[發明專利]序貫高斯模擬巖土參數空間變異結構的有限元分析方法

在審

• 申請號: 201711129772.5
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN107862146A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 張抒;唐輝明;劉曉;夏侯云山;譚欽文
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司42238
• 代理人: 龔春來

技術領域

本發明涉及勘探巖土技術領域，具體涉及序貫高斯模擬巖土參數空間變異結構的有限元分析方法。

背景技術

由于物質組成、沉積條件、地質構造運動及內外動力地質作用等因素的影響，大部分工程巖土體為非均質體，其物理力學參數具有很強的空間變異性。這種空間變異性具有隨機性和結構性的二重特征，即參數的空間變異具有結構性，表現為參數之間雖然有差別，但也具有一定的相關性；參數空間變異的結構性即參數的空間變異結構的內涵包括空間變異的類型(各向同性或各向異性)、空間變異的程度和空間變異的定向性等。目前，模擬巖土參數不確定性的方法主要有兩類：第一類是單隨機變量方法(Single random variable approach,SRV)，通過一個單隨機變量隱式地模擬巖土參數的不確定性，整個研究區域的巖土參數被賦予一個通過隨機變量概率分布確定的隨機值；第二類方法隨機場方法(random field approach,RF)，通過隨機場理論顯性地模擬研究區域土性參數的空間變異特征，再將模擬的隨機場與有限元法或有限差分法基于蒙特-卡洛的架構進行結合分析。

但發明人發現，第一類方法忽視了參數的空間變異的結構性，造成單元體參數賦值隨意性較大，一次可靠度算法雖然計算簡便，但在結構功能函數在驗算點附近的非線性程度較高，或者隨機變量的分布偏離正態分布比較遠時，一次可靠度分析方法的結果則與精確解相差過大，(同時一次可靠度算法隱含假設巖土參數的波動范圍無窮大，這與實際是不相符合，)而二次可靠度算法計算復雜，應用起來相對不方便；第二類方法中，隨機場的生成主要是根據波動的規模產生，對于具有一定定向性的各向異性隨機場仍存在一定局限，且忽視了研究區域場地觀測數據，造成了對具體場地巖土參數空間變異性估測不準。

發明內容

有鑒于此，本發明的實施例提供了一種利用序貫高斯模擬方法對研究區域內不同空間變異結構的巖土參數進行條件隨機場模擬，然后將條件隨機場與非侵入式隨機有限元相結合的分析方法。

為解決上述技術問題，本發明實施例采用的技術方案是，序貫高斯模擬巖土參數空間變異結構的有限元分析方法，包括以下步驟：

(1)確定有限元分析計算模型：根據選定的算例或具體斜坡工程實例，建立有限元分析計算模型，設定算例模型的初始條件和邊界條件，對所述模型進行結構化網格劃分，并對巖土材料確定性參數進行賦值；

(2)采集所述算例或具體斜坡工程實例的考慮參數相關條件數據及其統計特征，并預設巖土空間變異結構參數；

(3)條件隨機場模擬：將采集的條件數據、預設的巖土空間變異結構參數載入與所述有限元分析計算模型相同尺寸的結構化網格中進行序貫高斯條件隨機場模擬，得到條件隨機場實現；

(4)條件隨機場賦值：將不在所述有限元分析計算模型輪廓內的隨機場實現的網格單元去除，留下所述有限元分析計算模型輪廓內的隨機場實現的網格單元，將隨機場實現的網格單元與有限元結構化的網格單元進行一一對應，對有限元網格單元的條件隨機場逐一賦值；

(5)有限元確定性分析：對賦值后的計算模型進行有限元確定性分析，依據預設的巖土空間變異結構參數進行多次滲流及穩定性計算，保存相應的計算結果；

(6)提取結果并統計分析：對所述計算結果中的特征參量、最危險滑動面坐標信息進行統計分析，或在足夠多次分析結果基礎上進行滑坡的可靠性分析。

優選地，所述網格為便于進行隨機場模擬及賦值的正交柵格。

優選地，所述條件隨機場實現包括以下步驟：

(1)對需要進行變換的已知數據進行正態變換以符合序貫高斯模擬要求的正態分布，載入結構化網格；

(2)創建隨機模擬訪問路徑，序貫地處理路徑上的每個網格結點，每個網格結點處隨機變量是服從條件化的正態分布，構建克里格系統方程組作克里格估計，采用相應的抽樣方法得到該結點處的一個樣本作為該網格結點的模擬數據；

(3)訪問下一個未知結點，將上述步驟的模擬數據作為已知數據進行模擬，直至模擬完成得到模擬結點數據；

(4)對所述模擬結點數據進行正態反變換，即為條件模擬隨機場的一次實現；

(5)將上述步驟進行N次重復，獲得條件隨機場的N次實現。