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CPT数据校准岩土参数的随机力学—贝叶斯方法与应用认领

作者：

汤道飞

学位授予单位：

上海大学

摘要：

常规岩土工程勘察钻孔取样和室内土工试验过程长、扰动多、误差大,难以快速、简单和准确地获取科学计算中的岩土参数。静力触探试验（Cone Penetration Test,CPT）是一种使用范围广、数据质量高的原位测试技术,学者们通过理论研究、设备研发和工程实践,对于土层分类,常规岩土参数转化,多场物理、化学参数测试已经建立了大量可靠的理论、经验和回归公式。但是静力触探试验获得的CPT数据（锥尖阻力qc、侧摩阻力fs和孔隙水压力u）不能直接在工程中应用,如不能直接转化为岩土力学本构模型参数（即一类精细的岩土参数）,根本原因是贯入机理的研究不足。为此,本文提出了一种随机力学—贝叶斯方法,首先基于Mohr-Coulomb屈服准则的柱孔扩张理论,建立静力触探试验过程的宏细观耦合数值计算方法,研究静力触探试验过程的圆锥扩张机理。其次综合应用统计学和贝叶斯理论知识,根据CPT数据,校准本构模型参数的统计特征。最后将本构模型参数应用于工程实践,对比先验分布和后验分布对监测数据预测的精度,验证CPT数据校准岩土参数的随机力学—贝叶斯方法的合理性。主要工作和创新点如下:（1）根据Mohr-Coulomb屈服准则求解柱孔扩张理论的极限扩孔应力,推导了锥尖阻力、侧摩阻力与极限扩孔应力之间的静力平衡关系。以上海地区浅部持力层第（2）1粉质黏土为研究对象,从宏观的角度计算锥尖阻力、侧摩阻力和极限扩孔应力的理论解、数值解与实测值的误差。结果表明:柱孔扩张理论计算的极限扩孔应力、锥尖阻力和侧摩阻力与实测值的误差分别为1.3%、0.45%和0.77%。（2）首先通过相同尺度的三轴压缩试验,探讨宏观有限元—细观离散元耦合数值计算的岩土参数转化规律。其次以上海第（2）1层粉质黏土和第（5）1-1层灰色黏土为对象,验证了宏细观转化公式对于上海黏土或者粉质黏土的适用性。最后以上海地区浅部持力层第（2）1粉质黏土为研究对象,从细观角度分析静力触探试验过程中的土体颗粒位移和接触力链分布。结果表明:宏细观耦合数值计算获得的极限扩孔应力、锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力与实测值的误差分别为9.68%、2.99%、9.34%和8.42%。宏细观耦合数值计算结果不仅和柱孔扩张理论的计算结果以及实测值接近,还能考虑孔隙水压力的分布。（3）建立随机力学—贝叶斯理论计算框架,校准Mohr-Coulomb本构模型参数的统计特征。首先,利用锥尖阻力、侧摩阻力与极限扩孔应力之间的静力平衡关系,进行参数敏感性分析,确定关键岩土参数。其次,将关键岩土参数视为多元相关随机变量,通过上述圆锥动态贯入过程的宏细观力学数值模拟,建立关键岩土参数与CPT数据统计特征之间的二次非交叉响应面和正态似然函数。最后采用马尔科夫链蒙特卡罗抽样算法,统计岩土参数的后验分布。（4）采用上述随机力学—贝叶斯方法,校准上海浅层黏土的岩土参数,并将校准后的黏土参数应用于工程实践。将上海地区第（2）1层粉质黏土、第（3）层淤泥质粉质黏土、第（4）层淤泥质黏土、第（5）1-1层黏土和第（5）1-2层粉质黏土视为统一的研究对象,基于CPT锥尖阻力监测值qc,校准固结不排水剪的黏聚力（c）、内摩擦角（φ）和抗剪强度（Su）。再将校准后的岩土参数应用于上海绿洲中环中心基坑工程,计算支护结构轴力和变形值并与监测值对比,最大轴力误差从1207k N缩减至114k N,最大位移误差从4.5mm缩减至2.3mm,绝对误差明显减小。论文集成宏细观岩土力学、统计学和贝叶斯理论的交叉学科知识,以静力触探试验数据为基础,校准Mohr-Coulomb屈服准则中关键岩土参数的统计特征,创新点包括以下2点:1)在基础理论研究上推导了柱孔扩张理论中锥尖阻力、侧摩阻力与极限扩孔应力之间的静力平衡关系,建立了静力触探试验力学耦合计算的宏细观本构模型参数转化方法。2)在核心技术研究上建立了多元岩土参数随机变量-多源测试数据融合贝叶斯理论,校准Mohr-Coulomb屈服准则中关键岩土参数的统计特征,精细描述岩土介质的变异性。以上研究为认识静力触探试验机理,获取Mohr-Coulomb屈服准则中关键岩土参数,提供了宏细观耦合数值的计算方法,从而为变形控制为主的大型地下工程开发提供可靠的岩土参数。

摘要译文

关键词：

静力触探; 柱孔扩张理论; 宏细观力学; 贝叶斯理论; 岩土参数

学位年度：

2021

学位类型：

硕士

学科专业：

建筑与土木工程（专业学位）

导师：

王长虹

中图分类号：

TU43[土力学]

学科分类号：

080104[工程力学];0813[建筑学];081401[岩土工程]

D O I：

10.27300/d.cnki.gshau.2021.000373