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遗传算法的材料参数反演技术研究

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遗传 算法 材料 参数 反演 技术研究
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要随着我国基本建设的发展,越来越多的道路不得不建在软土地基上。由于软土地基的压缩性高,渗透性低,固结变形持续时间长,所以改进现有的沉降计算方法及准确的预估地基沉降量就有了重要的工程意义和理论价值。特别是土体勘测密度不够,土体的多个参数的选择对计算结果影响较为显著,如何确定实际工程中土体参数对计算结果的影响,实现对设计进行校核已逐步受到岩土工程界的重视。本文根据 结理论与有限元原理,用 言编制了三维地基土体 结的非线性有限元程序 程序中土体采用了 曲线本构模型,可以考虑土体的应力-应变的非线性特征,可以计算软土路基任意时刻的沉降,并能够考虑施工分级加载对沉降的影响。为了减少砂井地基三维有限元模拟和分析的工作量,引入一种新型单元来考虑塑料排水板。该单元类型在不增加有限元结点的情况下把排水板模拟成线单元。其主要考虑排水板的排水性能。同时,推导了排水板单元的力学劲度矩阵和渗透矩阵,利用 言编制了相应的程序,并把它结合到三维 。本文以深圳市宝安区宝安大道南段为研究背景,以 75 断面为研究对象,将遗传算法与 结理论相结合,建立了基于遗传算法的软土地基多土层的多参数优化反演分析模型。利用 言编制了相应的反演程序 型的部分参数进行了反演分析,根据反演的土体参数值,再利用 测了下阶段土体变形发展情况,实例中计算值与实测值的拟合情况良好,预测结果符合工程发展规律。通过工程实例分析,很好的说明了遗传算法适用于软土地基多土层的土体参数优化反演分析,其反演结果可用于位移预测。结,塑料排水板,遗传算法,参数反演,沉降预测3-D EA of of on of s to be of of it is of to of of to It is to by in to on of to EM BP in of at It of by to D of a is as on It of is BP a of is on 6+475 At a GA is be in It a to s by to BP is to of of In is is to to in 论 ..................................................................................................................................... 引言 ..................................................................................................................................... 固结理论发展现状 ............................................................................................................ 采用竖向排水体的固结理论发展现状 ............................................................................. 软土路基沉降计算及预测研究现状 ................................................................................ 软土沉降的位移反演分析 ................................................................................................ 本文的主要工作 ..............................................................................................................土路基沉降 结有限元分析 .............................................................................. 概 述 ................................................................................................................................ 结有限元方程 ....................................................................................................... 路堤软土地基的本构模型 .............................................................................................. 单元类型及其刚度矩阵 .................................................................................................. 有限元非线性分析方法 .................................................................................................. 有限元分析中一些问题的处理 ...................................................................................... 