧性的评估，不够准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于土拱效应的地层韧性评估方法，旨在解决现有技术对地层韧性评估时，缺乏参考和依据，导致地层韧性的评估不够准确的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于土拱效应的地层韧性评估方法，所述基于土拱效应的地层韧性评估方法包括：

获取目标地层的地面反应曲线和地下结构顶部的标准化位移，根据所述地面反应曲线和所述标准化位移计算所述目标地层的土拱率；

建立地层韧性评估模型，通过所述地层韧性评估模型根据所述土拱率和所述标准化位移计算地层韧性指标；

根据所述地层韧性指标所在的地层韧性等级判断所述目标地层是否满足安全条件，若所述目标地层不满足所述安全条件，则发出需要采取措施的提示。

进一步地，所述获取目标地层的地面反应曲线和地下结构顶部的标准化位移，根据所述地面反应曲线和所述标准化位移计算所述目标地层的土拱率，具体包括：

获取地面反应曲线的参数以确定地面反应曲线；

获取地下结构顶部的标准化位移，根据所述地面反应曲线和所述地下结构顶部的标准化位移计算所述目标地层的土拱率：

；

其中，表示所述目标地层的土拱率，/>表示所述地下结构顶部的标准化位移，/>、、/>和/>是获取的地面反应曲线的参数，/>代表了土拱率的初始模量，/>用于反映地面反应曲线残余阶段的土拱率，/>用于反映地下结构上方土体形成最大土拱时的承载能力，值用于反映最大土拱的脆性和延性。

进一步地，所述建立地层韧性评估模型，通过所述地层韧性评估模型根据所述土拱率和所述标准化位移计算地层韧性指标，具体包括：

根据所述土拱率和所述地下结构顶部的标准化位移计算地层性能指标：

；

式中，表示地层性能指标，/>表示所述目标地层的土拱率，/>表示所述地下结构顶部的标准化位移，/>表示达到最大土拱效应时的地下结构顶部的标准化位移，/>表示达到残余土拱效应时的地下结构顶部的标准化位移；

根据所述地层性能指标计算所述地层韧性指标。

进一步地，所述根据所述地层性能指标计算所述地层韧性指标，具体包括：

根据所述地层性能指标分别计算扰动阶段的地层性能指标的第一积分、演化阶段的地层性能指标的第二积分和恢复阶段的地层性能指标的第三积分；

根据所述地层性能指标、所述第一积分、所述第二积分和所述第三积分计算地层韧性指标：

；

其中，是地层韧性指标，/>为初始状态下的地层性能指标，/>是影响阶段的持续时间，/>是所述第一积分，/>是所述第二积分，/>是所述第三积分。

进一步地，根据所述地层韧性指标所在的地层韧性等级判断所述目标地层是否满足安全条件，具体包括：

根据所述地层韧性指标将地层韧性等级分类为高韧性、中韧性和低韧性中的一种；

若地层韧性等级为高韧性，则判断所述目标地层满足所述安全条件；

若地层韧性等级为中韧性或低韧性，则判断所述目标地层不满足所述安全条件。

进一步地，所述根据所述地层韧性指标将地层韧性等级分类为高韧性、中韧性和低韧性中的一种，具体包括：

获取高韧性和中韧性之间的第一分界点，获取中韧性和低韧性之间的第二分界点；

若地层韧性指标大于第一分界点，则将地层韧性等级分类进高韧性；

若地层韧性指标不大于第一分界点且大于第二分界点，则将地层韧性等级分类进中韧性；

若地层韧性指标不大于第二分界点，则将地层韧性等级分类进低韧性。

进一步地，所述获取高韧性和中韧性之间的第一分界点，具体包括：

获取所述目标地层达到最大土拱效应时的土拱率；

根据所述目标地层达到最大土拱效应时的土拱率计算所述第一分界点：

；

其中，是所述目标地层达到最大土拱效应时的土拱率，/>是所述第一分界点。

进一步地，所述获取中韧性和低韧性之间的第二分界点，具体包括：

获取所述目标地层达到残余阶段时的土拱率；

根据所述目标地层达到残余阶段时的土拱率计算所述第二分界点：

；

其中，是所述目标地层达到残余阶段时的土拱率，/>是所述第二分界点。

本发明采用上述技术方案具有以下效果：

本发明通过构建了基于土拱率的地层韧性评估模型，从而计算地层的地层韧性指标，为地层的韧性评估提供了参考和依据，从而提高了地层韧性评估的准确性，在此基础上，本发明根据地层韧性指标判断当前的地层情况是否安全，是否需要发出采取措施的提示，以提示相关人员及时对地层进行加固处理。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中基于土拱效应的地层韧性评估方法的步骤流程图；

