基于复变量微分法的改进反分析方法及其验证

对Levenberg-Marquit优化方法中利用差分法计算偏导数带来的计算精度与效率偏低等缺点,通过采用复变量微分法取代常用的差分法进行偏导数计算,从而实现了对Leven-berg-Marquit优化方法的改进,对地下巷道弹性位移优化反分析构造了一种改进算法。该方法以复函数泰勒级数展开为理论基础构造复变量微分法,通过函数计算直接求得偏导数,由此形成了改进的Levenberg-Marquit优化反分析方法,并编制相关计算程序。最后,通过地下巷道弹性位移优化反分析实际算例表明,建立的改进反分析方法在计算的精度与速度方面都明显优于以往的方法,可用于工程实际。     

岩石力学反问题的几个基本问题

就岩石力学反问题的几个基本问题进行了讨论,即岩石力学参数和初始地应力的可辨识条件及其在巷道位移反分析中的应用;金属支架荷载反算解的稳定性分析;地下巷道位移反分析中各种优化方法的探讨;巷道位移反分析测点的最优布置;巷道位移反分析有限元网格划分范围的确定;弹塑性位移反分析的可靠性研究及巷道的孔形优化.     

巷道围岩参数及地应力可辨识性的探讨

利用巷道围岩位移反求地应力及围岩参数是一种行之有效的方法.但这种位移反分析法并非能够求出所有参数,能求出的参数个数是一定的.本文利用参数可辨识条件探讨了围岩参数和地应力的可辨识性问题,可辨识性是在有位移解析表达式的基础上进行的.本文利用平面弹性复变方法和一般弹性理论求得了任意形状巷道的位移解析表达式,并在此基础上证明了参数可唯一辨识的最多个数及分析了量测点布置对可辨识性的影响.     

可靠度反问题分析方法在地下软岩工程中的应用

介绍了概率随机可靠度计算理论中改进的一次二阶矩法及可靠度反问题计算理论.以一软岩巷道稳定可靠度的问题为例,应用可靠度反问题分析方法作了参数的计算,并对结果进行分析,表明该方法对地下软岩工程中设计参数的控制具有指导作用.     

基于改进同伦算法的材料特性参数识别

随着仿真过程中对材料参数精度的要求不断提高,通过计算反求技术获取材料特性参数成为实现精细化建模的重要方法。如何能准确、高效地获取材料特性参数成为研究的热点。提出1种基于改进同伦算法的材料特性参数反求方法。首先,以准静态拉伸实验获取的力-位移曲线作为测量响应,并在敏感性分析基础上建立材料特性参数反求的目标函数。其次,对同伦算法进行改进,采用曲线预估代替传统的欧拉预估作为反求工具。最后,基于改进同伦算法给出某金属材料硬化系数和硬化指数的反求结果及收敛曲线,并与传统方法进行对比验证。结果表明,改进后的同伦算法能在不影响精度的情况下大大提高计算效率。     

优化方法在弹性、横观各向同性以及弹塑性围岩变形观测反分析中的应用

本文采用四种最优化方法对地下工程围岩的岩体力学参数和初始地应力进行了优化位移反分析研究工作,编制了一套平面问题直接算法有限元程序,能解决弹性、横观各向同性及弹塑性等多种岩体互层的复杂围岩的优化位移反分析问题。结合两个工程实例进行了计算,结果是令人满意的。     

地下开挖中岩体最大位移的粘弹性近似解

本文首先利用弹性理论解得地下水平巷道端部最大位移的近似解,然后利用拉氏变换法解得端部位移的粘弹性解,从而考虑了地下巷道位移计算中的时间效应。     

弹性准饱和土中球空腔的动力响应

采用工程上通用的土力学模型,考虑饱和度对球空腔动力响应的影响,利用Laplace变换求解了弹性准饱和土中球空腔的动力响应问题,得到了变换域内的解析解。借助数值Laplace反变换,数值分析了弹性准饱和土中球空腔动力响应的位移、应力及孔压的变化规律。为分析地下结构动力响应提供了一种有效的方法,模型符合工程实际,有一定的工程应用价值。     

