基于正交试验设计的梧桐庄矿岩体力学参数反演

在岩土体力学问题的数值模拟研究中,力学参数选取正确与否直接影响模拟结果的准确性。本文在分析不同岩体力学参数确定方法基础上,以梧桐庄矿开采沉陷项目为背景,结合现场实测数据和相关理论成果,应用"数值模拟-正交设计"法,建立了一套确定岩体物理力学参数有效实用的方法。试验中以下沉系数为评价指标,选择围岩体4个基本力学参数弹性模量E(GPa)、泊松比μ、内摩擦角φ(°)、粘聚力c(k Pa)为反演因素,模拟计算各参数不同水平组合,通过对结果的极差与方差分析,得出各参数对下沉系数的影响显著性,再进行二次优化实验计算,综合分析确定一套优选参数组合。此方法使得参数合理化,模拟结果可以更真实的反映煤岩体实际采掘的变形移动情况。     

滑（边）坡稳定性评估探讨

滑（边）坡稳定性评估不仅取决于计算方法本身,更主要的取决于计算参数的选取是否合理,力学参数的选取是否合理将直接关系到所建立的滑（边）坡稳定性评估体系的成败。在根据试验结果等综合确定（潜在）滑动面的黏聚力、内摩擦角的取值区间和建立计算模型基础上,对滑（边）坡反算力学参数时不同发育条件下稳定系数的选取和稳定性计算方法的确定进行了较深入研究,提出了一整套滑（边）坡力学参数的综合选取方法和稳定性评估体系,并以某滑坡为例进行了实际工程应用。采用数值模拟和物理模拟对所建立的稳定性评估体系进行了验证,其工程适用性良好。     

基于BP神经网络的土体细观力学参数反演分析

利用离散元方法对颗粒材料的细观力学特性研究, 目前确定数值计算模型的细观力学参数大多数通过反复调试获取, 效率低、可重复性差。本文采用开源的颗粒离散元程序LMGC开展了土体双轴压缩数值试验, 通过25组土体细观力学参数计算得到相应的宏观力学参数, 建立了BP人工神经网络反演系统。利用土体物理试验得到的土体宏观力学参数, 输入BP神经网络, 反演得到土体的细观力学参数。将所得细观力学特性参数输入所建立的土体数值计算模型, 得到土体破坏过程中的应力-应变关系曲线, 以及土体颗粒的力链图和旋转变形云图。所建立的土体数值试验模型能够较好地模拟土体变形破坏过程, 利用BP神经网络反演细观力学参数以及数值模型计算得到的土体宏观力学参数与物理试验吻合较好, 误差在10%左右, 土颗粒间力链云图以及旋转变形云图较好地揭示了土体变形破坏的机理。     

打浦路越江隧道计算模型及其参数研究

针对上海市打浦路越江隧道的实际条件提出用板单元模拟隧道衬砌、国道板和竖向支撑,用土弹簧模拟土与隧道的共同作用。根据建立的模型确定了相应的计算参数。通过模型计算结果与现场测试结果的对比分析,论证了力学模型和计算参数的合理可靠性以及计算方法的正确性。为盾构法或矿山法施工的隧道及地下结构进行力学分析提供参考。     

基于BP神经网络的岩土体细观力学参数研究

目前颗粒流计算方法中所采用的细观力学参数,均需根据岩土体宏观力学参数试验结果反复调试获取,调试效率很低且有较大的盲目性,因此,急需引入一种新方法,建立岩土体宏观力学参数与细观力学参数的关系。基于PFC3D程序,采用BP(back propagation)神经网络方法,建立宏观力学参数与细观力学参数的非线性模型,通过输入宏观力学参数,即可快速、准确地反演岩土体细观力学参数。研究结果表明：(1)根据BP神经网络模型反演确定的细观力学参数,输入数值模型计算其宏观力学参数,结果与试验值相比,精度一般高于90%;(2)当模型最小尺度上的颗粒数RES = 10、隐含层含6个神经元时,BP神经网络模型的反演性能最佳。实例计算表明,BP神经网络模型对于岩土体细观力学参数的确定具有良好的反演性能,该方法为颗粒流理论的推广应用提供了新的技术手段。     

长江新滩滑坡体的力学试验

为研究新滩滑坡机制和评价滑坡体的稳定性,笔者对新滩滑坡体开展现场和室内的一系列力学试验,确定出新滩滑坡前后的C、ψ值,供稳定性计算使用。实践表明,推荐的力学参数合理,获得的结论正确。同时也说明,原位力学试验最佳。     