图2是本发明较佳实施例中基于土拱效应的地层韧性评估方法的说明流程图；

图3是本发明较佳实施例中广义地面反应曲线的示意图；

图4是本发明较佳实施例中地层性能指标的衰减曲线的示意图；

图5是本发明较佳实施例中地层韧性等级的划分示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或端没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或端固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

实施例一

请参见图1，本申请的实施例一是一种基于土拱效应的地层韧性评估方法，其中，图1所描述的方法可以应用于基于土拱效应的地层韧性评估装置，其中，该装置可以包括服务器，其中，服务器包括本地服务器或者云服务器，本发明实施例不做限定。请参照图1和图2所示，图1和图2所示的方法包括步骤：

S1、获取目标地层的地面反应曲线和地下结构顶部的标准化位移，根据所述地面反应曲线和所述标准化位移计算所述目标地层的土拱率。

盾构法是建设城市轨道交通的常用方法之一。与矿山法相比，盾构法具有安全可靠、掘进速度快、对周围环境影响小等优点，其通常作为城市建筑密集区地铁修建的首选。盾构掘进期间会引起周围地层产生土拱效应，隧道上覆部分荷载通过拱体被转移到周围稳定土层中，导致邻近既有结构的受力和变形发生改变，进而威胁其正常使用。因此，对于土拱效应的获取和计算，是对于地层韧性判断的重要依据和指标。

土拱效应是研究者用来对土体中应力转移现象的解释，其广泛存在土木工程中，如隧道、基坑、抗滑桩、挡土墙、桩承式路堤等工程，其原理是移动土体内部颗粒之间产生摩擦力，在移动土体与稳定土体之间产生了滑动面，由于颗粒之间相对粗糙，导致滑动面上出现剪切应力，向下移动的土体通过滑动面处的剪切应力，将部分自重应力转移到了稳定土体中，导致稳定区内土体应力增加，而活动土体竖向应力减小。

本实施例中，通过获取地面反应曲线来反应土体的土拱效应，地面反应曲线（Ground Reaction Curve，GRC）通常用于描述地下结构（例如，隧道、管道和桩承路堤中的桩等）上的荷载与其位移之间的关系。

传统上描述土体中地面反应曲线的方法可分为经验法、简化法和分段模型法三种方法。

所述经验法是根据砂土中活动门试验结果，采用经验分段函数评估了不同阶段的地面反应曲线。首先将该曲线分成 4 个阶段，其分别为初始拱阶段、最大拱阶段、荷载恢复阶段和最终阶段，对于初始拱阶段，其通过拟合试验结果获得初始直线的斜率约为 125；在最大拱阶段，其采用结构拱理论计算最大拱阶段时作用在活动门上的荷载；在荷载恢复阶段采用基于活动门试验结果的经验关系式来描述；在最终阶段采用Terzaghi（太沙基）理论计算获得。

简化法是在经验法的基础上，为了便于工程应用，将地面反应曲线简化为三个阶段，分别从起点到最大拱阶段为第一阶段，荷载恢复阶段为第二阶段，最终阶段为第三阶段，并且每个阶段采用直线描述。

分段模型法是将活动门下移过程中土体内部剪切带的发展分为若干个阶段，根据每个阶段对应的模型计算出活动门上的荷载，进而得到地面反应曲线。

但不管是采用经验法、简化法或分段模型法获得地面反应曲线，其均是用分段函数来描述 GRC，而事实上，GRC 是一条光滑的连续曲线，因此当地下结构仅发生小变形时，传统方法获得的曲线可能导致较大误差，此外，上述方法是基于二维活动门试验建立的，主要适用于二维工况，不能直接应用于三维工况。

