岩体裂隙三维可视化新方法及其应用

快速准确地识别岩体裂隙的三维分布特征是西南山区铁路防灾减灾的关键.本研究提出了一套岩体裂隙可视化新方法,基于测窗调查的裂隙数据,依托球坐标及极射赤平投影进行数字化处理及降维,利用K-Means++聚类算法、Fisher分布模型和蒙特卡洛模拟,完成裂隙产状数据的自动分组和模拟,最后运用Python及圆盘模型实现岩体裂隙三维可视化.本研究采用坐标变换和三角网格曲面的方式,更有利于与其他三维建模软件嵌套分析.水电站工程的先行应用研究表明产状数据服从Fisher分布,本文的模型相对于传统玫瑰花图和施密特图有着一定的优势.因此,本文建立的岩体裂隙模型具有直观快速反映区域裂隙网络三维分布特征的优点,研究成果可以直接服务于西南山区铁路施工阶段隧道掌子面及洞壁的节理裂隙三维识别以及防灾减灾研究.      

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。     

隧道围岩松动圈的现场测试与理论分析

围岩松动圈是制定隧道支护措施和整体稳定性评价的重要参数和依据,如何快速准确地确定松动圈范围已备受关注。以张-石（张家口至石家庄）高速公路上的多条隧道工程为背景,采用声波探测和理论计算相结合的方法,对不同埋深、围岩等级条件下的隧道松动圈进行了研究。基于D-P准则推导了围岩应力松动圈的弹塑性理论和损伤理论计算方法,其计算结果均小于单孔声波法测试结果,但两者变化规律类似。由于考虑了岩体的峰后软化特性,损伤理论分析法计算结果比弹塑性理论更加接近于实测值,运用损伤理论对围岩（特别是低级别围岩）松动圈进行预测是可行的,研究结果对其他类似工程具有借鉴作用。     

岩石弹塑性损伤本构模型建立及在隧道工程中的应用

在实际隧道施工过程中,隧道开挖引起地下岩体应力重分布使得围岩的微裂纹扩展损伤,并伴随有塑性流动变形。在地下水环境中对于孔隙和微裂隙围岩介质受到应力作用时,在内部将产生高孔隙水压力影响岩石的力学性质,也改变了围岩的破坏模式。为了研究损伤引起的刚度退化和塑性导致的流动两种破坏机制的耦合作用,从弹塑性力学和损伤理论的角度出发,同时引入修正有效应力原理来考虑孔隙水压力的作用,建立基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性损伤本构模型;针对该本构模型推导了孔隙水压力作用下弹塑性损伤本构模型的数值积分算法-隐式返回映射算法,分别对预测应力返回到屈服面的光滑圆锥面或尖点奇异处两种可能的情况给出了详细的描述,隐式返回映射算法具有稳定性和准确性的特点;大多数弹塑性损伤模型中涉及参数多且不易确定的问题,采用反分析方法获得损伤参数,解决了损伤参数不易确定的难题;采用面向对象的编程方法,使用C++语言编制了弹塑性损伤本构求解程序,并对所建立的弹塑性损伤模型和所编程序进行了试验和数值两个方面的验证;最后将其在吉林抚松隧道工程中进行应用,模拟了塑性区和损伤区的发展变化。研究结果表明：所建立的弹塑性损伤本构模型能够较好地描述岩石的力学性能、塑性和损伤变化趋势,所编程序能够进行实际工程问题的模拟,对现场施工给予一定的指导。     

复杂地层结构的2D、3D剖面显示技术研究

将计算机图形学扫描线区域填充算法应用于地质科学计算可视化。是图形工程应用领域的扩展。这里应用改进扫描线算法，实现了复杂地质结构的地质属性填充的二维、三维剖面图绘制．为地质专家直观观察地质空间数据．有效分析空间数据提供了逻辑思维空间平台。这里分析了改进扫描线算法的实现技术思路，并讨论了剖面树ST和有效表AT的数据结构及其改进扫描线算法实现步骤和面向对象类封装的实现软件结构，最后还给出了该算法应用Delphi和OpenGL实现二维、三维复杂地质属性剖面图绘制实例。这些实例表明了这种算法是可行的。     

人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

基于IDL的三维地质动态建模

三维地质建模凭借着形象直观、操作简单、功能丰富的优势,广泛应用于地质、矿产、工程等领域。在讨论表面建模与实体建模方法的基础上,开发程序探索了其在交互式数据语言（IDL）平台上的实现过程,并初步建立了可以应用于滑坡、泥石流、地面沉降等动态过程展示的算法。最后以煤田与泥石流模型的构建与可视化作为实例进行了效果验证。经测试,IDL可以较好地完成三维地质建模任务,并且在插值、剖分等方面表现了自己的优势,为工程地质信息化的实现提供了一种思路。      

