考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法

1.本发明涉及长条形地下结构分段长度优化设计方法，具体涉及考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法


背景技术：

2.对于综合管廊和交通隧道等长条形地下结构，地层分布的不均匀性，通常是引发纵向不均匀沉降的主要原因，而不均匀沉降必将导致结构体内拉应力的增加，是地下结构开裂的主要原因，也是分段长度需要考虑的主要因素之一，特别是地层的蠕变特性差异大时，应从全寿命安全控制为目标作为分段长度优化设计考虑的首要因素。
3.目前，现有技术范中没有考虑空间变异性条件下地下结构分段长度优化的方法，也未见同时考虑地层厚度空间随机分布和蠕变特性不均匀性的长条形地下结构体分段长度优化方法的研究成果。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，解决目前没有考虑地层空间变异性而导致长条形地下结构分段长度不合理引发开裂等病害的问题。
5.技术方案：本发明所述的考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：一种考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1、沿长条形地下结构轴线在地下结构影响区内获取若干钻孔土样(理论上取样越密集越好)，对土样进行不同应力状态下的蠕变试验，并采用拟合方法获取蠕变本构模型及参数；
7.步骤2、根据钻孔土样信息对长条形地下结构影响区域内每一层土层的底标高和厚度进行统计分析，获取土层底标高和厚度统计分布拟合函数，作为地层空间变异性的计算分析函数；
8.步骤3、假设设计的分段长度为l，建立考虑地层空间变异性的随机有限元模型，所述随机有限元模型中土层底标高和厚度满足步骤2所述地层空间变异性的计算分析函数；且沿轴向左右两侧l/2长度范围内土层类别相同的土层分别采用蠕变实验获得的最大和最小蠕变总量对应的本构模型；
9.步骤4、对考虑地层空间变异性的随机有限元模型进行随机有限元计算分析，获取地下结构内的最大拉应力或拉应变的累计概率曲线，依据地下结构的设计允许拉应变值或允许拉应力值，确定拉应力或拉应变累计概率曲线上对应的可靠度指标值，若可靠度指标值不满足设计要求，则改变设计分段长度l并继续计算，直至满足设计要求为止。
10.对上述技术方案的进一步设计为，所述地下结构影响区内土样的蠕变本构模型的等效蠕变速率曲线采用下列广义指数函数拟合：
[0011][0012]
式中为等效蠕变应变随时间的变化，c1、c5为蠕变特征参数，可以通过实测曲线拟合确定，σe为等效应力，t为蠕变时间。
[0013]
蠕变本构模型的应变率指数方程如下：
[0014][0015]
式中为蠕变应变随时间的变化，σ为应力，e1为粘弹性模量，η1为粘性系数，t为蠕变时间。
[0016]
上述技术方案的一种优选方案为：沿长条形地下结构轴线获取钻孔土样过程中，对于每一种类型的土样至少取2个样，且沿纵向每5m～30m取一个。
[0017]
上述技术方案的一种优选方案为：选取0.8以上置信度区间内土层底标高和厚度统计分布拟合函数的截断式函数，作为地层空间变异性的计算分析函数。
[0018]
有益效果：本发明采用统计学方法获取地层厚度的空间分布函数，并采用拟合的方法获取不同土层的蠕变本构方程及参数，采用极限思想，建立了左右两侧土层蠕变性差异最大工况的地下结构体的应力场、位移场等模拟预测方法，采用允许拉应力或拉应变为分段长度优化的控制值，实现了考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度优化的可靠度设计，并提出采用结构体拉应力或拉应变等可靠度对应的差异沉降作为后期安全监测控制值，为实现地下结构分段长度可靠度设计及安全管控提供了理论支撑。
