三维地质结构模型精度评估理论与误差修正方法研究

三维地质模型精度评估与误差修正问题已成为制约三维地质模拟技术深入发展应用的瓶颈。在综合国内外研究现状与发展趋势的基础上,提出了三维地质结构模型精度评估、误差检测、动态修正的总体研究框架。在模型精度评估方面,提出分别构建三维地质结构模型精度评估的一般理论模型、面向特定地质体的实际操作模型和地质结构构造不确定性的三维空间分布模型的研究思路,指出应重点研究地质实体自身特性、三维地质建模方法对三维地质结构模型精度的影响,解决由一般地质界面的内插误差和特殊地质体的外推误差引起的精度评估问题。在模型误差修正方面,提出基于建模初始数据的模型误差修正方法和基于建模中间结果的模型误差修正方法,在具体实现时,引入“数据 模型的可视化交互技术”。这些研究成果为建立一套完整的三维地质结构模型精度评估与误差修正的理论体系和方法体系奠定了基础,有助于完善复杂地质条件下三维地质模拟的方法与技术。     

软土地基三维粘弹性反演分析与变形预测研究

针对无锡地区软土工程施工具有明显流变性的特点,运用粘弹性理论和反演分析方法,结合无锡市图书馆工程对其地基变形和粘弹性模型进行了研究,通过实测数据与计算值的对比来修正模型和计算参数;在此基础上对该工程的长期地基沉降进行了预测,取得了与实际较为吻合的结果,为本地区软土工程地基的长期变形预测提供了有效的方法和思路。     

修正剑桥模型参数对计算结果的影响

修正剑桥模型是土工计算中广泛应用的弹塑性模型,模型参数的取值是计算分析的重要内容之一,运用实测位移资料采用反分析方法可以有效地确定模型参数。通过有限元计算分析了模型中各参数的变化引起的钻孔灌注桩码头前沿的水平位移的改变,计算结果表明,影响水平位移的主要参数是与弹性模量有关的无量纲参数,与弹性模量有关的指数,泊松比和原始各向等压加荷试验常数,其中尤以与弹性模量有关的无量纲参数对计算结果的影响最为显著,这为反分析参数的选择提供了依据。     

考虑参数相关的高心墙堆石坝材料参数反分析

在高心墙堆石坝应力变形控制数值模拟中,除了所采用土体本构模型的误差影响外,材料参数取值是否合理也是影响堆石坝变形预测精度的关键因素之一。传统参数反分析方法未考虑材料参数之间相关性影响,可能导致反分析参数值与材料实际特性不匹配。另外,高心墙堆石坝材料分区较多,模型待反分析参数多,计算量较大。针对邓肯–张E-B模型参数,通过大量室内试验数据统计分析,得到材料的抗剪强度参数φ与φ、切线模量系数K_e与体积模量系数K_b、切线模量指数n与m存在显著相关关系,根据其相关关系确定模型基础反分析参数为φ、R_f、K_e和n。构建了基础反分析参数为自变量,数值计算位移值为因变量的响应面方程,运用改进的遗传算法和已知的参数回归方程求得文中模型待反分析参数最优解。以瀑布沟砾石土心墙堆石坝工程为例,对坝体及覆盖层材料参数进行了反分析。计算结果表明,考虑参数相关的反分析方法得到的材料参数更加符合材料的真实特征,由于减少了待反分析参数个数,使计算效率显著提高,该反分析方法可为类似工程提供参考,具有工程应用价值。     

无资料地区水文模型参数移植不确定性分析

无资料地区降水径流模拟是水文学研究的国际前沿和热点问题。水文模型参数移植是无资料地区降水径流模拟的重要方法,对径流模拟精度具有重要的影响。利用核密度估计和蒙特卡罗随机模拟等方法,构建了一种水文模型参数移植误差驱动的无资料地区径流模拟不确定性定量评估框架。以广西壮族自治区42个有水文监测站点的典型中小河流为研究对象,率定新安江模型参数并模拟日径流和洪水过程,将42个典型流域依次假定为无资料流域,利用基于回归分析、相似流域和机器学习的参数移植方法,模拟无资料地区的洪水过程并识别最优的参数移植方法,分析移植法估算的模型参数值和直接率定值相比误差的概率分布特征,定量评估模型参数移植误差带来的径流模拟不确定性。研究结果表明：(1)基于回归分析的参数移植法模拟无资料地区洪水过程的精度优于相似流域法,优选的机器学习算法比传统回归分析法和相似流域法的计算精度提高了7%～15%;(2)与模型参数率定值相比,移植方法计算的模型参数具有一定的误差,对洪水模拟敏感参数的误差小于不敏感参数;(3)受模型参数移植误差的影响,利用蒙特卡罗法随机模拟的洪水过程具有一定的不确定性,洪量和洪峰相对误差的主要区间分别为10...     

