本發(fā)明屬于樁基礎(chǔ)工程，具體涉及一種基于代理模型的基樁水平變形可靠性計(jì)算方法、裝置及電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、公路、鐵路以及海洋工程領(lǐng)域中樁基普遍承受較大的水平荷載作用，由此產(chǎn)生的水平變形(特指樁頂水平位移)直接影響到樁基及其上部結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。由于影響樁基的水平變形的因素多而復(fù)雜，且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，因此，為確保這類樁基的安全性和可靠性，有必要對(duì)這類樁基中的基樁的水平變形可靠性評(píng)價(jià)方法開(kāi)展深入研究。

2、如《巖土力學(xué)》2004年第7期介紹了一種p-y曲線法的樁頂水平位移可靠度計(jì)算方法，該文獻(xiàn)1利用p-y曲線法計(jì)算樁頂水平位移并由此構(gòu)建功能函數(shù)，采用點(diǎn)估計(jì)法預(yù)估樁的失效概率。但復(fù)雜地形及多層地基中的p-y曲線模型及模型參數(shù)很難確定，現(xiàn)有p-y曲線模型不適合用于計(jì)算多地層或傾斜地面中基樁的樁頂水平位移。

3、如《鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2005年第1期介紹了一種基于二次多項(xiàng)式響應(yīng)面法的樁頂水平位移可靠度計(jì)算方法，該文獻(xiàn)2利用有限桿單元法計(jì)算樁頂水平位移，采用二次多項(xiàng)式構(gòu)建樁頂水平位移的響應(yīng)面表達(dá)式(即樁頂水平位移代理模型)以及功能函數(shù)，并采用驗(yàn)算點(diǎn)法(即jc法)求解可靠指標(biāo)。但是，其中有限桿單元法是將樁側(cè)地基土的反力假設(shè)為線彈性地基反力模型，即假定地基土為彈簧，提供線彈性水平抗力，而實(shí)際工程中樁側(cè)土體提供的抗力通常呈現(xiàn)非線性彈性或彈塑性形式，因此，利用有限桿單元法計(jì)算得到的樁水平位移往往與實(shí)際情況不符。

4、《巖土力學(xué)》2007年第12期介紹了一種基于4次多項(xiàng)式響應(yīng)面法的樁頂水平位移可靠度計(jì)算方法，該文獻(xiàn)3仍然利用有限桿單元法計(jì)算樁頂水平位移，但采用4次多項(xiàng)式構(gòu)建樁頂水平位移的響應(yīng)面表達(dá)式及功能函數(shù)，同樣采用驗(yàn)算點(diǎn)法求解可靠指標(biāo)。因此，同文獻(xiàn)1一樣，其同樣存在計(jì)算得到的樁水平位移往往與實(shí)際情況不符的問(wèn)題。

5、學(xué)位論文《樁-柱式橋基變形可靠性分析及其工程應(yīng)用研究》(成瀅，2014)介紹了一種基于m法的樁頂水平位移可靠度計(jì)算方法，該文獻(xiàn)4利用線彈性地基反力法中的m法計(jì)算樁頂水平位移并由此構(gòu)建功能函數(shù)，采用驗(yàn)算點(diǎn)法求解可靠指標(biāo)。其中m法實(shí)際上也是采用線彈性地基反力模型，因此其計(jì)算得到的水平位移同樣難以符合實(shí)際。

6、《巖土工程學(xué)報(bào)》2015年增刊1同樣介紹了一種基于m法的樁頂水平位移可靠度計(jì)算方法，該文獻(xiàn)5與文獻(xiàn)4一樣，均存在樁水平位移與實(shí)際情況不符的問(wèn)題。