附图说明
[0019]
图1为本发明实施例中土样1的蠕变应变率历时曲线及本构拟合曲线；
[0020]
图2为本发明实施例中土样2的蠕变应变率历时曲线及本构拟合曲线；
[0021]
图3为本发明实施例中底标高统计分布拟合曲线；
[0022]
图4为建立的随机有限元模型示意图；
[0023]
图5为管廊最大等效应力累积概率分布图和概率分布图；
[0024]
图6为管廊最大拉应力累积概率分布图和概率分布图；
[0025]
图7为管廊最小沉降累积概率分布图和概率分布图；
[0026]
图8为地表土层最大沉降累积概率分布图和概率分布图；
[0027]
图9为地表土层最小沉降累积概率分布图和概率分布图；
[0028]
图10为管廊最大差异沉降累积概率分布图和概率分布图；
[0029]
图11为地表土层最大差异沉降累积概率分布图和概率分布图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
[0031]
本实施例的考虑地层空间变异性的长条形地下结构分段长度确定方法，
[0032]
步骤一、首先沿长条形地下结构(本实施例中为管廊)轴线获取地下结构影响区域内的若干钻孔土样，进行不同应力状态下的蠕变试验，结合ansys软件中的3号隐式方程，把应变和应力都采用等效应变和应力表示，获得等效应变率的蠕变方程，采用拟合方法获取
蠕变本构方程及参数；
[0033]
本实施例中地下结构主要影响区内主要土样的等效蠕变速率曲线采用下列广义指数函数拟合：
[0034][0035]
式中c1、c5为蠕变特征参数，可以通过实测曲线拟合确定，为等效蠕变应变随时间的变化，σe为等效应力，t为蠕变时间。
[0036]
针对地下结构影响区域土层不同位置的总蠕变最大和最小两个土样的应变率拟合蠕变方程及参数如图1和图2所示，
[0037]
西原粘弹性蠕变本构模型的应变率指数方程如下：
[0038][0039]
式中为蠕变应变随时间的变化，σ为应力，e1为粘弹性模量，η1为粘性系数，t为蠕变时间。
[0040]
根据对比分析，结合实测的应变历时曲线，可获得上述两个方程之间的相互关系式如下：
[0041][0042][0043]
式中e1为粘弹性模量，η1为粘性系数，c1、c5、a、b为蠕变特征参数，可以通过实测曲线拟合确定。
[0044]
初始弹性模量采用如下公式计算：
[0045][0046]
式中εe为等效蠕变应变，σ0为起始时刻的等效应力值，ε0为起始时刻的等效蠕变应变值，e0为弹性阶段的弹性模量。
[0047]
因此可获得数值模拟需要的蠕变模型参数见下表：
[0048]
表1广义指数蠕变模型参数
[0049][0050]
步骤二、根据钻孔土样资料对每一层土层的底标高和厚度进行统计分析，获取土层的底标高和厚度统计分布函数；本实施例主要影响区内的土层底标高统计分布拟合函数如图3所示，选择底标高置信度范围为2m～4m，标准差为0.625的截断式正态分布函数进行计算分析。
[0051]
步骤三、假设设计的分段长度为l，建立地下结构的考虑地层空间变异性的随机有限元模型，该随机有限元模型满足下述两个要求：
[0052]
(1)模型中地下结构体主要影响范围的扰动土层底标高和厚度满足钻孔取样的截断式正态分布函数，(2)地下结构主要影响区左右两个分段的土层(沿轴向左右两侧 l/2长度范围内土层类别相同的土层)分别采用蠕变实验获得的总蠕变量最大和最小的蠕变本构模型及参数。
[0053]
针对岩土体空间分布不均匀的情况采用两侧单独建模，针对少部分土层空间分布不均匀的情况也可以采用两侧土层厚度同时变化但蠕变力学本构不同的方法建模。
[0054]
本实施例针对底标高变化明显且具有蠕变特性的粘土层进行分析，因此采用纵向两侧l/2长度内的土层厚度同时变化的模型进行分析，但左右两侧粘土层蠕变本构模型分别取总蠕变最大和最小的2个不同本构模型参数。建立的随机有限元模型示意图如图4 所示。
