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巖石力學反演分析研究及工程應用
巖體本身是一個高度復雜的不確定和不確知系統(tǒng),其物性參數(shù)、本構模型、計算邊界條件(地應力等)和博士學位量測的位移與應力等無法準確確定.由量測信息來確定各類計算參數(shù)和模型的反分析方法自提出以來得到了迅速的發(fā)展,目前已成為解決復雜巖土力學問題的重要方法.針對當前巖石力學中的熱點和難點問題進行了研究,并將其應用于實際工程中.主要工作內容如下:(1)采用區(qū)間變量表示工程中的不確定性量,針對區(qū)間分析中計算結果的區(qū)間擴張問題,提出了區(qū)間參數(shù)攝動法和區(qū)間參數(shù)優(yōu)化法來求解區(qū)間有限元方程;當區(qū)間變量范圍較大時,提出了將區(qū)間參數(shù)分區(qū)的方法來求解區(qū)間有限元方程;通過一計算實例,將原有的解法同提出的方法進行了比較.(2)在區(qū)間有限元方程的解法深入研究的基礎上,將量測信息視為區(qū)間不確定性的變量,建立了區(qū)間參數(shù)反分析模型,將區(qū)間分析同攝動理論、優(yōu)化方法相結合,提出了區(qū)間參數(shù)攝動反分析方法和區(qū)間參數(shù)優(yōu)化反分析方法;基于確定性逆反分析的思想,提出了區(qū)間逆反分析方法.(3)在梯度類優(yōu)化方法中,針對梯度計算中計算量大、耗時的問題,提出了用變分伴隨方法來計算參數(shù)反分析中的梯度向量,形式簡單,計算快捷.(4)根據(jù)系統(tǒng)辨識所需的先驗信息、實現(xiàn)的原理和方法,對巖土工程本構模型辨識從一般的角度進行了分析探討.基于流變巖體的室內簡支梁彎曲流變試驗,建立了量測應變值同蠕變柔量之間的關系式和現(xiàn)場地下模型洞室量測位移同蠕變柔量之間的關系式.在反分析過程中,首先由量測信息反分析出蠕變柔量,再由蠕變柔量辨識出模型參數(shù),從而得到所需的本構模型;在優(yōu)化反演過程中,提出了一種減少非線性優(yōu)化變量個數(shù)的方法,以改善反問題的不適定性.(5)提出復雜巖體初始地應力場的反分析模型.在模型中,采用具有多項式分布的邊界荷載來模擬構造應力場,地應力和邊界荷載不必符合特定的分布和假定,可模擬任意分布的復雜初始地應力場.(6)針對傳統(tǒng)遺傳算法在實際應用中的不足,提出了個體自適應變異和交叉概率、收斂判據(jù)的改進方法、歐氏距離的引入等改進方法,將改進后的遺傳算法同可變容差法相結合,可克服基本遺傳算法在實際應用的早熟收斂、局部搜索能力差等缺陷,能用于求解巖石力學反問題.(7)以龍灘水電站工程和清江水布埡工程為例,進行了工程實例分析驗證.
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