因此本实施例中，采用复合函数模型描述地面反应曲线，根据活动门下移过程中剪切带的发展，以及土体变形特征，确定复合函数模型二维和三维参数。

具体而言，本实施例中，地面反应曲线表示为作用于地下结构上的标准化土拱率与其标准化位移之间的关系，请参照图3所示，其分为四个阶段，分别为线性和弹性阶段、非线性和屈服阶段、荷载恢复阶段和最终状态阶段，线性和弹性阶段结束时的标准化位移为，土拱率为/>，非线性和屈服阶段结束时的标准化位移为/>，土拱率为/>，荷载恢复阶段结束时的标准化位移为/>，土拱率为/>。

线性和弹性阶段即A点之前，该阶段中随着位移，其上覆荷载呈直线急剧减小，土体内部开始逐渐形成土拱，此时直线的斜率被称为土拱的初始模量，活动门上方土体处于弹性状态，内部无剪切带形成。

非线性和屈服阶段即A点到B点之间，该阶段中，随着位移不断增加，荷载开始呈非线性缓慢减小，在 B 点达到最小值，同时土拱不断发展，B 点对应的土拱被称为最大拱。土体开始出现塑性变形，并且内部剪切带开始形成，在剪切带以下土体的位移明显大于剪切带以上土体的位移。因此，在剪切带和活动门之间出现了局部破坏区域。

荷载恢复阶段即B点到C点之间，随着位移继续增加，荷载开始逐渐增大。该阶段的GRC 可近似为直线，其斜率被称之为荷载恢复指数，在这一阶段，土拱不断被破坏和重建，土体的塑性变形进一步增大。本阶段结束时，局部破坏区逐渐向上发展至地表。

最终状态阶段即C点之后，该阶段中，随着位移持续增加，荷载保持不变。这种状态被称为最终拱，此时稳定的土拱完全破坏。活动门上方土体呈松散塑性状态，两条垂直剪切带从活动门的两个边角垂直向地表发展。

具体而言，本实施例的地面反应曲线的公式为：

；

式中，是/>时刻的土拱率，其表示土拱效应随时间的发挥，/>代表了/>时刻地下结构顶部的标准化位移，/>、/>、/>和/>是获取的地面反应曲线的参数，其中，/>代表了土拱率的初始模量，/>用于反映地面反应曲线残余阶段的土拱率/>，/>用于反映地下结构上方土体形成最大土拱时的承载能力，/>值用于反映最大土拱的脆性和延性。即：/>值越大，土拱越脆。

其中，对于参数、/>、/>和/>的计算以及获取，/>的数值由现有技术中，通过大量的离心机活动门模型试验拟合确定，本实施例中，/>的数值具体为62.9，/>的数值通过建立力学模型进行获取，/>和/>通过B点的极值特性进行获取。

S2、建立地层韧性评估模型，通过所述地层韧性评估模型根据所述土拱率和所述标准化位移计算地层韧性指标。

具体而言，本实施例中，先根据所述土拱率和所述地下结构顶部的标准化位移计算地层性能指标，本发明建立的地层性能指标考虑了土体内部的土拱效应，选取土拱率作为地层性能程度的指标，具体的计算地层性能指标的表达式为：

；

式中，是地层性能指标，/>是/>时刻的土拱率，/>代表了/>时刻地下结构顶部的标准化位移，/>表示达到最大土拱效应时的地下结构顶部的标准化位移，/>表示达到残余土拱效应时的地下结构顶部的标准化位移。

在得到的地层性能指标的表达式之后，便可以通过本发明提出的新的地层韧性评估模型得到地层韧性指标：

；

式中，为初始状态下的地层性能指标，/>是影响阶段的持续时间，请参照图4所示，影响阶段分为扰动阶段、演化阶段和恢复阶段，/>，/>是影响阶段的第一阶段，扰动阶段的开始时间，/>是影响阶段的第三阶段，恢复阶段的结束时间，/>是扰动阶段的地层性能指标与坐标横轴构成的面积，即扰动阶段的地层性能指标的积分：