基于神经网络的大连东北海岸带碎石土地基强夯加固研究

以大连某实际工程作为研究场地,室内试验与原位测试所得碎石土地基物理力学参数与实测所得强夯处理沉降量作为样本,通过BP神经网络对样本的训练、学习,建立地基土力学参数与强夯处理的沉降量之间的映射关系,利用所得映射关系对场地实测的沉降量进行物理力学参数的反演分析。结果表明:经过训练的神经网络模型可快速得出所需参数,利用flac3d以反演所得参数进行计算,模拟沉降量与实测沉降量的误差为4.87%,在可接受的范围之内;基于神经网络的位移反分析方法可以省去繁琐的测试工作,但该方法的实现需要有充足的样本数据作为支撑。     

路堤边坡稳定可靠度计算中的模型不确定性分析

基于均质路堤边坡Monte Carlo法的稳定可靠度计算,分析了临界滑面搜索策略和稳定分析方法两类模型不确定性对边坡可靠度的影响特性,讨论了边坡失效概率随土工参数变异性的变化规律。研究表明,选用不同的临界滑面搜索策略所得可靠度结果差异不大,参数滑面法（overall slope）的失效概率略大于均值滑面法（global minimum）,但差别对边坡稳定性分析没有实质性影响;土性参数变异水平是影响边坡可靠度的最重要因素,边坡在相同设计参数安全系数下的可靠度指标随参数变异性增大而急剧降低;不同稳定性分析方法对应的安全系数概率密度函数曲线形态基本一致,但失效概率差异明显,因此目标可靠度指标取值应与稳定性分析方法相适应。提出的考虑土工参数变异水平的安全系数取值修正原则,对改进确定性设计的边坡稳定分析技术有积极意义。     

洪水预报产流误差的动态系统响应曲线修正方法

为提高实时洪水预报精度,提出了一种基于动态系统响应曲线洪水预报误差修正新方法。该方法将动态系统响应曲线引入洪水预报误差修正中,建立一种向误差源头追溯的动态反馈修正模型。此修正方法将新安江模型产流以下的部分作为响应系统, 用线性差分近似代替非线性系统响应函数的偏导数值,得到时段产流量所对应的系统响应曲线。用实测流量和计算流量之间的差值作为信息,使用最小二乘估计原理,对产流量进行修正, 再用修正后的产流量重新计算出流过程。该修正方法分别用理想案例和王家坝流域进行检验,结果证明此方法效果比传统二阶自回归模型有明显提高。     

新安江产流模型与改进的BP汇流模型耦合应用

为提高新安江模型的汇流计算精度并减少经验因素对参数率定的影响,将新安江产流模型与改进的BP汇流模型相耦合,建立XBK(XAJ-BP-KNN)模型。该模型以前期模拟流量和新安江产流模型计算的产流量作为BP网络的输入,出口断面流量作为网络输出,拟合汇流的非线性关系,代替新安江模型的分水源、线性水库及河道马斯京根法的汇流计算;采用相似原理和K-最近邻算法,基于历史样本的模拟误差及相应影响要素对网络输出进行误差修正,实现了无前期实测流量的连续模拟;模型使用SCE-UA算法与遗传早停止LM算法相结合的全局优化方法进行参数优选。在呈村流域的验证表明XBK模型的模拟精度高于新安江模型,全局优化方法能找到最优参数,降低了模型的使用难度。     

考虑自重变化的协调分析方法及其在路基沉降计算中的应用

在传统分层总和法基础上,考虑变形对自重应力和附加应力的影响,提出考虑自重变化的协调分析方法.通过饱和排水地基的路基沉降计算,分析了协调分析方法与传统方法的计算差别及其规律,结果表明传统分层总和法的沉降解答偏小,而其考虑参考构形变化的解答误差较小等等.     

