考虑流变参数弱化综合影响的软岩蠕变损伤本构模型及其参数智能辨识

根据损伤的定义和软岩的蠕变破坏特点,提出反映应力水平和时间因素对弹性模量弱化综合影响的软岩蠕变损伤变量的一般表达式,推导并建立软岩蠕变损伤演化方程,探讨损伤变量随应力水平和时间的变化规律。以Burgers模型为基础,建立可考虑参数综合弱化的软岩蠕变损伤本构方程。修正后的Burgers蠕变损伤本构模型体现了参数随时间增长和应力水平增大的弱化现象,反映了岩石材料的损伤劣化过程。基于粒子群优化算法(PSO)具有迭代过程简单、能有效地收敛到全局最优解等优良特性,提出基于PSO的蠕变损伤本构模型参数智能辨识的方法和步骤。采用MATLAB软件,编制基于粒子群优化算法的参数辨识程序。以某深部软岩试样蠕变试验为例进行验证分析,结果表明采用考虑参数综合弱化的蠕变损伤本构模型具有较好的实用性。     

高地应力下大型地下洞室群开挖顺序 与支护参数组合优化的智能方法

 针对高地应力下围岩变形破坏的特殊性以及大型地下洞室群开挖支护优化计算量大的特点,在三维弹塑性数值计算的基础上,采用反映高地应力下脆性岩石变形破坏特点的新本构模型,提出基于弹性释放能、塑性区体积、洞室周边位移与支护费用的地下洞室群开挖顺序与支护参数组合方案的综合优化新指标,综合集成粒子群与支持向量机的智能技术,提出高地应力下地下洞室群开挖顺序与支护参数的智能优化新方法。该方法通过典型施工方案的数值计算构建学习样本,采用支持向量机方法对样本进行学习与预测,建立起施工方案与综合优化指标之间的非线性映射关系,在具有一定约束条件的全局空间下,通过粒子群优化算法搜索出开挖顺序与支护参数的全局最优组合方案。将该方法应用于高地应力区黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群的开挖顺序和支护参数优化分析,结果表明该方法的可行性。     

深埋硬岩隧洞开挖诱发破坏的防治对策研究

 针对深埋硬岩隧洞围岩脆性破坏分析时传统应力指标的局限性和相应防治措施理论研究不足的特点,在数值分析中应用反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的RDM本构模型,结合局部能量释放率评价指标分析硬岩脆性破坏过程中能量释放的强弱,对深埋隧洞开挖过程中防治围岩脆性破坏的设计及施工措施进行综合性研究。首先,通过评价隧洞群洞间距、施工进度等设计方案对围岩能量释放的影响,提出预防岩爆发生的区域性对策。然后,针对能量释放的时空演化规律,本着减压卸能的原则,给出支护时机、支护类型和参数的设计建议。同时,在施工控制措施方面通过分析在掌子面上布置应力释放孔爆破卸压防治岩爆的效果,给出应力释放孔布置方案的优化建议。最后,应用上述方法对锦屏二级水电站辅助洞围岩的脆性破坏提出工程防治措施,实践结果表明,所提出的防治对策完全可行,可供类似工程借鉴。     

考虑高地应力下围岩劣化的硬岩本构模型研究

鉴于高地应力环境下洞室开挖过程中围岩脆性破损行为和破损区内岩体力学性质发生改变的工程事实,并认为岩体破损劣化过程是岩体力学参数降低的过程,提出考虑高地应力硬岩地层中开挖扰动下围岩劣化的硬岩本构模型.该模型的应力-应变关系具有明显的线弹性段、应力跌落段和塑性流动段,其后继屈服面具有随等效塑性应变发生形状和面积改变的特点,可以实现岩体累积损伤过程中力学参数(弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角ψ)动态劣化,并可以与目前较广泛使用的岩土工程软件FLAC3D相结合.室内花岗岩三轴压缩试验曲线的拟合和锦屏二级水电站厂房探洞开挖破损区的模拟验证,都说明该模型的正确性和可推广性.     

基于粒子群优化-高斯过程回归的智能岩土体参数快速反演方法

针对盾构隧道结构设计中勘察报告提供各土层c、φ值不准确或缺失,岩土勘察结论不明确等问题,提出了一种粒子群优化(PSO)与高斯过程回归(GPR)机器学习方法的协同优化算法(PSO-GPR)方法。该方法采用GPR模型来建立自变量与计算函数值之间的映射关系,并作为函数计算工具替代岩土力学计算中的高耗时的问题,实现PSO寻优加速。通过对南京地铁轨道交通1号线(七桥翁站到小天堂站区间)下穿宁铜铁路工程实例验证了反演方法的可行性,研究结果表明,对比基本PSO算法,该方法显著的减少了参数反演过程中的有限差分计算次数,计算效率明显较高,其对于复杂的岩土体参数反演问题具有良好的应用能力。     

Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究.结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:博士学位论文(1) 建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序.(2) 基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序.(3) 针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数.(4) 在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数.(5) 根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20 a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数.(6) 在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性.     

