一种桩基土壤相互作用模型的模拟测试方法与流程

本发明涉及土木工程与地质工程领域，尤其涉及一种桩基土壤相互作用模型的模拟测试方法。

背景技术：

1、桩基作为建筑物的基础结构，其稳定性与土壤之间的相互作用密切相关，这些因素直接影响工程的安全性和经济性。有限元模拟方法随着计算机技术的发展已成为研究复杂工程问题的重要手段，通过构建精确的有限元模型，可以模拟桩基与土壤在不同工况下的相互作用过程，为工程设计和施工提供科学依据。

2、桩基与土壤的相互作用涉及复杂的物理力学过程，包括桩基的承载力、沉降特性以及土壤的非线性行为等，而传统的桩基设计方法往往基于经验公式和简化的力学模型，难以准确反映桩基与土壤之间的复杂相互作用机制。同时现有的有限元模拟方法大多基于理想化的假设，缺乏与实际工程数据的有效结合，导致模拟结果与实际情况存在较大偏差。因此结合有限元模拟方法和机器学习，设计一种能够结合实际工程数据对桩基土壤相互作用进行精确模拟和数据处理的桩基土壤相互作用模型的模拟测试方法，来克服现有模拟测试方法的不足，对提高工程设计的准确性和可靠性具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是要提供一种桩基土壤相互作用模型的模拟测试方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、本发明包括以下步骤：

4、获取桩基土壤的基本参数信息和工程监测数据，对所述基本参数信息和所述工程监测数据进行预处理；所述基本参数信息包括桩基参数和土壤参数；

5、根据所述桩基参数构建桩基有限元模型，根据所述土壤参数构建土壤约束有限元模型，进行桩基土壤相互作用有限元模拟获得有限元模拟数据集{a}；

6、将所述工程监测数据输入桩基土层相互作用公式获得工程监测数据集{b}，根据所述工程监测数据集{b}获得实际工程数据集{c}；

7、根据所述有限元模拟数据集{a}和所述实际工程数据集{c}确定偏差因子，根据所述实际工程数据集{c}确定综合相似度；

8、根据所述偏差因子、所述综合相似度和所述有限元模拟数据集{a}构建桩基土壤相互作用模型，将待模拟测试的桩基土壤基本参数信息输入所述桩基土壤相互作用模型获得桩基土壤相互作用情况。

9、进一步的，获得所述基本参数信息的方法，包括：

10、获取桩基参数，通过图纸确定桩基尺寸，根据建筑物信息计算桩顶荷载，通过土工试验获取桩基混凝土及钢筋的弹性模量和泊松比；所述桩基参数包括桩基尺寸、桩顶荷载、桩基混凝土及钢筋的弹性模量和泊松比；

11、获取土壤参数，通过桩基长度确定计算深度和稀疏钻孔深度，对土层进行稀疏钻孔确定土壤分层情况并取不同层土样；

12、对不同层土样进行土工试验获得土层的密度、弹性模量和泊松比；所述土壤参数包括土层的密度、弹性模量、泊松比、强度和土壤的分层情况。

13、进一步的，进行桩基土壤相互作用有限元模拟获得所述有限元模拟数据集{a}的方法，包括：

14、桩基土壤相互作用模型采用分离式建模，桩基承台顶部与土层表面齐平；

15、构建桩基有限元模型，确定桩基和承台的模拟形式，根据桩基尺寸确定混凝土和钢筋的单元格类型和网格划分，根据模拟背景确定桩基的约束条件，根据桩基参数确定模型尺寸和材料参数；

16、构建土壤约束有限元模型，根据桩基尺寸和土壤分层情况确定土层的单元格类型和网格划分，根据模拟背景确定土层的约束条件，根据土壤参数确定模型深度和材料参数；

17、确定桩基和土体的接触模式，设置接触面并确定接触参数，按照桩基参数施加荷载进行桩基土壤相互作用有限元模拟获得有限元模拟数据集{a}；

18、所述有限元模拟数据集{a}包括土层应力分布、土层位移、桩基应力分布、桩基位移、桩基弯矩和桩基土壤相互作用力；所述桩基土壤相互作用力包括桩基土层相对挤压力和桩基土层摩擦力。