矿山采动卸荷岩体力学参数劣化规律研究

矿山开采对采动影响区域内的围岩形成扰动,弱化岩体力学性质,其参数劣化规律是数值模拟与分析计算的主要问题之一。以铜坑矿92#矿体连续采矿顶板诱导崩落试验采场为对象,运用卸荷岩体力学理论,确立了开挖卸荷岩体力学参数计算模拟的计算流程。结合有限元数值模拟方法,建立了岩体卸荷等效模型,进行了6步连续卸荷的计算,得到了地下连续采矿顶板卸荷岩体力学参数的变化规律,并运用多项式实现了卸荷岩体力学参数与卸荷量变化值的函数拟合,获得了采动卸荷岩体力学参数的劣化规律。结果显示,卸荷第6步时,计算不收敛,表明此时顶板已经完全破坏而发生崩落;在卸荷过程中,岩体力学参数均呈逐渐弱化的趋势,其中内摩擦角、凝聚力和弹性模量随开挖卸荷的推进呈逐渐减小的趋势,最终的参数分别相当于初始值的55%、50%和50%,但泊松比呈逐渐增大的趋势,最终值相当于初始值的1.15倍。其结果说明了采动卸荷导致了岩体质量的劣化,卸荷岩体力学参数与卸荷量的函数为采动卸荷力学响应的动态分析提供了理论基础。     

分位数回归在岩体力学参数选取中的应用

随着大型水电工程、大型桥梁、高层建筑和地下空间工程建设的发展,如何合理地确定岩体力学参数显得尤为重要,这将直接影响到工程的投资和可靠性。本文首先简要地介绍了分位数回归的概念和性质,接着以某水电站混凝土抗剪强度试验研究、模拟裂缝化灌抗剪强度试验研究、完整黏接裂缝芯样抗剪试验研究为背景,结合大坝设计相关规程要求,采用分位数回归对其力学参数进行选取分析研究。同时也采用传统的线性0.2分位值、点群中心法、优定斜率法对该试验成果进行了计算比较,确立分位数回归在二维岩体力学参数选取中的优势。通过以上分析研究,文中首次提出采用分位数回归进行岩体力学参数选取,为工程建设参数选取方法提供参考。     

古建筑风化石质构件力学参数的确定方法

针对目前常规确定岩石力学参数的方法只能得出岩块的整体强度,不能反映古建筑石质构件风化层内力学参数逐渐变化,无法很好地满足石质古建筑稳定性、耐久性研究的不足,提出了综合运用现场穿透波CT测试、表面回弹测试和室内试验确定风化石质构件力学参数的方法。方法的实施主要包括：通过现场穿透波CT测试,获得纵波波速在石质构件深度剖面上的分布;现场选取与欲研究的石质构件类似的岩石做室内力学试验和波速测试,得出力学参数与波速的统计关系;上述两者结合得出力学参数在石质构件深度剖面上的分布,在此基础上分析风化层内力学参数随深度的变化关系;对不同风化分区代表性石构件进行风化深度研究和表面回弹测试,得出构件表面强度比与风化深度的关系。以义乌宋代古月桥为例,对其方法进行了系统的介绍,并对古月桥承载条石风化层内力学参数随深度的变化关系以及表面强度与风化深度的关系进行了研究。研究表明：义乌宋代古月桥承载条石风化层内的抗压强度比、弹性模量比随深度呈负指数关系变化;表面强度比与风化深度呈2次多项式关系。     

隧道开挖中围岩损伤演化分析及力学参数预测

数值方法所得出结论的可靠性很大程度上取决于岩体力学参数的选取,因此基于损伤演化分析,对损伤变量与围岩力学参数之间关系进行了研究。在各向同性损伤的假定下,通过分析开挖过程中围岩损伤演化,建立了采用损伤变量对弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角等围岩材料参数进行估算的方法。采用弹性纵波波速定义初始损伤,根据壁城隧道现场监测资料建立ANSYS渐进性数值模型,反演典型断面开挖过程中围岩的宏观力学参数。分析结果表明,该方法可以有效地确定围岩力学参数的变化情况,与实际情况吻合较好。     

A hypoplastic model for mechanical response of unsaturated soils

A new constitutive model is developed for the mechanical behaviour of unsaturated soils based on the theory of hypoplasticity and the effective stress principle. The governing constitutive relations are presented and their application is demonstrated using several experimental data from the literature. Attention is given to the stiffening effect of suction on the mechanical response of unsaturated soils and the phenomenon of wetting‐induced collapse. All model parameters have direct physical interpretation, procedures for their quantification from test data are highlighted. Quantitative predictions of the model are presented for wetting, drying and constant suction tests. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

含液各向异性多孔介质应变局部化分析

工程中的含液多孔介质如饱和或非饱和岩土材料往往具有各向异性特性。采用Rudnicki建立的针对岩土材料的各向异性本构模型,对轴对称压缩试验中的含液多孔介质骨架的各向异性力学行为进行了分析;基于不连续分叉理论,导出了静态非渗流条件下处于轴对称应力状态的含液多孔介质应变局部化发生的临界模量、剪切带方向以及不连续速度矢量的显式表达式,在此基础上计算并讨论了材料参数变化和孔隙液体存在对各向异性多孔介质应变局部化的影响。     

Simulation of the Subsidence and Deposition Processes of the Foreland Basin in the Southwestern Margin of Ordos

Characteristics of deformation in the thrust belt and sequence stratigraphic framework in the foreland basin, structural features of the basin margin, and the episodic thrusting are studied in this paper by combining the eastern Qilian thrust belt and the Late Triassic foreland basin on the southwestern margin of Ordos. On this basis, a geological model and a mechanical model of coupling mechanism were established for the pair of thrust belt and foreland basin, and the subsidence and deposition process of the foreland basin were simulated on given parameters.     

