基于随机有限差分的层状岩体洞室失稳风险分析

摘要

层状岩体是一类常见的工程岩体，具有典型的横观各向同性特征，洞室开挖后易出现弯折或顺层滑移等破坏，进而导致围岩失稳。围岩破坏不仅会迟滞工程建设，也会构成潜在的安全风险。由于岩体力学参数普遍存在空间变异性，使得确定性计算结果无法有效反映支护结构对围岩的安全储备。因此，开展考虑层状岩体力学参数空间变异性的地下洞室失稳风险研究具有理论与实际双重意义。本文应用概率理论，对岩体力学参数概率密度函数的确定方法、层状岩体力学参数相关非高斯随机场的构建流程，随机场与FLAC3D网格模型的耦合方法、层状岩体破坏极限状态方程下破坏概率的计算方法与非侵入式随机有限差分法的风险分析方法，及等效砂浆锚杆支护效果的层状岩体洞室失稳风险分析与应用等进行了系统的研究，主要的研究内容如下: (1)结合洞室开挖过程中的围岩响应信息与地质信息，通过构建岩体力学参数反演与推断的两种神经网络模型获取岩体力学参数。并以此为基础，确定岩体力学参数最优概率密度分布函数，为构建层状岩体力学参数随机场提供了数据支持。 (2)通过确定层状岩体参数随机场区域长度、分析参数空间变异性特征、离散参数随机场，对层状岩体力学参数随机场进行了构建，并确立了随机场与FLAC3D网格模型之间的对应关系。进一步通过单元遍历，实现了参数随机场与网格模型的耦合。 (3)基于表征层状岩体破坏程度的破坏接近度指标，确定了层状岩体围岩破坏的极限状态方程。在获得的参数随机场基础上，采用蒙特卡洛可靠度分析方法，开展了层状岩体洞室围岩破坏概率的计算及其有效性验证。 (4)结合概率配点法基本理论，考虑层状岩体力学参数随机场，对非侵入式随机有限差分法洞室失稳风险分析的方法及计算流程进行了研究，实现了随机有限差分法与非侵入式方法的一体化。非侵入式随机有限差分法相比蒙特卡洛法，在保证计算精度的前提显著提高了计算效率。 (5)开展了锚杆加固下的层状岩体洞室失稳风险分析研究。应用上述理论、方法及流程，对乌东德水电站地下洞室失稳风险进行了分析。首先，针对乌东德右岸导流洞薄层岩体，对不同支护下的导流洞失稳风险进行了对比分析;其次，根据不同支护条件下导流洞中隔墙失稳风险进行了支护方案比选。最后，对更为复杂的层状岩体地下洞室群进行了围岩失稳风险分析。应用证明了本文方法的有效性，其计算结果为洞室安全快速施工提供了技术支持。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1岩土力学参数概率密度分布函数的推断方法

1．2．2岩体力学参数随机场的离散与模拟

1．2．3考虑岩土力学参数空间变异性的岩土工程可靠度分析

1．2．4非侵入式随机有限元(有限差分)法

1．2．5数值模拟中砂浆锚杆作用效果的研究

1．3目前研究存在的问题及不足

1．4本文的主要研究工作与技术路线

第二章层状岩体力学参数概率密度分布函数的确定

2．1引言

2．2进化神经网络算法简介

2．2．1基本思想

2．2．2计算步骤

2．3岩体力学参数概率密度分布函数的确定流程

2．4应用实例

2．4．1乌东德水电站导流洞工程概况

2．4．2监测断面岩体力学参数的反演

2．4．3非监测断面岩体力学参数的推断

2．4．4岩体力学参数概率分布函数的拟合与检验

2．5本章小结

第三章层状岩体力第三章层状岩体力学参数随机场的构建及其与FLAC3D网格模型的耦合

3．1引言

3．2 FLAC3D网格模型中随机场区域尺寸的确定

3．3基于K-L级数展开法的多参数互相关随机场的构建

3．3．1层状岩体力学参数相关距离及自相关函数的确定

3．3．2自相关函数特征值及特征函数的求解

3．3．3 K-L级数展开截断项数的确定

3．3．4非正态随机变量的当量正态化

3．3．5独立标准正态随机变量的生成

3．3．6多输入参数互相关随机场的构建

3．4随机场与FLAC3D网格模型的耦合

3．5随机场的构建及其与FLAC3D网格模型耦合的流程

3．6应用实例

3．6．1研究区域内随机场区域尺寸的确定

3．6．2岩体力学参数空间变异性研究

3．6．3 K-L级数展开截断项数的确定

3．6．4非正态随机变量的当量正态化

3．6．5多输入参数互相关标准正态随机变量的生成

3．6．6相关高斯随机场到相关非高斯随机场的转换

3．6．7随机场与FLAC3D网格模型的耦合

3．7本章小结

第四章基于岩体破坏评价指标的层状岩体洞室围岩破坏概率计算方法

4．1引言

4．2输出响应量及极限状态方程

4．2．1层状岩体基质的FAI指标：FAIm

4．2．2层状岩体层面的FAI指标：FAIj

4．2．3层状岩体围岩破坏的极限状态方程

4．3基于蒙特卡洛法的层状岩体洞室失稳风险分析计算流程

4．3．1蒙特卡洛法的基本原理

4．3．2蒙特卡洛方法的收敛性

4．3．3蒙特卡洛方法的抽样次数

4．3．4计算流程

4．4应用实例

4．4．1乌东德右岸导流洞薄层岩体破坏模式分析

4．4．2层状岩体力学参数随机场的构建

4．4．3参数随机场与FLAC3D网格模型的耦合

4．4．4基于蒙特卡洛法的围岩破坏概率计算

4．5本章小结

第五章基于非侵入式随机有限差分法的层状岩体洞室失稳风险分析方法

5．1引言

5．2概率配点法基本原理

5．2．1 Hermite随机多项式展开

5．2．2随机多项式展开系数的求解

5．3非侵入式随机有限差分法的层状岩体围岩破坏概率计算流程

5．4非侵入式随机有限差分法计算效率检验

5．5应用实例

5．5．1计算工况及随机场的构建

5．5．2参数随机场与FLAC3D网格模型的耦合

5．5．3计算结果

5．5．4现场验证

5．6本章小结

第六章等效砂浆锚杆加固效果的层状岩体洞室失稳风险分析

6．1引言

6．2．1等效数值模拟方法

6．2．2等效数值模拟方法验证

6．3层状岩体地下洞室围岩失稳风险分析计算流程

6．4工程应用

6．4．1工程应用一：乌东德右岸导流洞喷锚支护下洞室失稳风险分析

6．4．2工程应用二：乌东德右岸导流洞喷锚及钢拱架支护下洞室失稳风险分析

6．4．3工程应用三：乌东德右岸导流洞中隔墙的支护方案比选

6．4．4工程应用四：乌东德右岸主厂房洞室群失稳风险分析与验证

6．5本章小结

第七章总结与展望

7．1总结

7．2展望

参考文献

致谢

博士期间参加的科研项目及获得成果