[0055]
本实施例地下结构地区的主要地层的物理力学参数见表2：
[0056]
表2地层力学参数
[0057][0058]
步骤四、对步骤三建立的随机有限元模型进行随机有限元计算分析，获取地下结构内的最大拉应力或拉应变的累计概率曲线，依据地下结构的设计允许拉应变值或允许拉应力值，确定拉应力或拉应变累计概率曲线上对应的可靠度指标值，若可靠度指标值不满足设计要求，则改变设计分段长度继续计算，直至满足设计要求为止；亦可计算不同分段长度l与不同可靠度指标值对应的拉应力或拉应变的关系曲线，根据设计需要选择合理的分段长度为设计长度；根据确定的拉应力或拉应变对应的可靠度指标值，选择位移变形累计概率曲线上相同可靠度指标的变形值作为位移安全控制值，作为施工过程安全管控的预警值，从而实现考虑地层空间变异性的可靠度安全管控。
[0059]
依次结合具体实际工程计算中不同可靠度指标值来进行上述计算结果如下：
[0060]
1、综合管廊10年后管廊最大等效应力可靠度分析
[0061]
图5为管廊最大等效应力累积概率分布图和概率分布图，从图中可以看出，管廊最大等效应力分布在2.9951mpa～3.4958mpa。管廊最大等效应力概率密度近似偏态分布，均值为3.0060mpa。若以管廊最大等效应力作为控制指标，可靠度设计为1.0时，设计的允许管廊最大等效应力应小于3.4751mpa；可靠度设计为0.9时，设计的允许管廊最大等效应力应小于3.2291mpa；可靠度设计为0.8时，设计的允许管廊最大等效应力应小于3.1623mpa；可靠度设计为0.5时，设计的允许管廊最大等效应力应小于3.0761mpa。
[0062]
若设计的允许拉应力值满足上述计算结果则分段长度l满足要求，否则重新计算，直至满足设计要求或等于设计要求；也可以设计l为变量，采用优化方法求最大分段长度。
[0063]
2、综合管廊10年后管廊最大拉应力可靠度分析
[0064]
图6为管廊最大拉应力累积概率分布图和概率分布图，从图中可以看出，管廊最大拉应力分布在1.5582mpa～1.5899mpa。管廊最大拉应力概率密度近似正态分布，均值为 1.5733mpa。若以管廊最大拉应力作为控制指标，可靠度设计为1.0时，设计的允许管廊最大拉应力应小于1.5889mpa；可靠度设计为0.9时，设计的允许管廊最大拉应力应小于1.5822mpa；可靠度设计为0.8时，设计的允许管廊最大拉应力应小于1.5793mpa；可靠度设计为0.5时，设计的允许管廊最大拉应力应小于1.5635mpa。
[0065]
利用上述可靠度指标的计算来确定分段长度l的方法与计算结果1相同，此处不再赘述，利用下述各可靠度指标的计算来确定分段长度l的方法也相同。
[0066]
3、综合管廊10年后管廊沉降可靠度分析
[0067]
图7为管廊最小沉降累积概率分布图和概率分布图，从图中可以看出，管廊最小沉降分布在6.41mm～6.53mm。管廊最小沉降概率密度近似偏态分布，均值为6.48mm。若以管廊最小沉降作为控制指标，可靠度设计为1.0时，设计的允许管廊最小沉降应小于 6.54mm；可靠度设计为0.9时，设计的允许管廊最小沉降应小于6.51mm；可靠度设计为0.8时，设计的允许管廊最小沉降应小于6.50mm；可靠度设计为0.5时，设计的允许管廊最小沉降应小于6.47mm。
[0068]
4、综合管廊10年后地表土层最大沉降可靠度分析
[0069]
图8为，从图中可以看出，地表土层最大沉降分布在35.82mm～36.74mm。地表土层最大沉降概率密度近似正态分布，均值为36.29mm。若以地表土层最大沉降作为控制指标，可靠度设计为1.0时，设计的允许地表土层最大沉降应小于36.73mm；可靠度设计为0.9时，设计的允许地表土层最大沉降应小于36.56mm；可靠度设计为0.8时，设计的允许地表土层最大沉降应小于36.47mm；可靠度设计为0.5时，设计的允许地表土层最大沉降应小于36.27mm。