岩锚梁非绝热温升试验反分析研究及应用

混凝土热学参数的准确性直接影响仿真计算结果的工程应用价值,通过工程现场的非绝热温升试验获得这些参数不仅可靠而且经济。混凝土热学参数辨识是一个复杂的寻优问题,优化算法的选取是其中一个关键因素。PSO算法具有很强的可塑性,通过对约束条件的处理,将该算法应用于工地现场的混凝土非绝热温升试验反演计算中,并验证了反演结果的合理性,然后依据这些参数,采用三维有限单元法对工程岩锚梁混凝土施工期的温度场和应力场进行反馈计算,从而指导岩锚梁的施工。工程实例表明,PSO算法对多参数的复杂问题具有较强的寻优能力,是一种简单且易于实现的优化算法,值得在工程上推广应用。     

深埋硬岩隧洞系统砂浆锚杆的加固机制与加固效果模拟方法

系统布置的砂浆锚杆是深埋硬岩隧洞主要支护结构,锚杆与围岩组成锚杆–围岩复合结构体,使围岩的力学特性得到改善。基于岩体的莫尔–库仑(M-C)屈服准则,推导锚杆–围岩复合结构体满足M-C准则的应力条件。结合岩体劣化本构模型,提出确定锚杆–围岩复合结构体力学参数的方法。锚杆与弹性围岩和屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数确定方法不同,锚杆与屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数与围岩当前状态的等效塑性应变有关。基于此提出一种模拟隧洞开挖支护过程中系统普通砂浆锚杆加固效果的数值方法。该方法能较好地模拟锚杆支护时机对围岩稳定性的影响。最后运用该方法对锦屏II级水电站2#引水隧洞围岩稳定性进行分析,为隧洞的施工和支护设计提供参考依据。     

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

 针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。     

CPTU数据校准黏土和砂土统一模型本构参数的随机力学-贝叶斯方法

黏土-砂土统一本构模型CASM(Clay And Sand Model)与剑桥模型相比引入了状态参数，可描述黏土和砂土的复杂力学状态，但其本构参数(一类精细的岩土参数)因存在天然的变异性和认知的不确定性，难以精细确定。以CASM模型为基础推导球孔扩张和孔压静力触探试验CPTU(Piezocone Penetration Test)贯入机理，结合原位测试数据，采用随机力学-贝叶斯方法校准关键本构模型参数，如间隙比、应力状态系数、临界状态应力比和超固结比。首先推导基于CASM模型的球孔扩张理论，解释极限扩孔应力与CPTU数据的贯入力学机理。然后提出基于MCMC(Markov Chain Monte-Carlo)法的贝叶斯抽样算法。最后采用以上随机力学-贝叶斯方法校准上海苏州河段深层排水调蓄管道系统工程云岭西地区第⑧1层土和第⑧2层土的本构模型参数，并通过数值模拟评估本构模型参数后验分布的准确性。研究结果表明：本构参数经过贝叶斯理论校准后，其变异性减小，且具有一定的统计相关性。利用校准后的本构参数进行基坑开挖模型数值计算，得到的结果更加符合工程监测值，证明了利用原位测试数据校准本构参数的随机力学-贝叶斯方法的有效性。以上研究揭示了CASM本构模型与CPTU数据之间的力学机理和数学统计规律，并为其他本构模型的开发和参数校准提供了新的研究思路。     

劣质岩(问题岩)的类型及其工程特性

本文将具有各种不良工程特性并极易引发工程事故的岩石和岩体称为“劣质岩”(问题岩)”。文中分别论述了极软岩、膨胀岩、构造岩、片状变质岩、含盐岩、疏松岩、风化岩等常见劣质岩(问题岩)的成因和工程特性,以引起工程界的注意和进一步研究。     

岩石边坡支挡结构上岩石压力计算方法探讨

在山城建筑中，岩石边坡支挡结构上的岩石压力至今尚无法计算。当前设计中，一般引 用挡土墙上土压力计算公式，导致设计十分保守。为此，提出一种经验与理论结合的方法，先将 边坡岩体按稳定性分类，然后按岩体类别给出相应的岩石压力计算公式。     

