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。     

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识.以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究.先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法.然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分.并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法.最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例.     

西原模型对岩石流变特性的适应性及其参数确定

通过对伯格斯体与西原体的对比分析，认为西原模型能模拟各种岩石流变特征，而伯格斯体仅适合用于较软岩。由于考虑到荷载与起始流变应力的关系，西原模型的本构关系用分段函数表示。当σ〈σs时，西原模型的蠕变不导致无限变形，松驰不导致应力为0；当σ≥σs时，蠕变导致无限变形，松驰也不导致应力为0。伯格斯体忽略荷载与起始流变应力的关系，认为只要有荷载作用于岩体上，就会导致无限变形，这与岩石的实际流变规律相矛盾。此外，利用三轴压缩蠕变试验结果，分别利用伯格斯模型及西原模型，运用最小二乘法对赵各庄煤矿断层破碎带灰黄色糜棱岩的流变曲线进行了拟合，并求取了流变参数。拟合结果表明，西原模型比伯格斯模型更适合于描述岩石的蠕变特性。     

基于模式–遗传–神经网络的流变参数反演

介绍了一种岩石流变多参数反演的智能方法。该方法把遗传算法和神经网络有机结合起来，并在遗传算法中嵌入模式搜索加速优化进程；该方法基于均匀设计获得的样本进行神经网络学习，用模式–遗传–神经网络进行岩体流变参数的最优辩识。该方法用经过最佳预测学习算法训练的神经网络来表达岩体流变参数和位移之间的映射关系，除具有一般遗传算法的优点外，还提高了参数反演的精度，节省了参数反演的计算时间，使得某些原来用传统优化方法在时间上几乎无法进行的参数反演如今变为可能，并用工程实例验证了此方法的可行性与优越性。     

基于模式-遗传-神经网络的流变参数反演

介绍了一种岩石流变多参数反演的智能方法。该方法把遗传算法和神经网络有机结合起来,并在遗传算法中嵌入模式搜索加速优化进程;该方法基于均匀设计获得的样本进行神经网络学习,用模式–遗传–神经网络进行岩体流变参数的最优辩识。该方法用经过最佳预测学习算法训练的神经网络来表达岩体流变参数和位移之间的映射关系,除具有一般遗传算法的优点外,还提高了参数反演的精度,节省了参数反演的计算时间,使得某些原来用传统优化方法在时间上几乎无法进行的参数反演如今变为可能,并用工程实例验证了此方法的可行性与优越性。     

基于最小二乘法的斜拉桥施工控制中的参数识别

参数识别与施工调整是斜拉桥施工监控中的关键步骤.在各施工梁段中,根据状态变量实测值增量与理论值增量的差值,利用最小二乘法对影响参数进行误差识别,据此可对未施工梁段相应参数进行误差预测和调整分析.所介绍的方法简单、实用、操作性强,具有一定的参考意义.     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究及其参数识别

基于岩石加速蠕变阶段的力学状态特征,提出一个非线性黏滞系数的牛顿体,建立一个新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型,该模型能够很好地模拟岩石非线性蠕变的衰减、稳态和加速蠕变3个阶段,而且在一定条件下该模型可以蜕变为Burgers或西原模型;基于提出的非线性蠕变模型,推导岩石在不同恒定荷载情况下的蠕变方程,分析岩石蠕变的非线性特征.采用岩石全自动三轴流变伺服仪,对锦屏一级水电站工程左岸高边坡砂板岩和大理岩进行三轴蠕变力学试验,获得典型的岩石加速蠕变曲线.将Quasi-Newton算法(BFGS)嵌入到最小二乘法(LSM)中,提出BFGS-LSM算法,该方法能够快速准确地逼近精确解,并且不易收敛于局部极小点;采用该算法,利用获得的岩石全程三轴蠕变试验结果,对岩石非线性黏弹塑性蠕变模型参数进行辨识,辨识的结果和试验曲线吻合较好.     

一种新的岩石流变模型

根据岩石加速蠕变阶段的力学特性,提出了一种非牛顿流体粘滞阻尼元件,将该阻尼元件与描述岩石减速蠕变和等速蠕变特性的传统模型结合,构成了新的综合流变力学模型,并应用于描述某大型水电工程坝区断层岩蠕变特性,效果良好。     

石膏角砾岩流变特性及流变模型研究

石膏角砾岩蠕变试验结果表明其具有非线性及加速蠕变特性,因此提出2种非牛顿体粘滞元件,建立新的复合流变力学模型,推导了相应的一维和三维蠕变本构方程,对试验结果进行模拟。结果表明,该模型能较好地描述石膏角砾岩流变的全过程。     

