初始地应力与围岩时间效应性态参数粘弹性反演计算的边界单元法

引言继续建立确定初始地应力和围岩参数的新方法,是目前岩石力学研究的课题之一。本文研究这类课题的粘弹性问题,建立的方法除可得到在围岩中的初始地应力以外,还可得到弹性参数,以及描述杨氏模量随时间而变化的规律的参数。为了描述岩体变形的时间效应,假设围岩的性态符合三单元粘弹性模型。     

天荒坪抽水蓄能电站试验洞的位移反分析研究

为查明天荒坪抽水蓄能电站地下厂房所在位置围岩初始地应力场的情况,沿厂房的拟设轴线开挖了模型试验洞,量测了围岩位移与洞周收敛位移,并据以进行了反分析计算。文中所用的数值计算法为边界单元性,包括弹性问题和粘弹性问题的反演计算,所得初始地应力的方向及量值与以其它方法测得的结果符合较好。     

巷道围岩初始应力场和弹性模量的区间反演方法

从有限元数值计算的角度对岩土工程参数的可辨性进行了分析。在可辨识性分析的基础上，考虑观测数据的不确定性，建立了在联合采用围岩位移和应力观测数据的同时，识别地应力和围岩弹性模量的反演模型。并采用约束变尺度方法求解该反演模型，获得地应力和弹性所在区间范围。     

岩土工程中位移量测的随机逆反分析

本文考虑了岩土工程中量测位移及介质力学模型的随机不确定性，基于随机有限元和特征函数法分析，提出了反演岩土体初始地应力场、介质力学特性参数的均值及多阶矩的随机逆反分析方法。研究结果表明随机逆反分析更能符合实际不确定岩土工程的要求。     

双江口水电站地下厂房区初始地应力场反演分析

初始地应力是地下工程围岩稳定分析与支护结构设计的重要计算参数。文中根据双江口水电站地下厂房区实测地应力资料,考虑自重与地质构造运动对初始地应力场形成的影响,采用多元回归法对厂区三维初始地应力进行多元回归反演。在回归反演的基础上,考虑埋深和山体地形对初始地应力场分布的影响,建立初始地应力拟合方法,得到厂区初始地应力函数与应力分布变化规律。回归拟合计算应力与实测应力在量值大小和分布方向上吻合,表明反演获得的地下厂区初始地应力场是合理可靠的,这为地下厂房洞室群施工开挖及长期稳定性分析提供重要计算依据。     

均匀设计原理在地下工程位移反分析中的应用

以小湾水电站为背景，在试验、监测、前期分析结果的基础上，建立地质与施工的概化模型。以围岩基本力学参数和初始应力场为基本变量，按均匀设计方法进行计算方案的组合，采用考虑开挖卸荷效应的三维弹塑性有限元方法完成了地下硐室群开挖模拟，并应用多元线性回归模型进行了围岩基本力学参数和初始应力场的反演分析。应用反演计算所得围岩基本力学参数和初始应力场计算各监测点的开挖扰动位移增量，相应的计算值与实测值较为吻合，表明反演得到的力学参数和地应力场基本合理，均匀设计原理在地下工程位移反分析中具有较高的实用价值。     

岩体工程开挖及蠕变的三维有限元解法

本文建议采用HK模型作为岩体工程中开挖及蠕变的弹-粘弹性统一计算模型。描述并展示了基于该模型的三维非线性计算程序CRR4,系统地实现了对原始地应力场的空间模拟、分期开挖连同围岩蠕变的计算和分析,并通过三维等参单元的应力光滑化改进了岩体工程有限元应力计算方法,此外还可由计算机自动描绘围岩三向位移过程线。     

具有水平表面岩土斜坡粘弹性位移解析解

阐述了暴雨、降雨和流水侵蚀等自然条件下,天然岩土斜坡由于自重作用而发生的二次蠕变现象,以及由于人为的某种原因改变了天然斜坡原始的地应力,而引起的二次蠕变现象。近期,提出了粘弹性力学蠕变柔量解法,给出了一种新的弹性位移理论公式和相对应的通用于 5 种不同本构关系的粘弹性位移理论公式,使弹性和粘弹性对应原理的理论描述简化。以岩土斜坡的二次蠕变现象为例,阐述了 2 种理论公式的应用方法,即由弹性位移解析解求解粘弹性位移解析解的简单解法。依据古德曼给出的具有水平表面岩土斜坡弹性位移解析解,将其中的力学参数式作简单的代数变换,分别引入 5 种粘弹性本构关系的蠕变柔量和广义蠕变柔量的解析式,得到具有水平表面岩土斜坡的符合 5 种粘弹性本构关系的粘弹性位移解析解。     

