非圆形隧洞衬砌支护下应力与位移的新解法

以往在利用平面弹性复变函数方法进行衬砌支护作用下非圆形隧洞的力学分析时,一般将洞室外域保角映射到象平面的单位圆外域,并认为可以利用同一个映射函数将衬砌截面映射到象平面的圆环域内。当衬砌厚度很薄时,这种方法是可行的,而当衬砌相对较厚时,利用同一映射函数所得到的衬砌截面形状发生严重失真。为解决此问题,本文引入两套映射函数,分别将洞室外域映射到象平面的单位圆的圆外域,衬砌截面映射到圆环域。这种方法可以适应于不同的衬砌厚度,利用这种方式获得的衬砌截面,在衬砌较厚时仍能保证衬砌厚度相对均匀。在求解解析函数过程中不再采用传统的幂级数解法,而是使用边界配点法,将两套映射函数结合,获得了该问题的应力解和位移解。本文以马蹄形隧洞为例,求解结果与ANSYS软件所得数值解吻合很好,分析了衬砌厚度对隧洞应力和位移的影响。根据本文解答可以方便、快捷地进行相近条件下隧道的初步设计。

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律。通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能。在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型。在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型。

位移反分析有限元网格划分范围的研究

在初始地应力和岩石性质参数已知的情况下，利用平面弹性复变方法获得了深埋地下洞室的位移解析解。在使用有限单元法进行位移反分析时，将此位移视作为“实测位移”。给定不同大小的有限元网格划分范围，可以反算出不同的初始地应力和岩石性质参数，将此结果与给定的已知值进行比较，即可确定满足精度要求的有限元网格划分范围。

马蹄形隧洞考虑支护滞后过程的应力分析

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,推导出带有衬砌的非圆形隧洞在原始地应力作用下的应力解析解。根据衬砌内边界的应力边界条件及围岩衬砌接触面上的应力和位移连续条件,获得求解围岩和衬砌解析函数的基本方程,计算了围岩和衬砌中的应力和位移。在求解过程中,考虑了支护滞后于开挖的力学过程,并认为围岩和衬砌之间紧密接触,不会相互分开和相对滑动。以马蹄形隧洞为例,获得了围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向应力及围岩与衬砌接触面上的接触应力分布规律,并与ANSYS数值方法结果对比,算例表明两种方法的计算结果吻合很好。

岩石力学中两个基本问题的探讨

提出了岩石(体)力学中“岩体中的残余应力”和“体现开挖卸载特点的岩石力学理论亟待建立” 两个不容忽视的基本问题。分析了残余应力形成的主要原因和机理,并给出了几个简单实例。用一个简单的例子论述了以往岩体开挖力学按“加载”过程计算“卸载”问题理论上的缺陷,以往没有考虑初应力对计算结果的影响,按现有的计算理论所计算的开挖位移偏小。岩石的弹性模量越小,且所经受的原始地应力越大,计算误差越大。

应用最优化技术求解任意截面形状巷道映射函数的新方法

本文给出了一个求解任意截面形状巷道映射函数的新方法，利用复合形最优化技术，可以快速获得结果。通过算例表明：此法精度高、适用性强。

高地应力区地下硐室断面形状的选择方法

过去硐室形状优化一般是在围岩为弹性的假定下进行的，若原岩地应力很大时，可能再好的硐室断面形状也不能避免围岩的破坏，此时按弹性假定找出的硐室形状能否是最优．用算例给出了回答：按此方法确定的硐形，就硐室围岩的破坏程度而言，与其他硐形相比，仍然是最优的．

岩石力学反问题的几个基本问题

就岩石力学反问题的几个基本问题进行了讨论，即：岩石力学参数和初始地应力和可辨识条件及其在巷道位移反分析中的应用：金属支架荷载反算解的稳定性分析：地下巷道位移反分析中各种优化方法的探讨：巷道位移反分析测点的最优布置；巷道位移反分析有限元网格划分范围的确定；弹塑性位移反分析的可靠性研究及巷道的孔形优化。