[0070]
5、综合管廊10年后地表土层最小沉降可靠度分析
[0071]
图9为地表土层最小沉降累积概率分布图和概率分布图，图中可以看出，地表土层最小沉降分布在2.45mm～2.79mm。地表土层最小沉降概率密度近似偏态分布，均值为2.64mm。若以地表土层最小沉降作为控制指标，可靠度设计为1.0时，设计的允许地表土层最小沉降应小于2.78mm；可靠度设计为0.9时，设计的允许地表土层最小沉降应小于2.74mm；可靠度设计为0.8时，设计的允许地表土层最小沉降应小于2.71mm；可靠度设计为0.5时，设计的允许地表土层最小沉降应小于2.63mm。
[0072]
6、综合管廊10年后管廊最大差异沉降可靠度分析
[0073]
图10为管廊最大差异沉降累积概率分布图和概率分布图，图中可以看出，管廊最大差异沉降分布在7.37mm～7.47mm。管廊最大差异沉降概率密度近似正态分布，均值为7.41mm。若以管廊最大差异沉降作为控制指标，可靠度设计为1.0时，设计的允许管廊最大差异沉降应小于7.48mm；可靠度设计为0.9时，设计的允许管廊最大差异沉降应小于7.45mm；可靠度设计为0.8时，设计的允许管廊最大差异沉降应小于7.43mm；可靠度设计为0.5时，设计的允许管廊最大差异沉降应小于7.42mm。
[0074]
7、综合管廊10年后地表土层最大差异沉降可靠度分析
[0075]
图11为地表土层最大差异沉降累积概率分布图和概率分布图，图中可以可以看
出，地表土层最大差异沉降分布在33.37mm～33.96mm。地表土层最大差异沉降概率密度近似正态分布，均值为33.66mm。若以地表土层最大差异沉降作为控制指标，可靠度设计为1.0时，设计的允许地表土层最大差异沉降应小于33.95mm；可靠度设计为0.9时，设计的允许地表土层最大差异沉降应小于33.84mm；可靠度设计为0.8时，设计的允许地表土层最大差异沉降应小于33.78mm；可靠度设计为0.5时，设计的允许地表土层最大差异沉降应小于33.65mm。
[0076]
8、基于可靠度设计思想的综合管廊可靠度影响因素汇总分析
[0077]
典型软土层底边深度近似正态分布，采用截断式正态分布进行拟合分析，上下限差值取2m，标准差取0.625m，进行综合管廊全寿命安全性预测值的可靠度分析结论如下表：
[0078]
表3考虑埋深随机分布的综合管廊全寿命安全性预测表
[0079][0080][0081]
从表3可以看出，考虑软土层的空间分布对地下结构应力场和位移场有一定影响，采用本实施例方法可以实现可靠度设计理念下的分段长度优化，更加科学合理。
[0082]
9、基于拉应力控制的管廊全寿命变形控制标准的确定思想
[0083]
根据可靠度计算分析结果，结合混凝土开裂拉应力或抗拉强度可以确定允许拉应力的控制值，根据拉应力累计概率曲线上对应的可靠度指标值，选择位移变形累计概率曲线上相同可靠度指标的变形值作为安全控制标准值。
[0084]
本实施例地区管廊结构的拉应力和差异沉降可靠度变化范围分别为 1.5582mpa～1.5889mpa，7.3651mm～7.4755mm，波动范围不是很大。管廊最大拉应力可靠度0.9控制值为1.5822mpa，c40混凝土轴心抗拉强度设计值为1.71mpa，说明结构的安全系数较大。通常实际工程中运营期沉降为必测项目，因此沉降控制指标的确定更实用，因此根据等权重思想，实施例采用可靠度0.9对应的预测差异沉降7.4458mm作为运营期位移安全控制值。
[0085]
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案
均落在本发明要求保护的范围内。