本發(fā)明涉及土木工程與地質(zhì)工程領(lǐng)域，尤其涉及一種樁基土壤相互作用模型的模擬測試方法。

背景技術(shù)：

1、樁基作為建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性與土壤之間的相互作用密切相關(guān)，這些因素直接影響工程的安全性和經(jīng)濟性。有限元模擬方法隨著計算機技術(shù)的發(fā)展已成為研究復(fù)雜工程問題的重要手段，通過構(gòu)建精確的有限元模型，可以模擬樁基與土壤在不同工況下的相互作用過程，為工程設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。

2、樁基與土壤的相互作用涉及復(fù)雜的物理力學(xué)過程，包括樁基的承載力、沉降特性以及土壤的非線性行為等，而傳統(tǒng)的樁基設(shè)計方法往往基于經(jīng)驗公式和簡化的力學(xué)模型，難以準確反映樁基與土壤之間的復(fù)雜相互作用機制。同時現(xiàn)有的有限元模擬方法大多基于理想化的假設(shè)，缺乏與實際工程數(shù)據(jù)的有效結(jié)合，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在較大偏差。因此結(jié)合有限元模擬方法和機器學(xué)習(xí)，設(shè)計一種能夠結(jié)合實際工程數(shù)據(jù)對樁基土壤相互作用進行精確模擬和數(shù)據(jù)處理的樁基土壤相互作用模型的模擬測試方法，來克服現(xiàn)有模擬測試方法的不足，對提高工程設(shè)計的準確性和可靠性具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是要提供一種樁基土壤相互作用模型的模擬測試方法。

2、為達到上述目的，本發(fā)明是按照以下技術(shù)方案實施的：

3、本發(fā)明包括以下步驟：

4、獲取樁基土壤的基本參數(shù)信息和工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所述基本參數(shù)信息和所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；所述基本參數(shù)信息包括樁基參數(shù)和土壤參數(shù)；

5、根據(jù)所述樁基參數(shù)構(gòu)建樁基有限元模型，根據(jù)所述土壤參數(shù)構(gòu)建土壤約束有限元模型，進行樁基土壤相互作用有限元模擬獲得有限元模擬數(shù)據(jù)集{a}；

6、將所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入樁基土層相互作用公式獲得工程監(jiān)測數(shù)據(jù)集，根據(jù)所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)集獲得實際工程數(shù)據(jù)集{c}；

7、根據(jù)所述有限元模擬數(shù)據(jù)集{a}和所述實際工程數(shù)據(jù)集{c}確定偏差因子，根據(jù)所述實際工程數(shù)據(jù)集{c}確定綜合相似度；

8、根據(jù)所述偏差因子、所述綜合相似度和所述有限元模擬數(shù)據(jù)集{a}構(gòu)建樁基土壤相互作用模型，將待模擬測試的樁基土壤基本參數(shù)信息輸入所述樁基土壤相互作用模型獲得樁基土壤相互作用情況。

9、進一步的，獲得所述基本參數(shù)信息的方法，包括：

10、獲取樁基參數(shù)，通過圖紙確定樁基尺寸，根據(jù)建筑物信息計算樁頂荷載，通過土工試驗獲取樁基混凝土及鋼筋的彈性模量和泊松比；所述樁基參數(shù)包括樁基尺寸、樁頂荷載、樁基混凝土及鋼筋的彈性模量和泊松比；

11、獲取土壤參數(shù)，通過樁基長度確定計算深度和稀疏鉆孔深度，對土層進行稀疏鉆孔確定土壤分層情況并取不同層土樣；

12、對不同層土樣進行土工試驗獲得土層的密度、彈性模量和泊松比；所述土壤參數(shù)包括土層的密度、彈性模量、泊松比、強度和土壤的分層情況。

13、進一步的，進行樁基土壤相互作用有限元模擬獲得所述有限元模擬數(shù)據(jù)集{a}的方法，包括：

14、樁基土壤相互作用模型采用分離式建模，樁基承臺頂部與土層表面齊平；

15、構(gòu)建樁基有限元模型，確定樁基和承臺的模擬形式，根據(jù)樁基尺寸確定混凝土和鋼筋的單元格類型和網(wǎng)格劃分，根據(jù)模擬背景確定樁基的約束條件，根據(jù)樁基參數(shù)確定模型尺寸和材料參數(shù)；

16、構(gòu)建土壤約束有限元模型，根據(jù)樁基尺寸和土壤分層情況確定土層的單元格類型和網(wǎng)格劃分，根據(jù)模擬背景確定土層的約束條件，根據(jù)土壤參數(shù)確定模型深度和材料參數(shù)；

17、確定樁基和土體的接觸模式，設(shè)置接觸面并確定接觸參數(shù)，按照樁基參數(shù)施加荷載進行樁基土壤相互作用有限元模擬獲得有限元模擬數(shù)據(jù)集{a}；