地下洞室最优开挖形状的确定方法

以洞室周边的最大切向应力最小为最优准则，给出了利用复合形最优化技术确定最优洞室形状的方法，在基于该准则所得的最优化洞室周边，应力集中程度最小。

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。

试论我国岩石力学的研究状况及其进展

从岩石(岩体)基本性质的试验研究;岩石塑性力学研究及岩石塑性应变梯度理论;岩石流变力学研究;岩石损伤、断裂力学研究;岩石块体力学研究;分形-岩石力学研究;岩石渗流(耦合)力学及环境岩土工程;岩石力学计算方法及位移反分析;智能科学方法在岩石力学问题中的应用;非线性科学方法(混沌)在岩土工程中的应用10个方面介绍了我国岩石力学的研究状况及其进展,并回顾了岩石力学专家们一些年来所取得的主要成果。

非圆形硐室封闭整体式支护映射函数确定的新方法

本文利用混合罚函数优化方法，给出了将非圆形硐室封闭整体式支护保角映射成圆环域的方法，该方法基于双连通域的保角变换，克服了以往按单连通域方法计算双连通域问题的缺陷，映射精度远远高于以往的方法。

边坡危险滑动面及稳定安全系数的力学解析方法

为了分析边坡的稳定性,提出了一种基于极限平衡理论的分析方法。假定坡体为只受重力作用的弹性体,通过弹性力学解析解求得应力分布,将滑动面用分段二次多项式函数表示,当分段间隔足够小时,这种表示方式可以描述任意曲面形状,根据坡体滑面所满足的Mohr-Coulomb准则,定义边坡稳定安全系数,其为多项式系数的函数。通过混和罚函数优化方法可以求出最危险滑动面对应的多项式系数,获得边坡的稳定安全系数,从而判定边坡的稳定性。所提出的方法与以往方法不同,不用将滑体划分成垂直条块,不用假定滑面上的法向应力分布形式,而直接利用已有的坡体弹性应力解。算例表明:本文方法所得到的结果与简化Bishop法和有限元强度折减法获得的结果非常接近,且基本介于有限元法和简化Bishop法之间。

以孔边绝对值最大的切向应力最小为优化准则的孔洞形状优化

提出了一个新的孔形优化准则──孔边绝对值最大的切向应力最小，并给出了基于这种优化准则寻找最优孔形的方法，在所得的孔洞周边，应力集中程度最小．

山体斜坡附近有压隧洞最小覆盖厚度的解析解

以重力作用下三角形山体的初始应力场解析解为基础,求出初始应力场的最小主应力值表达式,再根据有压隧洞的内水压力应小于拟开挖隧洞处的初始应力场最小主应力准则,给出了确定山体斜坡附近有压水工隧洞的位置、最小覆盖厚度及最小坡高的解析表达式。计算结果表明:一般情形下,最小覆盖厚度不但取决于山体的坡角,而且与隧洞所处的坡高有关;只有当山体的2个坡角相等且为45°或山体的2个坡面相互垂直时,隧洞的最小覆盖厚度才与坡高无关。山体的2个坡角都为45°时,隧洞的最小覆盖厚度是水头高度的0.5656倍,这与修正的挪威准则给出的结果相同。

巷道粘弹位移反分析中各种优化方法的探讨

探讨了６种无约束最优化方法在巷道粘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、收敛精度和可靠性几个方面的比较，发现对于粘弹性位移反分析问题，阻尼最小二乘法是一种较好的优化方法．

智能预测在三峡永久船闸中隔墩时效变形分析中的应用

人工神经网络通过调整网络中的连接权值、网络结构,实现输入输出非线性映射关系,对三峡永久船闸中隔墩的变形进行预测。具有全局最优化遗传算法可使连接权值、网络结构得到最优解。将遗传算法与神经网络结合起来进行变形演化特征识别,对三峡永久船闸中隔墩时效变形进行智能预测,应用结果表明该方法具有较高的预测精度。

