相似材料模型位移场的光学测量技术研究及应用

 博士学位论文摘要　针对岩土工程模型试验的特点, 对自动网格法、散斑互相关法和栅线分析法这3 种光学测量技术程序进行了改进; 并用上述方法做了模型试验, 为工程决策提供了依据。具体工作有以下几个方面。(1) 自动网格法程序的改进。图像分割时, 增加了去掉开挖部分的功能。改进了编码过程, 自由定编码起始点, 环状编码方式绕过移去的网格点, 二次编码为大片未编码的网格点编码, 可以察看、修改编码结果。提供多种位移输出结果, 输出结果的Y 轴可以反转。由计算机生成原始和变形网格图来测试程序。(2) 散斑互相关法程序的改进。定义了掩码文件来标记出开挖部分。在开挖部分的基础上, 通过人机对话, 人工来标记出不相关部分。控制位移结果输出, 遇到不相关部分就不输出位移值。(3) 栅线分析法程序的改进。定义了掩码文件来标记挖掉部分。改进了去包络方式, 改进后的去包络法能够绕开无效区域。由计算机生成原始和变形栅线图来测试程序。(4) 用自动网格法和散斑互相关法分别做了一个模型试验, 研究节理岩体的变形、破坏。试验模拟了试体破坏全过程, 随着轴压的增大, 试体经历线弹性阶段、节理面的错动、节理面尖端起裂和扩展、直到贯穿岩桥, 失稳破坏。(5) 用自动网格法做模型试验来研究金山店铁矿地下采矿引起地表沉降问题, 比较逼真地模拟地下不同的开采水平引起的地表变形和围岩移动过程。分析该矿地表变形随开采步骤的变化规律, 围岩的破坏特征和破坏机理。确定从- 270 m 起采为合理的方案。     

基于水平集坐标的二维压剪节理动态扩展过程无网格法模拟研究

 发展能有效模拟岩体节理拉压破坏动态扩展过程的无网格模拟方法,构造岩体节理张开和闭合接触摩擦行为的无网格法近似函数,采用水平集坐标描述和捕捉节理在扩展过程中的几何信息。当节理张开时,引入断裂线,并采用衍射准则引入位移跳跃项。当节理闭合时,提出类似于Goodman接触摩擦单元的无网格近似函数构造方法,考虑节理面上、下两侧的相对滑动和法向接触。与Goodman单元或以往的无网格模拟不同,本文的接触方法基于材料点而非结点,并与水平集坐标更新算法结合,在处理节理模型生成和动态扩展后的模型更新上更灵活、简便,且具有通用性。通过测试拉剪、压剪破坏单节理和雁行节理的静态和动态破坏扩展过程的算例,验证了本文方法的正确性和有效性。     

岩体弹塑性模型力学参数对位移的影响度研究

弹塑性位移反分析可归结为对一个极值问题的优化求解。但在求解该极值问题前，须先确定其目标函数的影响因素，即确定弹塑性位移反分析问题的可反演参数。采用连续介质快速拉氏分析(FLAC)对地下采场进行数值模拟计算，采用正交试验设计法确定模拟计算方案，采用数理统计分析法研究岩体弹塑性模型力学参数对地下采场顶板中点竖向位移及侧帮中点水平位移的影响度，建立了影响度评价方法，确定了弹塑性位移反分析问题的可反演多数。     

改进线弹性位移不连续模型和结构面弹性模量动力法测试

 线弹性位移不连续模型难以准确描述应力波穿过厚度较大的宏观结构面的传播过程,对结构面透射侧的位移分量和应力分量进行多次泰勒展开,建立改进线弹性位移不连续模型,运用原模型和改进模型测试结构面弹性模量,研究阻抗比和结构面厚度对测试误差的影响,研究结果表明：当阻抗比较小时,应选择改进模型,基于反射波的波形差异测试结构面弹性模量;当阻抗比较大时,应选择原模型,基于透射波的波形差异测试结构面弹性模量;数值模拟得到测点振动波形,分析结构面厚度对测试偏差的影响,随结构面厚度增加,基于改进模型反射波波形差异的测试偏差减小,基于原模型透射波波形差异的测试偏差增加,现场试验与数值模拟的结果是一致的。     