可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型

传统固定结构的计算网格不适于处理计算边界动态变化的问题,利用动网格技术,结合土力学中粘性土河岸的崩塌机理,建立了可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型,在对模型进行验证对比的基础上,对北江下游的大塘围蓄滞洪区口门处的崩塌展宽过程进行了模拟,模型计算结果表明:随着溃堤水流对堤防土体的冲蚀,堤防发生崩塌破坏,溃口洪水流量迅速增大,与实际相符,说明通过采用可变网格与土力学中粘性土河岸崩塌机理相结合的计算方法,使得模型具备准确模拟蓄滞洪区口门处横向崩塌展宽过程的优点。     

基于BP神经网络的土体细观力学参数反演分析

利用离散元方法对颗粒材料的细观力学特性研究, 目前确定数值计算模型的细观力学参数大多数通过反复调试获取, 效率低、可重复性差。本文采用开源的颗粒离散元程序LMGC开展了土体双轴压缩数值试验, 通过25组土体细观力学参数计算得到相应的宏观力学参数, 建立了BP人工神经网络反演系统。利用土体物理试验得到的土体宏观力学参数, 输入BP神经网络, 反演得到土体的细观力学参数。将所得细观力学特性参数输入所建立的土体数值计算模型, 得到土体破坏过程中的应力-应变关系曲线, 以及土体颗粒的力链图和旋转变形云图。所建立的土体数值试验模型能够较好地模拟土体变形破坏过程, 利用BP神经网络反演细观力学参数以及数值模型计算得到的土体宏观力学参数与物理试验吻合较好, 误差在10%左右, 土颗粒间力链云图以及旋转变形云图较好地揭示了土体变形破坏的机理。     

层状地基参数的频域识别

在分析水平层状地基运动特征的基础上, 通过研究地层系统的特征值和特征向量与地层参数之间的关系, 修正测量得到的数据与理论计算结果之间的偏差, 建立了层状地基参数的频域识别方法。并利用大型振动台上的地基模型试验数据, 实施了层状地基的参数识别过程。结果表明, 该方法产生良好的地基参数估计。     

非饱和黏性土的应力-应变关系研究

为了绕过吸力这一复杂的变量建立尽量简便实用的非饱和土本构模型,在双曲线模型的基础上将含水率引入硬化参数中。提出在试验前让土样恢复到原始应力状态下的理论,并依据该理论对三轴试验方法进行改进。为了很好的研究各个含水率下原状土的应力-应变关系,利用重塑土实现原状土的模拟。试验结果表明：重塑非饱和黏性土的应力-应变关系基本符合Kondner提出的双曲线模型。在研究双曲线模型中的参数a和b的规律性的基础上,建立了100、150、200与250 kPa 4种围压状态下参数a和b与含水率的函数关系,并实现了对补做的一组含水率为24.52 %的应力-应变关系的预测。通过实测数据与预测结果对比,发现预测误差比较小,能达到较好的预测效果。     

基于多源信息融合法的岩土力学参数概率分布推断

岩土力学参数的概率分布类型直接影响岩土工程可靠性分析的计算结果和精度。在现场有限个小样本和多个先验分布的条件下,探讨如何综合利用已有的经验资料确定岩土参数的概率分布,提出了多源信息融合方法。通过分析各先验分布和现场试验信息的差异程度,确定各先验分布的权重,进而进行整体融合,实现统计意义上概率分布类型的优化。     

荔湾3-1气田管线路由海底峡谷段斜坡稳定性分析

针对南海荔湾3-1气田管线穿过的海底峡谷区6个典型斜坡剖面,分别采用有限元强度折减法和极限平衡法开展斜坡稳定性分析,模型考虑了土层强度随深度的变化。计算结果对比表明,有限元强度折减法与极限平衡法分析结果一致,其中与Spencer法结果最接近,稳定系数相对误差小于3.5%。重力作用下各斜坡基本处于相对稳定状态,峡谷中下部土强度较低且坡度较高的局部区域接近临界状态,峡谷头部因坡度相对较小且土体强度相对较大,其斜坡稳定系数相对较高。地震水平加速度能够明显降低该区斜坡的稳定系数,且随着加速度值的增大滑动深度逐渐变大。当水平加速度达到0.2g时峡谷中下部区域大部分会发生滑动。海底地形坡度和土层强度是影响峡谷区斜坡稳定性的主要因素,且稳定系数与滑动面对局部坡度和强度分布较为敏感,合理的稳定性评价依赖于精确的地形数据与土层力学参数。     

