[发明专利]一种岩土体参数随机场建模方法

说明书

本发明公开了一种高效的岩土体参数随机场建模方法，包括下述步骤：第一步、确定表征待模拟岩土体参数空间变异性的概率模型和统计特征；第二步、确定待模拟场地维度和尺度；第三步、确定参数的不相关距离；第四步、网格化离散待模拟场地；第五步、确定基于不相关距离概念的协方差矩阵；第六步、确定高斯随机场模型；第七步、基于等概率转换的非高斯随机场模拟。本发明基于改进后的协方差矩阵分解法进行随机场建模，可以发挥协方差矩阵分解法在随机场建模精度上的优点，同时在不需要大量的计算投入前提下就可以高效地实现任意尺度的随机场模拟。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种高效的岩土体参数随机场建模方法。

背景技术

岩土体作为大自然的产物，其形成过程的复杂性和多样性是不言而喻的。不同历史时期大自然造就了不同岩土体类型，并且同一类岩土体内矿物组成、应力历史等条件的差异导致其物理、力学参数表现出不同程度的差异性，称之为空间变异性。这种与生俱来的空间变异性是岩土工程中不确定性的重要来源，因此，如何准确地描述地质模型对于经济合理地解决岩土工程不确定性问题极为重要。目前多数岩土工程设计方法中，把土体看作水平层状的“均质”材料，这种假设虽然给岩土工程设计方法带来了极大便利，但难以反映和展现天然土体材料的空间变异性。最近颁布的欧洲岩土工程设计规范 Eurocode 7中明确提到土体参数特征值的选取需要考虑参数不确定性的影响，并要求在最不利参数取值条件下的计算结果达到系统极限状态的概率不超过5％。2017年，国际土力学与岩土工程学会(ISSMGE)成立了联合工作组，积极开展基于空间变异性分析的岩土工程可靠度设计方法的研究。

经对现有技术文献检索发现，Vanmarcke于1977年在《Journal of theGeotechnical Engineering，ASCE》发表的《Probabilistic modeling of soil profiles》中提出采用随机场模型描述岩土体参数空间变异性，该模型可以同时反映岩土体参数的随机性和相关性两方面的特征。Davis于1987年在《Mathematical Geology》发表的《Production of Conditional Simulations via the LUTriangular Decomposition oftheCovariance Matrix》中发展了一种随机场建模方法-协方差矩阵分解法。Fenton和Griffiths在2008年合著的《Risk Assessment in Geotechnical Engineering》中分别介绍了目前常用的几种随机场建模方法。Local Average Subdivision Method(LAS法)建模效率较高，但实现过程更为复杂而且模拟精度不高。协方差矩阵分解法和Karhunen-Loeve(KL)级数展开法的优势主要体现在随机场建模过程和模拟精度方面，但是该方法通常在建模过程中需要占据大量存储空间，就目前常见的计算机而言已经很难满足三维随机场建模的要求。

发明内容

本发明针对现有技术方法的不足，提出不相关距离的概念，改进现有的协方差矩阵分解法，进而提供一种高效的岩土体参数随机场建模方法，在确定描述岩土体物理、力学参数空间变异性的概率模型和统计特征以及模型尺寸后，根据获得的自相关距离确定参数的不相关距离，基于改进后的协方差矩阵分解法进行随机场建模。上述过程可以发挥协方差矩阵分解法在随机场建模精度上的优点，同时在不需要大量的计算投入前提下就可以高效地实现任意尺度的随机场模拟。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高效的岩土体参数随机场建模方法，包括下述步骤：

第一步、确定表征待模拟岩土体参数空间变异性的概率模型和统计特征；

第二步、确定待模拟场地维度和尺度；

第三步、确定参数的不相关距离；

第四步、网格化离散待模拟场地；

第五步、确定基于不相关距离概念的协方差矩阵；