專利名稱：一種分析基坑變形與坑外地面沉降關系的方法
技術領域：
本I厥費及巖土工程中的基坑施工過程中，基坑變形監測，特別是涉及基坑變形與坑外地面沉降關系確定。
背景技術：
地鐵車站基坑施工過程中，圍護結構變形控制直接影響到圍巖及支護結構安全穩定性，同時也影響到基坑施工速度。尤其是市內的基坑工程，對基坑變形的控制提出了較高要求。但是基坑的變形測量相對復雜，成本較高，為對其進行有效監測造成了障礙，但坑外土體沉降的監測卻較為簡單。考慮到在基坑施工過程中土體的體積損失較小，那么坑外土體的沉降與維護結構的變形就存在一定的對應關系，即通過坑外土體的沉降量可以預測維護結構的變形情況。實際上，根據目前的對基坑施工過程中圍護變形的研究，基坑圍護變形雖然形式和大小不同，但是基本可以分解為正向、反向轉動及繞曲三種變形，如
圖1所示。研究同時發現其變形量與基坑周圍地面沉降量及其測點與基坑邊緣的距離有一定的對應關系，基本上這三種變形可以用某種形式的指數函數描述。但是由于施工地質條件各有差異，其變形的表達式雖然形式相同，其具體系數是不同的，且通過直接測量和計算難以確定。針對某一具體工程如何用已有的施工數據進行分析，得到預期內的圍護變形與沉降的關系成了解決問題的關鍵。目前，通常的方法是進行參數反演。使用差異進化算法進行這種反演。差異進化(DifferentialEvolution, DE)算法是由 Rainer Storm 和 KennethPrice于1995年提出的采用實數矢量編碼在連續空間中進行隨機搜索的優化算法。
發明內容
基于DE算法，同時為保證數據的正確性及降低數據的處理量，約束方法采用對角線交叉的最小二乘法，研究一種新型的效果更好的地鐵基坑圍護變形與坑外地面沉降對應方法。由于基坑施工的特點，一方面測量數據較大，差異進化算法進行參數反演時計算量隨反演參數的個數指數增長，并對所有數據進行比較；另一方面其地面沉降的測量值由于各種原因可能產生噪聲值。基于上述情況的約束方法采用對角線交叉的最小二乘法。所謂對角線交叉的最小二乘法，就是對離散數據點進行處理然后使用最小二乘法對處理后的點進行比較從而對函數進行約束。如圖2所示，橫坐標代表開挖深度，縱坐標代表沉降量，由于是示意圖未標明具體數值。圖中有15個點分別代表15次測量值。對角線交叉法步驟為:1.將連續三個點相連形成三角形，如Λ 123,Δ 234 ；2.將相鄰兩個三角形組成四邊形，如口 1234, □ 2345 ；3.將上述四邊形對角線相連交點為Oi，如Op O2，如果交點在四邊形外，可將對角線延長相交，如0\ ；4.使用Oi作為該組離散數據的代替點序列進行最小二乘分析。
這樣做的好處有兩個:1.減少數據量。如果元數據有A個，那么經過上述方法處理后的數據為認-2)/2個；2.可以減少噪聲數據對整個二乘法的影響，取得良好的預計效果。如圖2所示的4'點明顯高出正常的變化范圍，如果直接用最小二乘計算會帶來較大的誤差。使用對角線交叉后可以看出原對角線交點O1與噪聲產生的對角線交點O'i相差較小，說明該方法有降噪的作用。當然這種降噪是有條件的，即連續四個點中只有一個噪聲點。經過上述過程處理后的數據，根據參數物理意義設定上下限，區域內個觀測值有約束優化，約束方法采用最小二乘法，如式(I)所示。
權利要求
1.一種分析基坑變形與坑外地面沉降關系的方法，差藍遼基坑圍護結構變形分解成正向轉動、反向轉動及繞曲三種變形，將此三種變形與坑外地面沉降分布的對應關系用指數形式的公式進行描述，其包蕾勿70步Jf:第一步圍護結構變形模式的確定，第二步收集現場坑外土體沉降量，第三步建立反演表達式反演坑外土體沉降量，第四步進行對角線交叉最小二乘法對數據的處理，第五步使用差異進化算法(DE)對沉降數據進行擬合，第六步DE的縮放因子A和交叉概率Cr合理選擇，第七步模擬數據的生成和評價。