19、进一步的，将所述工程监测数据输入桩基土层相互作用公式获得工程监测数据集{b}的方法，包括：

20、通过应变片、压力传感器和激光测距仪获取工程监测数据；所述工程监测数据包括土层应力分布、土层位移、桩基压应力分布和桩基位移；

21、所述桩基土层相互作用公式包括桩基土层相对挤压力表达式和桩基土层摩擦力表达式；

22、根据所述工程监测数据计算桩基土层相对挤压力，桩基土层相对挤压力表达式为：

23、

24、其中p(x,y)为单位面积内侧桩基土层相对挤压力，z为地表以下深度，x、y为水平位置，k(z)为地基系数，n为指数，k(z)和n随z而变化，为桩基水平位移yp与土层水平位移ys之差，即桩基与土层的相对位移，esr为参考土层弹性模量，es为土层弹性模量，[i]为影响系数矩阵，σs为桩基周围土层应力；

25、根据所述工程监测数据计算桩基土层摩擦力，桩基土层摩擦力表达式为：

26、

27、其中f(z)为深度z处内侧桩基土层摩擦力，p为单位面积内侧桩基土层相对挤压力，θ为基本摩擦角，为土层的粗糙度系数，τs为土层的峰值剪切强度，jcs为土层的抗压强度；

28、将工程监测数据、桩基土层相对挤压力和桩基土层摩擦力组成工程监测数据集{b}。

29、进一步的，根据所述工程监测数据集{b}获得实际工程数据集{c}的方法，包括：

30、根据所述工程监测数据集{b}计算桩基的初始水平位移y0和地面处桩基初始转角表达式为：

31、

32、其中y0为桩基的初始水平位移，为地面处桩基初始转角，fp′为桩基顶部单位水平力，mp′为桩基顶部单位弯矩，桩基顶部仅作用单位水平力fp′＝1时，地面处桩基的水平位移和转角分别为δy1和桩基顶部仅作用单位弯矩mp′＝1时，地面处桩基的水平位移和转角分别为δy2和

33、根据桩基的初始水平位移和地面处桩基初始转角计算桩基弯矩和桩基剪应力，表达式为：

34、

35、其中m(z)为深度z处桩基弯矩，q(z)为深度z处桩基剪应力，y0为桩基的初始水平位移，α为桩基变形系数，e为桩基的弹性模量，i为深度z处桩基截面惯性矩，为地面处桩基初始转角，mp为桩基顶部弯矩，fp为桩基顶部水平力，a1、b1、c1、d1为计算桩基弯矩的量纲为1的系数，a2、b2、c2、d2为计算桩基剪应力的量纲为1的系数；

36、将桩基弯矩、桩基剪应力和工程监测数据集{b}组成实际工程数据集{c}。

37、进一步的，确定所述偏差因子的方法，包括：

38、根据有限元模拟数据集{a}和实际工程数据集{c}计算有限元模拟值与实际测量值的偏差获得偏差数据；所述偏差数据包括桩基土层相对位移偏差、土层有效应力偏差、土层剪应力偏差、桩基剪应力偏差、桩基弯矩偏差、桩基土层相对挤压力偏差和桩基土层摩擦力偏差；

39、所述偏差因子包括第一偏差因子和第二偏差因子；

40、将桩基土层相对位移偏差、土层有效应力偏差和桩基土层相对挤压力偏差输入第一偏差函数中获得第一偏差因子，表达式为：

41、

42、其中d1为第一偏差因子，δy为桩基土层相对位移偏差，δu为土层有效应力偏差，δp为桩基土层相对挤压力偏差，uδy为桩基土层相对位移偏差均值，uδu为土层有效应力偏差均值，uδp为桩基土层相对挤压力偏差均值，σδy为桩基土层相对位移偏差标准差，σδu为土层有效应力偏差标准差，σtotal是所有偏差的总标准差，w1、w2为偏差权重系数；