复杂地质条件下坝区初始地应力场二次反演分析

为准确获得南水北调西线工程加塔坝区初始地应力分布规律,提出综合反映工程区复杂地质条件及地层剥蚀过程的地应力场二次反演方法。首先,主要考虑工程附近大区域内的地形地貌、断层褶皱及河谷的发育演化史等因素,建立坝区大尺度计算模型,采用遗传神经网络法及FLAC3D计算程序对坝区初始地应力场进行一次反演;然后,考虑坝区附近主要地质构造,建立小尺度精细模型,通过从一次反演中提取小范围模型边界上的应力值进行拟合,初步获得精细模型的非线性边界条件,并采用遗传神经网络法对边界参数进行优化,对初始地应力场进行二次反演。研究结果表明:一次反演计算获得的初始地应力场在局部构造附近与实测值相差较大;二次反演考虑局部地质构造的影响,同时结合一次反演的计算成果,各测点的应力计算值与实测值吻合更好,所提出的反演方法可为类似工程的研究提供借鉴。     

基于松动圈-位移增量监测信息的高地应力下洞室群岩体力学参数的智能反分析

考虑到高地应力下洞群围岩力学行为独特性和深部地下工程研究需要,提出大型洞室群岩体参数的智能反演新方法。该方法是采用弹脆塑性本构CWFS模型,以分步开挖引起的松动圈和位移增量监测信息为输入,首先通过参数敏感性分析确定待反演的参数,再建立位移增量–松动圈深度的联合适应度函数,用进化神经网络–遗传算法求得待反演参数的数值,并进行后续开挖引起的位移演化的灰色关联度分析和松动圈的实测值与计算值对比对反演结果进行检验的反分析方法。用该方法对具有高地应力特征的拉西瓦水电站花岗岩地下洞室群围岩的力学参数进行了反演,通过地下洞室群的第2～6层开挖引起的位移增量和松动圈的测试值,反演求出相关5个岩体力学参数的值。用反演所得的参数值对第7步开挖引起的位移增量和松动圈变化进行计算分析,结果表明该方法的正确性。     

粘弹性围岩力学参数反分析的一种数值法

依据蠕变柔量和广义蠕变柔量概念，提出了由实测位移反演原岩应力场与粘弹性力学参数的边界元算法，实现了粘弹性围岩力学参数反演的半解析化。     

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律.通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能.在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型.在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型.     

A mine shaft case study on the accurate prediction of yield and displacements in stressed ground using lab-derived material properties

Continuum models provide a useful tool for the prediction of stress re-distribution due to excavation and induced yielding, and are used as a key analysis tool in the design of many underground excavations. Recent developments in the study of rock strength and post-yield behaviour have played a key role in improving our understanding of how plastic constitutive models can also be used to practically replicate observed phenomena in brittle rocks. In particular, new models for rock dilatancy can help to improve the applicability of plastic constitutive models as a predictive tool for excavation design. In this study, laboratory data for a heterogeneous, brittle, conglomerate unit from a mine shaft has been analysed. Using parameters from this analysis, brittle strength and dilatancy models have been implemented in a finite-difference code to predict not only stress re-distribution and yield around the shaft, but also to obtain realistic displacement values. Comparison of the modelling results to displacements measured using borehole extensometers show that the constitutive model and lab-derived parameters used were effective in predicting the rockmass behaviour. Parameters were further optimized through back analysis. One interesting finding of this analysis is that the in-situ rockmass dilation decay rate (as a function of plastic strain) appears to be faster than estimated based on laboratory data, which may be indicative of the influence of rockmass-scale natural fractures and other geological structures on the dilation decay process. It also appears possible to model the in-situ dilation decay rate using a single parameter, instead of separate parameters for unconfined and confined conditions. To conclude the study, more numerical results obtained using alternative dilatancy models are presented to illustrate the problem of non-uniqueness in plasticity back analyses.     

圆形隧道围岩蠕变柔量的确定及粘弹性力学模型的识别

本文给出了圆形隧道围岩径向位移与岩体蠕变柔量的线性关系,并用位移分析法确定了岩体的蠕变柔量,根据所得到的蠕变柔量值由解析法识别了岩体的力学模型并反演了其力学参数．     

优化反演理论在隧道围岩参数反演中的应用

优化反演法是结合优化技术来进行参数反演的一种方法,这种方法使反演的效率得到了很大的提高.它是建立寻找与之相应的位移计算值与实测值相比误差最小的围岩参数,并将所得的参数作为反演计算结果的方法.作者利用APDL编制用户程序调用现有的有限元优化模块实现对隧道围岩参数的优化反演,利用现有的工具,建立参数化模型来进行优化分析,提高了参数反演的效率,使整个优化过程的实现更加灵活简便.     