2.根據權利要求1所述的基坑變形與坑外地面沉降關系的方法，其特征在于，用于描述基坑圍護結構變形分解出的變形與坑外地面沉降分布對應關系的指數函數反演后系數的確定采用差異進化算法進行計算。
3.根據權利要求1所述的基坑變形與坑外地面沉降關系的方法，其特征在于，差異進化算法中縮放因子F和交叉概率Cr的最優值確定原則定為:能夠滿足基坑圍護結構變形分解出的變形與坑外地面沉降分布對應關系的指數函數在計算時收斂條件最好。
4.-根據權利要求1所述基坑變形與坑外地面沉降關系的方法的對角線交叉的最小二乘法，其特征在于，第一步，將連續三個點相連形成三角形;第二步，將相鄰兩個三角形組成四邊形；第三步，將上述四邊形對角線相連交點，如果交點在四邊形外，則將對角線延長相交；第四步，將對角線交點作為該組離散數據的代替點序列用于最小二乘分析。
5.-根據權利要求1所述基坑變形與坑外地面沉降關系的方法的對角線交叉的最小二乘法，其特征在于，能夠實現如下功能:其一，減少需處理數據量，原始數據量為k個，處理后的數據量為「氓-2)/2]個；其二，減少噪聲數據對整個二乘法的影響。
6.-根據權利要求1所述基坑變形與坑外地面沉降關系的方法的對角線交叉的最小二廣總，其録，對角線交叉的最小二乘法適用于具有如下特征的數據:其一，測量數據量較大，計算量隨反演參數的個數呈指數增長；其二，由多種不確定性因素造成的帶有噪聲的測量數據。
7.根據權利要求1所述基坑變形與坑外地面沉降關系的方法的用于描述基坑圍護結構變形分解出的變形與坑外地面沉降分布對應關系的指數函數，其特征在于，能顧及所有考慮因素的指數函數的形式:
8.根據權利要求1所述的基坑變形與坑外地面沉降關系的方法的反演表達式，其特征
9.根椐太連她鐵2號線濟家車站某坑工稈確定的反演表汰式，其特征在干，在Matlab環境下實現DE算法，將三種變形數據h、δ故和R作為參數輸入，優化變量數為2，種群數/W為72，根據模擬結果，求得不同的/^和Cr條件下的正向轉動收斂值，A=0.4,^=0.6，反演出 a尸-0.0022,bj=-0.0309 ;反向轉動時，Z7=0.4,Cr=0.6，反演出 a2=~0.0020，込=-0.0289 ；繞曲變形時，Z7=0.4:, Cr=0.4，反演出a,=-0.0011,^=-0.0286 ;將各變形的、之值帶指數公
全文摘要
本發明公開了一種分析基坑變形與坑外地面沉降關系的方法，特征在于，根據基坑圍護結構的三種基本變性特征，可以確定變形與坑外土體沉降的關系式，包括圍護結構變形模式的分解、收集現場坑外土體沉降量、建立反演表達式、對角線交叉最小二乘法對數據的處理、使用差異進化算法(DE)對沉降數據進行擬合、DE的縮放因子F和交叉概率Cr合理選擇方法、模擬數據的生成和評價等。本發明通過對算法中F和Cr的影響分析，得到F和Cr的最優值，將角線交叉的最小二乘法作為差異選擇函數，進行反演計算。本發明的目的在于可以通過坑外土體沉降監測獲得維護變形情況，預測未來階段變形。可廣泛用于可用于坑外地面沉降與圍護變形對應關系的預測研究。
文檔編號E02D33/00GK103205972SQ20131008787
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月19日 優先權日2013年3月19日
發明者劉文生, 吳作啟, 崔鐵軍, 由麗雯, 楊逾, 邵軍, 張遠, 孫琦, 杜東寧 申請人:遼寧工程技術大學