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水利工程论文-边坡弹性模量位移反分析及其工程应用.doc

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水利工程论文-边坡弹性模量位移反分析及其工程应用.doc

水利工程论文边坡弹性模量位移反分析及其工程应用摘要本文建立了边坡弹性模量位移反分析模型,提出了实用反分析优化算法,并结合三峡船闸高边坡位移反分析实例,对上述模型和算法进行了验证.关键词边坡弹性模量位移反分析水坝、基坑、边坡等的位移反分析研究至到近年才开始受到关注和重视[1,2].这些地表工程存在如下特点1工程规模一般较大,涉及的介质较多2初始地应力场受地形、介质等的影响较大3施工周期长,时效因素较为显著4监测与施工很难同步进行.由于这些因素的影响,地表工程需要建立自己的反分析模型,不能借用地下工程的位移反分析方法.本文所建立的模型,首先考虑了多种介质弹性模量位移反演,其次扬弃了一步开挖假定,反分析的基础位移资料可以是阶段开挖位移增量.为了减轻反演工作难度,本文所建立的模型假定初始地应力场已知,每种介质属于均匀各向同性线弹性体.文中建议的优化算法的基础是递归技术和单变量优化算法,单变量的易操纵性基本上可以保证反演结果与初值无关.三峡船闸高边坡位移反分析结果表明,上述模型和算法是合理的.1反分析模型和优化算法1.1模型设n为构成坡体的介质数量,Eii1\n.为待求的各介质弹模.反分析的目标函数取计算位移矢量u与实测位移矢量的点积的最小值,即1式中f,u均为Ei的函数.约束方程为有限元方程Fexcav,2及Ei0,i1,...,n.3式中Eik′i为介质i贡献的刚度矩阵分量Fexcav为开挖力4N,B分别为插值形函数矩阵和应变位移矩阵b为体积力矢量Ωexcav为开挖区若为阶段开挖位移增量,则σ0是上一步开挖后坡体的应力,若为位移全量,则σ0是初始地应力.对于多介质线弹性问题,σ0一般是Eii1,...,n的函数.但是可以证明[3],当Ei之间的相对大小不变时,σ0与Ei的绝对大小无关,相应地Fexcav为常量.这一特性可以用来减少一个优化变量.将式2改写为5令u0为Ei取某一组值Ei0时的计算位移,将u0乘以同一比例因子λ,并代入式1得6f/λ0,7由此可求出Ei0维持现有比例关系时,使f取极小值的EiEiEi0/λ.i1,...,n8对于单变量优化问题,利用式7只需要一次试算即可求出弹模值对于二变量优化问题只需要迭代求解E1与E2的比值,即减少了一个优化变量.多变量问题类推.令βiEi/E1i2,...,n,式1至式3的优化模型可进一步改写成minfβ2,β3,...,βnminfE1,E2,...,En9约束条件10βi0.i2,...,n11βi求出后,各介质弹模计算如下E1E10/λ,EiβiE1.i2,...,n121.2优化算法多介质位移反分析的目标函数一般存在多个极小值,使用单纯形法,Powell\法等优化算法求解,计算结果一般与初值有关.本文建议利用递归技术将多变量优化问题转换为一系列的单变量优化问题.这种转换增加了计算工作量,但是每次迭代只需操纵一个变量,可以控制反演结果与初值无关.用i1表示βi1.取某一结定值,Gβi表示β2,β3,...,βi1取给定值时,函数f2,3...i1,βi,...,βn的最小值,Gβiminf2,3...i1,βi...βn,13目标函数式9可写成Gβ2minfβ2,β3...βn.14式14形式上变成了单一变量β2的优化问题.Gβ2的优化过程需要调用Gβ3,相应地Gβ3的优化过程需要调用Gβ4,依次类推,多变量优化问题被转换为一系列的单变量优化问题.算法的具体实施过程参阅文献[3].2工程应用三峡永久船闸高边坡的岩性较为单一,坡体主要由闪云斜长花岗岩构成,反分析工作根据其风化程度的差异划分为3种介质强风化花岗岩、弱风化花岗岩和微风化花岗岩.图1为船闸的某代表性剖面.根据施工和监测情况,开挖过程从计算角度划分为3个阶段,反分析依据的位移资料为第二阶段开挖引起的水平方向位移增量.ZK1为钻孔倾斜仪位移观测孔,穿越3种介质,因此观测位移值具有代表性.为了求出合理的反分析结果,观测位移曲线进行了如下两个方面的修正,其一是曲线拟合其二是将钻孔ZK1的相对位移曲线,借助孔口监测点P2的绝对位移监测值转换为绝对位移曲线.位移曲线选用三次多项式拟合,考虑到强风化层部分位移曲线呈现出较强的时间效应,拟合仅针对弱风化层和微风化层部分位移曲线进行即局部拟合,强风化层部分拟合曲线为外推结果.图1反分析计算剖面

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