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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,其物性參數、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和模型的反分析方法自提出以來得到了迅速的發展,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)采用區間變量表示工程中的不確定性量,針對區間分析中計算結果的區間擴張問題,提出了區間參數攝動法和區間參數優化法來求解區間有限元方程;當區間變量范圍較大時,提出了將區間參數分區的方法來求解區間有限元方程;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,將量測信息視為區間不確定性的變量,建立了區間參數反分析模型,將區間分析同攝動理論、優化方法相結合,提出了區間參數攝動反分析方法和區間參數優化反分析方法;基于確定性逆反分析的思想,提出了區間逆反分析方法.(3)在梯度類優化方法中,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反分析中的梯度向量,形式簡單,計算快捷.(4)根據系統辨識所需的先驗信息、實現的原理和方法,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,從而得到所需的本構模型;在優化反演過程中,提出了一種減少非線性優化變量個數的方法,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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