用统一流变力学模型理论辨识流变模型的 方法和实例

 M. Reiner用弹簧、摩擦片和黏壶这3个元件分别模拟岩石的弹性、塑性和黏性,且用其并联组合可组成7个不同的模型。其中与黏壶并联的有4个(包括黏壶本身),称为基本流变力学模型,对应于与时间有关的4种基本流变力学性态。用这4个基本流变力学模型进行串联组合,可以形成15个流变力学模型(包括4个基本流变力学模型和11个复合流变力学模型)。将包含全部4种基本流变力学性态的模型称为统一流变模型,它包括了其他14个模型,也即其他14个模型都是统一流变模型的特例。根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变曲线的特性,可以全面地辨识出与15种流变力学性态相对应的15个流变力学模型,且15个流变力学模型与15种流变力学性态是一一对应的关系,对模型的辨识具有惟一性。虽然,在其他文献中有一些模型与这15个模型有差异,但可以通过等效变换转化成为这15个模型之一。根据所提出的统一流变力学模型及其性质,详细论述了用不同应力水平下的加卸载蠕变试验结果辨识与岩石流变性态对应的流变力学模型的方法,并采用2种岩石的相应蠕变试验结果,给出了辨识其流变力学模型的例子。     

基于模糊理论的软岩黏弹性模型识别及参数反分析

对岩石黏弹性模型进行总结，将复杂的黏弹性模型方程转化为统一的线性方程，基于实测数据运用回归分析法和模糊数学方法，通过对线性方程参数的反分析得到统一模型的参数，运用模糊关联度分析法对具体岩石黏弹性模型进行识别，进而根据统一模型参数可反求出黏弹性模型方程的参数。研究表明，对黏弹性本构模型采用线性化处理，用统一的线性方程表示复杂的本构方程简化模型的识别和参数的获取过程。最后利用一矿山软岩流变试验结果对其黏弹性模型进行识别和模型参数进行反分析。计算结果表明，样品Ⅰ-1，Ⅰ-2黏弹性模型服从麦钦特体，样品Ⅱ-1，Ⅱ-2黏弹性模型服从H-K体，通过计算出黏弹性模型参数，得出软岩黏弹性模型的回归方程，所得结果与实际情况比较一致。     

基于层叠模型的岩土材料流变本构关系识别

层叠模型是一个强大流变模型库,层叠模型参数确定的过程也是本构关系识别的过程。在它的基础上,介绍了一种岩土材料流变本构关系的识别方法,为克服流变本构模型识别过程中强烈依赖于特定模型的不足提供了新的思路。通过目标函数对设计变量的敏感度分析选取非线性优化初始值,较有效地克服了它在流变本构模型参数确定过程中易陷入局部极值的不足,从而为非线性位移反分析法(有限元与复形优化方法相结合)提供了一种初始值选取方法。     

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。     

改进西原模型的三维蠕变本构方程及其参数辨识

 传统西原模型由虎克体、黏弹性体以及黏塑性体串并联组合而成,难以描述岩石非线性加速蠕变阶段的流变特性。通过在西原模型上串联一个带应变触发的非线性黏壶,提出改进的西原模型,推导岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程,并采用该流变模型对三峡库区万州红层砂岩流变试验全过程曲线进行辨识,获得模型各参数值。与试验结果的对比分析表明,改进的西原模型不仅可以充分反映岩石初期蠕变、稳定蠕变阶段的流变特性,还可以很好地描述岩石加速蠕变阶段的蠕变规律,明显优于传统的西原模型。加速蠕变是滑坡临滑预报的关键阶段,该模型对加速蠕变阶段的成功描述,对滑坡临滑预报具有一定的指导意义。     

基于Hoek-Brown准则的岩石损伤本构模型研究及其参数探讨

 在Hoek-Brown准则及假定岩石颗粒服从Weibull函数随机分布的基础上,结合岩石峰后软化的特点,对损伤参量进行合理修正,建立能反映岩石破裂全过程的三维损伤本构模型,并通过试验验证该模型的正确性。研究结果表明,该模型结果与试验结果吻合程度较好。在此基础上,探讨Weibull分布参数及Hoek-Brown准则中参数对岩石损伤本构模型的影响,对实际工程中适用于该准则的岩石有较好的参考价值。     

基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型研究

在对盐岩在蠕变试验中所表现的损伤特征认识基础上,利用对应性原理建立了基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型。该模型能够体现考虑损伤和不考虑损伤的蠕变力学过程的巨大差别,应变率随着有效蠕变应力的增大而增大的特征,及在一定畸应力作用下随着静水压力的增大蠕变应变率变小的特征。