岩土结构仿真反馈分析的理论与实践

【摘要】：岩土工程是界于土木工程和工程地质学科间的边缘科学,是建立在土力学、岩石力学和基础工程学等学科基础上,将这些知识有机地结合一起,去认识和解决土体和岩体中的工程技术问题。由于岩土介质材料的复杂性、不确定性,以及岩土工程结构复杂多样、影响因素多,许多方面甚至在认识上还存在不足,因此岩土工程是一个非常复杂而热门的课题。随着我国经济建设的发展,近年来水利水电、铁道交通、海洋开发、矿山开采等事业的蓬勃发展,越来越多的技术问题摆在岩土工程师们面前。 进入20世纪60年代以后,随着计算机技术的发展和普及,岩土工程的数值计算方法有了突飞猛进的发展。工程实践表明,利用数值分析方法可以对地下工程、边坡、大坝、地面建筑等进行应力、位移和破坏分析,并用于设计。岩土工程科学数值计算技术的发展,使定量分析水平有了快速提高,以至一些学者认为岩土工程已经从“艺术”阶段走到了“技术”阶段。数值计算中,准确地描述岩土体特性的力学参数及本构模型和初始构造应力等成为影响计算精度,甚至是计算结果可靠性的关键因素。“参数给不准”和“模型难确定”已成为岩土力学理论分析与数值模拟的“瓶颈”问题。 因此,本文围绕国内几个大型水利水电工程中一些关于岩土结构方面的关键技术问题,开展了岩土工程结构数值仿真反馈分析方面的研究,得出了一些具有实际意义的结论和认识。最后还研制了功能较全、分析能力较强的仿真反馈分析系统,并在一些重大工程中得到了很好地应用,解决了实际问题,取得了较好的效果。 全文共分9章,各章的主要内容如下。 第1章综述了岩土结构数值方法的发展及研究现状和反分析方法的研究现状,并指出了岩土工程仿真反馈分析中几个问题。据此,提出了本文研究的内容及意义。 第2章探讨了一般的岩土结构力学模型,包括非线性弹性本构模型、理想弹塑性本构模型、弹粘塑性本构模型、剑桥模型,以及岩体结构面、接触面及锚固支护措施的模拟模型。针对加锚节理岩体的加固机理及特点,研究了加锚节理岩体力学模型。对于节理岩体的断层、节理裂隙等结构面以及锚杆等加固支护措施,应用该模型既可以离散模拟以研究关键部位的应力及变形性状,也可以等效模拟以宏观掌握加固体及薄弱面的影响。研究表明,该模型比传统的力学模型具有显著的优点。 第3章从岩土工程的控制方程出发系统地研究了岩土工程的一般有限元分析方法,