18、所述有限元模擬數(shù)據(jù)集{a}包括土層應(yīng)力分布、土層位移、樁基應(yīng)力分布、樁基位移、樁基彎矩和樁基土壤相互作用力；所述樁基土壤相互作用力包括樁基土層相對擠壓力和樁基土層摩擦力。

19、進一步的，將所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入樁基土層相互作用公式獲得工程監(jiān)測數(shù)據(jù)集的方法，包括：

20、通過應(yīng)變片、壓力傳感器和激光測距儀獲取工程監(jiān)測數(shù)據(jù)；所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)包括土層應(yīng)力分布、土層位移、樁基壓應(yīng)力分布和樁基位移；

21、所述樁基土層相互作用公式包括樁基土層相對擠壓力表達式和樁基土層摩擦力表達式；

22、根據(jù)所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)計算樁基土層相對擠壓力，樁基土層相對擠壓力表達式為：

23、

24、其中p(x,y)為單位面積內(nèi)側(cè)樁基土層相對擠壓力，z為地表以下深度，x、y為水平位置，k(z)為地基系數(shù)，n為指數(shù)，k(z)和n隨z而變化，為樁基水平位移yp與土層水平位移ys之差，即樁基與土層的相對位移，esr為參考土層彈性模量，es為土層彈性模量，[i]為影響系數(shù)矩陣，σs為樁基周圍土層應(yīng)力；

25、根據(jù)所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)計算樁基土層摩擦力，樁基土層摩擦力表達式為：

26、

27、其中f(z)為深度z處內(nèi)側(cè)樁基土層摩擦力，p為單位面積內(nèi)側(cè)樁基土層相對擠壓力，θ為基本摩擦角，為土層的粗糙度系數(shù)，τs為土層的峰值剪切強度，jcs為土層的抗壓強度；

28、將工程監(jiān)測數(shù)據(jù)、樁基土層相對擠壓力和樁基土層摩擦力組成工程監(jiān)測數(shù)據(jù)集。

29、進一步的，根據(jù)所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)集獲得實際工程數(shù)據(jù)集{c}的方法，包括：

30、根據(jù)所述工程監(jiān)測數(shù)據(jù)集計算樁基的初始水平位移y0和地面處樁基初始轉(zhuǎn)角表達式為：

31、

32、其中y0為樁基的初始水平位移，為地面處樁基初始轉(zhuǎn)角，fp′為樁基頂部單位水平力，mp′為樁基頂部單位彎矩，樁基頂部僅作用單位水平力fp′＝1時，地面處樁基的水平位移和轉(zhuǎn)角分別為δy1和樁基頂部僅作用單位彎矩mp′＝1時，地面處樁基的水平位移和轉(zhuǎn)角分別為δy2和

33、根據(jù)樁基的初始水平位移和地面處樁基初始轉(zhuǎn)角計算樁基彎矩和樁基剪應(yīng)力，表達式為：

34、

35、其中m(z)為深度z處樁基彎矩，q(z)為深度z處樁基剪應(yīng)力，y0為樁基的初始水平位移，α為樁基變形系數(shù)，e為樁基的彈性模量，i為深度z處樁基截面慣性矩，為地面處樁基初始轉(zhuǎn)角，mp為樁基頂部彎矩，fp為樁基頂部水平力，a1、b1、c1、d1為計算樁基彎矩的量綱為1的系數(shù)，a2、b2、c2、d2為計算樁基剪應(yīng)力的量綱為1的系數(shù)；

36、將樁基彎矩、樁基剪應(yīng)力和工程監(jiān)測數(shù)據(jù)集組成實際工程數(shù)據(jù)集{c}。

37、進一步的，確定所述偏差因子的方法，包括：

38、根據(jù)有限元模擬數(shù)據(jù)集{a}和實際工程數(shù)據(jù)集{c}計算有限元模擬值與實際測量值的偏差獲得偏差數(shù)據(jù)；所述偏差數(shù)據(jù)包括樁基土層相對位移偏差、土層有效應(yīng)力偏差、土層剪應(yīng)力偏差、樁基剪應(yīng)力偏差、樁基彎矩偏差、樁基土層相對擠壓力偏差和樁基土層摩擦力偏差；

39、所述偏差因子包括第一偏差因子和第二偏差因子；

40、將樁基土層相對位移偏差、土層有效應(yīng)力偏差和樁基土層相對擠壓力偏差輸入第一偏差函數(shù)中獲得第一偏差因子，表達式為：

41、

42、其中d1為第一偏差因子，δy為樁基土層相對位移偏差，δu為土層有效應(yīng)力偏差，δp為樁基土層相對擠壓力偏差，uδy為樁基土層相對位移偏差均值，uδu為土層有效應(yīng)力偏差均值，uδp為樁基土層相對擠壓力偏差均值，σδy為樁基土層相對位移偏差標準差，σδu為土層有效應(yīng)力偏差標準差，σtotal是所有偏差的總標準差，w1、w2為偏差權(quán)重系數(shù)；

