专利名称：一种分析基坑变形与坑外地面沉降关系的方法
技术领域：
本I厥费及岩土工程中的基坑施工过程中，基坑变形监测，特别是涉及基坑变形与坑外地面沉降关系确定。
背景技术：
地铁车站基坑施工过程中，围护结构变形控制直接影响到围岩及支护结构安全稳定性，同时也影响到基坑施工速度。尤其是市内的基坑工程，对基坑变形的控制提出了较高要求。但是基坑的变形测量相对复杂，成本较高，为对其进行有效监测造成了障碍，但坑外土体沉降的监测却较为简单。考虑到在基坑施工过程中土体的体积损失较小，那么坑外土体的沉降与维护结构的变形就存在一定的对应关系，即通过坑外土体的沉降量可以预测维护结构的变形情况。实际上，根据目前的对基坑施工过程中围护变形的研究，基坑围护变形虽然形式和大小不同，但是基本可以分解为正向、反向转动及绕曲三种变形，如
图1所示。研究同时发现其变形量与基坑周围地面沉降量及其测点与基坑边缘的距离有一定的对应关系，基本上这三种变形可以用某种形式的指数函数描述。但是由于施工地质条件各有差异，其变形的表达式虽然形式相同，其具体系数是不同的，且通过直接测量和计算难以确定。针对某一具体工程如何用已有的施工数据进行分析，得到预期内的围护变形与沉降的关系成了解决问题的关键。目前，通常的方法是进行参数反演。使用差异进化算法进行这种反演。差异进化(DifferentialEvolution, DE)算法是由 Rainer Storm 和 KennethPrice于1995年提出的采用实数矢量编码在连续空间中进行随机搜索的优化算法。
发明内容
基于DE算法，同时为保证数据的正确性及降低数据的处理量，约束方法采用对角线交叉的最小二乘法，研究一种新型的效果更好的地铁基坑围护变形与坑外地面沉降对应方法。由于基坑施工的特点，一方面测量数据较大，差异进化算法进行参数反演时计算量随反演参数的个数指数增长，并对所有数据进行比较；另一方面其地面沉降的测量值由于各种原因可能产生噪声值。基于上述情况的约束方法采用对角线交叉的最小二乘法。所谓对角线交叉的最小二乘法，就是对离散数据点进行处理然后使用最小二乘法对处理后的点进行比较从而对函数进行约束。如图2所示，横坐标代表开挖深度，纵坐标代表沉降量，由于是示意图未标明具体数值。图中有15个点分别代表15次测量值。对角线交叉法步骤为:1.将连续三个点相连形成三角形，如Λ 123,Δ 234 ；2.将相邻两个三角形组成四边形，如口 1234, □ 2345 ；3.将上述四边形对角线相连交点为Oi，如Op O2，如果交点在四边形外，可将对角线延长相交，如0\ ；4.使用Oi作为该组离散数据的代替点序列进行最小二乘分析。
这样做的好处有两个:1.减少数据量。如果元数据有A个，那么经过上述方法处理后的数据为认-2)/2个；2.可以减少噪声数据对整个二乘法的影响，取得良好的预计效果。如图2所示的4'点明显高出正常的变化范围，如果直接用最小二乘计算会带来较大的误差。使用对角线交叉后可以看出原对角线交点O1与噪声产生的对角线交点O'i相差较小，说明该方法有降噪的作用。当然这种降噪是有条件的，即连续四个点中只有一个噪声点。经过上述过程处理后的数据，根据参数物理意义设定上下限，区域内个观测值有约束优化，约束方法采用最小二乘法，如式(I)所示。
权利要求
1.一种分析基坑变形与坑外地面沉降关系的方法，差藍遼基坑围护结构变形分解成正向转动、反向转动及绕曲三种变形，将此三种变形与坑外地面沉降分布的对应关系用指数形式的公式进行描述，其包蕾勿70步Jf:第一步围护结构变形模式的确定，第二步收集现场坑外土体沉降量，第三步建立反演表达式反演坑外土体沉降量，第四步进行对角线交叉最小二乘法对数据的处理，第五步使用差异进化算法(DE)对沉降数据进行拟合，第六步DE的缩放因子A和交叉概率Cr合理选择，第七步模拟数据的生成和评价。