7、在代理模型構(gòu)建方法的現(xiàn)有技術(shù)中，直接采用傳統(tǒng)的隨機(jī)有限元法(即每次抽樣都直接調(diào)用三維有限元計(jì)算模型)來(lái)計(jì)算基樁的變形失效概率及可靠指標(biāo)，將面臨巨大的計(jì)算工作量。為此，可以先采用較少數(shù)量的抽樣進(jìn)行三維有限元模擬計(jì)算來(lái)構(gòu)建基樁變形代理模型，再基于構(gòu)建的變形代理模型來(lái)進(jìn)行變形失效概率及可靠指標(biāo)計(jì)算。但是，一方面，現(xiàn)有三維有限元模擬計(jì)算抽樣中采用的隨機(jī)抽樣法，因過(guò)于盲目采樣而導(dǎo)致樣本點(diǎn)分布不均勻，而采用正交試驗(yàn)法抽樣，則會(huì)因抽樣點(diǎn)過(guò)多而導(dǎo)致三維有限元計(jì)算工作量仍然較大；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)中構(gòu)建基樁水平變形代理模型時(shí)通常采用二次或者高次多項(xiàng)式函數(shù)，處理的變量數(shù)也都在10個(gè)以下。因此，對(duì)于隨機(jī)變量數(shù)較多(比如達(dá)到20個(gè)，甚至更多)的多層地基上基樁水平變形可靠性分析問(wèn)題，有必要尋找一種分布特性好、適合大數(shù)量的參數(shù)和水平數(shù)的三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算抽樣方法，以及一種能適合較多變量的變形代理模型。

8、在現(xiàn)有技術(shù)中采用點(diǎn)估計(jì)法或直接蒙特卡洛抽樣法來(lái)計(jì)算失效概率和可靠指標(biāo)，對(duì)于變量多、非線性程度高且通常具有很小失效概率的基樁變形可靠性分析問(wèn)題，其計(jì)算精度很低。因此，實(shí)有必要尋求一種具有較高精度的失效概率及可靠指標(biāo)計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開(kāi)了一種基于代理模型的基樁水平變形可靠性計(jì)算方法、裝置及電子設(shè)備，其采用基于巖土彈塑性本構(gòu)模型的三維有限單元法計(jì)算基樁的水平變形，可考慮巖土體的非線性和彈塑性特性、多層及傾斜等復(fù)雜地基條件以及各種荷載工況，計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際情況，從而可以有效解決背景技術(shù)中涉及的至少一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種基樁水平變形可靠性計(jì)算方法，包括以下步驟：

4、s110，采集工程場(chǎng)地及臨近區(qū)域的地層數(shù)據(jù)、基樁數(shù)據(jù)、荷載數(shù)據(jù)以及樁-土界面數(shù)據(jù)；

5、s120，基于調(diào)研分析確定影響基樁水平變形的因素及其取值范圍；

6、s130，基于均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)基樁水平變形的三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算方案；

7、s140，基于三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算方案建立三維有限元計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算得到不同因素水平下的基樁水平變形值；

8、s150，基于基樁水平變形值及其對(duì)應(yīng)的各因素水平值建立訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集，并隨機(jī)抽樣建立測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集；

9、s160，通過(guò)對(duì)多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型比選，建立高精度的基樁水平變形代理模型；

10、s170，建立基樁水平變形代理模型可靠度計(jì)算的極限狀態(tài)方程；

11、s180，基于基樁水平變形代理模型和極限狀態(tài)方程，結(jié)合重要性抽樣法計(jì)算基樁水平變形失效概率及可靠性指標(biāo)。

12、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選改進(jìn)，所述地層數(shù)據(jù)包括地層層數(shù)、地層傾角以及地層巖土體的重度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力；所述基樁數(shù)據(jù)包括樁的重度、彈性模量、泊松比、直徑和長(zhǎng)度；所述荷載數(shù)據(jù)包括垂直荷載大小、水平荷載大小和方向、彎矩大小和方向；所述樁-土界面數(shù)據(jù)包括樁-土界面的摩擦系數(shù)。

13、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選改進(jìn)，步驟s120具體包括：先分析確定出影響基樁水平變形的各個(gè)因素，再根據(jù)所分析工程的勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)資料，并結(jié)合該地區(qū)的臨近區(qū)域工程勘察和設(shè)計(jì)資料以及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析確定出數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)各影響因素的取值下限和上限，確定計(jì)算取值范圍。