岩石力学与工程综合集成智能反馈分析方法及应用

首先,给出岩石力学模型和参数综合智能反分析的几种新方法:岩石(体)力学参数的智能反演方法、岩石(体)本构模型的结构和参数耦合智能识别方法、岩石(体)力学参数的时空变异性反分析方法(即集合Kalman滤波和扩展Kalman滤波方法)、力学参数和模型可以不断更新的演化并行有限元反分析方法和基于模型的结构和参数智能识别的岩体工程安全性的综合集成智能分析方法。其中,岩石(体)力学参数的智能反演方法又包括4种,分别为均匀设计(或正交设计)–数值计算方法、粒子群(或遗传算法)–数值方法、均匀设计(或正交设计)–演化神经网络–数值方法–遗传算法(或粒子群)以及均匀设计(或正交设计)–演化支持向量机–并行数值方法–遗传算法(或粒子群)。然后,讨论智能反分析时应注意的待反演参数对监测物理量的敏感性、可以进行反演的参数个数以及模型和参数反演结果的适应性评价等问题。最后,给出这些智能反馈分析方法的工程综合应用概况。     

复杂条件下岩石工程安全性的智能分析评估 和时空预测系统

 采用人工智能、系统科学、岩石力学与工程地质学等多学科交叉,提出复杂条件下岩石工程安全性的智能分析评估和时空预测系统的新思路和新方法,包括赋存环境的认识、工程结构特征需求分析与施工约束条件识别、岩石工程稳定性(安全性)综合集成智能分析评估、岩石工程智能反馈分析方法、岩体模型和参数动态更新的岩石工程稳定性时空演化的综合集成智能分析方法、岩石工程安全性的分区自适应调控方法、岩石工程稳定性多元信息与多任务智能反馈分析集成系统。该系统在龙滩、八尺门、水布垭、拉西瓦等多个大型工程的边坡和地下厂房中的成功应用,显示了其科学性和先进性。     

考虑动态施工过程的岩土介质横观各向同性粘弹性反分析及其工程应用

在充分考虑岩土介质的各向异性和流变特性基础上 ,建立了层状地基横观各向同性粘弹性位移反分析模型 ;结合上海典型深基坑工程 ,利用遗传算法 ,进行深基坑横观各向同性粘弹性动态施工反演分析 ,利用反演得到的每层岩土介质的弹性模量、粘性系数 ,预测相继施工阶段的结构和土体变形、内力 ,从而为工程的信息化、施工反馈设计提供了新的技术手段 ,同时促进了位移反分析的发展。     

An overview of rock stress measurement methods

This paper presents an overview of methods that have been used to estimate the state of stress in rock masses, with the emphasis on methods applicable to hard rocks and Scandinavia. Rock stress is a difficult quantity to estimate because the rock stress measuring techniques consist of perturbing the rock, measuring displacements or hydraulic parameters, and converting the measured quantities into rock stresses. There are two main types of method: those that disturb the in situ rock conditions, i.e. by inducing strains, deformations or crack opening pressures; and those that are based on observation of rock behaviour without any major influence from the measuring method. The most common methods are briefly described including their application areas and limiting factors.     

基于v-SVR和MVPSO算法的边坡位移反分析方法及其应用

 针对传统粒子群算法存在搜索空间有限、容易陷入局部最优点的缺陷,通过引入迁徙算子和自适应变异算子,提出基于粒子迁徙和变异的粒子群优化(MVPSO)算法。基准测试函数结果表明,改进的MVPSO算法较传统的粒子群优化算法在收敛效率上有大幅度提高,在处理非线性、多峰值的复杂优化问题中能快速地搜索,得到全局最优解。应用改进的MVPSO算法搜索最佳的支持向量机(v-SVR)模型参数,建立岩体力学参数与岩体位移之间的非线性支持向量机模型,提高v-SVR的预测精度和推广泛化性。然后,利用v-SVR模型的外推预测替代耗时的FLAC正向计算,利用改进的MVPSO算法搜索岩体力学参数的最优组合,提出v-SVR和MVPSO相结合的边坡位移反分析方法(v-SVR-MVPSO算法),与传统的BP-GA算法和v-SVR-GA算法相比,该算法在反演精度和反演效率上均有较大幅度提高。最后,将本文发展的v-SVR-MVPSO算法应用到大岗山水电站右岸边坡岩体参数反演分析,并对边坡后续开挖位移和稳定性进行预测,取得较好的效果。