车站明挖基坑与相邻地下道路的相互影响分析

佛山市南海区新型轨道交通系统试验段工程—佛山一环地下车站紧邻北侧佛平路地下道路。本文以佛山一环站为例,通过将土体、车站基坑及其围护结构、地下道路建立在同一个有限元模型中进行整体分析,考虑了其相互影响,从而解决了常规弹性支点杆系分析方法不适用于非对称基坑的问题。通过各有限元软件对比计算发现,常规平面杆件弹性算法不能准确计算基坑的位移,且可能存在个别支撑轴力计算偏小的情况。计算还表明,三维有限元分析得到支护结构以及相邻地下道路的变形均较二维有限元计算结果偏小,二维计算是偏于保守和安全的,可以满足一般工程的需求。本文同时指出,鉴于土体有限元分析的近似性和土层参数的离散性,在类似基坑的设计中也应采取有效的措施,确保基坑开挖过程中相邻建(构)筑物的安全。该明挖基坑的设计及计算分析可为今后类似工程提供参考和借鉴。     

弹性介质岩体中非圆形洞室位移分析计算

围岩的应力场和位移场是地下工程设计首先必须解决的主要问题之一。一般通过现场试验来测定,不但费工费时,而且往往很难得到理想效果。七十年代以后,新奥法之所以先进,为许多国家所接受,在于利用现场监测进行反馈,指导设计施工;八十年代又在此基础提出了多种位移反分析的方法,用少数的实测数据分析洞室稳定,获得较为满意的结果。本文采用穆斯海里什维里弹性平面问题的复变函数解法的基本原理,对非圆形地下洞室位移反分析进行了探讨,从理论上推导了应力场和位移场的一系列公式,并利用数理统计方法进行分析计算,通过电子计算机进行试算法能很简捷地确定映射函数,最后提出实际应用的方法步骤。根据某一工程实例计算,说明用此法反馈计算的位移值与位移实测值最大相差11.67×10~(-3)厘米,仅占最大位移实测值7.69％,对工程具有一定的实用价值。     

围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法探索

在按弹塑性理论进行地下工程设计与分析时，真实工作状态下岩体力学参数的确定十分重要和必要。为确定这些岩体力学参数，从洞室监测过程中的实际情况出发，根据掌子面的推进过程与监测位移间的变化情况，将监测位移进行弹塑性分离，从而提出一种行之有效、易于工程实际操作的考虑围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法。该反分析方法所得结果与设定值吻合良好，并通过工程实例得到验证，为工程实践提供一个切实可行的实施方案以确定这些有用的参数，是岩土工程信息化设计、施工的重要手段。     

位移反分析有限元网格划分范围的研究

在初始地应力和岩石性质参数已知的情况下,利用平面弹性复变方法获得了深埋地下洞室的位移解析解。在使用有限单元法进行位移反分析时,将此位移视作为“实测位移”。给定不同大小的有限元网格划分范围,可以反算出不同的初始地应力和岩石性质参数,将此结果与给定的已知值进行比较,即可确定满足精度要求的有限元网格划分范围。     

等值地应力下岩质圆形隧道位移释放系数比较及应用

 隧道前期变形是利用收敛约束法确定支护压力和围岩稳定变形的关键,在分析隧道开挖面空间效应机制的基础上,总结具有代表性的深埋岩质圆形隧道位移释放系数公式,对其进行分类、适用性及空间效应的比较,得到不同位移释放系数、不同支护施作距离和不同控制目标下的收敛约束差异。研究结果表明：以围岩塑性区最大半径为基础的位移释放系数对弹性围岩和各种弹塑性围岩均适用,具有广泛的工程应用前景;弹性位移释放系数仅适用于弹性围岩,常用塑性位移释放系数仅适用于相对半径为2的隧道围岩;不宜将依据距开挖面较远处得到的支护压力而设计的支护结构随意前移构筑,应依据实际工程的围岩特性,合理选择位移释放系数公式,适时施作不同刚度的支护。     

