分級堆載預壓下大型原料堆場地基變形的動態預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及巖土工程地基處理設計技術領域，具體的是一種分級堆載預壓下原料 堆場地基變形的動態預測方法。
【背景技術】
[0002] 地基沉降變形一直為工程界所關注，而目前工程師對地基沉降的預測大多建立在 實踐經驗的基礎上，而缺乏系統性和傳承性。通過理論或數值模擬(無論是有限元、有限差 分還是離散元），僅能反映出沉降分布范圍和分布規律，對數量上的難以預測，參數調整離 散度較大，最終還是歸結于經驗判斷。由于巖土工程的復雜性(土體分布不均、環境條件復 雜、施工方法各異、施工隊伍參差不齊），通過理論分析、精確預測地表沉降值難度較大。因 此，數值計算成為預測地鐵施工引起地表沉降的普遍方法。但目前由于場地的復雜性和模 型建設的人為性，使得實用性不高，無法向工程技術人員推廣。
[0003] 原料場由于考慮運輸成本，一般選址大部分位于濱海相、河流漫灘相甚至內陸湖 塘相地貌上，這些地貌上地基土普遍很軟弱，極易造成地基土失穩，導致巨大的經濟損失。 根據原料場地基處理面積大、有足夠堆載源、對地基沉降變形敏感性較小等特點，從經濟角 度考慮，利用預設排水通道加分級堆載預壓進行排水固結加固軟土地基已成為最經濟的處 理方式之一〇
[0004] 進行原料場地基處理后發現往往大面積堆載預壓法加固軟土地基的最終沉降理 論預測值與實測值差異很大，而目前對堆載預壓過程中施工的施工沉降和工后沉降預測能 力較差，缺乏有效的設計方法及計算理論。參數反演分析方法是一種有效解決這一問題的 手段，根據施工現場實測數據運用反演理論來計算、分析地基土體的參數，使參數更接近于 土體的實際情況，以作為工程設計的依據而進行正分析來達到預測的目的。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是針對分級堆載預壓過程中的施工沉降和工后沉降預測的不準確 性問題，采用結合精確罰函數的Nelder-Mead算法，提供堆載預壓下原料堆場地基變形的動 態預測方法。
[0006] 分級堆載預壓下大型原料堆場地基變形的動態預測方法，包括如下步驟：
[0007] (1)地基變形監測數據的收集與處理：由于原料場面積大，一般會選取具有代表性 區域作為試驗區埋設監測點，收集整理每一級堆載下地基變形的監測數據。對測得的各類 監測數據，根據現場實際情況進行篩選，剔除異常數據；
[0008] (2)根據原料場勘察報告、土工試驗成果資料及地基處理設計要求等，建立原料場 合理的有限元計算模型，確定模型計算所需的土體已知參數與待反演參數；
[0009] (3)采用結合精確罰函數的Nelder-Mead優化算法編制土體參數反演程序并嵌入 到有限元軟件中，所述土體參數反演程序如下：
[0010] a.建立土體參數反演分析的初始目標函數:/(X)=(lSxiiu)，其中， α=ι |.Λ I m為所選用的測點數量，y為沉降監測值向量，Y為有限元計算得到的沉降值，χ為待反演土體 參數向量，1為待反演土體參數下限值，U為待反演土體參數上限值。
[0011] b.反演過程中土體參數值χ必須在其下限值1和上限值u之間取值，此時反演為有 約束的優化問題，不能采用Nelder-Mead優化算法求解。因此引入罰函數 ^) = 1° _，建立新的目標函數:iKx)=f(x)+v(x)，此時將土體參數反演變為無
[+00 otherwise 約束優化問題。
[0012] C.反演過程中，首先給出待反演參數的初始值XQ，將XQ代入有限元計算模型，得到 土體沉降的有限元計算值Yk( XQ)，計算值目標函數值Φ( XQ) = f ( XQ) +V ( XQ)。將Φ( XQ)與收斂標 準eps進行對比。如果Φ(χο)大于eps，計算不收斂，采用Nelder-Mead算法計算得新的待反演 參數值Xi，并將Xi代入有限元進行新的迭代計算，并重新計算目標函數iKxi)直至iKxi)小于 eps，迭代結束，輸出反演結果χοΡ。
[0013] (4)聯合土體參數反演程序與有限元軟件對沉降監測數據進行反演分析，計算得 到最優土體參數。利用反演得到土體參數預測下一級堆載下原料場的地基變形，并根據計 算得到的地基變形等其他計算結果對堆載設計合理性進行評估；
[0014] (5)在反演計算的引導下，重復完成步驟（1)-(4)，逐級進行原料場的堆載設計和 施工。
[0015] 本發明較優的技術方案:所述的收斂標準eps可取值為5%。
[0016] 本發明的有益效果：（1)具有計算范圍廣、精確度高、計算量小、計算速度快、操作 方便，利于工程技術人員推廣等特點。（2)能夠利用堆載過程中的實時監測數據對土體設計 參數不斷修正，使得土體參數更為合理，實現堆載預壓下原料場地基變形的動態預測。（3) 可以為類似原料場地基處理設計、施工提供依據，極大節約工程投資成本，避免造成不必要 的工程建設費用，具有較高推廣應用價值。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明預測方法的基本流程圖，
[0018] 圖2為土體參數反演程序框圖，
[0019] 圖3為原料料場變位點監測示意圖，
[0020] 圖4為某監測點計算沉降值與實測位移值對比圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0022] 如圖1、2所示，一種分級堆載預壓下大型原料堆場地基變形的動態預測方法，包括 如下步驟：
[0023] (1)地基變形監測數據的收集與處理：由于原料場面積大，一般會選取具有代表性 區域作為試驗區埋設監測點，收集整理每一級堆載下地基變形的監測數據。對測得的各類 監測數據，根據現場實際情況進行篩選，剔除異常數據；
[0024] (2)根據原料場勘察報告、土工試驗成果資料及地基處理設計要求等，建立原料場 合理的有限元計算模型，確定模型計算所需的土體已知參數與待反演參數；
[0025] (3)采用結合精確罰函數的Nelder-Mead優化算法編制土體參數反演程序并嵌入 到有限元軟件中，所述土體參數反演程序如下：
[0026] a.建立土體參數反演分析的初始目標函數：
（195:10，其中， m為所選用的測點數量，y為沉降監測值向量，Y為有限元計算得到的沉降值，X為待反演土體 參數向量，1為待反演土體參數下限值，U為待反演土體參數上限值。
[0027] b.反演過程中土體參數值X必須在其下限