；

式中，是扰动阶段的地层性能指标表达式，/>是扰动阶段的开始时间，/>是扰动阶段的结束时间，即演化阶段的开始时间；

是演化阶段的地层性能指标与坐标横轴构成的面积，即演化阶段的地层性能指标的积分：

；

式中，是演化阶段的地层性能指标表达式，/>是演化阶段的开始时间，/>是演化阶段的结束时间，即恢复阶段的开始时间。

是恢复阶段的地层性能指标与坐标横轴构成的面积，即恢复阶段的地层性能指标的积分：

；

式中，是恢复阶段的地层性能指标表达式，/>是恢复阶段的开始时间，/>是恢复阶段的结束时间。

S3、根据所述地层韧性指标所在的地层韧性等级判断所述目标地层是否满足安全条件，若所述目标地层不满足所述安全条件，则发出需要采取措施的提示。

具体而言，本实施例中，根据地层韧性指标，将地层的韧性分为如图5所示的高韧性、中韧性和低韧性三种韧性等级，具体请参照表1：

表1：地层韧性等级（Table 1：Resilience grade of soil）

其中，是高韧性和中韧性之间的第一分界点，/>是中韧性和低韧性之间的第二分界点。

可以看出，本发明中，当满足条件时，判断地层属于高韧性情况，在外力作用下，地层的承载能力和抗变形能力较好，受到扰动时能够迅速调动自身形成稳定的“结构”，进而阻止扰动的传播，当足条件/>时，判断地层属于中韧性情况，在外力作用下，地层的承载能力和抗变形能力好，受到扰动时能够迅速调动自身形成暂时稳定的“结构”，进而阻止扰动继续的传播，但在土体内部已经有局部破坏，当满足条件/>时，判断地层属于低韧性情况，在外力作用下，地层的承载能力和抗变形能力一般，受到扰动时不能够迅速调动自身形成稳定的“结构”，也就未能阻止扰动继续的传播，导致土体从内部的局部破坏发展到整体失稳破坏，当地层属于中韧性情况或低韧性情况时，则认为地层需要进行加固等处理措施，才能长期保持其自身的安全与稳定，此时发出需要采取措施的提示。

在可选的实施例中，也可以将中韧性和低韧性进一步划分，当地层处于中韧性状态时，则认为情况并不紧急，发出通常的需要采取措施的提示，当地层处于低韧性状态时，则认为情况已经相对紧急，发出紧急的需要采取措施的提示。

本实施例中，所述第一分界点具体是根据达到最大土拱效应时，即图3中B点的土拱率/>计算得到，请参照图5，第一分界点/>具体为：

；

式中，是达到最大土拱效应时的土拱率，/>是图5中B点、D点、E点和G点所围成的面积，/>是图5中A点、D点、E点和G点所围成的面积。

所述第二分界点具体是根据达到残余阶段时，即图3中C点的土拱率/>计算得到，请参照图5，第二分界点/>具体为：

；

式中，是达到残余阶段时的土拱率，/>是图5中C点、D点、E点和G点所围成的面积，/>是图5中A点、D点、E点和G点所围成的面积。

综上所述，本发明通过构建了基于土拱率的地层韧性评估模型，从而计算地层的地层韧性指标，为地层的韧性评估提供了参考和依据，在此基础上，本发明根据地层韧性指标判断当前的地层情况是否安全，是否需要发出采取措施的提示，以提示相关人员及时对地层进行加固处理。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者终端中还存在另外的相同要素。

当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件（如处理器，控制器等）来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于土拱效应的地层韧性评估方法，其特征在于，所述基于土拱效应的地层韧性评估方法包括：

获取目标地层的地面反应曲线和地下结构顶部的标准化位移，根据所述地面反应曲线和所述标准化位移计算所述目标地层的土拱率；

建立地层韧性评估模型，通过所述地层韧性评估模型根据所述土拱率和所述标准化位移计算地层韧性指标；

根据所述地层韧性指标所在的地层韧性等级判断所述目标地层是否满足安全条件，若所述目标地层不满足所述安全条件，则发出需要采取措施的提示。

2.根据权利要求1所述的基于土拱效应的地层韧性评估方法，其特征在于，所述获取目标地层的地面反应曲线和地下结构顶部的标准化位移，根据所述地面反应曲线和所述标准化位移计算所述目标地层的土拱率，具体包括：