围岩力学参数反演的GSA-BP神经网络模型及应用

针对遗传算法（GA）存在早熟现象和局部寻优能力较差等缺陷,引入具有很强局部搜索能力的模拟退火算法（SA）,组成改进的遗传模拟退火算法（GSA）提高优化问题的能力和求解质量。针对BP神经网络容易陷入局部最小和收敛速度慢等方面的不足,应用改进的遗传模拟退火算法搜索BP神经网络的最优权值和阀值,提高BP神经网络的预测精度,建立了围岩力学参数反分析的GSA-BP神经网络模型。将该模型应用于乌东德水电站右岸地下厂房围岩力学参数的反演分析中,根据监测围岩变形数据反演围岩力学参数,反演所得参数应用到正计算分析中,得出的计算位移与实测值吻合较好,说明该方法的有效性和应用于该工程的可行性。     

蚂蚁属性优化断层识别技术

在地震地质勘探领域,蚂蚁属性越来越普遍地用于断裂系统的快速识别,而在实际应用过程中,基于三维地震数据提取的蚂蚁属性,不论是沿层切片（平面）还是剖面上往往显示杂乱无章,对断裂系统的刻画与地震同相轴的分布特征并不对应,致使实际应用效果较差。针对此普遍存在的现状,研发出一套蚂蚁体断层快速识别的技术系列:首先,根据地质目标,优化蚂蚁属性的终止标准值,应用蚂蚁细线体的信息素二值化技术使蚂蚁体聚焦和收敛;然后,通过断层自动分离对断面的尺度与偏角等参数进行分析,有效定义生成断面的规则及断面间的关系;最终,利用三维可视化平面-立体联立解释技术,直观判断出研究区断裂系统空间分布的合理性,进行断面细化编辑与调整,自动按所需间隔提取断棱数据,从而实现断层的自动追踪解释。通过应用此技术系列,在研究区断裂系统识别,尤其是大尺度断层快速自动追踪方面取得了很好的效果,快速、准确地建立起了研究区断层解释格架。应用蚂蚁属性进行断层识别是一套技术系列,利用典型剖面进行试验、优化计算参数是关键,遵循这一思路计算出的全区蚂蚁属性,才能获得良好的断层识别效果。      

岩土工程施工监测信息系统初探

岩土工程施工监测信息系统（GeoMIS）主要以隧道、基坑和边歧工程施工监测为应用现象，运用工程可视化技术与地理信息系统GIS的全新思想，将数据库管理、分析预测与测点图形功能三者无缝集成，实现了以测点地图为中心的查询和数据输入输出的双向可视化，并提供监测概瞀和图形报表等完整的实用工具。系统功能齐全，交互灵活，无需其它应用软件系统支撑，对工程施工设计与科学研究具有实用价值。     

隧道围岩弹塑性随机有限元分析及可靠度计算

在弹塑性有限元分析的初应力法基础上,推导了弹塑性随机有限元增量初应力法的计算迭代格式,结合可靠度理论,给出了围岩稳定的可靠度分析方法,在计算出可靠度的同时还给出了围岩和锚喷支护结构的应力特征值。并对一工程算例进行了详细的分析和讨论,得出了一些有益的结论。     

基于遗传－广义回归神经元算法的坞石隧道三维弹塑性位移反分析研究

广义回归神经元网络在逼近能力、学习速度和网络稳定性方面均优于BP神经元网络,且具有网络人为调节参数少的优点。本文将广义回归神经元网络引入坞石隧道工程的三维弹塑性位移反分析。为了在网络训练过程中快速搜索到最优的网络阈值,采用十进制遗传算法对网络阈值进行优化。在确定最优的网络结构后,采用遗传算法在每个待反演参数的搜索范围内搜索出与实测位移最接近的围岩力学与初始应力场参数组合。用反分析得来的参数进行下步开挖位移预测,预测值与实测值吻合较好,表明所提出的这种反分析方法在工程上是可行的,可以推广使用。     

