一种土水特征曲线室内试验单阶段优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种土水特征曲线室内试验单阶段优化设计方法，包括：采用期望效用量化候选试验方案对应试验数据的信息价值，并搜索期望效用最大的候选试验方案，使得基于试验数据估计的SWCC具有更高的置信度。首先通过离散试验仪器的测量区间生成候选试验方案的设计空间；然后抽样生成模拟数据计算候选试验方案的期望效用，根据试验数据的信息价值评估候选试验方案的有效性；最后采用子集模拟优化算法(SSO)在生成的设计空间中搜索具有最大期望效用的候选试验方案，筛选信息含量最高的试验方案，并将其确定为最优试验方案。本发明专利技术为SWCC试验方案设计提供了有效的解决途径，为SWCC试验设计提供参考和借鉴。验设计提供参考和借鉴。验设计提供参考和借鉴。

【技术实现步骤摘要】
一种土水特征曲线室内试验单阶段优化设计方法


[0001]本专利技术属于岩土工程室内试验设计领域，具体涉及一种土水特征曲线室内试验单阶段优化设计方法。

技术介绍

[0002]土土水特征曲线(Soil
‑
Water Characteristic Curve,简称SWCC)代表了非饱和土体积含水量随基质吸力的变化规律，确定SWCC对估计非饱和土力学特性(如非饱和抗剪强度和渗透系数)至关重要(Wang等,2020；贾升安等,2022)。通过室内试验仪器直接测量非饱和土体积含水量与基质吸力数据点，然后在给定SWCC模型的前提下利用拟合或贝叶斯方法获得土体的SWCC(钟方杰等，2007；王勇，2009；陈楷文2021)。直接测量SWCC试验数据通常十分耗时，因此SWCC试验只能获得有限的试验数据(Gatabin等,2016；幸锦雯等,2023)。基于有限的试验数据估计SWCC的不确定性不可避免，SWCC的不确定性取决于从试验方案获得的试验数据，并直接影响非饱和土参数(例如非饱和抗剪强度和渗透系数)和岩土工程可靠性。
[0003]随着试验设备和技术的进步，在SWCC试验过程中更容易获得更多的数据点，这提升了SWCC表征的准确性和可靠性。然而，SWCC试验仍存在一些实际问题，即采用多少个测量点以及如何指定控制变量的值能精确和可靠地估计SWCC。因此，相比于盲目地增加数据点(需要花费大量时间和精力)，通过试验设计确定最优试验方案更加合理。由于在试验之前没有试验数据，并且候选试验方案的数目非常多，甚至有无限个，如何通过试验设计确定最优的测点个数及控制变量值，以准确、可靠地估计SWCC是一个值得研究的问题。
[0004]
技术介绍
部分参考文献如下：
[0005][1]贾升安,李春阳,黄海峰,林智勇.基于土
‑
水特征曲线试验的非饱和土强度预测[J].水运工程,2022,(12):225
‑
231.
[0006][2]王勇.浅层储气砂土的工程效应演化特征与灾变机理研究[D].武汉：中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所),2009.
[0007][3]幸锦雯,孙文,余光耀,徐娜,麻建宏.基于核磁共振及分形理论预测非饱和土石混合体SWCC[J].水利水电技术(中英文),2023,1
‑
11.
[0008][4]钟方杰，孔令伟，朱建群.杭州湾浅层储气砂土的持水特征曲线试验研究[J].岩土力学，2007，28(S1)：34
‑
39.
[0009][5]陈楷文，王勇，闫锴，杨志勇.杭州湾浅层储气砂土的持水特性试验研究[J].科学技术与工程，2021，21(24)：10415
‑
10420.
[0010][6]Wang，L.，Wu，C.，Gu，X.，Liu，H.，Zhang，W.Probabilistic stability analysis of earth dam slope under transient seepage using multivariate adaptive regression splines[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2020，79：2763
‑
2775.
[0011][7]Gatabin，C.，Talandier，J.，Collin，F.，Charlier，R.，Dieudonn
é
，
A.C.Competing effects of volume change and water uptake on the water retention behaviour of a compacted MX
‑
80bentonite/sand mixture[J].Applied Clay Science，2016，121：57
‑
62.