关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索

 长期以来,地下隧洞围岩稳定性分析没有科学合理的方法,一直停留在以洞周某点位移或塑性区大小的经验值作为判断稳定性的依据。隧洞洞周位移或收敛位移受围岩弹性模量、洞室形状大小等因素影响,洞周不同部位的位移值也不相同,很难找到统一的位移判据标准。以塑性区大小作为围岩稳定性的判据要优于位移标准,但围岩塑性区受泊松比、洞室形状大小等因素影响,不同软件计算出的塑性区大小也有差异,这种方法同样也不可靠。由此可见,传统的经验分析法不够合理。为此,提出将基于有限元强度折减法求出的安全系数作为稳定性分析判据,该判据有严格的力学依据,有统一的标准,而且不受其他因素的影响。以黄土洞室为例,提出洞室的剪切与拉裂安全系数的概念,通过不断折减土体的抗剪强度参数c,j 值或c,j 与抗拉强度,使黄土隧洞围岩塑性区不断扩展,直至塑性应变或位移发生突变时,即表明隧洞发生剪切破坏,此时的折减系数即为剪切安全系数。通过不断折减土体的抗拉强度参数,使黄土隧洞内临空面处(不包括底部临空面)围岩出现第一个单元拉裂破坏时,即表明隧洞发生拉裂破坏,此时的折减系数即为拉裂安全系数。该研究仅是对围岩稳定性分析方法的尝试性探索,供同行分析、讨论。     

弹性支点法的m值反分析的研究

在弹性支点法有限元正分析的基础上 ,利用非线性规划中的最优化方法———单纯形加速法 ,采用直接反分析法对深基坑被动土体参数m值作了反分析 ;而且利用反分析所得参数m值进行了有限元正分析 ,以预测下一开挖阶段可能产生的侧向位移 ,均获得较满意结果     

软弱围岩蠕变损伤机理及合理支护时间的反演分析

基于软弱围岩的蠕变损伤机理，提出了围岩蠕变损伤具有变形损伤与时间损伤耦合效应的观点。运用Burgers模型引入蠕变损伤变量，采用位移反分析方法对圆形巷道的粘弹性变形规律进行研究，得出软岩巷道合理支护时间的确定方法。通过工程实例证明该方法是合理的。     

基于差异进化算法反演参数的隧道稳定性分析

在隧道和地下工程弹性问题的位移反分析中,当基本未知数多于三个时,在各参数可能的变化范围内找到一组使误差最小的最佳参数的优化反分析方法是当前岩土工程反分析研究的热点问题。论文结合一种新型的优化算法(差异进化算法),依托摩天岭1＃斜井隧道工程施工,跟踪施工进行了典型断面围岩位移监测,以现场量测位移作为基础信息求得了斜井隧道全局最优值的最佳力学参数组合。根据以上采用差异进化算法求得的反演参数,对摩天岭1#斜井隧道单层衬砌支护稳定性进行了三维数值模拟分析,分析表明,摩天岭1#斜井隧道III级围岩段喷15 cm厚钢纤维混凝土支护后,斜井隧道围岩最小应力明显降低,围岩位移明显减小,因此建议摩天岭1#斜井洞身段III级采用15 cm厚度的钢纤维喷射混凝土单层衬砌。以上研究直接指导了摩天岭隧道单层衬砌设计和施工。     

深埋双隧洞开挖的解析延拓法求解

 将隧洞所处的地下空间转换为平面应变情况下的弹性半空间,考虑两隧洞开挖次序的影响,利用解析延拓法及Schwarz交替法求解出弹性半空间内2个任意形状任意尺寸的双隧洞在任意相对位置下其半空间内任意一点的应力解和位移解的隐式表达式。将双圆形隧洞作为特例,考虑到隧洞埋深与孔径相比比较大,从而不考虑重力梯度的影响,将重力化为作用在边界上的均布外荷载,考虑2个隧洞衬砌法向反力的影响,求解出弹性半空间内圆形双隧洞任意一点处的应力值和位移值解析解的具体显式表达式。最后利用二维有限元分析对理论推导的两圆形孔洞解析解进行验证,表明解的可靠性。     

隧道围岩位移智能化反演研究

在分析隧道工程特点及围岩位移反分析研究现状的基础上,着重介绍了三种位移智能反演方法的原理、特点及普遍存在的问题,经研究证实了隧道位移智能化反演结果的正确性,对隧道围岩稳定性评价、信息化施工及岩石力学反问题研究具有重要意义.