裂隙岩体损伤位移反分析
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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。
Today, in Rock and Soil Mechanics and Engineering, one of the biggest problems is to gain parameters of rock and soil materials. Uncertainty of parameters, shortage of data, mistiness of constitutive law, and serious nonlinearity has been a big obstacle to engineers. Meanwhile, in most cases of engineering, it has been proved that the fissured and jointed rock masses has dominated the majority of proportion, the mechanic behavior of which is also vital important for many professionals to study. Apparently no doubt, the parameters displacement back analysis of fissured and jointed rock masses based on damage theory is meaningful scientifically and practically. From this point of vision, the following four main parts have been given top priority in study.
The first is to discuss the constitutive law of jointed rock masses and its damage evolutionary law, which is the footstone of the whole research job. And known to all, rock masses insi is a kind of jointed structure, and bear the character of anisotropy, nonlinearity, heterocomponents. And it’s widely acknowledged that the elastoplastic model coupling damage can best suit for the jointed rock masses, and many scholars outdoors and indoors has fulfilled related work in mechanic test and theory pursuits, whereas without little breakthroughs. By giving deep insights of the former research results, the elastic coupling damage and plastic model has been set up, which is integrity in theory, simplicity in computation, and convenient in applying into the real projects.
The second part deals with the numerical assimilating of the jointed rock masses. It is a hanging dilemma for almost all commercial FE or FD programs nowadays in that there is no coupling damage solver, which reflects on the stagnant development of damage theory study and appliance. According to the damage equivalent principle, such as stress equivalent, strain equivalent and energy equivalent, the second hand design by FISH language embedded in FLAC3D programs, is precisely adopted to calculate the coupling damage, at the same time, the excavation of rock masses, shotcrete, anchoring, and lining support been well modeled.
The third part is at the core of the paper. The parameters problems arouse many concerns for years in rock and soil circle, and which stands out speciously in fissured and jointed rock masses. The hardness to get parameters, high costs, and low accuracy is far from the reality needs in engineering. Facing the difficulties, many researchers turn to the displacement back analysis which derives from reverse and feedback thoughts, and has been welcomed as an effective and economic way in resolving the problem. Based on the damage constitute and coupling damage iterating of fissured and jointed rock masses, constructing a type of hybrid simulated annealing algorithm
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。
Today, in Rock and Soil Mechanics and Engineering, one of the biggest problems is to gain parameters of rock and soil materials. Uncertainty of parameters, shortage of data, mistiness of constitutive law, and serious nonlinearity has been a big obstacle to engineers. Meanwhile, in most cases of engineering, it has been proved that the fissured and jointed rock masses has dominated the majority of proportion, the mechanic behavior of which is also vital important for many professionals to study. Apparently no doubt, the parameters displacement back analysis of fissured and jointed rock masses based on damage theory is meaningful scientifically and practically. From this point of vision, the following four main parts have been given top priority in study.
The first is to discuss the constitutive law of jointed rock masses and its damage evolutionary law, which is the footstone of the whole research job. And known to all, rock masses insi is a kind of jointed structure, and bear the character of anisotropy, nonlinearity, heterocomponents. And it’s widely acknowledged that the elastoplastic model coupling damage can best suit for the jointed rock masses, and many scholars outdoors and indoors has fulfilled related work in mechanic test and theory pursuits, whereas without little breakthroughs. By giving deep insights of the former research results, the elastic coupling damage and plastic model has been set up, which is integrity in theory, simplicity in computation, and convenient in applying into the real projects.
The second part deals with the numerical assimilating of the jointed rock masses. It is a hanging dilemma for almost all commercial FE or FD programs nowadays in that there is no coupling damage solver, which reflects on the stagnant development of damage theory study and appliance. According to the damage equivalent principle, such as stress equivalent, strain equivalent and energy equivalent, the second hand design by FISH language embedded in FLAC3D programs, is precisely adopted to calculate the coupling damage, at the same time, the excavation of rock masses, shotcrete, anchoring, and lining support been well modeled.
The third part is at the core of the paper. The parameters problems arouse many concerns for years in rock and soil circle, and which stands out speciously in fissured and jointed rock masses. The hardness to get parameters, high costs, and low accuracy is far from the reality needs in engineering. Facing the difficulties, many researchers turn to the displacement back analysis which derives from reverse and feedback thoughts, and has been welcomed as an effective and economic way in resolving the problem. Based on the damage constitute and coupling damage iterating of fissured and jointed rock masses, constructing a type of hybrid simulated annealing algorithm
引文
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