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岩土工程数值计算结果准确度依赖本构模型的选用及输入的参数。目前,已建立的各种岩土本构模型——物理意义明确的、数学逻辑严谨的、试验验证合理的,由于岩土工程问题中存在种种不确定性使其在应用中总与实际所反映的变形特性存在一定差异,虽通过位移反分析法能获得相对符合工程实际的岩土参数,但这也有赖于所获取监测位移本身的精度,而实际监测时总不可避免受到岩土介质本身、环境、人为、测量仪器等因素的影响,导致依据传统“点”式变形监测信息的位移反分析法实际应用中存在一些不能消除的误差。
传统不确定性问题解决方法往往需要知道很多已知信息,而区间分析法只需较少的已知信息(如监测位移误差上下界)就可综合考虑岩土工程的整体不确定性,最终将反演参数结果用一个包含“真值”参数的区间集合来表示。
鉴于上述种种问题,本文在位移反分析法基础上引入区间分析法,形成不确定性反演方法,并在Matlab中编程实现,最后通过一滑坡实例初步构建了边坡“区间反演分析+稳定性正分析”体系,具体研究工作及成果如下:
①变形监测数据误差分析研究。通过稳定性正分析及位移反分析两个方面分析了监测数据误差对边坡工程的影响及其传递过程;基于前人已有成果融合现代误差理论中测量不确定度计算方法总结了变形监测数据的区间取值方法。
②区间位移反分析法目标函数及优化算法改进。给出了区间位移反分析法的宏观数学模型公式;基于传统最小二乘法“逼近”原则引入序关系区间排序法同时参考可能度区间排序思想及公式表现形式提出了适用于区间位移反分析法的目标函数——基于序关系区间排序法的改进目标函数;依据本文编制的区间位移反分析程序特性提出了一种改进优化算法——基于全局搜索-粒子群优化的改进优化算法。
③区间位移反分析法程序编制及算例验证。以Matlab为载体程序、借助INTLAB工具箱实现区间逻辑计算、采用FEATool Multiphysics作为有限元计算模块编制了区间位移反分析程序,通过一边坡算例对程序进行了验证,结果表明:反演差值均在3.5%以内,且随监测数据误差增大,区间反演精度减小,反分析参数区间范围增加,实际工程中可通过提高监测精度来提升区间反演精度以得到区间范围更小、更贴近“真值”的区间参数解。
④滑坡工程实例应用。设计正交试验得出了不同综合误差下的区间稳定性系数:综合误差0.5mm及1.0mm下滑坡区间稳定性系数分别为[1.023,1.079]、[1.019,1.080],结果表明该滑坡基本处于欠稳定状态,且综合误差越大最终计算的稳定性系数范围随之增加,实际工程中可通过提升监测仪器精度来进一步提升稳定性系数精度;以区间参数中点值为例分析了滑坡有限元强度折减破坏的整个过程:位移缓慢增长-塑性区开始发育、位移快速增长-塑性区快速发展、位移急剧增长-塑性区整体贯通三个阶段,最终滑坡中部及后缘失稳,滑坡整体破坏。
通过该滑坡实例完整进行了区间位移反分析-稳定性正分析过程,证明了本文所设计的边坡区间位移反分析及稳定性正分析体系的合理性,同时也印证了监测位移误差在边坡位移反分析及稳定性正分析中的传递过程,最终得出的区间稳定性系数通过与已有文献结果进行的对比说明了该区间值的意义不仅仅是初始误差传递的结果,还可以包含不同工况下稳定性分析结果,区间分析将其整体以一个区间值展现。
传统不确定性问题解决方法往往需要知道很多已知信息,而区间分析法只需较少的已知信息(如监测位移误差上下界)就可综合考虑岩土工程的整体不确定性,最终将反演参数结果用一个包含“真值”参数的区间集合来表示。
鉴于上述种种问题,本文在位移反分析法基础上引入区间分析法,形成不确定性反演方法,并在Matlab中编程实现,最后通过一滑坡实例初步构建了边坡“区间反演分析+稳定性正分析”体系,具体研究工作及成果如下:
①变形监测数据误差分析研究。通过稳定性正分析及位移反分析两个方面分析了监测数据误差对边坡工程的影响及其传递过程;基于前人已有成果融合现代误差理论中测量不确定度计算方法总结了变形监测数据的区间取值方法。
②区间位移反分析法目标函数及优化算法改进。给出了区间位移反分析法的宏观数学模型公式;基于传统最小二乘法“逼近”原则引入序关系区间排序法同时参考可能度区间排序思想及公式表现形式提出了适用于区间位移反分析法的目标函数——基于序关系区间排序法的改进目标函数;依据本文编制的区间位移反分析程序特性提出了一种改进优化算法——基于全局搜索-粒子群优化的改进优化算法。
③区间位移反分析法程序编制及算例验证。以Matlab为载体程序、借助INTLAB工具箱实现区间逻辑计算、采用FEATool Multiphysics作为有限元计算模块编制了区间位移反分析程序,通过一边坡算例对程序进行了验证,结果表明:反演差值均在3.5%以内,且随监测数据误差增大,区间反演精度减小,反分析参数区间范围增加,实际工程中可通过提高监测精度来提升区间反演精度以得到区间范围更小、更贴近“真值”的区间参数解。
④滑坡工程实例应用。设计正交试验得出了不同综合误差下的区间稳定性系数:综合误差0.5mm及1.0mm下滑坡区间稳定性系数分别为[1.023,1.079]、[1.019,1.080],结果表明该滑坡基本处于欠稳定状态,且综合误差越大最终计算的稳定性系数范围随之增加,实际工程中可通过提升监测仪器精度来进一步提升稳定性系数精度;以区间参数中点值为例分析了滑坡有限元强度折减破坏的整个过程:位移缓慢增长-塑性区开始发育、位移快速增长-塑性区快速发展、位移急剧增长-塑性区整体贯通三个阶段,最终滑坡中部及后缘失稳,滑坡整体破坏。
通过该滑坡实例完整进行了区间位移反分析-稳定性正分析过程,证明了本文所设计的边坡区间位移反分析及稳定性正分析体系的合理性,同时也印证了监测位移误差在边坡位移反分析及稳定性正分析中的传递过程,最终得出的区间稳定性系数通过与已有文献结果进行的对比说明了该区间值的意义不仅仅是初始误差传递的结果,还可以包含不同工况下稳定性分析结果,区间分析将其整体以一个区间值展现。