43、將土層剪應(yīng)力偏差、樁基剪應(yīng)力偏差、樁基土層相對位移偏差和樁基土層摩擦力偏差輸入第二偏差函數(shù)中獲得第二偏差因子，表達式為：

44、

45、其中d2為第二偏差因子，δf為樁基土層摩擦力偏差，uδf為樁基土層摩擦力偏差均值，τs為土層剪應(yīng)力偏差，τp樁基剪應(yīng)力偏差，w3、w4、w5為偏差權(quán)重系數(shù)。

46、進一步的，確定所述綜合相似度的方法，包括：

47、定義樁基土層相對位移偏差特征向量為y＝[y1,y2,…,yi,…,yn]，樁基土層摩擦力偏差特征向量為f＝[f1,f2,…,fi,…,fn]，土層剪應(yīng)力偏差特征向量為τ＝[τ1,τ2,…,τi,…,τn]，樁基彎矩偏差特征向量為m＝[m1,m2,…,mi,…,mn]，n為特征向量長度；

48、計算得到樁基土層相對位移偏差特征向量與樁基土層摩擦力偏差特征向量的歐氏距離ded(y,f)、土層剪應(yīng)力偏差特征向量與樁基彎矩偏差特征向量的歐氏距離ded(τ,m)；

49、計算取所有數(shù)據(jù)的一階差分序列xdiff＝[xdiff1,xdiff2,…,xdiffi,…,xdiffn-1]，其中xdiffi＝xdiffi+1-xdiffi為一階差分值，x∈{y,f,τ,m}，根據(jù)一階差分序列計算得到樁基土層相對位移偏差特征向量與樁基土層摩擦力偏差特征向量的動態(tài)時間彎曲距離ddtw(ydiff，fdiff)、土層剪應(yīng)力偏差特征向量與樁基彎矩偏差特征向量的動態(tài)時間彎曲距離ddtw(τdiff，mfdiff)；

50、根據(jù)歐氏距離和動態(tài)時間彎曲距離計算綜合相似度，表達式為：

51、

52、其中s為綜合相似度，a1、b1、a2、b2為相似度指標權(quán)重系數(shù)，通過熵權(quán)法確定。

53、進一步的，獲得樁基土壤相互作用情況的方法，包括：

54、對偏差因子、綜合相似度和有限元模擬數(shù)據(jù)集{a}特征選擇得到綜合特征集，將綜合特征集分為訓(xùn)練集和測試集；所述綜合特征集包括偏差因子、綜合相似度、樁基土層相對擠壓力、樁基土層摩擦力和樁基彎矩；

55、基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建樁基土壤相互作用模型，包括輸入層、隱藏層和輸出層；

56、訓(xùn)練集的特征數(shù)據(jù)通過輸入層進入隱藏層進行學(xué)習(xí)，隱藏層設(shè)置多個全連接層并采用relu激活函數(shù)輔助預(yù)測，預(yù)測結(jié)果通過輸出層輸出；預(yù)測結(jié)果包括樁基土層相對擠壓力預(yù)測值、樁基土層摩擦力預(yù)測值和樁基彎矩預(yù)測值；

57、損失函數(shù)包括數(shù)據(jù)擬合項和物理一致項，數(shù)據(jù)擬合項采用均方誤差評估預(yù)測值與真實值之間的差異，物理一致項采用所述樁基土層相互作用公式和所述樁基彎矩表達式確保預(yù)測值的物理可解釋性，采用adamax優(yōu)化器對樁基土壤相互作用模型進行權(quán)重優(yōu)化，采用測試集對樁基土壤相互作用模型進行評估；

58、將待模擬測試的樁基土壤基本參數(shù)信息輸入所述樁基土壤相互作用模型獲得樁基土壤相互作用情況。

59、本發(fā)明的有益效果是：

60、本發(fā)明是一種樁基土壤相互作用模型的模擬測試方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

61、本發(fā)明通過有限元模擬、工程監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取與處理、確定偏差因子、確定綜合相似度、構(gòu)建模型步驟，可以在樁基土壤相互作用模型的模擬測試中提升數(shù)據(jù)預(yù)處理的能力和增強模型適應(yīng)性，從而提升樁基土壤相互作用模型的模擬測試的效率與精度，將樁基土壤相互作用模型的模擬測試技術(shù)優(yōu)化，可以大大節(jié)省資源，提高工作效率，可以實現(xiàn)對樁基土壤相互作用模型的精確模擬，為工程設(shè)計和施工提供了更加科學(xué)、可靠的依據(jù)，對提高工程設(shè)計的準確性和可靠性具有重要意義，可以適應(yīng)不同樁基土壤相互作用模型的模擬測試評價系統(tǒng)、不同用戶的樁基土壤相互作用模型的模擬測試系統(tǒng)的終端模擬測試需求，具有一定的普適性。