本发明属于桩基础工程，具体涉及一种基于代理模型的基桩水平变形可靠性计算方法、装置及电子设备。
背景技术：
1、公路、铁路以及海洋工程领域中桩基普遍承受较大的水平荷载作用，由此产生的水平变形(特指桩顶水平位移)直接影响到桩基及其上部结构的安全性和可靠性。由于影响桩基的水平变形的因素多而复杂，且具有较强的随机性和不确定性，因此，为确保这类桩基的安全性和可靠性，有必要对这类桩基中的基桩的水平变形可靠性评价方法开展深入研究。
2、如《岩土力学》2004年第7期介绍了一种p-y曲线法的桩顶水平位移可靠度计算方法，该文献1利用p-y曲线法计算桩顶水平位移并由此构建功能函数，采用点估计法预估桩的失效概率。但复杂地形及多层地基中的p-y曲线模型及模型参数很难确定，现有p-y曲线模型不适合用于计算多地层或倾斜地面中基桩的桩顶水平位移。
3、如《铁道科学与工程学报》2005年第1期介绍了一种基于二次多项式响应面法的桩顶水平位移可靠度计算方法，该文献2利用有限杆单元法计算桩顶水平位移，采用二次多项式构建桩顶水平位移的响应面表达式(即桩顶水平位移代理模型)以及功能函数，并采用验算点法(即jc法)求解可靠指标。但是，其中有限杆单元法是将桩侧地基土的反力假设为线弹性地基反力模型，即假定地基土为弹簧，提供线弹性水平抗力，而实际工程中桩侧土体提供的抗力通常呈现非线性弹性或弹塑性形式，因此，利用有限杆单元法计算得到的桩水平位移往往与实际情况不符。
4、《岩土力学》2007年第12期介绍了一种基于4次多项式响应面法的桩顶水平位移可靠度计算方法，该文献3仍然利用有限杆单元法计算桩顶水平位移，但采用4次多项式构建桩顶水平位移的响应面表达式及功能函数，同样采用验算点法求解可靠指标。因此，同文献1一样，其同样存在计算得到的桩水平位移往往与实际情况不符的问题。
5、学位论文《桩-柱式桥基变形可靠性分析及其工程应用研究》(成滢，2014)介绍了一种基于m法的桩顶水平位移可靠度计算方法，该文献4利用线弹性地基反力法中的m法计算桩顶水平位移并由此构建功能函数，采用验算点法求解可靠指标。其中m法实际上也是采用线弹性地基反力模型，因此其计算得到的水平位移同样难以符合实际。
6、《岩土工程学报》2015年增刊1同样介绍了一种基于m法的桩顶水平位移可靠度计算方法，该文献5与文献4一样，均存在桩水平位移与实际情况不符的问题。
7、在代理模型构建方法的现有技术中，直接采用传统的随机有限元法(即每次抽样都直接调用三维有限元计算模型)来计算基桩的变形失效概率及可靠指标，将面临巨大的计算工作量。为此，可以先采用较少数量的抽样进行三维有限元模拟计算来构建基桩变形代理模型，再基于构建的变形代理模型来进行变形失效概率及可靠指标计算。但是，一方面，现有三维有限元模拟计算抽样中采用的随机抽样法，因过于盲目采样而导致样本点分布不均匀，而采用正交试验法抽样，则会因抽样点过多而导致三维有限元计算工作量仍然较大；另一方面，现有技术中构建基桩水平变形代理模型时通常采用二次或者高次多项式函数，处理的变量数也都在10个以下。因此，对于随机变量数较多(比如达到20个，甚至更多)的多层地基上基桩水平变形可靠性分析问题，有必要寻找一种分布特性好、适合大数量的参数和水平数的三维有限元数值模拟计算抽样方法，以及一种能适合较多变量的变形代理模型。
8、在现有技术中采用点估计法或直接蒙特卡洛抽样法来计算失效概率和可靠指标，对于变量多、非线性程度高且通常具有很小失效概率的基桩变形可靠性分析问题，其计算精度很低。因此，实有必要寻求一种具有较高精度的失效概率及可靠指标计算方法。
技术实现思路
1、本发明公开了一种基于代理模型的基桩水平变形可靠性计算方法、装置及电子设备，其采用基于岩土弹塑性本构模型的三维有限单元法计算基桩的水平变形，可考虑岩土体的非线性和弹塑性特性、多层及倾斜等复杂地基条件以及各种荷载工况，计算结果更符合工程实际情况，从而可以有效解决背景技术中涉及的至少一项技术问题。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：
3、一种基桩水平变形可靠性计算方法，包括以下步骤：
4、s110，采集工程场地及临近区域的地层数据、基桩数据、荷载数据以及桩-土界面数据；
5、s120，基于调研分析确定影响基桩水平变形的因素及其取值范围；
6、s130，基于均匀设计法设计基桩水平变形的三维有限元数值模拟计算方案；
7、s140，基于三维有限元数值模拟计算方案建立三维有限元计算模型，通过计算得到不同因素水平下的基桩水平变形值；
8、s150，基于基桩水平变形值及其对应的各因素水平值建立训练样本数据集，并随机抽样建立测试样本数据集；
