裂隙岩体损伤位移反分析

论文摘要

当前,岩土工程中,主要矛盾之一便是岩土体参数问题。参数给不准,数据有限,本构机理不清楚,不确定性和非线性极强,已成为困扰岩土工程师的严重问题。同时,大量的工程实践表明,节理裂隙岩体在实际工程中占有绝大多数的比例,其应力应变关系与损伤力学行为的研究,也是一个很有意义的研究课题。不言而喻,基于损伤力学的节理裂隙岩体的参数位移反分析,将具有很重要的科研和工程实践意义。从这一构思出发,本文在以下四个方面进行了着重探讨。1)、裂隙岩体的损伤本构关系以及损伤演化机理;2)、裂隙岩体损伤本构关系的数值计算方法;3)、裂隙岩体损伤位移反分析方法研究;4)、裂隙岩体的参数反演在分岔隧道中的工程应用;第一部分是本课题研究的基石之一。众所周知,天然的岩土体是一种多裂隙结构,具有强烈的非均质,各向异性,高度非线性的力学性质,而最能说明这种特性的本构关系是弹塑性-损伤耦合本构模型。国内外许多学者针对这一命题,开展了相关的试验、理论研究,但至今尚未获得满意的结果。通过借鉴前人的研究成果,本文对弹塑性-损伤耦合模型进行相应的研究和适当的简化,提出弹性损伤耦合-塑性模型,该模型即能较好的描述裂隙岩体的力学行为,理论上更为完备,又能方便地应用于工程实际。第二部分是裂隙岩体的数值计算方法研究。当前几乎所有的商业软件（Abaqus、Ansys、Flac、Adina等）都未提供损伤本构及耦合损伤的迭代计算,这也很大程度上制约了岩土损伤力学的研究与发展。利用损伤的等效原理（应变、应力、能量等效等）,采用Flac的内嵌fish语言,进行二次开发,建立一种损伤等效力学效应的非线性增量求解过程,提供了一种切实可行的耦合损伤迭代计算方法,并能较好的考虑岩土体的开挖、喷锚、衬砌等施工过程。第三部分为本课题的研究核心。岩土体参数的取值问题一直是岩土工程界普遍关注的一个难题。对于工程中大量的节理裂隙岩体,这一矛盾尤为突出。参数取值困难、昂贵、准确性低,很难满足工程实际的需求。正因为如此,基于典型的逆向反馈思维的位移反分析方法,备受岩土工程师的青睐。在裂隙岩体本构、耦合损伤计算的基础上,对常规的BP网络算法进行改善,得到一种高效的、全局优化型改进的BP神经网络,进行参数的优化反演,其优点明显。第四部分是面向工程应用部分。分岔式隧道在国内浅埋大跨公路隧道中尚无设计施工先例,其研究具有较强的开创性和实用性。通过将本文所建立的裂隙岩体损伤本构模型应用于分岔隧道的围岩稳定性分析,反演围岩的力学参数,研究成果能较客观地反映施工期围岩的力学行为。

论文目录

• 摘 要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 岩土工程研究的发展概况
• 1.1.1 国内岩土工程的发展形势
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 岩土工程位移反演分析综述
• 1.2.1 岩土工程位移反分析的研究历史和现状
• 1.2.2 岩土损伤力学研究综述
• 1.2.3 裂隙岩体损伤位移反分析研究现状
• 1.3 主要研究内容及其目的意义
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究目的意义及其预期成果
• 第二章 裂隙岩体的损伤本构
• 2.1 常见岩土体本构关系
• 2.1.1 非线性弹性本构
• 2.1.2 各向异性弹性本构
• 2.1.3 弹塑性本构
• 2.2 裂隙岩体的损伤本构
• 2.2.1 损伤变量的定义
• 2.2.2 损伤力学的基本理论
• 2.2.3 损伤演化机理
• 2.3 损伤本构的试验验证分析
• 2.3.1 本构关系的试验验证及本构参数的拟合
• 2.3.2 试验结果分析
• 2.3.3 关于损伤本构理论的一些探讨
• 第三章 裂隙岩体的损伤数值算法
• 3.1 损伤场计算的基本原理
• 3.1.1 损伤场的计算方法及其策略
• 3.1.2 非耦合损伤场计算
• 3.1.3 耦合损伤场计算
• 3.2 弹性耦合损伤-塑性本构的FLAC 计算
• 3.2.1 基于FLAC3D 的二次开发
• 3.2.2 损伤等效单元结点力
• 3.2.3 裂隙岩体损伤有限差分迭代实现
• 第四章 损伤反演理论探讨
• 4.1 岩土体基本反演理论
• 4.1.1 弹性问题的位移反分析
• 4.1.2 弹塑性问题的优化位移反分析
• 4.2 岩土体系统辨识和参数辨识理论
• 4.2.1 系统辨识
• 4.2.2 参数辨识
• 4.3 优化反演理论
• 4.3.1 优化反演的基本流程
• 4.3.2 常用优化数值算法介绍
• 4.3.3 非数值类优化算法介绍
• 4.3.4 模拟退火算法基本原理
• 4.4 人工神经网络基本理论
• 4.4.1 人工神经网络基本介绍
• 4.4.2 BP 神经网络的基本理论
• 4.4.3 基于BP 神经网络的裂隙岩体位移反分析
• 第五章 裂隙岩体损伤位移反分析在分岔隧道中的应用
• 5.1 沪蓉西高速分岔隧道工程概况
• 5.1.1 工程项目研究背景和必要性
• 5.1.2 工程简介
• 5.1.3 现场监控量测
• 5.1.4 基于现场监控量测的位移反分析
• 5.2 裂隙岩体数值模拟
• 5.2.1 数值模拟中松动圈的影响
• 5.2.2 洞室开挖引起的松动效应
• 5.2.3 有限差分数值建模
• 5.3 连拱段位移反分析结果
• 5.3.1 不考虑损伤的弹塑性结果
• 5.3.2 考虑初始损伤的弹塑性反算结果
• 5.3.3 计算结果分析
• 5.4 小净距段位移反分析结果
• 5.4.1 不考虑损伤的弹塑性结果
• 5.4.2 耦合损伤的反演结果
• 5.4.3 计算结果分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结语
• 6.2 展望
• 参考文献
• 博士在读期间发表的论文
• 博士在读期间参加的科研项目
• 致谢