软土路基沉降预测的参数反演分析研究

2011-11-24朱培良高金康朱晓艳

浙江交通职业技术学院学报 2011年3期

朱培良,高金康,朱晓艳

(1.浙江省交通工程建设集团,杭州 310051;2.浙江大宇交通工程有限公司,浙江绍兴 312000)

0 引言

在工程实践中,由于勘察、试验以及理论上存在的各种不确定因素,使数值计算结果与实测值之间往往存在较大的差距,从而阻碍了工程数值分析方法的实际应用。高速公路路基沉降预测的可靠性主要取决两个方面:(1)分析计算所选用的模型是否贴近实际;(2)分析计算所用的模型参数是否准确。由于取样、运样、制样、试验方法、试验人员的熟练程度、仪器的质量与精度、分析整理试验结果的方法、误差的取舍与建议取值以及尺寸效应等等因素的影响,模型中各参数值上下浮动20%～40%是难免的。以现场量测位移为基础的位移反分析法为解决岩土工程数值分析这一瓶颈问题提供了新的思路。基于上述,本文拟通过监测数据推断土层的等效力学模型与参数,对软土路基沉降预测的参数反演进行分析研究。

1 基于PSO-LSSM的位移反分析法

软土路基沉降预测位移反分析的基本思想为:以大量的试验、监测、前期分析结果为基础,以基本力学参数和初始应力场为基本变量,借助于正交设计和均匀设计方法设计一定数量规模的计算方案,采用非线性有限单元法进行沉降模拟计算,以计算结果作为样本来训练模型,建立基本变量与沉降位移的非线性映射关系,并在此关系的基础上,采用智能算法进行全局优化,在位移目标函数为最小的条件下得到基本变量的最优解。本文采用人工智能领域的最新研究成果,利用最小二乘支持向量机与粒子群优化算法进行拓宽路基沉降的反馈分析。

2 实例分析

2.1 计算模型的建立

某公路K8+440断面路堤顶面宽度为15 m,高度5.6 m,单侧加宽6 m,坡度为1∶15,计算范围路基深度取6 m,路基两侧边界条件为水平约束,下底面边界条件为水平和竖向约束。模型中的土工格栅抗拉刚度EA=4 950 kN/m。土工格栅与土体之间的摩擦通过设置接触面单元来实现。对K8+440断面路基建立有限元模型 (如图1及图2所示),拓宽路堤填料和硬塑土层的本构模型采用Mohr-Coulomb模型,可塑土层和软塑土层采用Plaxis程序中的软土蠕变模型,有限元分析中采用15节点的三角形单元进行网格划分,模型包含660个单元,5 497个节点。由于新路堤和新路基监测仪器埋设时间不同,监测所得位移的时间范围也不同,本文通过在有限元计算中设置不同的施工步骤来模拟监测时间的差异。

图1 K8+440剖面地质概化模型

图2 K8+440剖面有限元反演计算模型

2.2 反演样本构造

在反演计算中,硬塑土层和拓宽路堤填料材料采用Mohr-Coulomb模型,可塑土层和软塑土层采用软土蠕变模型。通过分析模型参数对位移影响的敏感性,选取拓宽路堤填料Mohr-Coulomb模型中的参数 φ,可塑土蠕变模型参数k*、μ*和软塑土蠕变模型参数k*、μ*作为待反演参数。根据试验资料和Plaxis模型手册确定5个参数的取值范围:拓宽路堤参数φ(20°～35°)、可塑土蠕变参数 k*(0.0075～0.015)、可塑土蠕变参数 μ*(0.00075～0.0015)、软塑土蠕变参数k*(0.01～0.02)、软塑土蠕变参数μ*(0.001～0.002)。依据正交试验设计原理,给出16组试验组合方案。对于每一组试验组合,作正分析计算方案,找出对应于上述所选用的用于反演的2个实测位移的竖向位移计算值,将其与对应的参数组合在一起,作为一个学习样本。共可得到16个样本,用于最小二乘支持向量机的训练,采用Plaxis有限元程序正向计算各种试验组合。