断续节理扩展算法在隧道围岩稳定分析中的应用

利用虚节理力学性质参数弱化函数,在 Jennings 强度准则基础上 提出了应用于非连续变形分析计算的断续节理强度形式;然后,将虚节理力学性质参数弱化规律和断续节理强度表达式运用于非连续变形分析计算程序中,实现了对断续节理扩展过程的模拟算法 ;并通过剪切试验计算结果与室内试验结果的比较,验证了该算法的正确性。利用该算法对节理岩体中金鸡山隧道进行了围岩稳定性分析,分析结果客观反映了节理展布特征对隧道围岩的变形影响和节理岩体隧道围岩位移分布特征,表明了断续节理扩展算法在隧道围岩稳定性分析方面具有良好的应用前景。     

高速铁路隧道围岩参数空间变异性的力学响应分析

 针对大断面高速铁路隧道围岩的参数变异性及空间相关性等问题,在随机场理论的基本框架下,将非侵入式随机分析、地层结构模型、有限差分法和蒙特卡洛模拟有机结合,提出考虑围岩参数空间变异性的非侵入式随机有限差分分析模型。运用该模型对隧道开挖后围岩的力学响应进行分析,得到围岩参数空间变异性的2个基本要素：参数变异性和空间相关性,其特征参数的取值变化会直接影响到围岩变形特性、塑性区发展模式以及地表沉降形态。同时与确定性模型的计算结果进行比较,提炼出隧道开挖后围岩参数空间变异性的4种典型工程效应：(1) 围岩结构性低强度荷载占优效应;(2) 围岩结构空间相关各向异性效应;(3) 功能函数敏感性差异及非线性效应;(4) 功能函数转变分布类型效应。研究成果为拓展基于空间变异性的高速铁路隧道工程稳健性设计奠定了一定的基础。     

岩体工程反分析研究的新进展

本文对国内外岩体工程反分析技术的兴起及发展作了阐述，并指出其存在的问题，特别是确定性反分析所受的局限性。围岩体的变形及各物理力学参数随开挖的变化是处于一种随机动态过程，应采用非确定性方法来探究。对此，本文提出扩张卡尔曼滤波器与有限元分析耦合法是解决此问题的较好方法，并开发出实用计算程序。     

岩体工程反分析研究的新进展

本文对国内外岩体工程反分析技术的兴起及发展作了阐述，并指出其存在的问题，特别是确定性反分析所受的局限性，围岩体的变形及各物理力学参数随开挖的变化是处于一种随机动态过程，应采用非确定性方法来探究，对此，本文提出扩张卡尔曼滤波器与有限元分析耦合法是解决此问题的较好方法，并开发出实用计算程序。     

山区高速公路软弱围岩隧道施工地表移动分析

针对太行山区保阜高速公路韩家庄隧道软弱围岩条件下工程实际情况,利用随机介质理论对隧道施工所引起的地表移动进行分析探讨.在该工程中,隧道穿越地段围岩岩性较差,围岩内空收敛变形量大,隧道跨度大.大跨度软弱围岩隧道工程由于其自身围岩变形量大、施工难度高等原因需要对其开展大量的研究.因此,为确保地面自然坡的安全和隧道正常使用,对隧道施工所可能引起的地表移动进行预测极为必要.将浅埋隧道开挖所引起的地表移动视为一随机过程,应用随机介质理论模型,对隧道施工所引起的地表移动进行具体计算分析.通过理论计算与工程实例进行计算比较,提出安全施工技术方案.     

基于高斯过程回归-差异进化法的富水区隧道围岩流固耦合智能反馈分析

为实现富水区隧道建设的参数反馈优化,基于机器学习和智能优化算法建立了流固耦合条件下的隧道参数反分析方法。首先,建立工程数值计算模型,采用流固耦合模型进行求解;以正交设计分析的形式获得不同岩体参数组合条件下的围岩位移及孔隙水压分布情况,建立机器学习所需的学习样本,其中输入组为各岩体参数集,输出组为围岩位移及孔隙水压;其次,采用高斯回归过程获取学习样本所蕴含的非线性映射关系,并通过差异进化算法优化这个过程所涉及的关键参数集;然后,根据所建立的回归模型,根据目标区域的实测位移及孔隙水压,再次采用差异进化算法对岩体参数进行寻优计算,获得参数反分析结果。最后,将反演值与实测值进行对比,验证反分析得到的围岩参数的可靠性。     

隧道围岩破坏过程数值模拟方法研究

从理论上分析了隧道围岩渐进性破坏机理,以江西某隧道Ⅴ类围岩为背景,基于离散元理论,模拟了隧道围岩的破坏过程,并与现场结果进行了比较分析,PFC模拟结果与现场基本一致,结合数值计算的结果,提出了围岩动态压力拱的概念,研究成果对隧道塌方事故的预防及治理的研究提供了参考。     