基于岩体质量指标BQ的岩质边坡工程岩体分级方法

 对于线路工程上具有普遍性的岩质边坡,因数量多,范围广,工程勘察深度相对较浅。依据规范的测试和试验,建立一种基础性岩体质量评价方法,实现边坡工程岩体分级,并根据行业要求与经验提出支护措施,对提高岩质边坡工程设计与施工的科学性无疑具有重要的意义。针对现有的《工程岩体分级标准》(GB50218-94)没有涉及边坡工程岩体分级,在深入研究和系统消化边坡工程岩体分级成果基础上,提出基于岩体质量指标BQ的岩质边坡工程岩体分级方法(简称BQ-RSlope方法)。该方法在岩体基本质量指标基础上,考虑控制边坡稳定性的主要结构面类型与延伸性、结构面产状与坡面间关系以及边坡内地下水发育程度等影响因素,对岩体基本质量指标进行修正,由此确定边坡工程岩体级别,并给出各级别边坡工程岩体自稳能力的评价。结合4个边坡工程10个坡段的应用性验证,表明依据文中方法获得的各边坡坡段的岩体质量分级以及该基于质量指标对边坡稳定性的评价结果与工程实际总体相符,提出的依据BQ的岩质边坡工程岩体分级方法是合适的。     

切削和侵入作用下层理岩层破碎机理浅析

层理岩层是石油钻井中经常遇到的一类地层,特别是在页岩气开采过程中,所钻页岩属于典型的层理岩层。研究层理岩层在钻齿作用下的破碎机理对于控制井眼轨迹、优化钻进参数、提高钻进效率都有很大指导作用。在以往岩石破碎机理研究中,一般多假设岩石介质为各向同性;但是对于层理岩层,由于其表现出强烈的强度各向异性特征,各项同性假设不再适用。本文利用离散单元方法(PFC2D)建立了钻齿与层理岩层相互作用模型。研究了层理岩层在钻齿切削和侵入过程中的破碎情况、裂纹的扩展情况以及钻齿受力情况。研究表明:切削力根据层理倾角分为高切削力区和低切削力区;液柱压力的存在对裂纹扩展有抑制作用,增大切削力;在岩石侵入过程中,层理的存在改变了裂纹的走向,当主裂纹扩展至层理处时,裂纹不再向岩石内部扩展,而是朝着层理的方向扩展。     

孔径变形法测试地应力弹性模量参数选取分析

 随着大型水电工程和地下空间工程建设的发展,势必会加大研究岩体的应力测量技术及应力对工程岩体、工程建设的影响。以黄登水电站坝区岩体地应力测量为背景,通过岩芯围压试验、室内岩块压缩变形试验等方法测试弹性模量,其测试成果在各种试验中有很大的不同,因此采用岩石损伤力学、高围压下岩体特性等理论对该现象进行分析;同时,根据卸荷岩体特性对地应力测试中应力解除过程进行分析,确定扩容对地应力测试的影响。研究结果表明,随着围压的增加,岩体弹性模量可能出现正增长关系,主要原因是岩体裂隙的压紧导致结构的致密;岩体在卸荷的情况下会出现一定程度的扩容;同时,机械振动势必也加大扩容对于变形的影响。考虑上述因素,提出黄登水电站地应力测试中弹性模量的选取原则,该方法可为类似工程提供一定的参考价值。     

中国盐岩能源地下储存可行性研究

选定我国江苏金坛盐矿为示范工程，通过深部盐岩的力学及蠕变试验，研究了深部盐岩的变形规律，建立了深部盐岩溶腔的腔体变形三维计算模型。结合示范工程的具体地质条件，对深部地下盐岩溶腔的洞形、稳定性及长期稳定性进行了数值模拟，研究了不同压力下溶腔容积的变化规律。通过现场储气库压腔试验，验证了计算分析采用的参数合理性。研究结果表明，从地下工程稳定性方面来看，利用我国盐岩实施能源储备是可行的。     

岩石锚杆基础在冶金厂房设计中的应用

体型高大的冶金厂房受风荷载和吊车水平荷载影响,作用在基础上的弯矩较大,当基础位于岩石地基上时,如按普通基础设计,基岩的高承载力无法充分利用。而通过在基础底面设置锚杆,使基础与基岩连成整体,可较好地承担厂房柱子传来的弯矩,减小基础尺寸和埋深、节省投资,并为厂房内大型设备基础的布置提供足够的便利。     

论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

 简要论述岩石循环的地质作用,提出并讨论岩石地质本质性命题,侧重阐述岩石的物质性、结构性和赋存性,及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识,探讨岩石物理本属性,包括不均一性、不连续性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上讨论岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论建立起岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。     

岩体基本质量围岩分级方法介绍及评析

总结了岩体基本质量分级方法的分析思路,给出了岩体基本质量分级方法的详细分级步骤,并通过分析对该围岩分级方法的科学性及可靠度进行了评价。     

深埋地下硐室围岩与隧硐衬砌接触分析

应用异性结构面抗剪强度理论研究了深埋地下硐室围岩与隧硐衬砌间的相互作用,提出硐室围岩与衬砌间的结构面的力学模型,并应用算例得出了接触结构面可能先于围岩和衬砌达到其破坏强度的结论。