岩石力学反演分析研究及工程应用
岩体本身是一个高度复杂的不确定和不确知系统,其物性参数、本构模型、计算边界条件(地应力等)和博士学位量测的位移与应力等无法准确确定.由量测信息来确定各类计算参数和模型的反分析方法自提出以来得到了迅速的发展,目前已成为解决复杂岩土力学问题的重要方法.针对当前岩石力学中的热点和难点问题进行了研究,并将其应用于实际工程中.主要工作内容如下:(1)采用区间变量表示工程中的不确定性量,针对区间分析中计算结果的区间扩张问题,提出了区间参数摄动法和区间参数优化法来求解区间有限元方程;当区间变量范围较大时,提出了将区间参数分区的方法来求解区间有限元方程;通过一计算实例,将原有的解法同提出的方法进行了比较.(2)在区间有限元方程的解法深入研究的基础上,将量测信息视为区间不确定性的变量,建立了区间参数反分析模型,将区间分析同摄动理论、优化方法相结合,提出了区间参数摄动反分析方法和区间参数优化反分析方法;基于确定性逆反分析的思想,提出了区间逆反分析方法.(3)在梯度类优化方法中,针对梯度计算中计算量大、耗时的问题,提出了用变分伴随方法来计算参数反分析中的梯度向量,形式简单,计算快捷.(4)根据系统辨识所需的先验信息、实现的原理和方法,对岩土工程本构模型辨识从一般的角度进行了分析探讨.基于流变岩体的室内简支梁弯曲流变试验,建立了量测应变值同蠕变柔量之间的关系式和现场地下模型洞室量测位移同蠕变柔量之间的关系式.在反分析过程中,首先由量测信息反分析出蠕变柔量,再由蠕变柔量辨识出模型参数,从而得到所需的本构模型;在优化反演过程中,提出了一种减少非线性优化变量个数的方法,以改善反问题的不适定性.(5)提出复杂岩体初始地应力场的反分析模型.在模型中,采用具有多项式分布的边界荷载来模拟构造应力场,地应力和边界荷载不必符合特定的分布和假定,可模拟任意分布的复杂初始地应力场.(6)针对传统遗传算法在实际应用中的不足,提出了个体自适应变异和交叉概率、收敛判据的改进方法、欧氏距离的引入等改进方法,将改进后的遗传算法同可变容差法相结合,可克服基本遗传算法在实际应用的早熟收敛、局部搜索能力差等缺陷,能用于求解岩石力学反问题.(7)以龙滩水电站工程和清江水布垭工程为例,进行了工程实例分析验证.