2.根据权利要求1所述的基坑变形与坑外地面沉降关系的方法，其特征在于，用于描述基坑围护结构变形分解出的变形与坑外地面沉降分布对应关系的指数函数反演后系数的确定采用差异进化算法进行计算。
3.根据权利要求1所述的基坑变形与坑外地面沉降关系的方法，其特征在于，差异进化算法中缩放因子F和交叉概率Cr的最优值确定原则定为:能够满足基坑围护结构变形分解出的变形与坑外地面沉降分布对应关系的指数函数在计算时收敛条件最好。
4.-根据权利要求1所述基坑变形与坑外地面沉降关系的方法的对角线交叉的最小二乘法，其特征在于，第一步，将连续三个点相连形成三角形;第二步，将相邻两个三角形组成四边形；第三步，将上述四边形对角线相连交点，如果交点在四边形外，则将对角线延长相交；第四步，将对角线交点作为该组离散数据的代替点序列用于最小二乘分析。
5.-根据权利要求1所述基坑变形与坑外地面沉降关系的方法的对角线交叉的最小二乘法，其特征在于，能够实现如下功能:其一，减少需处理数据量，原始数据量为k个，处理后的数据量为「氓-2)/2]个；其二，减少噪声数据对整个二乘法的影响。
6.-根据权利要求1所述基坑变形与坑外地面沉降关系的方法的对角线交叉的最小二廣总，其録，对角线交叉的最小二乘法适用于具有如下特征的数据:其一，测量数据量较大，计算量随反演参数的个数呈指数增长；其二，由多种不确定性因素造成的带有噪声的测量数据。
7.根据权利要求1所述基坑变形与坑外地面沉降关系的方法的用于描述基坑围护结构变形分解出的变形与坑外地面沉降分布对应关系的指数函数，其特征在于，能顾及所有考虑因素的指数函数的形式:
8.根据权利要求1所述的基坑变形与坑外地面沉降关系的方法的反演表达式，其特征
9.根椐太连她铁2号线濟家车站某坑工稈确定的反演表汰式，其特征在干，在Matlab环境下实现DE算法，将三种变形数据h、δ故和R作为参数输入，优化变量数为2，种群数/W为72，根据模拟结果，求得不同的/^和Cr条件下的正向转动收敛值，A=0.4,^=0.6，反演出 a尸-0.0022,bj=-0.0309 ;反向转动时，Z7=0.4,Cr=0.6，反演出 a2=~0.0020，込=-0.0289 ；绕曲变形时，Z7=0.4:, Cr=0.4，反演出a,=-0.0011,^=-0.0286 ;将各变形的、之值带指数公
全文摘要
本发明公开了一种分析基坑变形与坑外地面沉降关系的方法，特征在于，根据基坑围护结构的三种基本变性特征，可以确定变形与坑外土体沉降的关系式，包括围护结构变形模式的分解、收集现场坑外土体沉降量、建立反演表达式、对角线交叉最小二乘法对数据的处理、使用差异进化算法(DE)对沉降数据进行拟合、DE的缩放因子F和交叉概率Cr合理选择方法、模拟数据的生成和评价等。本发明通过对算法中F和Cr的影响分析，得到F和Cr的最优值，将角线交叉的最小二乘法作为差异选择函数，进行反演计算。本发明的目的在于可以通过坑外土体沉降监测获得维护变形情况，预测未来阶段变形。可广泛用于可用于坑外地面沉降与围护变形对应关系的预测研究。
文档编号E02D33/00GK103205972SQ20131008787
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者刘文生, 吴作启, 崔铁军, 由丽雯, 杨逾, 邵军, 张远, 孙琦, 杜东宁 申请人:辽宁工程技术大学