三维地应力场BP反分析的改进

从回归分析出发,对地应力场的神经网络反分析进行了改进:采用线弹性有限元计算进行线性回归分析,获得优化参数的大致范围;应用均匀设计来确定计算参数不同水平的组合,进行弹塑性有限元计算获得训练的样本;采用Levenberg-Marquardt算法来训练BP神经网络,以提高效率;使用及早停止和正规化方法来避免神经网络的过拟合问题;得到离散化的应力值后,用神经网络拟合出了以坐标为参量的全场应力函数。     

基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析

 受爆破松动影响,地下洞室开挖后围岩强度会有所降低,根据松动损伤程度将其视为一个连续的三维“参数场”。由围岩松动圈的形成机制,分析地下洞室开挖后松动圈的计算方法,提出考虑松动圈的围岩参数场增量位移反分析法。针对岩土工程反分析计算量巨大的实际问题,对反演计算过程进行了基于MPI的主从式并行框架改进,运用计算机集群网络进行并行计算,减少了迭代计算次数和计算耗时,极大地提高了计算效率。通过对溪洛渡水电站右岸地下厂房的参数反演,得到了较好的反演效果,验证了此法的可行性和合理性。依据反演得到的参数场对现有支护设计及洞室围岩稳定状态进行评价,并对后续开挖进行预测,为工程设计施工提出合理建议,为地下工程参数反演提供了一种新方法和新思路。     

位移反分析的APSO-WNN模型研究及应用

用改进粒子群优化算法对小波神经网络进行优化，从而提出改进粒子群算法优化小波神经网络模型（APSO-WNN）。该模型具有小波变换的良好时频局域化性质、良好时域和频域分辨能力及传统神经网络的自学习功能；同时用改进的粒子群优化法进行全局最优搜索，快速收敛到全局最优解，使其具有良好的逼近能力、容错能力和较强的鲁棒性。因此，该计算模型适合解决具有复杂非线性和模糊性特点的岩土工程问题。为证明该模型的优越性，同时将该计算模型与传统遗传算法神经网络用于三峡船闸高边坡4种介质弹性模量的位移反分析计算，结果表明不论是优化精度还是收敛时间，该算法都较遗传算法有明显提高。最后利用APSO-WNN反演的弹性模量参数进行测点位移预测，预测表明各个测点的计算位移值与监测值吻合较好，说明该模型在岩土工程位移反分析中具有良好的实际应用价值。     

楔刀作用下含水平节理岩体的位移场特征及损伤演化试验研究

 为了研究水平节理对盘形滚刀破岩机制的影响,对实际条件进行简化后,在改进的试验装置上进行楔形刀具作用下相似材料的贯入破坏试验。用CCD相机对试件表面的变形、破坏过程进行实时拍摄,并采用数字散斑相关方法对采集图像进行分析,获得试件表面的位移场分布特征。通过位移场方差的演化对节理试件刀具荷载下的破坏进行表述。在采用相机拍摄数字图像的同时,采用声发射测试系统对试件破坏过程中微破裂源进行二维平面定位,研究含水平节理试件在楔形刀具作用下微震裂源的形成机制和微破裂分区聚集成核的特点。     

土石混合体实测结构模型的自动生成技术

土石混合体是一种非均质、不连续体，本文在土石混合体实测剖面的基础上，利用图像处理技术和有限差分网格的自动生成技术建立了土石混合体的实测结构模型，并给出了相应的例子。     