有限元程序的编制及验证 .............................................................................................. 本章小结 ..........................................................................................................................料排水板的有限元分析 ............................................................................................... 概述 .................................................................................................................................. 物理模型及模拟区的截取 ............................................................................................... 排水板单元的 构造 ........................................................................................................... 排水板单元的验证 ........................................................................................................... 关于塑料排水板(带)的一些问题 ............................................................................... 本章小结 ...........................................................................................................................传算法原理及改进 ....................................................................................................... 遗传算法的生物基础 ...................................................................................................... 遗传算法的特点 .............................................................................................................. 遗传算法的数学基础 ...................................................................................................... 遗传算法的实现 .............................................................................................................. 改进遗传算法 .................................................................................................................. 本章小节 ..........................................................................................................................传算法在多层软土固结位移反演中的应用 ............................................................... 优化计算模型 .................................................................................................................. 优化反演分析遗传算法的实现 ...................................................................................... 软土固结位移反分析程序 介 ........................................................................... 工程 实例 .......................................................................................................................... 本章小结 ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................谢 .....................................................................................................................................................................................................................................................................................言软土在我国分布广泛,在沿海和河流的中下游及湖泊附近均为软土覆盖层深厚地区。由于软土地基的压缩性高,渗透性低,固结变形持续时间长,所以软土地基的沉降量及其沉降速率的预估就成了工程设计中的重要问题。特别是土体勘测密度不够充足,土体的多个参数的选择对计算结果的影响比较明显,如何确定实际工程中的多个参数对土体计算结果的影响,实现动态施工指导,对设计进行校核已逐步受到岩土工程界的重视。地基沉降是土力学中的重要研究课题。自从太沙基(924 年提出一维固结理论以来,地基沉降的理论研究已经取得了长足的进展,软土地基沉降量的估算精度也有了很大的提高。然而,从工程建设发展的要求来看,还需要对现有的地基沉降计算方法作进一步的研究与改进。正如泰国学者 文献[1]中所说的那样“尽管有了很大的改进,但沉降的预估比一般的土工计算更具技术性。今天,在许多情况下已能够预估出误差不超过 10%~20%的最终沉降量,但是,预估沉降与时间关系的能力仍然相当差” 。可见,如何准确地预估地基沉降量,特别是预估地基沉降与时间的关系仍是当前土工计算中一大难题。80 年代以来,我国的公路建设进入快速发展时期,在沿海软土地区修建了很多高等级公路。有些公路在建成不久就因路基下沉过大而导致路面开裂或桥头错开,甚至经过几次返修也未能彻底整治病害,在人力和物力上造成很大的浪费。所以,有必要对路堤软基沉降计算方法作进一步地研究,以便准确地预估沉降随时间的变化过程,这对公路建设中有重大的指导意义。70 年代以来,随着计算机和有限元应用技术的发展,人们可以将复杂的土工计算问题编制成有限元程序,从而得到较准确的计算结果。利用数值分析方法,可以较全面的考虑土体的变形特性及其边界条件,理论上也较为严密。然而地基沉降问题非常复杂,影响因素也很多,其原因是各种自然和人为因素不同,特别是土体参数的正确确定,是沉降计算的前提,如果参数选取不当,无论计算的方法理论多么完美,也不会得到与实际问题接近的答案,土体本身特有的材料非线性对于软弱土的影响也很显著。由于软土和软土工程的复杂性,其物理力学模型以及通过室外试验确定的计算参数都存在很大的不确定性,要对软土地基沉降进行准确的预测存在一定的困难,大学硕士学位论文2下,通过实际观测信息利用反分析方法确定有限元计算参数,是一条有意义的途径。结理论发展现状在荷载作用下,土体中产生超静孔隙水压力,在排水条件下,随着时间发展,土体中水被排出,超静孔隙水压力逐步消散,土体中有效应力逐步增大,直至超静孔隙水压力完全消散,这一过程称为固结。1923 年,表了著名的论文《粘土中动水应力的消散计算》 [2],提出了土体一维固结理论,接着又提出了著名的有效应力原理 [3],标志着土力学学科的诞生,因此可看出固结理论在土力学中的重要位置。经过近几十年的研究,固结理论得到了不断的完善与发展。统固结理论1924 年 ][4]提出了一维固结理论,理论中作了下述假定:⑴土体是饱和的;⑵土体是均质的;⑶土中固相(土粒)和液相(孔隙水)在固结过程中体积是不可压缩的;⑷土中水的渗流服从 律;⑸土中渗透系数 k 是常数;⑹土体压缩系数 常数;⑺外部荷载是一次瞬时施加的;⑻土体固结变形是小变形;⑼土中渗流和土体变形只发生在一个方向。 根据以上假设 出了单向固结解答,从而建立了一维固结理论,通常称为 结理论。5]将 维固结理论推广到二维与三维的情况,提出了 结理论,其数学表达式又称为扩散方程。由于它忽略了变形协调条件对固结过程中总应力的影响,不能解释 应。在多维问题中,所获结果也是近似的。严格的说,这种三维固结方程只能用于求解土体竖向变形,即使其渗流方向是多维的,因此通常也称之为“准三维固结理论” 。1935 至 1942 年之间 向固结理论的基础上,分别独自提出了仅考虑径向渗流且砂井排水能力为无限大的理想井固结理论,以 理论应用最为广泛 [6]。948)建立了轴对称固结基本微分方程并导出其解析解 [7]。941)根据连续体力学的基本方程,建立了 结方程 [8]。结理论比 结理论更为合理完整,但计算比较困难,往往需要采用数值解法。线性固结理论非线性固结理论的研究始于上世纪 60 年代, 964)[9] ,1960)[10]等研究了土性随深度而变的不均匀土和成层土的固结问题;960)[11], 1965)[12]利用修正形式的 律推导固结方程;1965)[13],(1965)[12]提出考虑土体透水性和压缩性变化的小应变理论。et 973)[15]将土的主、次固结过程作为统一的固结过程来研究,提出了统一固结理论。et 985)用有限差分法编制了既考虑固结参数变化又考虑初始有效应力随深度变化的非线性一维固结计算程序 993)用有限单元法编制了能考虑相应情况的计算程序 指出:对这样的复杂情况最有效的处理方法便是通过计算机进行数值分析。李冰河,谢永利,谢康和等(1999a)建立了求解初始有效应力沿深度变化的软粘土非线性一维固结问题的半解析方法,并编制了相应的计算程序。李冰河,谢康和,应宏伟等(1999b)建立了求解变荷载下软粘土非线性一维固结问题的半解析方法,并通过编制相应的程序对单级等速加荷情况的进行计算,得到了相关固结曲线,由此对软粘土地基在变荷载下的非线性一维固结性状进行了分析。谢康和,郑辉,C J 003)将 e~ e~1gk 立了能综合考虑荷载、土的成层性和自重等因素影响的固结控制方程。基于半解析法,编制相应的程序分析变荷载成层地基一维非线性固结的性状。结果表明,在成层地基非线性固结过程中,超孔压消散速率和沉降发展速率是不一致的;与将土层自重应力取为常值的作法相比,当考虑自重应力沿深度实际分布时,地基固结加快,沉降量则增大。王宏志,陈仁朋,周万欢等(2004)基于 维非线性固结理论,利用 导了初始有效应力沿深度变化、任意边界条件、任意荷载作用下双层地基一维非线性固结的表达式,求得孔压、有效应力和平均固结度的解答。耿雪玉,徐长节,蔡袁强(2004)根据饱和软粘土地基非线性一维固结理论,针对单层饱和土地基模型,运用 换求解了在循环荷载作用下的单层饱水地基一维非线性变形问题。白冰(2005) [16]基于非线性假定的固结方程及其标准化形式,给出一个描述饱和土体非线性固结变形特征的理论模型。