基于突变理论的地下工程围岩稳定极限位移确定方法

摘要

随着我国交通事业的迅猛发展，隧道建设工程规模越来越大，施工过程中围岩的稳定性问题也越来越突出，塌方事故经常会发生，已成为造成工程经济损失、工期延误等的重要原因，因此对隧道的稳定性问题进行风险评估和预测有着极为重要的意义。
　　目前应用突变理论对隧道围岩稳定极限位移进行研究的理论主要有:能量突变理论、熵突变理论、位移突变理论、洞周屈服区面积突变理论和广义粘塑性剪应变突变理论。这些理论都是基于隧道平面问题进行的研究，与实际的三维施工工况有所差别，为了更好地服务于工程实践，本文采用塑性区体积突变理论对隧道三维开挖过程中的围岩塑性区体积突变进行研究。
　　相关试验参数的选取采用均匀试验设计的方法，隧道断面的选取参考自公路隧道设计规范(JTG D70-2004)，隧道的开挖方式采用台阶法开挖。首先通过ANSYS进行模型的建立，然后利用FLAC3D软件模拟计算地下工程的施工开挖过程，并将突变理论引入该研究领域，进行地下工程围岩稳定极限位移的研究。通过根据数值模拟计算结果所获得的各开挖步监测断面范围内的屈服区体积变化序列来构造出尖点突变模型，并求得在隧道施工过程中的突变特征值，然后根据突变原理获取隧道围岩失稳的极限位移值，依据这些数据构造出训练样本，进而分别引入多元回归算法和进化支持向量回归算法，建立起当隧道处在临界平衡状态时，围岩地质条件、埋置深度、支护参数与关键点极限位移之间的数学模型。该数学模型可以用于对施工过程中围岩稳定极限位移值的预测，确保隧道施工过程中的开挖安全和完工后的工程质量，减少所需的工程造价，从而为今后的隧道设计与隧道施工提供一定的借鉴经验和相关的理论指导。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 国内外的研究现状以及存在的问题

1．2．1 国内外的研究现状

1．2．2 国内外研究目前存在的问题

1．3 研究的内容、研究的目标

1．3．1 研究的内容

1．3．2 研究的目标

1．4 论文的研究方案

1．4．1 数值模拟计算

1．4．2 围岩极限位移值的求解

1．4．3 数学模型的建立

1．5 论文的主要创新点

2．地下工程施工开挖数值模拟

2．1 试验方案数据的选取

2．2 隧道断面的选取及开挖方式

2．2．1 隧道断面的选取

2．2．2 隧道开挖方式

2．2．3 隧道测点的布置情况

2．3 计算模型的初始条件

2．4 数值模拟的计算结果

2．4．1 模型中锚杆的布置情况

2．4．2 模型中初期支护布置情况

2．4．3 开挖完成后的应力分布情况

2．4．4 开挖完成后的位移分布云图

2．4．5 开挖完成后的围岩位移变化曲线

2．5 本章小结

3．基于塑性区体积突变理论确定围岩稳定极限位移

3．1 突变理论的发展历程

3．2 突变理论中的几个基本概念

3．2．1 势

3．2．2 奇点

3．2．3 吸引子

3．3 突变理论的基本原理和研究方法

3．4 几种常见的初等突变模型

3．4．1 折叠突变模型

3．4．2 燕尾突变模型

3．4．3 尖点突变模型

3．5 基于塑性区体积突变理论的围岩失稳突变判据

3．6 依据突变判据求出围岩稳定极限位移值

3．7 本章小结

4．基于多元回归算法建立预测围岩稳定极限位移的数学模型

4．1 多元回归分析概述

4．1．1 多元线性回归模型的一般形式

4．1．2 多元线性回归模型的基本假定

4．1．3 多元线性回归方程的解释

4．2 利用多元线性回归求解数学模型

4．2．1 多元线性回归的数据样本

4．2．2 多元线性回归的检验组数据

4．2．3 预测围岩稳定极限位移的多元回归数学模型

4．3 本章小结

5．基于进化支持向量回归算法建立预测围岩极限位移的数学模型

5．1 支持向量回归算法

5．1．1 线性回归

5．1．2 非线性回归

5．2 进化支持向量回归算法概述

5．3 进化支持向量回归算法样本分组

5．3．1 进化支持向量回归学习样本

5．3．2 进化支持向量回归算法测试样本

5．3．3 进化支持向量回归算法检验样本

5．4 利用进化支持向量回归算法求解数学模型

5．4．1 建立极限拱顶下沉位移的预测数学模型

5．4．2 建立极限水平收敛位移的预测数学模型

5．5 本章小结

6．结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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