完整岩石拉压应力状态下的张裂破坏准则

一点的应力状态可由3个主应力σ_(1),σ_(2),σ_(3)来表示,当规定主应力以压为正时,沿最大主应力σ_(1)方向将产生收缩变形,若中间主应力σ_(2)和最小主应力σ_(3)都远小于σ_(1),则沿σ_(2)和σ_(3)方向会产生横向扩张变形,当横向扩张变形达到一定极限时,将会在平行于σ_(1)的方向产生张裂破坏.如何建立这种张裂破坏的强度准则目前尚缺乏研究,最大拉应变理论(第二强度理论)有时被用来解释张裂破坏,但最大拉应变理论难以应用于三向受力状态.本文分别用ε_(1),ε_(2)表示最大张应变和次大张应变,则最大拉应变理论认为当ε_(1)达到单向拉伸屈服应变时,材料将产生破坏.而本文将根据ε_(1)+ε_(2)之和达到极限值ε_(u)来建立张裂破坏准则.可以证明ε_(1)+ε_(2)所表示的是σ_(1)主平面的面积增长率.当σ_(3)<σ_(2)≪σ_(1)时,大部分岩石都具有脆性破坏的特点,所以可将破坏前的岩石视为满足广义胡克定律的线弹性材料,这样用ε_(1),ε_(2)表示的强度准则可通过σ_(1),σ_(2),σ_(3)来表示.在这个过程中还可考虑岩石在拉伸和压缩时具有不同弹性参数和强度的特点,并可通过单向拉伸和单向压缩的破坏状态来确定ε_(u).不管σ_(1),σ_(2),σ_(3)是压应力,还是拉应力,或者σ_(1),σ_(2),σ_(3)中有拉有压的情形,基于ε_(1)+ε_(2)=ε_(u)都可建立相应的强度准则.所建立的准则可以反映中间应力σ_(2)对强度的影响规律,通过建立的强度准则还可以证明:静水拉力能引起屈服,而静水压力不能产生屈服;压缩破坏能使塑性体积增大,其结果比Mohr-Coulomb准则更能反映实际情形.并通过拉压应力状态下的试验数据验证了所建立的强度准则,所得理论计算结果和已有的试验数据吻合得很好.通过提出的强度准则和圆盘劈裂的试验结果,可获得更为可靠的岩石单轴抗拉强度.

平面双连通域稳态温度场的解析解

目前对于平面双连通域稳态温度场的问题,解析解法主要有分离变量法、虚拟热源法、积分变换法和格林函数法等.这些方法仅适用于几何形状简单边界条件不复杂的情况.本研究采用复变函数方法,利用映射函数将物理平面上任意形状的双连通域映射为像平面上的轴对称圆环,然后将偏微分方程转化为常微分方程,利用传热学中第1类边界条件,在像平面内可以求出轴对称圆环的稳态温度场.然后再通过映射函数将结果返回物理平面,便得到物理平面上任意形状双连通域的稳态温度场.对于已知映射函数的偏心圆环和含一圆孔的半无限域的双连通域两个问题,通过本研究提出的方法给出了温度场的解析解.而对于一般的双连通域问题,本研究通过最优化技术给出了映射函数的求解方法,获得了复杂双连通域稳态温度场的解析解.

弯曲试验确定岩石单轴抗拉强度的新方法

岩石的单轴抗拉强度是岩石的一个重要力学参数。四点弯曲试验法是获取岩石单轴抗拉强度的一种间接方法,但四点弯曲试验的传统公式计算出来的单轴抗拉强度往往比实际的单轴抗拉强度大得多,有时甚至是直接拉伸试验抗拉强度的2～3倍。因此,需要对传统公式进行改进,得出新的抗拉强度计算公式,并在四点弯曲试验中获得与实际比较符合的单轴抗拉强度。在岩石拉压模量不同的基础上,考虑岩石破坏前的塑性变形行为,通过弹塑性力学的方法精确地推导出四点式弯曲试验的单轴抗拉强度计算公式,并分析了新的抗拉强度计算公式的结果,获得与实际情形比较符合的岩石单轴抗拉强度。