谢康和,周瑾,董亚钦(2006)将 e~ e~1gk 大学硕士学位论文4维非线性固结问题的研究之中,建立了低频循环荷载作用下单层地基的一维非线性固结方程。由 ω换得出了低频梯形循环荷载作用下单层地基的一维非线性固结问题的解析解。变形固结理论传统的固结理论(如太沙基固结理论)虽然经过许多实践证明了它的适用性,但是对于软粘土和吹填土,当荷载和土体变形较大时,小变形分析可能会带来较大的误差。969) [17]曾报道了建于泥炭土地基上的堤坝,在固结期间压缩层厚度减少了 80%,如此大的沉降变形显然已经超出了传统固结理论的基本假定范围,如果用小变形方法计算,其结果会有很大的误差,因而需要考虑大变形。一维大变形固结理论的研究开始于 1960 年。以后大变形固结理论一直以来沿着两个方向发展:一方面是基于 人的理论,进行理论的进一步完善和数值求解以及试验验证等;另一方面,随着非线性连续介质力学的发展,建立在有限变形理论基础之上的大变形固结理论以及有限元分析也不断取得进展。饱和土固结理论非饱和土的研究从上世纪 30 年代开始,因难度大进展缓慢。国外从上世纪60 年代开始研究广义固结问题,研究大致可分为三类:①从 结理论出发,只考虑孔隙水运动,这类研究不能反映孔隙气体运动的影响。②从 结理论出发,同时考虑孔隙气和孔隙水运动,联合求解孔隙水压力消散方程和孔隙气压力消散方程。该方法为了导出了孔隙压力消散方程,采用了过多与实际情况不相符的简化假设,因而它的适用范围不大。③从孔隙水相和气相的质量连续方程出发,将 土体孔隙比 e 状态方程和饱和度 世纪 70 年代净应力和吸力双变量理论确立;上世纪 90 年代建立了非饱和土固结理论,形成非饱和土固结的初步理论框架。非饱和固结的研究将是今后一二十年固结理论研究的主要方向。于竖向排水体1925 年美国工程师摩然((出砂井排水预压法。该法是在地基中打设砂井作为竖向排水体,以加快土体固结。1926 年 得砂井专利,1934 年美国第一次用砂井排水法加固了公路软土路基。经过 70 分证明了砂井排水预压法是一种行之有效的软基加固方法,并在全世界被广泛应用。在砂井技术发展过程中,人们逐步认识到“细而密”型的砂井具有更好的排水固结效果,塑料排水板应运而生。1937 年 一次使用了排水板,但他所用的纸板透水性差,耐久性差。上世纪 60 年代末出现了袋装砂井,得到广泛应用;同时板式排水体的材料不断得到改进,由维格(O. 1971 年首创的一种新型竖向排水材料,由聚氛乙烯制成的透水芯带、外套无纺滤布制成的塑料排水板与砂井相比具有多种优点,在工程中的应用也越来越广。在国外将砂井、塑料排水板统称为竖向排水体( 981)[18]将竖向排水体按外形分为圆形排水体(扁平的板式排水体((或称排水板 (国内一般按材料分为砂井(包括普通砂井和袋装砂井)、塑料排水板(管)河海大学与南京塑料厂合作研制出了我国第一块塑料排水板,并于 1981将此法正式应用于天津塘沽新港堆场软土地基加固工程。用竖向排水体的固结理论最早的竖井固结理论研究始自 942)定理,该定理从数学上证明:多向渗流时孔隙压力比等于各单向渗流时孔隙压力比的乘积。应用这一定理,可简化多维固结计算,但此定理只适用于瞬时加载、齐次边界条件的固结问题。944)在自由应变假设和等应变假设的条件下给出了解答,但是考虑井阻作用时的平均径向固结度的计算式不是显式,计算时需进行数值积分。结了两种假设条件下的理想井固结理论,指出自由应变条件下理论解较等应变条件下理论解形式复杂但两者结果差别不大,并首次给出在这两种情况下考虑涂抹作用以及在等应变条件下考虑井阻作用的砂井理论。et 木俊介)(1974) [19]建立了严密的自由应变条件下考虑井阻作用的砂井固结理论,但解极其复杂,并只在 kv=977)[20]重复了高木俊介的工作,在 应变固结的基础上得到变荷载下的砂井平均固结度的计算公式。et 981)[21]总结了用排水板处理软土地基的平均固结度的计算方法,排水板作用的等效直径计算公式,排水板性状对渗流的影响和等效井径计算公式;分析了涂抹层和滤水膜的相互作用,提出了减小施工扰动的措施;讨论了井阻对固结的影响;分析了相关固结参数对固结分析的影响,对勘察和试验提出了改进意见。981)[22]提出了等应变条件下考虑井阻作用的理论,但数学推导中过多的简化,其解只是近似解。大学硕士学位论文6曾国熙等(1981) [23]总结了二十多年的砂井工程实践经验和理论分析方法,提出砂井地基固结度计算的普遍表达式,简化了砂井地基平均固结度计算。王贻荪(1982) [24]提出了自由应变条件下,考虑砂井阻力对砂井地基固结影响的折减井径法,这种方法仅需对砂井井径进行一次折减,以后的固结分析程序及计算就可用众所周知的方法及己有的各种设计计算图表完成。折减井径法比 et 974)的双重无穷级数解简便的多,而且可以考虑软基水平及竖向渗透性的差异。陈根媛(1984) [25]建议在未打穿砂井地基中,先进行砂井范围内的三维固结一维化,求出等效的竖向固结系数,然后与砂井以下土层一起按双层地基一维固结理论进行计算。谢康和(1987)在 论为主要假定条件,同时假设砂井井料和涂抹区内土体的其它性质同天然地基,得到单井固结问题精确解;并讨论了逐渐加荷下单井固结问题,给出多级等速加荷下的一般解;得到了等应变条件下能考虑井阻和涂抹作用的砂井地基平均径向固结度近似公式;提出未打穿砂井地基总平均固结度计算的改进方法;用有限元分析了群井三维固结性状 [6]。钱家欢,赵维炳(1988) [26]提出了砂井地基固结分析的半解析法,超静孔隙水压力按理论解计算,位移用数值方法求解。它考虑了砂井地基固结的三维特性、土的粘弹性及群井对地基变形的共同影响。赵维炳(1991) [27]又对该方法作了改进,使计算精度提高,并可进一步考虑井阻和涂抹作用。赵维炳,钱家欢(1991)[28]采用广义 型,推导了普遍适用于各种粘弹性土体的单向固结和轴对称固结基本方程及其解析解。并进一步改进了原半解析解,994) [29]提出了可分别计算主固结和次固结的轴对称固结简化方法,简化解可以代替其早些时候提出的解析解。谢康和(1995) [30]给出了荷载随时间任意变化及起始孔压沿深度任意分布情况下双层地基一维固结解答,讨论了双层地基一维固结特性
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