14、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選改進(jìn)，步驟s130具體包括：根據(jù)步驟s120確定的因素?cái)?shù)及其取值范圍確定各因素的水平數(shù)及相應(yīng)的取值；根據(jù)因素?cái)?shù)和水平數(shù)，設(shè)計(jì)或選擇已有的均勻設(shè)計(jì)表；將各因素及其水平數(shù)的取值安排到均勻設(shè)計(jì)表中，得到基樁水平變形三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算方案。

15、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選改進(jìn)，步驟s150中，從各影響因素取值范圍內(nèi)隨機(jī)抽取若干組因素值構(gòu)成若干個(gè)計(jì)算方案，再利用三維有限元計(jì)算得到基樁水平變形值，將其作為測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集。

16、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選改進(jìn)，步驟s160包括以下步驟：

17、s1601，通過(guò)變換方式對(duì)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集和測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；

18、s1602，選擇若干合適的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行學(xué)習(xí)，得到相應(yīng)的基樁水平變形代理模型；

19、s1603，根據(jù)訓(xùn)練得到的基樁水平變形代理模型在訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集上的擬合精度和在測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集上的預(yù)測(cè)精度選出綜合精度最高的機(jī)器學(xué)習(xí)模型；

20、s1604，將訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集和測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集混合，對(duì)選出的機(jī)器學(xué)習(xí)模型重新訓(xùn)練，得到高精度的基樁水平變形代理模型。

21、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選改進(jìn)，極限狀態(tài)方程的表達(dá)式為：

22、z＝g(x)＝[sh]-sh(x)

23、式中，z為狀態(tài)變量，z＞0表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)，z＝0表示處于極限狀態(tài)，z＜0表示處于失效狀態(tài)；x為由基樁水平變形影響因素構(gòu)成的隨機(jī)向量，x＝[x1,x2,…,xn]；g(x)為功能函數(shù)；[sh]為基樁最大允許水平變形值；sh(x)為樁頂水平變形計(jì)算值。

24、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選改進(jìn)，步驟s180具體包括以下步驟：

25、s1801，將影響基樁水平變形的各個(gè)因素視為隨機(jī)變量，通過(guò)對(duì)工程勘察、設(shè)計(jì)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定出各隨機(jī)變量的概率分布、均值和變異系數(shù)；

26、s1802，基于極限狀態(tài)方程，采用驗(yàn)算點(diǎn)法求得設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)；

27、s1803，根據(jù)各隨機(jī)變量的概率分布和變異系數(shù)，以設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)為重要性抽樣的中心，采用蒙特卡洛法隨機(jī)抽取n組隨機(jī)變量值，即計(jì)算參數(shù)值；

28、s1804，將抽取的n組計(jì)算參數(shù)值代入基樁水平變形代理模型，計(jì)算得到n個(gè)樁頂水平變形值，所述n組計(jì)算參數(shù)值與其對(duì)應(yīng)的樁頂水平變形值構(gòu)成n個(gè)樣本；

29、s1805，將n個(gè)樣本批量代入極限狀態(tài)方程，并結(jié)合重要性抽樣計(jì)算公式計(jì)算得到基樁水平變形失效概率pf及可靠性指標(biāo)β，計(jì)算表達(dá)式為：

30、

31、β＝-φ-1(pf)

32、式中，vi為重要性抽樣隨機(jī)向量；gx(·)為功能函數(shù)；i(·)為示性函數(shù)；z為極限狀態(tài)變量；fx(·)為原概率密度函數(shù)；pv(·)為重要性抽樣概率密度函數(shù)；φ-1(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)。

33、本發(fā)明還提供了一種基樁水平變形可靠性計(jì)算裝置，包括：

34、數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集工程場(chǎng)地及臨近區(qū)域的地層數(shù)據(jù)、基樁數(shù)據(jù)、荷載數(shù)據(jù)以及樁-土界面數(shù)據(jù)；

35、因素確定模塊，用于分析確定影響基樁水平變形的各個(gè)因素及其取值范圍；

36、計(jì)算方案設(shè)計(jì)模塊，用于基于均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)基樁水平變形的三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算方案；