43、将土层剪应力偏差、桩基剪应力偏差、桩基土层相对位移偏差和桩基土层摩擦力偏差输入第二偏差函数中获得第二偏差因子，表达式为：

44、

45、其中d2为第二偏差因子，δf为桩基土层摩擦力偏差，uδf为桩基土层摩擦力偏差均值，τs为土层剪应力偏差，τp桩基剪应力偏差，w3、w4、w5为偏差权重系数。

46、进一步的，确定所述综合相似度的方法，包括：

47、定义桩基土层相对位移偏差特征向量为y＝[y1,y2,…,yi,…,yn]，桩基土层摩擦力偏差特征向量为f＝[f1,f2,…,fi,…,fn]，土层剪应力偏差特征向量为τ＝[τ1,τ2,…,τi,…,τn]，桩基弯矩偏差特征向量为m＝[m1,m2,…,mi,…,mn]，n为特征向量长度；

48、计算得到桩基土层相对位移偏差特征向量与桩基土层摩擦力偏差特征向量的欧氏距离ded(y,f)、土层剪应力偏差特征向量与桩基弯矩偏差特征向量的欧氏距离ded(τ,m)；

49、计算取所有数据的一阶差分序列xdiff＝[xdiff1,xdiff2,…,xdiffi,…,xdiffn-1]，其中xdiffi＝xdiffi+1-xdiffi为一阶差分值，x∈{y,f,τ,m}，根据一阶差分序列计算得到桩基土层相对位移偏差特征向量与桩基土层摩擦力偏差特征向量的动态时间弯曲距离ddtw(ydiff，fdiff)、土层剪应力偏差特征向量与桩基弯矩偏差特征向量的动态时间弯曲距离ddtw(τdiff，mfdiff)；

50、根据欧氏距离和动态时间弯曲距离计算综合相似度，表达式为：

51、

52、其中s为综合相似度，a1、b1、a2、b2为相似度指标权重系数，通过熵权法确定。

53、进一步的，获得桩基土壤相互作用情况的方法，包括：

54、对偏差因子、综合相似度和有限元模拟数据集{a}特征选择得到综合特征集，将综合特征集分为训练集和测试集；所述综合特征集包括偏差因子、综合相似度、桩基土层相对挤压力、桩基土层摩擦力和桩基弯矩；

55、基于物理信息神经网络构建桩基土壤相互作用模型，包括输入层、隐藏层和输出层；

56、训练集的特征数据通过输入层进入隐藏层进行学习，隐藏层设置多个全连接层并采用relu激活函数辅助预测，预测结果通过输出层输出；预测结果包括桩基土层相对挤压力预测值、桩基土层摩擦力预测值和桩基弯矩预测值；

57、损失函数包括数据拟合项和物理一致项，数据拟合项采用均方误差评估预测值与真实值之间的差异，物理一致项采用所述桩基土层相互作用公式和所述桩基弯矩表达式确保预测值的物理可解释性，采用adamax优化器对桩基土壤相互作用模型进行权重优化，采用测试集对桩基土壤相互作用模型进行评估；

58、将待模拟测试的桩基土壤基本参数信息输入所述桩基土壤相互作用模型获得桩基土壤相互作用情况。

59、本发明的有益效果是：

60、本发明是一种桩基土壤相互作用模型的模拟测试方法，与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

61、本发明通过有限元模拟、工程监测数据获取与处理、确定偏差因子、确定综合相似度、构建模型步骤，可以在桩基土壤相互作用模型的模拟测试中提升数据预处理的能力和增强模型适应性，从而提升桩基土壤相互作用模型的模拟测试的效率与精度，将桩基土壤相互作用模型的模拟测试技术优化，可以大大节省资源，提高工作效率，可以实现对桩基土壤相互作用模型的精确模拟，为工程设计和施工提供了更加科学、可靠的依据，对提高工程设计的准确性和可靠性具有重要意义，可以适应不同桩基土壤相互作用模型的模拟测试评价系统、不同用户的桩基土壤相互作用模型的模拟测试系统的终端模拟测试需求，具有一定的普适性。