簇平行黏结模型中微观参数对宏观参数影响的量纲研究

 首先分别采用传统加载程序和新加载程序,对利用簇平行黏结模型所建立的颗粒流试样的力学特性进行研究。同时采用新加载程序,分析加载速率和冻结期时步对颗粒流试样力学特性的影响。随后利用量纲分析法研究簇平行黏结模型中微观参数对宏观参数的影响,建立岩石材料宏观参数(弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单轴抗拉强度)与簇平行黏结模型中微观参数间的半定量关系。相关模拟结果表明：(1) 利用传统加载程序计算得出的岩石应力–应变曲线是不准确的,它高估了单轴抗压强度、单轴抗拉强度和弹性模量,且不能真实再现岩石峰后脆性特征;2种加载程序得出的岩石破坏形态差异很大。(2) 结合新加载程序,簇平行黏结模型能得到合理的单轴抗压强度和单轴抗拉强度比值(UCS/TS)。在准静态范围内,加载速率与强度值没有相关性,这与试验结果吻合,加载速率对岩石应力–应变曲线的影响主要在峰后阶段。(3) 弹性模量主要与颗粒接触模量和颗粒接触刚度比相关,而泊松比主要与接触刚度比相关。为得到相同的泊松比值,簇平行黏结模型中的接触刚度比应大于平行黏结模型中的接触刚度比。单轴抗压强度和单轴抗拉强度主要受平行黏结强度比控制,另外单轴抗压强度受簇中颗粒数影响较大。     

泥板岩流变试验与粘弹性本构模型研究

某水电站泥板岩变形是该坝区地下洞室群和高边坡研究的主要问题，探讨泥板岩粘弹性本构模型有重要意义。选取泥板岩岩芯做成简支梁进行流变试验，在梁上取10个测点贴上应变片，在梁的中央施加集中荷载，用应变仪测定10个测点的应变片在各级长期荷载作用下随时间变化的应变量。根据所测定的应变量来反演泥板岩粘弹性本构模型，得到了符合泥板岩的粘弹性流变本构模型。     

网架模型结构模态分析的试验研究

实验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段,进行系统识别的过程。模态分析是有效的结构检测和安全评估的方法之一,它是根据测量模态参数(固有频率、阻尼比、振型、模态刚度、模态质量)相对于正常值产生的变化,并通过相关分析与识别来判断结构安全程度的一种先进方法。本文通过对网架模型结构进行试验模态分析,研究了试验模态技术在实际运用中的试验方法,识别系统的模态参数并与有限元分析进行比较,有限元结果与实测频率有一定的不同,但前四阶模态频率的差值百分比均在9%以内,说明实测的结果与有限元分析是比较吻合的。     

数字化近景摄影测量在模型试验变形测量中的应用

讨论模型试验中目前主要采用的各种位移量测技术的优缺点，阐述了数码像机数字化近景摄影测量的基本原理和方法，对该方法进行了误差分析，并首次将该技术应用到模型试验变形测量中。该方法具有非接触、设备简单、对环境要求低、能直接提供内方位元素、无软片压平误差、自动化程度高、精度高等优点。研究结果表明，该方法所测位移场规律性好，与试验过程中各种现象符合很好，与对应点百分表测值相差在30％以内。     

砾砂岩填筑高速铁路堤身模型试验与数值分析

介绍室内模型试验对含砾砂岩全风化及强风化混合料填筑高速铁路路堤压力传递分布特性、堤身承载能力和浸水稳定性影响的研究,根据试验结果得出模型路堤基床系数、变形模量、变形系数和CBR值等物理力学材料参数。采用Drucker-Prager材料有限元理论分析路堤在竖向静循环荷载作用下的应力和变形特性,并且与试验结果进行比较,计算值和实测值符合得较好,可对软岩岩土填筑路堤设计、施工与质量控制起到一定的借鉴作用。     

浅埋暗挖地铁站厅洞室开挖过程物理模型试验及土体变形规律研究

 据相似材料大比尺三维概念物理模型理论,高仿真度制作了成型盾构隧道地铁站厅洞室开挖试验物理模型。模拟了双盾构隧道之间开挖站厅洞室的全过程,研究站厅洞室、横通道开挖过程中模型地表沉降,土体的变形,盾构隧道及站厅洞室周围特征点的位移。模拟并研究混凝土加固桩对土体位移的影响,总结出土体的动态力学特征和变形规律,得出一些有益的认识和结论。对研究在已建成地铁双隧道间拓展开挖站厅空间的施工具有重要的参考意义。     