9、s160，通过对多个机器学习模型比选，建立高精度的基桩水平变形代理模型；
10、s170，建立基桩水平变形代理模型可靠度计算的极限状态方程；
11、s180，基于基桩水平变形代理模型和极限状态方程，结合重要性抽样法计算基桩水平变形失效概率及可靠性指标。
12、作为本发明的一种优选改进，所述地层数据包括地层层数、地层倾角以及地层岩土体的重度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力；所述基桩数据包括桩的重度、弹性模量、泊松比、直径和长度；所述荷载数据包括垂直荷载大小、水平荷载大小和方向、弯矩大小和方向；所述桩-土界面数据包括桩-土界面的摩擦系数。
13、作为本发明的一种优选改进，步骤s120具体包括：先分析确定出影响基桩水平变形的各个因素，再根据所分析工程的勘察报告和设计资料，并结合该地区的临近区域工程勘察和设计资料以及地区经验数据，分析确定出数值模拟计算时各影响因素的取值下限和上限，确定计算取值范围。
14、作为本发明的一种优选改进，步骤s130具体包括：根据步骤s120确定的因素数及其取值范围确定各因素的水平数及相应的取值；根据因素数和水平数，设计或选择已有的均匀设计表；将各因素及其水平数的取值安排到均匀设计表中，得到基桩水平变形三维有限元数值模拟计算方案。
15、作为本发明的一种优选改进，步骤s150中，从各影响因素取值范围内随机抽取若干组因素值构成若干个计算方案，再利用三维有限元计算得到基桩水平变形值，将其作为测试样本数据集。
16、作为本发明的一种优选改进，步骤s160包括以下步骤：
17、s1601，通过变换方式对训练样本数据集和测试样本数据集进行标准化处理；
18、s1602，选择若干合适的机器学习模型，对经标准化处理后的训练样本数据集进行学习，得到相应的基桩水平变形代理模型；
19、s1603，根据训练得到的基桩水平变形代理模型在训练样本数据集上的拟合精度和在测试样本数据集上的预测精度选出综合精度最高的机器学习模型；
20、s1604，将训练样本数据集和测试样本数据集混合，对选出的机器学习模型重新训练，得到高精度的基桩水平变形代理模型。
21、作为本发明的一种优选改进，极限状态方程的表达式为：
22、z＝g(x)＝[sh]-sh(x)
23、式中，z为状态变量，z＞0表示结构处于可靠状态，z＝0表示处于极限状态，z＜0表示处于失效状态；x为由基桩水平变形影响因素构成的随机向量，x＝[x1,x2,…,xn]；g(x)为功能函数；[sh]为基桩最大允许水平变形值；sh(x)为桩顶水平变形计算值。
24、作为本发明的一种优选改进，步骤s180具体包括以下步骤：
25、s1801，将影响基桩水平变形的各个因素视为随机变量，通过对工程勘察、设计和地区经验数据进行统计分析，确定出各随机变量的概率分布、均值和变异系数；
26、s1802，基于极限状态方程，采用验算点法求得设计验算点；
27、s1803，根据各随机变量的概率分布和变异系数，以设计验算点为重要性抽样的中心，采用蒙特卡洛法随机抽取n组随机变量值，即计算参数值；
28、s1804，将抽取的n组计算参数值代入基桩水平变形代理模型，计算得到n个桩顶水平变形值，所述n组计算参数值与其对应的桩顶水平变形值构成n个样本；
29、s1805，将n个样本批量代入极限状态方程，并结合重要性抽样计算公式计算得到基桩水平变形失效概率pf及可靠性指标β，计算表达式为：
30、
31、β＝-φ-1(pf)
32、式中，vi为重要性抽样随机向量；gx(·)为功能函数；i(·)为示性函数；z为极限状态变量；fx(·)为原概率密度函数；pv(·)为重要性抽样概率密度函数；φ-1(·)为标准正态分布函数的反函数。
33、本发明还提供了一种基桩水平变形可靠性计算装置，包括：
34、数据采集模块，用于采集工程场地及临近区域的地层数据、基桩数据、荷载数据以及桩-土界面数据；
35、因素确定模块，用于分析确定影响基桩水平变形的各个因素及其取值范围；
36、计算方案设计模块，用于基于均匀设计法设计基桩水平变形的三维有限元数值模拟计算方案；
37、建模计算模块，用于基于三维有限元数值模拟计算方案建立三维有限元计算模型，通过计算得到不同因素水平下的基桩水平变形值；
38、样本集构建模块，用于构建训练样本数据集和测试样本数据集；
39、代理模型构建模块，用于通过对多个机器学习模型比选，建立高精度的基桩水平变形代理模型；
40、极限状态方程构建模块，用于构建以桩顶水平变形不超过规定限值为原则的基桩水平变形代理模型可靠度计算的极限状态方程；