技术实现思路

[0012]本专利技术针对现有SWCC试验方法的不足，提供一种SWCC室内试验单阶段优化设计方法，解决了如何考虑土体参数随机性的前提下合理设计SWCC试验方案的难题，通过合理控制SWCC测点数目有效地节约了试验时间及人力成本，并显提高了试验方案对应试验数据的信息价值，降低了估计SWCC的不确定性。
[0013]本专利技术所采用的技术方案是：一种SWCC室内试验单阶段优化设计方法，包括如下步骤：
[0014]步骤1：选择SWCC模型M(Θ)，其中Θ为模型参数；
[0015]步骤2：基于模型参数Θ的典型取值范围[Θ
min
，Θ
max
]定义联合均匀分布U(Θ
min
，Θ
max
)，利用联合均匀分布U(Θ
min
，Θ
max
)量化模型参数Θ的先验信息；
[0016]步骤3：利用模型参数Θ的先验信息U(Θ
min
，Θ
max
)，计算SWCC进气值ψ
b
，反弯点ψ
i
和残余基质吸力ψ
r
的平均值(和)；
[0017]步骤4：根据和将基质吸力的测量范围(0，ψ
m
]划分为]划分为及四个子区间；
[0018]步骤5：对四个子区间分别进行网格划分，生成基质吸力可能值集合及基质吸力可能值集合Ω
B|A
，令待测的SWCC测点数目为n，初始测点数目设定为n＝4；
[0019]步骤6：将试验测量点分为4个控制点A
i
(i＝1，2，3，4)和n
‑
4个附加点B
j
(j＝1，2，3，
…
，n
‑
4)，从基质吸力集合随机抽样控制点的基质吸力值随机抽样控制点的基质吸力值从Ω
B|A
中随机抽取n
‑
4个附加点的基质吸力值4个附加点的基质吸力值控制点基质吸力值及附加点基质吸力值构成候选试验方案
[0020]步骤7：计算候选试验方案E
n
的期望效用U(E
n
)；
[0021]步骤8：采用子集模拟优化算法在所有的候选试验方案E
n
中搜索能最大化U(E
n
)的试验方案及对应的值；
[0022]步骤9：逐步增大n值，重复执行步骤6
‑
步骤8，得到对应的直至约等于
[0023]步骤10：输出稳定时的n及对应的SWCC最优试验方案最优试验方案为
[0024]进一步的，所述基质吸力可能值集合具体包括：具体包括：其中Δψ1，Δψ2，Δψ3，Δψ4分别为区间和的离散尺度。
[0025]进一步的，所述基质吸力可能值集合Ω
B|A
具体为：其中j＝1，2，...，n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土水特征曲线室内试验单阶段优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选择SWCC模型M(Θ)，其中Θ为模型参数；步骤2：基于模型参数Θ的典型取值范围[Θ
min
,Θ
max
]定义联合均匀分布U(Θ
min
,Θ
max
)，利用联合均匀分布U(Θ
min
,Θ
max
)量化模型参数Θ的先验信息；步骤3：利用模型参数Θ的先验信息U(Θ
min
,Θ
max
)，计算SWCC进气值ψ
b
，反弯点ψ
i
和残余基质吸力ψ
r
的平均值(和)；步骤4：根据和将基质吸力的测量范围(0,ψ
m
]划分为]划分为及四个子区间；步骤5：对四个子区间分别进行网格划分，生成基质吸力可能值集合及基质吸力可能值集合Ω
BA
，令待测的SWCC测点数目为n，初始测点数目设定为n＝4；步骤6：将试验测量点分为4个控制点A
i
(i＝1,2,3,4)和n
‑
4个附加点B
j
(j＝1,2,3,
…
,n
‑
4)，从基质吸力集合随机抽样控制点的基质吸力值随机抽样控制点的基质吸力值从Ω
BA
中随机抽取n
‑
4个附加点的基质吸力值4个附加点的基质吸力值控制点基质吸力值及附加点基质吸力值构成候选试验方案步骤7：计算候选试验方案E
n
的期望效用U(E
n
)；步骤8：采用子集模拟优化算法在所有的候选试验方案E
n
中搜索能最大化U(E
n
)的试验方案及对应的值；步骤9：逐步增大n值，重复执行步骤6
‑
步骤8，得到对应的直至约等于步骤10：输出稳定时的n及对应的SWCC最优试验方案最优试验方案为2.根据权利要求1所述的一种土水特征曲线室内试验单阶段优化设计方法，其特征在于，所述基质吸力可能值集合具体包括：具体包括：其中Δψ1，Δψ2，Δψ3，Δψ4分别为区间和的离散尺度。3.根据权利要求1所述的一种土水特征曲线室内试验单阶段优化设计方法，其特征在于，所述基质吸力可能值集合Ω
B|A...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁少林，潘家军，王艳丽，张贵科，施召云，徐晗，周跃峰，左永振，王爱国，邓韶辉，陈云，罗泽权，周欣华，易顺，张婷，刘春鹏，
申请(专利权)人：雅砻江流域水电开发有限公司，
类型：发明
国别省市：