地下工程流–固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用

 依托青岛胶州湾海底隧道的现场勘探资料,应用地质力学模型试验的流–固耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流–固耦合相似材料(SCVO)。通过大量的室内试验,系统地研究不同配比对材料参数的影响规律,确定控制相似材料各性能的主要组分。试验表明,材料的强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制;黏聚力受凡士林影响明显;渗透系数可以通过凡士林和硅油的比例调节;硅油还可以起到保水、提高材料密实度的作用。材料的变形特性和水理特性由不同的成分控制,且相互间影响很小,实现材料性质的全面调控。该材料可以模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的流–固耦合相似模拟材料。并已成功应用于青岛胶州湾海底隧道的地质力学模型试验研究中,力学性能和水理特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供材料保证。     

岩石SHPB试验信号的小波包去噪

根据岩石霍布金逊压杆（SHPB）试验测试信号的高噪声与瞬态非平稳特点，利用小波包分析技术对其进行消噪处理。所得结果与传统方法所得结果比较发现：通常经过应变仪滤波和数据邻值平均法所得的测试结果是不准确的。用能够进行时频多尺度分辨的小波包变换方法进行信号的去噪处理。在揭示信号本身的时频信息的同时，能尽可能不失真地在强噪环境下重现有效信号，将这种方法用于岩石SHPB测试信号的去噪处理，能够得到可靠的结果。     

裂隙岩样力学特性细观数值试验方法探讨

 节理裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题。物理模型试验由于制样难、耗资大、结果有限,研究者难以利用其开展系统深入的研究。提出以典型的物理模型试验结果标定数值模型,再利用标定后的数值模型开展系统数值试验研究的思路,既可充分发挥物理模型试验接近实际情况的优势,又可充分利用数值模型试验建模快、成本低等优点。同时,还对数值试验模型的建立、数值试验的定性与定量、数值试验模型的改进、数值试验模型的标定等方面进行了讨论。最后,利用标定、修正后的数值模型试验研究了侧压、裂纹面摩擦因数等在物理模型试验中难以实现的因素对含两条共面裂纹岩样的应力场、强度和宏观破坏模式的影响范围规律。     

不连续面产状Fisher分布拟合度检验方法的改进

 Fisher分布是描述不连续面产状最常用的概率密度函数。在使用Fisher分布描述不连续面产状时,首先应对Fisher分布拟合度进行检验。在回顾Fisher分布拟合度的传统检验方法的基础上,提出一种新的修正检验法。修正检验法的核心思想是在检验过程中对“超越上半球投影的产状(OEBEUHP)”进行调整。最后给出3个算例：算例1和2采用利用蒙特卡洛模拟技术生成的理论上服从Fisher分布的数据,通过对比传统检验法和修正检验法的结果来验证修正检验法的正确性;算例3中的数据来自某露天金矿边坡,该算例作为工程实例来应用本文提出的修正检验方法。结果表明：(1) 由于受OEBEUHP的影响,利用传统检验方法可能会得出错误的检验结果(如算例1和3);(2) 由于对OEBEUHP进行了调整,修正检验法总能得到正确的检验结果;故在检验不连续面产状Fisher分布拟合度时应采用本文所倡导的修正检验法。     

圆形洞室围岩破坏模式模型试验研究

 为系统研究连续介质条件下隧道围岩的破坏模式和规律,采用模型试验,针对黏性材料和砂性材料2种典型地质材料进行研究。黏性材料由重晶石、石英砂和凡士林按一定配比组成,砂性材料考虑单一石英砂材料和石英砂与重晶石混合2种形式。利用压力盒、位移计、非接触监测系统等监测隧道开挖、加载过程中围岩应力和变形情况。对黏性材料而言,在逐级加载过程中表现出先洞室两侧剪切滑移,后拱顶塌落的二次破坏模式,通过位移和应力的监测可知,随着外部荷载的增大,洞室上方塑性区范围增加,而进入塑性状态后,围岩变形速率加快。对砂性材料而言,单一石英砂材料在开挖后围岩不具有自稳能力;而采用石英砂和重晶石混合后的材料,由于颗粒级配较好,材料具有一定的自锁能力,洞室开挖后可以保持稳定,随着逐级加载,洞室顶部首先出现二次抛物线型塌落拱,然后拱脚位置向洞室两侧移动,当其发展到水平中轴线处达到稳定,此时塌落拱滑裂面与普氏拱理论类似。模型试验揭示连续介质条件下隧道围岩的破坏模式,对隧道支护参数的确定具有重要意义。