超前开挖距离对大跨度小净距隧道稳定性影响的有限元分析

小净距双孔隧道开挖过程中两孔之间的相互耦合作用是施工过程十分关心的问题,其相互影响与围岩类别、隧道跨度、隧道间距、开挖和支护方式有关.利用ANSYS有限元软件对重庆花土岗隧道开挖过程进行了数值模拟,计算了在两孔开挖方向上相距分别为10 m,30 m,50 m时,开挖对地表沉降、围岩变形和围岩应力的影响.研究表明,先行洞超前开挖距离的增大有利于隧道围岩的稳定,对本隧道采用超前开挖30 m的施工方案是可行的;基于ANSYS有限元对开挖过程的数值分析结果,指出小净距双孔隧道施工过程中重点监控与关注的位置.本文的分析方法和计算结果对小净距隧道设计、施工具有一定的参考价值.     

复合采动对边坡岩体变形与稳定性影响的研究

 博士学位论文摘要　随着国民经济的飞速发展, 大量山区铁路越岭隧道的建设, 使得隧道修建及运营过程中涌水地质灾害成为勘测设计阶段需重点考虑的问题之一, 而尤以隧道可能涌水区段及涌水量大小的预测计算为这一问题关键之所在。针对隧道工程勘测设计、施工及运营中的这一实际需要, 根据隧道围岩介质的类型(主要为裂隙型和裂隙岩溶型) 及以往对该类问题研究工作的不足, 提出了地下水渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测研究命题。结合该研究命题, 作者展开了以下内容的研究工作:(1) 通过对隧道修建地区地质及水文地质条件的调研分析, 确定隧道可能穿越含水裂隙围岩介质的区段;(2) 应用数理统计学及随机模拟学方法, 对隧道含水裂隙围岩介质的结构特征进行量化分析, 确定其围岩结构类型, 为裂隙围岩介质水力学及力学性质的研究提供建模依据;(3) 以单条裂隙结构面中地下水渗流特性研究为基础, 提出了对裂隙围岩介质中地下水渗流场进行分析研究的三类数学模型(包括双重介质模型、等效连续介质模型和离散裂隙网络模型) , 并首次引入三维有限单元数值模拟方法对等效连续介质模型进行计算;(4) 以弹性力学理论为依据, 建立了隧道裂隙围岩介质所赋存地应力场环境的数学模型;(5) 考虑到研究中能真实反映隧道含水裂隙围岩介质发生涌水地质灾害的实际情况, 同时克服以往这一方面研究工作中的不足, 根据对隧道含水裂隙围岩介质中地下水渗流场与地应力场耦合作用的机理研究, 尝试性提出了双场耦合作用数学模型,与类似研究不同的是, 在模型中将地下水渗流作用力作为点集中荷载考虑;(6) 以双场耦合作用机理研究及耦合数学模型的求解为基础, 得出了渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测计算方法(解析法和水文地质数值模拟法) 。通过以上理论分析, 给出了渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测计算的研究工作程式。最后将此研究工作程式应用于目前在建的西(安) —(安) 康铁路秦岭特长隧道涌水量的预测计算中, 得到了较好的效果, 从而证明本论文的研究工作不是一次成功的尝试。     

大断面小净距隧道水力耦合围岩稳定性数值模拟

以在建富水区大断面小净距公路隧道为工程依托,通过自主开发的弹塑性应力-渗流-损伤耦合有限元计算模型对水力耦合作用下大断面小净距隧道围岩稳定性进行计算。采用差异进化算法进行损伤参数反演,在所得反演参数的基础上,对不同净距下,所选开挖断面处围岩的塑性区分布、损伤场演化规律和不同注浆圈参数对隧道周边损伤值及洞内涌水量的影响规律进行计算结果分析。     

三维离散元土石混合体随机计算模型及单向加载试验数值模拟

针对土石混合体提出了一种随机计算模型。在该模型中,可以模拟土石混合比、块石尺寸、块石形状等。给出了随机模型的实现方法,同时对该随机模型的算法可靠性进行了验证。通过统计分析的方法研究了单轴受压情况下土石混合体内部应力场分布与土石配比、岩石块度大小等因素的关系。并进一步给出了土石混合体的应力-应变特性和强度特性。     

断续节理岩体随机模型三维离散元数值模拟

针对断续节理岩体提出了一种随机计算模型。在该模型中，假设结构面的形状为正方形，通过岩体结构面的统计分布函数模拟结构面的空间随机分布。给出了随机节理模型的实现方法，对该随机模型的算法可靠性进行了验证。通过单向加载模拟试验研究了节理岩体破坏强度与节理倾角及节理连通率等因素的关系，并与极限平衡条件推导的理论结果进行了比较，分析了数值模拟结果与极限平衡理论结果的异同性，进而验证了节理随机计算模型的可靠性。同时，研究了节理连通率与岩体等效弹性模量之间的影响关系，给出了二者的影响关系式。     

