[发明专利]岩土材料参数变异性结果的预测方法及其应用

说明书

本发明公开了一种岩土材料参数变异性结果的预测方法及其应用，旨在解决现有技术中岩土材料随机场概率分析测算量大，耗时耗力的技术问题。本发明预测方法能够应用于各类岩土参数及工程结构参数空间变异性影响结果的分析测算，实现了利用少量有限次数的测算结果去高效、精准地预测无数次或极大量的测算结果，算力节省，方法简便高效、省时省力，且预测准确可靠，应用于各类土建工程中能兼顾到安全有效性和工程建设成本的经济性。

技术领域

本发明涉及岩土工程测量分析技术领域，具体涉及一种岩土材料参数变异性结果的预测方法及其应用。

背景技术

数值分析方法是岩土工程测量、研究以及分析设计的一种得到了广泛应用的重要方法。传统的数值分析多基于岩土或工程材料的各向同性或者均质假设，没有考虑材料参数空间变异性的特点。而地壳在长期的构造运动过程中，岩土力学参数、节理、断层分布、温度场、渗流场等多具有各向异性的特点，且表现出较强的空间变异性，尤其是人类进行的基坑开挖、隧道、地下厂房、边坡等工程一般位于地表或者埋深几百米甚至几十米范围内，岩土材料参数的空间变异性尤为显著。如果进行相关工程测算分析时，忽略其变异性，将会引起较大的测算误差，进而会给后续工程实施带来安全隐患。

因此，针对岩土材料空间变异性的特点，岩土的性质参数分布的不确定性是目前亟待研究的重点。简而言之，采用概率分析的方法评测工程结构是否失稳，给出的答案不再是传统意义上默认的100%稳定或不稳定，而是转变为了一个概率问题，如95%稳定，从而使工程数值模拟结果与工程实际更为吻合。

在数值模拟分析测算研究中，为考虑材料参数的空间变异性，并根据数值模拟测量结果达到概率分析的目的，通常认为所研究的性质参数服从一定的分布函数（如常用的对数正态分布函数），从而生成几百、甚至上千组参数随机数，在此基础上进行几百、上千次测算（每组随机数均进行一次计算），得到对应的几百、成千上万个测算结果，从而对参数测量结果进行概率分析。

众所周知的是，对于复杂的数值模型，特别是现代数值模型越来越大，单元数目越来越多，计算量巨大，每测算一次需要一天、一周、一个月甚至更长时间。同时，如前所述，概率分析需要少则几百次、多则几千次的测算，一直到计算结果收敛为止，那么一次完整的数值概率分析计算，需要消耗大量的时间及算力。此外，大量耗时所得的测算结果其准确性也不尽如人意。

因此，降低测算所需时间、提高预测的准确性从而兼顾工程实施的安全性和经济性是当前工程建设中急需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种岩土材料参数（如弹性模量、粘聚力、摩擦角、强度、节理、断层分布、温度场、应力场、渗流场等）变异性影响结果的预测方法及其应用，以期解决现有技术中岩土材料随机场概率分析测算量大，耗时耗算力的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

提供一种岩土材料参数变异性结果的预测方法，包括以下步骤：

（1）根据岩土材料性质和工程精度要求，建立对应的有限元数值模型；

（2）依据协方差矩阵分解法，将所得有限元数值模型各单元的中心点坐标代入自相关函数得协方差自相关矩阵，再进行Cholesky分解得到上三角和下三角矩阵相乘；

（3）基于标准正态分布规律，将上步所得下三角矩阵生成标准正态分布随机场；将所述标准正态分布随机场变换为均值为μ，方差为σ²的正态随机场；

将变换得到的正态随机场中的参数与表征岩土材料性质参数分别一一对应映射到有限元数值模型中的各单元，实现随机场模型到数值分析模型的转换；

（4）根据Monte Carlo策略，重复M次步骤（3），从而得到M组随机数测算结果；