37、建模計(jì)算模塊，用于基于三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算方案建立三維有限元計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算得到不同因素水平下的基樁水平變形值；

38、樣本集構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集和測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集；

39、代理模型構(gòu)建模塊，用于通過(guò)對(duì)多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型比選，建立高精度的基樁水平變形代理模型；

40、極限狀態(tài)方程構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建以樁頂水平變形不超過(guò)規(guī)定限值為原則的基樁水平變形代理模型可靠度計(jì)算的極限狀態(tài)方程；

41、可靠性分析模塊，用于基于基樁水平變形代理模型和極限狀態(tài)方程，結(jié)合重要性抽樣法計(jì)算基樁水平變形失效概率及可靠性指標(biāo)；所述可靠性分析模塊包括：

42、計(jì)算參數(shù)確定單元，用于確定影響基樁水平變形的各個(gè)隨機(jī)變量及其概率分布、均值和變異系數(shù)；

43、抽樣中心確定單元，用于采用驗(yàn)算點(diǎn)法求得作為重要性抽樣的中心的設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)；

44、計(jì)算參數(shù)抽樣單元，用于根據(jù)各隨機(jī)變量的概率分布和變異系數(shù)，以設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)為重要性抽樣的中心，采用蒙特卡洛法隨機(jī)抽取n組計(jì)算參數(shù)值；

45、樁頂水平變形計(jì)算單元，用于將抽取的n組計(jì)算參數(shù)值代入基樁水平變形代理模型，計(jì)算得到個(gè)n個(gè)樁頂水平變形值以構(gòu)成n個(gè)樣本；

46、失效概率和可靠性指標(biāo)計(jì)算單元，用于將n個(gè)樣本批量代入極限狀態(tài)方程，并結(jié)合重要性抽樣計(jì)算公式計(jì)算得到基樁水平變形失效概率及可靠性指標(biāo)。

47、本發(fā)明還提供了一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被所述處理器讀取并運(yùn)行時(shí)執(zhí)行所述的方法。

48、本發(fā)明的有益效果如下：

49、1、采用基于巖土彈塑性本構(gòu)模型的三維有限單元法計(jì)算基樁的水平變形，可以考慮巖土體的非線性和彈塑性特性、多層及傾斜等復(fù)雜地基條件以及各種荷載工況，其計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際情況；

50、2、采用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，如多層感知機(jī)mlp、隨機(jī)森林rf、xgboost等機(jī)器學(xué)習(xí)模型構(gòu)建基樁水平變形代理模型，具有容錯(cuò)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、擬合和預(yù)測(cè)精度高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決了因輸入變量太多而導(dǎo)致難以構(gòu)建高精度的基樁變形代理模型的技術(shù)難題；

51、3、采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)基樁變形三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算方案，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果構(gòu)建基樁水平變形樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，為建立基樁水平變形代理模型提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本，與現(xiàn)有的隨機(jī)抽樣和正交試驗(yàn)法抽樣相比，均勻設(shè)計(jì)不僅具有試驗(yàn)點(diǎn)分布均勻和試驗(yàn)次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，而且特別適合多因素、多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因此其既能保證抽樣點(diǎn)均勻，又能減小計(jì)算量，提高計(jì)算效率；

52、4、均勻設(shè)計(jì)中各因素的取值范圍以某工程場(chǎng)地中所有勘探點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到，突破了現(xiàn)有技術(shù)通常僅根據(jù)所分析基樁處勘探點(diǎn)巖土參數(shù)統(tǒng)計(jì)值按3σ原則取值的限制，克服了因取樣地點(diǎn)單一、樣本少，試驗(yàn)結(jié)果不能反映場(chǎng)地全貌的缺陷；

53、5、采用直接重要性抽樣法計(jì)算基樁水平變形失效概率及可靠指標(biāo)，解決了現(xiàn)有點(diǎn)估計(jì)法和直接蒙特卡洛抽樣法在計(jì)算具有很小失效概率的基樁變形可靠指標(biāo)時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真的問(wèn)題，提高了計(jì)算精度和計(jì)算效率。