粘弹性岩体力学模型识别与参数反演解析方法研究

本文基于圆形和非圆形隧道围岩粘弹性位移反演分析解析方法的最新进展，根据隧道围岩力学参数解析解的反演规律，提出了五个粘弹性力学模型识别与参数定理，并通过算例和工程实例对所给出的定理作了必要的验证。     

热-应力-损伤耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性分析

以热力学和弹塑性力学理论为基础,分析岩石热-力完全耦合作用及其对力学参数和热特性参数的影响,建立了岩石热-力-损伤耦合模型及其参数演化方程,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发,并通过典型算例验证了岩石热-力完全耦合的重要性。然后以某深埋软岩隧洞为例,研究温度和开挖卸载共同作用下的隧洞围岩力学行为和损伤过程。计算结果表明：温度对岩石的力学性质和损伤演化过程影响显著,开挖损伤和热应力诱发的损伤对围岩热力学参数的影响不可忽略;所提出的力学模型可以有效反映围岩损伤演化、调热圈演化以及热力学参数演化,具有一定的借鉴作用。     

单轴受压状态下钢纤维混凝土损伤本构模型研究

针对钢纤维混凝土在单调载荷条件下损伤行为的复杂性,根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理,得出了钢纤维混凝土损伤本构模型,基于试验数据,确定了模型参数。分析计算结果显示,该模型可以有效地描述单轴受压状态下钢纤维混凝土的损伤过程。     

考虑降解效应的城市固体废弃物非线性本构模型

基于城市固体废弃物(MSW)的降解及土力学特征,在应力降解模型、等向压缩特性和邓肯-张模型的理论基础上,建立了一个能够描述MSW应力和降解耦合作用的全量非线性本构模型。给出了不同应力状态下单元体体积和轴向变形随时间变化的数学表达,同时给出了所有参数的确定方法。采用该模型对不同龄期和不同围压条件下填埋场现场试样的三轴CD应力-应变曲线以及室内长期一维降解压缩试验进行了模拟。结果表明,模型概念合理、参数明确,能够较全面地描述不同降解龄期垃圾的本构关系,可用于分析填埋场的长期变形。     

岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法研究

数值计算中利用随机分布对各单元赋予不同的物理力学参数来考虑岩石的非均质性,赋值过程是纯随机的,并没有考虑岩石矿物组成的结构特征。故提出一种新的岩石非均质参数赋值方法--岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法,基于岩石矿物种类及其含量定义细胞元类别判定区间,利用Monte Carlo方法对各个细胞元进行矿物类别判定,并进行相应的参数赋值,通过各矿物细胞元的随机混合体来描述岩石的非均质性。该方法既考虑了组成岩石的矿物种类及其含量（结构特征）,又考虑了组成矿物在岩石中的随机分布特征。针对矿物分布的随机特征,利用两矿物细胞元混合模型和三矿物细胞元混合模型进行数值试验,研究了矿物细胞元随机分布特征对岩石宏观力学参数的影响。研究结果表明,岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法具有结构性和随机性的双重特性,其随机性不依赖于随机参数,岩石宏观力学参数受细胞元随机性特征的影响很小。     

基于抗转模型的颗粒材料宏−细观关系研究

接触模型的宏?细观参数标定是成功使用离散元方法的关键。在离散元的接触模型中线性接触模型与抗转线性接触模型均可用于模拟砂性土的力学行为,其中抗转线性接触模型在模拟密砂的剪胀性方面具备优势。采用抗转线性接触模型对室内密实砂土三轴试验进行了离散元模拟,验证了抗转线性接触模型的可靠性;进而系统分析了颗粒间摩擦系数、刚度比和抗转动系数等细观参数与砂土峰值内摩擦角、残余内摩擦角、峰值剪胀角等宏观参数的相关关系并进行了验证;揭示了偏应力作用下,细观参数对密实砂土试样内部剪切带宽度与倾角变化的影响规律,提出了考虑剪胀角的剪切带倾角经验公式。通过研究建立了抗转线性接触模型宏?细观参数的量化关系并给出了标定参数的具体流程图,提出了快速标定宏观参数的方法并应用实例进行了验证,为采用抗转线性接触模型精准模拟密实砂土的力学特性提供依据。