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横观各向同性岩体位移反分析的理论与应用研究

张志增  
【摘要】:一方面,由于横观各向同性岩体在地表分布非常广泛,在工程建设中遇到大量的横观各向同性岩体稳定性问题。另一方面,岩体是在漫长的地质演化过程中形成的性质极其复杂的地质体,要想获得准确的岩体物理力学参数非常困难,“参数给不准”已成为岩石力学理论分析和数值模拟的“瓶颈”问题。因此,本文针对横观各向同性岩体位移反分析的理论与应用展开研究,为准确快速地确定横观各向同性岩体的参数提供新的研究思路和方法。 研究内容主要包括位移解析解、反分析的唯一性、测点优化布置、剪切屈服准则和弹塑性本构关系、主从式并行遗传算法等。 根据横观各向同性弹性力学的基本方程,推导了横观各向同性平面应变问题的相容方程;在此基础上,推导了横观各向同性岩体中圆形巷道的位移解析解。根据应力函数的复变函数表示,推导了横观各向同性平面应变问题中位移分量的复变函数表示;在此基础上,利用保角映射,推导了横观各向同性岩体中任意形状巷道的位移解析解。 从参数可辨识条件出发,分析了横观各向同性岩体中圆形、椭圆形和复杂形状巷道位移反分析的唯一性,结果表明,必须至少已知3个参数时,才有可能唯一地反演其他参数。另外,以圆形巷道为例分析了测量点布置对位移反分析唯一性的影响。 根据最大位移原则对横观各向同性岩体中位移反分析的测点优化布置进行了初步研究,研究结果表明,在较大主应力方向靠近洞壁的区域是最合适的测点布置区域。 推导了横观各向同性岩体的剪切屈服准则和弹塑性本构模型的增量方程。在此基础上,采用C++语言,在Visual Studio 2005的环境中对FLAC3D进行二次开发,编制了横观各向同性弹塑性本构模型程序。 考虑到遗传算法的天然并行性和集群计算的高速并行性,提出了基于主从式并行遗传算法的岩土力学参数反分析方法。采用实数编码方法和动态任务分配方案对算法性能改进;采取“松耦合”的方法将主从式并行遗传算法与FLAC3D程序进行耦合。基于C+MPI语言编写了反分析程序。


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