基于变动饱和带的产汇流模型及其参数确定方法

当前分布式水文模型的参数确定仍主要依赖率定方式,在缺资料地区应用受到限制。建立一种基于变动饱和带产流模式和网格水滴汇流方法的分布式产汇流模型,提出利用下垫面特征来确定模型参数的方法。结合野外入渗试验和参数敏感性分析,建立地表饱和水力传导度(K_0z)和饱和水力传导度随深度衰减系数(f)2个敏感性产流参数与地形参数、土壤类型数据的定量统计关系,利用野外坡面流观测试验确定坡面汇流参数,并在多个实际流域进行应用验证。结果表明：(1)利用地形参数确定K_0z与使用遥感资料确定K_0z的模型精度进行对比,在姜湾实验流域场次洪水模拟的平均确定性系数从0.82提高至0.86,洪峰与洪量误差的平均绝对值分别降低了2.2%和0.95%,但峰现时间误差平均绝对值增大了4%(仍控制在2 h内)。(2)建立姜湾等14个流域参数f率定值与不同深度土壤类型数据的定量关系,移用至七邻等6个流域进行验证,表明参数f关系式与模型率定的精度非常接近,相对误差的平均绝对值为2.8%,场次洪水模拟的平均确定性系数为0.83,洪峰与洪量误差的平均绝对值为10.07%和...     

非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和分析法研究

研究可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要的理论意义及工程实用价值。基于Fredlund双应力变量理论进行非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,同时与传统非耦合渗流方法确定的孔压场进行对比发现,两种方法确定的浸润线变化过程相近,堤底处孔压的最大相对误差为8.8%,验证了耦合分析结果的可靠性。将基质吸力对强度的贡献纳入黏聚力中得到坡体强度参数的空间分布规律,又基于滑面强度参数时空分布规律借助Matlab平台开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序。以库水位下降条件下堤坡的稳定性分析为例,将不同方法的计算结果进行对比,发现文中方法搜索得到的滑面位置相对于传统方法要深缓,但总体位置相差不大,不同方法对应的安全系数相差不足0.096,验证了所提方法的合理性。     

两种不同试验模式下人工冻结土强度与变形的对比分析

两种试验模式下的冻土应力-应变曲线均呈双曲线型,但其变形过程明显不同,FC模式 (传统冻土力学试验模式)下的屈服强度明显小于K₀DCF模式 (深土冻土力学试验模式)下的.FC模式下,加载应力路径下的破坏变形明显大于K₀DCF模式下的,而减载应力路径下的破坏变形小于K₀DCF模式下的.在试验围压范围内,两种试验模式下的莫尔包络线均满足莫尔 -库仑准则,且无论是加载还是减载应力状态,K₀DCF模式下的剪切强度总是大于FC模式下的,且随着σ的增大,K₀DCF模式下加载与减载下剪切强度的差值比FC模式下τ的差值小.通过一定的对应关系可将两种模式下的强度与变形联系起来.     

冻土水热耦合模型数值求解及结果检验

首先对作者所建立的基于多孔介质理论的季节冻土水热迁移耦合模型进行数值求解;对模型方程进行修正, 并给出了模型方程中参数的确定方法。然后以长春松原公路段土体为研究对象, 对实际工程中冻结情况下水分迁移的情况进行预测;给定模型边界条件对模型求解, 将结果与野外实际监测结果进行对比。温度变化对比数据表明, 模型可以较好地预测终值情况, 而中间过程的误差较大, 但是趋势基本一致。水分迁移方向及量的对比数据表明, 模型计算结果要小于实测结果, 但是整体上计算结果与实测结果的变化趋势较一致, 且同样是和最终值吻合较好, 误差最小。结果表明, 模型计算结果可较好地模拟参数最终值, 但存在一定误差。