基于集合卡尔曼滤波的岩土力学参数动态估计

 针对非确定性过程，引入集合卡尔曼滤波(EnKF)理论，视岩土变形体为一个随机动态系统，将位移观测值作为系统的输出，用集合卡尔曼滤波模型来描述系统的状态；进一步耦合数值分析方法实现岩土力学参数的随机动态估计，在有效地获得待估参数的同时还给出估计值的不确定性。通过数值算例表明，集合卡尔曼滤波可以有效地对含噪声的量测数据进行处理，能够跟踪岩土力学行为的动态变化。对比于常用最优化算法，集合卡尔曼滤波同时给出反演结果和先验知识的后验分布，显示出更好的实时性和可靠性。     

基于扩展卡尔曼滤波的岩石流变模型参数识别

针对岩石材料本身复杂性及观测条件引起的室内外试验数据中存在的不确定性,引入卡尔曼滤波方法,将岩石流变模型参数视为某随机过程的状态估计量,构造相应的卡尔曼滤波方程进行参数识别。以构皮滩水电站岩石工程黏性软岩的单轴压缩蠕变试验为例,对广义开尔文模型的有关参数进行识别,结果表明该方法具有很高的识别精度。同时探讨不同观测误差对滤波过程及参数识别结果的影响,数值试验表明该算法具有较强的抗噪声干扰能力,为解决岩石力学参数识别中的不确定性问题提供一个有效的理论方法。     

Stress–strain–electrical resistance effects and associated state equations for uniaxial rock compression

This paper reports stress–strain–electric resistance experiments for diabase, limestone and marble containing NaCl solution during the whole process of uniaxial compression. We obtained the complete testing data for the stress–strain curve and the associated electrical resistance–strain curve. The change caused by internal cracking of the rock causes the corresponding variation of rock electrical resistance. There is a minimum value for all the electric resistance–strain curves, corresponding to the cracking stress σ_c or the initial cohesion c_i. Based on the experimental results and stochastic property analyses of the rock fracture variation, we put forward a group of state equations for rock in sections to express the characteristics of rock during the whole process of uniaxial compression. The three variables, stress, strain and electrical resistance, together with data-fitted parameters, α₁,α₂ and β, are contained in the equations. The equations are used to express the inelastic response which intensifies with the propagation of cracking.     

岩体随机结构面三维网络的生成和可视化技术

在总结随机结构面网络模拟研究关于结构面三维网络生成和可视化成果的基础上,假定结构面为Baecher圆盘形,考虑结构面大小、位置、产状、隙宽等要素,采用泊松随机过程生成随机结构面网络的样本单元。其中较为详细地介绍了利用结构面的空间几何关系获得结构面网络的交会信息方法,利用FORTRAN90编程语言编制生成三维结构面(渗流)网络的专用程序FRCGEN-3D,该程序也适用于三维结构面网络模拟研究岩体楔形体稳定和连通率求解问题。为使复杂的三维结构面空间几何关系得到展示,进一步借用OPENGL强大的图形处理编程功能,在此基础上完善了一套完整的三维结构面网络模拟专用的可视化系统V-FNW。该可视化系统具有交互界面和三维图形渲染、旋转、交切等功能,为结构面网络模拟研究岩石力学和裂隙网络水力学提供了一个可视化平台,具有相对广泛的应用价值和研究价值。     

动态变形监测应用中的Kalman滤波方法研究

标准Kalman滤波最优算法是建立在给定准确的函数模型和随机模型基础之上的,因而其使用受到一定限制,于是出现了不少改进算法,这些方法各有其特点和相应的应用场合,且有些经验参数难以确定。本文利用GPS模拟实验数据,分别采用标准Kalman滤波、抗差Kalman滤波、Sage自适应滤波、抗差自适应Kalman滤波以及其改进算法五种方案进行滤波处理,比较分析了各种Kalman滤波方法在变形监测应用中的优点和不足,并提出了改进方案,以指导实践应用。     

基于对数正态分布的岩石损伤本构模型研究

根据岩石微元物理力学性能服从随机分布的特点,采用对数正态分布作为岩石微元强度的概率分布模型,结合损伤力学理论和统计强度理论,建立了三轴压缩条件下的岩石损伤本构模型。在此基础上,考虑岩石破裂过程全应力应变曲线的特点,利用多元函数极值理论依据试验曲线的特征参量确定出损伤本构模型参数。与试验结果及前人研究结果比较,该模型形式简单,参数求取容易,能较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,表征岩石破裂过程的全应力应变关系。     

弹塑性随机介质法及其在隧道施工引起的岩层位移及应力分析中的应用

应用随机介质理论，视隧道开挖所引起的地层移动为一随机过程，得到隧道开挖引起的地层移动和变形值的计算公式。应用弹塑性介质的本构理论，视岩体为弹塑性体，得到隧道开挖引起的地层应力变化计算公式、计算程序。现场实测结果与计算结果的对比表明，所提出的计算方法和程序可以达到良好的预计效果。