隧道围岩稳定性正算反演分析研究——以厦门海底隧道穿越风化深槽施工安全监控为例介绍

为了降低海底隧道施工风险,确保隧道施工顺利穿越海底几处风化深槽和风化囊区域,解决难以获得隧道围岩力学参数的技术难题,采用位移反分析方法建立了动态反演预测模型;作为比较,还简单介绍了弹塑性反演的一种全局优化方法。根据隧道典型断面实际监控量测的围岩拱顶沉降量和周边收敛位移量,结合先行服务隧道揭露的水文地质情况,进行优化反演分析,得到该类围岩初期支护后的等效弹性模量和等效侧压力系数。在相应的同类地质条件下,对后续将开挖的左、右主洞围岩采用边界元法进行正演数值计算,使之能为主洞施工方案比选以及支护设计参数调整与修正提供定量依据,做到信息化动态设计与施工。工程实例分析表明,利用正算反演分析法得出的围岩等效力学参数是可靠的,可据此对类似地质条件下主隧道围岩进行正演计算分析,预测主洞围岩的变形破坏模式,判断其围岩稳定性。位移反分析法是隧道施工变形理论预测分析与工程实际相联系的有效平台,为工程设计施工技术决策提供了一种切实有效的途径。     

Effect of stress disturbance induced by construction on the seismic response of shallow bored tunnels

This paper examines the effect of the stress disturbance induced by tunnel construction on the completed tunnel’s seismic response. The convergence-confinement method is used to simulate the tunnel construction prior to the dynamic analysis. The analysis is performed using the finite element method and drained soil behaviour is simulated with an advanced multi-mechanism elastoplastic model, utilising parameters derived from laboratory testing of Toyoura sand. The response of the soil and of the lining during dynamic loading is studied. It is shown that stress disturbance due to tunnel construction may significantly increase lining forces induced by earthquake loading, and Wang’s elastic solution appears to underestimate the increase.     

地震荷载作用下大坂盾构隧道管片配筋校核

将盾构隧道管片视为分段曲梁、管片之间为铰接关系、管片与地层之间为非线性接触关系,边界采用无限元吸收地震波的反向与折射,地层服从Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,地震波采用EI-Centro波,采用地层-结构法,应用隐式动力有限元分析地震荷载作用下管片轴力与弯矩分布情况。根据有限元计算结果,结合结构力学方法,校核管片配筋是否合理。与荷载结构法相比,其方法可模拟围岩与管片、管片与管片之间的相互关系,并可考虑锚杆等支护结构对管片受力的影响,因而,计算结果更为精确。研究为盾构隧道管片配筋优化设计,降低隧道支护成本,提供了一种管片配筋校核计算方法与设计依据。     

各向异性岩应力-渗流耦合问题的反分析

在岩土工程实践中对于诸如各向异性岩体的应力-渗流耦合分析等复杂问题,建立用于同时确定多类参数的反分析方法具有重要意义。以位移量测信息为基础信息,对基于复变量微分法的优化算法（Levenberg-Marquit法）引入异步长因子矩阵 ,建立同时反演确定初始地应力、围岩性态参数和渗透系数的协同优化变步长反演算法。对不同的参数借助搜索迭代过程,确定不同的步长因子系数。异步长因子矩阵可使在峰值附近不收敛的参数重新选择搜索方向,使其收敛至精确值。算例表明,异步长因子矩阵可成功地用于协调各类参数敏感性之间的差异,从而有效改进多参数耦合反演的收敛性和收敛速度,使算法具有更好的适应性和有效性,为岩土工程的复杂问题的求解提供一种方法。     

地下巷道弹性位移反分析各种优化方法的探讨

探讨了６种最优化方法（鲍威尔法、单纯形加速法、阻尼最小二乘法、变尺度法、模式搜索法和变量轮换法）在巷道弹性位移反分析中的应用情况。从参数初始点的选择、收敛速度、收敛精度和可靠性方面评价了这６种无约束最优化方法的优劣。     

Computing costs for FEM analysis of foundation engineering problems and possible ways of increasing efficiency

The application of finite element methods (FEM) is often restricted by the available computer capacity and the computing costs. The purpose of this paper, therefore, is, to present test results and to discuss possible ways of achieving a substantial reduction in computing times. Dividing the numerical analysis into the five levels–hardware, software, element-mesh and element-type, iteration technique (approximation of non-linearity) and constitutive model–one can show that the computing time can be reduced by about 20 per cent at every level. In particular, the use of the modified Newton-Raphson method for approximation of non-linearity and the constitutive model–apart from the theoretical concept (elastoplastic, hypoelastic etc.)—must be formulated in a manner which does not produce substantial changes in the coefficients of the material matrix caused by small stress changes. On the whole, computing time can be reduced to about 10 per cent of present computing costs. Thus, it would even be economically viable to solve three-dimensional non-linear problems by FEM.