41、可靠性分析模块，用于基于基桩水平变形代理模型和极限状态方程，结合重要性抽样法计算基桩水平变形失效概率及可靠性指标；所述可靠性分析模块包括：
42、计算参数确定单元，用于确定影响基桩水平变形的各个随机变量及其概率分布、均值和变异系数；
43、抽样中心确定单元，用于采用验算点法求得作为重要性抽样的中心的设计验算点；
44、计算参数抽样单元，用于根据各随机变量的概率分布和变异系数，以设计验算点为重要性抽样的中心，采用蒙特卡洛法随机抽取n组计算参数值；
45、桩顶水平变形计算单元，用于将抽取的n组计算参数值代入基桩水平变形代理模型，计算得到个n个桩顶水平变形值以构成n个样本；
46、失效概率和可靠性指标计算单元，用于将n个样本批量代入极限状态方程，并结合重要性抽样计算公式计算得到基桩水平变形失效概率及可靠性指标。
47、本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时执行所述的方法。
48、本发明的有益效果如下：
49、1、采用基于岩土弹塑性本构模型的三维有限单元法计算基桩的水平变形，可以考虑岩土体的非线性和弹塑性特性、多层及倾斜等复杂地基条件以及各种荷载工况，其计算结果更符合工程实际情况；
50、2、采用机器学习模型，如多层感知机mlp、随机森林rf、xgboost等机器学习模型构建基桩水平变形代理模型，具有容错性好、适应性强、拟合和预测精度高等技术优势，解决了因输入变量太多而导致难以构建高精度的基桩变形代理模型的技术难题；
51、3、采用均匀试验设计法设计基桩变形三维有限元数值模拟计算方案，根据模拟计算结果构建基桩水平变形样本数据库，为建立基桩水平变形代理模型提供训练数据样本，与现有的随机抽样和正交试验法抽样相比，均匀设计不仅具有试验点分布均匀和试验次数少等优点，而且特别适合多因素、多水平的试验设计，因此其既能保证抽样点均匀，又能减小计算量，提高计算效率；
52、4、均匀设计中各因素的取值范围以某工程场地中所有勘探点测试数据为依据进行统计分析得到，突破了现有技术通常仅根据所分析基桩处勘探点岩土参数统计值按3σ原则取值的限制，克服了因取样地点单一、样本少，试验结果不能反映场地全貌的缺陷；
53、5、采用直接重要性抽样法计算基桩水平变形失效概率及可靠指标，解决了现有点估计法和直接蒙特卡洛抽样法在计算具有很小失效概率的基桩变形可靠指标时会导致计算结果失真的问题，提高了计算精度和计算效率。
1.一种基桩水平变形可靠性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基桩水平变形可靠性计算方法，其特征在于，所述地层数据包括地层层数、地层倾角以及地层岩土体的重度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力；所述基桩数据包括桩的重度、弹性模量、泊松比、直径和长度；所述荷载数据包括垂直荷载大小、水平荷载大小和方向、弯矩大小和方向；所述桩-土界面数据包括桩-土界面的摩擦系数。
3.根据权利要求2所述的一种基桩水平变形可靠性计算方法，其特征在于，步骤s120具体包括：先分析确定出影响基桩水平变形的各个因素，再根据所分析工程的勘察报告和设计资料，并结合该地区的临近区域工程勘察和设计资料以及地区经验数据，分析确定出数值模拟计算时各影响因素的取值下限和上限，确定计算取值范围。
4.根据权利要求3所述的一种基桩水平变形可靠性计算方法，其特征在于，步骤s130具体包括：根据步骤s120确定的因素数及其取值范围确定各因素的水平数及相应的取值；根据因素数和水平数，设计或选择已有的均匀设计表；将各因素及其水平数的取值安排到均匀设计表中，得到基桩水平变形三维有限元数值模拟计算方案。
5.根据权利要求4所述的一种基桩水平变形可靠性计算方法，其特征在于，步骤s150中，从各影响因素取值范围内随机抽取若干组因素值构成若干个计算方案，再利用三维有限元计算得到基桩水平变形值，将其作为测试样本数据集。
6.根据权利要求5所述的一种基桩水平变形可靠性计算方法，其特征在于，步骤s160包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种基桩水平变形可靠性计算方法，其特征在于，极限状态方程的表达式为：
8.根据权利要求7所述的一种基桩水平变形可靠性计算方法，其特征在于，步骤s180具体包括以下步骤：
9.一种用于实现权利要求1-8任意一项所述的方法的基桩水平变形可靠性计算装置，其特征在于，包括：
10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时执行如权利要求1-8任意一项所述的方法。
