[发明专利]序贯高斯模拟岩土参数空间变异结构的有限元分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及勘探岩土技术领域，具体涉及序贯高斯模拟岩土参数空间变异结构的有限元分析方法。

背景技术

由于物质组成、沉积条件、地质构造运动及内外动力地质作用等因素的影响，大部分工程岩土体为非均质体，其物理力学参数具有很强的空间变异性。这种空间变异性具有随机性和结构性的二重特征，即参数的空间变异具有结构性，表现为参数之间虽然有差别，但也具有一定的相关性；参数空间变异的结构性即参数的空间变异结构的内涵包括空间变异的类型(各向同性或各向异性)、空间变异的程度和空间变异的定向性等。目前，模拟岩土参数不确定性的方法主要有两类：第一类是单随机变量方法(Single random variable approach,SRV)，通过一个单随机变量隐式地模拟岩土参数的不确定性，整个研究区域的岩土参数被赋予一个通过随机变量概率分布确定的随机值；第二类方法随机场方法(random field approach,RF)，通过随机场理论显性地模拟研究区域土性参数的空间变异特征，再将模拟的随机场与有限元法或有限差分法基于蒙特-卡洛的架构进行结合分析。

但发明人发现，第一类方法忽视了参数的空间变异的结构性，造成单元体参数赋值随意性较大，一次可靠度算法虽然计算简便，但在结构功能函数在验算点附近的非线性程度较高，或者随机变量的分布偏离正态分布比较远时，一次可靠度分析方法的结果则与精确解相差过大，(同时一次可靠度算法隐含假设岩土参数的波动范围无穷大，这与实际是不相符合，)而二次可靠度算法计算复杂，应用起来相对不方便；第二类方法中，随机场的生成主要是根据波动的规模产生，对于具有一定定向性的各向异性随机场仍存在一定局限，且忽视了研究区域场地观测数据，造成了对具体场地岩土参数空间变异性估测不准。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种利用序贯高斯模拟方法对研究区域内不同空间变异结构的岩土参数进行条件随机场模拟，然后将条件随机场与非侵入式随机有限元相结合的分析方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是，序贯高斯模拟岩土参数空间变异结构的有限元分析方法，包括以下步骤：

(1)确定有限元分析计算模型：根据选定的算例或具体斜坡工程实例，建立有限元分析计算模型，设定算例模型的初始条件和边界条件，对所述模型进行结构化网格划分，并对岩土材料确定性参数进行赋值；

(2)采集所述算例或具体斜坡工程实例的考虑参数相关条件数据及其统计特征，并预设岩土空间变异结构参数；

(3)条件随机场模拟：将采集的条件数据、预设的岩土空间变异结构参数载入与所述有限元分析计算模型相同尺寸的结构化网格中进行序贯高斯条件随机场模拟，得到条件随机场实现；

(4)条件随机场赋值：将不在所述有限元分析计算模型轮廓内的随机场实现的网格单元去除，留下所述有限元分析计算模型轮廓内的随机场实现的网格单元，将随机场实现的网格单元与有限元结构化的网格单元进行一一对应，对有限元网格单元的条件随机场逐一赋值；

(5)有限元确定性分析：对赋值后的计算模型进行有限元确定性分析，依据预设的岩土空间变异结构参数进行多次渗流及稳定性计算，保存相应的计算结果；

(6)提取结果并统计分析：对所述计算结果中的特征参量、最危险滑动面坐标信息进行统计分析，或在足够多次分析结果基础上进行滑坡的可靠性分析。

优选地，所述网格为便于进行随机场模拟及赋值的正交栅格。

优选地，所述条件随机场实现包括以下步骤：

(1)对需要进行变换的已知数据进行正态变换以符合序贯高斯模拟要求的正态分布，载入结构化网格；

(2)创建随机模拟访问路径，序贯地处理路径上的每个网格结点，每个网格结点处随机变量是服从条件化的正态分布，构建克里格系统方程组作克里格估计，采用相应的抽样方法得到该结点处的一个样本作为该网格结点的模拟数据；

(3)访问下一个未知结点，将上述步骤的模拟数据作为已知数据进行模拟，直至模拟完成得到模拟结点数据；

(4)对所述模拟结点数据进行正态反变换，即为条件模拟随机场的一次实现；

(5)将上述步骤进行N次重复，获得条件随机场的N次实现。