获取地面反应曲线的参数以确定地面反应曲线；

获取地下结构顶部的标准化位移，根据所述地面反应曲线和所述地下结构顶部的标准化位移计算所述目标地层的土拱率：

；

其中，表示所述目标地层的土拱率，/>表示所述地下结构顶部的标准化位移，/>、/>、和/>是获取的地面反应曲线的参数，/>代表了土拱率的初始模量，/>用于反映地面反应曲线残余阶段的土拱率，/>用于反映地下结构上方土体形成最大土拱时的承载能力，/>值用于反映最大土拱的脆性和延性。

3.根据权利要求2所述的基于土拱效应的地层韧性评估方法，其特征在于，所述建立地层韧性评估模型，通过所述地层韧性评估模型根据所述土拱率和所述标准化位移计算地层韧性指标，具体包括：

根据所述土拱率和所述地下结构顶部的标准化位移计算地层性能指标：

；

式中，表示地层性能指标，/>表示所述目标地层的土拱率，/>表示所述地下结构顶部的标准化位移，/>表示达到最大土拱效应时的地下结构顶部的标准化位移，/>表示达到残余土拱效应时的地下结构顶部的标准化位移；

根据所述地层性能指标计算所述地层韧性指标。

4.根据权利要求3所述的基于土拱效应的地层韧性评估方法，其特征在于，所述根据所述地层性能指标计算所述地层韧性指标，具体包括：

根据所述地层性能指标分别计算扰动阶段的地层性能指标的第一积分、演化阶段的地层性能指标的第二积分和恢复阶段的地层性能指标的第三积分；

根据所述地层性能指标、所述第一积分、所述第二积分和所述第三积分计算地层韧性指标：

；

其中，是地层韧性指标，/>为初始状态下的地层性能指标，/>是影响阶段的持续时间，/>是所述第一积分，/>是所述第二积分，/>是所述第三积分。

5.根据权利要求1所述的基于土拱效应的地层韧性评估方法，其特征在于，根据所述地层韧性指标所在的地层韧性等级判断所述目标地层是否满足安全条件，具体包括：

根据所述地层韧性指标将地层韧性等级分类为高韧性、中韧性和低韧性中的一种；

若地层韧性等级为高韧性，则判断所述目标地层满足所述安全条件；

若地层韧性等级为中韧性或低韧性，则判断所述目标地层不满足所述安全条件。

6.根据权利要求5所述的基于土拱效应的地层韧性评估方法，其特征在于，所述根据所述地层韧性指标将地层韧性等级分类为高韧性、中韧性和低韧性中的一种，具体包括：

获取高韧性和中韧性之间的第一分界点，获取中韧性和低韧性之间的第二分界点；

若地层韧性指标大于第一分界点，则将地层韧性等级分类进高韧性；

若地层韧性指标不大于第一分界点且大于第二分界点，则将地层韧性等级分类进中韧性；

若地层韧性指标不大于第二分界点，则将地层韧性等级分类进低韧性。

7.根据权利要求6所述的基于土拱效应的地层韧性评估方法，其特征在于，所述获取高韧性和中韧性之间的第一分界点，具体包括：

获取所述目标地层达到最大土拱效应时的土拱率；

根据所述目标地层达到最大土拱效应时的土拱率计算所述第一分界点：

；

其中，是所述目标地层达到最大土拱效应时的土拱率，/>是所述第一分界点。

8.根据权利要求6所述的基于土拱效应的地层韧性评估方法，其特征在于，所述获取中韧性和低韧性之间的第二分界点，具体包括：

获取所述目标地层达到残余阶段时的土拱率；

根据所述目标地层达到残余阶段时的土拱率计算所述第二分界点：

；

其中，是所述目标地层达到残余阶段时的土拱率，/>是所述第二分界点。