[发明专利]一种岩土体随机场构建方法及系统

说明书

一种岩土体随机场构建方法及系统，涉及岩土工程技术领域，包括：S1：测量待表征岩土体材料参数，对材料参数进行预处理，计算待表征岩土体的相关距离，并确定岩土体材料参数空间变异性的概率模型；S2：建立待表征岩土体的有限元模型，根据不同方向的相关距离确定单元尺寸，将有限元模型进行网格划分；S3：结合岩土体材料参数、相关距离和有限元模型的离散误差设计单元簇类型；S4：随机投放单元簇，使其尽可能的填充整个有限元模型，随后将未填充单元并入相邻的单元簇；S5：根据概率模型随机取样并赋予单元簇材料参数。本发明提出的一种岩土体随机场构建方法及系统，能够有效减少随机场计算中的离散误差，大大提高计算效率。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种岩土体随机场构建方法及系统。

背景技术

岩土体具有非均匀性、非线性和不连续性等特点，这使得其无法用一个确定的量来描述材料性能。结合不同空间点的材料由于材料组成，形成过程和应力水平等有不同程度的差异，导致材料参数的空间变异性表现出局部的随机性和整体的结构性双重特征，因此准确描述材料参数的空间变异性可有效解决数值模拟中输入材料参数不确定性的问题。

传统的方法是用连续函数逼近随机场，然后用局部平均、最优线性估计等方法将其离散为有限元网格。而结合概率统计方法提出的连续随机场模型，其实质是用正态随机场来模拟土性剖面，用均值、方差、相关距离和相关函数等来描述岩土参数的空间变异性，用方差折减函数将点的变异性与空间变异性联系起来。然而，由于连续性假设，使得这种方法无法模拟高变化率区域的破坏行为，如局部损伤(滑移、裂纹、空洞等)引起的应变局部化和应力集中等现象。

当数值模拟的材料从单一均匀变为多样的、随机的、复杂的细观结构时，模型内部就会形成细观结构。随机场的空间相关性受相关距离的控制，超出该距离可以认为几乎不相关。事实上，通常有的材料相关距离小于单元的大小，用传统方法离散出来的随机场会形成棋盘格现象，导致有限元模拟出现较大离散误差，薄弱单元会出现刚化，因此需要组成合适的单元集合作为随机场最基本元素。

现有技术中的岩土体随机场建模方法，计算繁琐不易推广，不适用于非高斯随机场和空间曲面的随机场，且无法模拟突变区域的破坏行为。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种岩土体随机场构建方法及系统，其利用单元簇(同种材料属性的单元集合)构建岩土体随机场，能够有效减少随机场计算中的离散误差，大大提高计算效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

根据本发明的第一方面，提供了一种岩土体随机场构建方法，包括：

S1：测量待表征岩土体的材料参数，对材料参数进行预处理，基于预处理后的材料参数计算待表征岩土体各方向的相关距离，确定材料参数的空间变异性概率模型；

S2：建立待表征岩土体的有限元模型，根据待表征岩土体各方向的相关距离确定单元尺寸，随后基于单元尺寸对所述有限元模型进行网格划分；

S3：结合网格形状、待表征岩土体各方向的相关距离和有限元模型的离散误差要求设计单元簇；

S4：向所述有限元模型中随机投放单元簇，使单元簇能够尽可能的填充整个所述有限元模型，随后将所述有限元模型中的未填充区域并入与该未填充区域相邻的任一单元簇；

S5：利用所述空间变异性概率模型对材料参数进行多次随机取样，将多次随机取样得到的材料参数分别赋予有限元模型中每个单元簇，生成待表征岩土体随机场。

进一步的，随机取样数目为有限元模型中单元簇的总数目。

进一步的，所述S1中的预处理包括趋势处理、异常值检验、均值化处理和协方差检验。