基岩弹性模量有限元反演分析
基于有限元分析的岩土体力学参数反演方法研究
基于有限元分析的岩土体力学参数反演方法研究岩土体力学是研究岩石和土壤的力学性质以及它们在地下工程中的行为的科学。
了解岩土体力学参数对于地质灾害风险评估和地下工程设计至关重要。
但是，对于复杂的岩土体结构或者无法直接获取参数的情况下，如何准确地反演岩土体力学参数一直是一个挑战。
有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法，能够模拟和分析复杂结构的力学行为。
在岩土工程中，有限元分析常用于研究岩土体的变形、破裂、稳定性等问题，并可提供一些参数的估计。
基于有限元分析的岩土体力学参数反演方法针对这一问题发展起来。
一、反问题的数学描述岩土体力学参数反演可以看作是一个反问题，即从已知的观测数据反推出参数。
假设有一个岩土体结构，其初始参数未知。
通过采集实验数据或者在该结构上施加一定的加载，可以获得一些离散的观测值，如位移、应力或应变。
岩土体力学参数反演的目标是根据这些观测值推断出岩土体的参数。
二、参数反演方法1. 试-验法（试验与计算相结合）：通过实验数据的采集和有限元计算结果的拟合，逐步调整模型的参数，以使计算结果与实验数据相吻合，从而得到逼近真实参数的估计。
试-验法常用于实验室尺度或小尺度的岩土体参数反演研究。
2. 直接反演法（无试验数据）：直接反演法是在无试验数据的情况下通过有限元分析模拟建立拟合模型，再根据该模型计算岩土体的力学响应并反推参数。
这种方法需要准确的前提条件和丰富的先验知识，适用于已知结构和力学行为的情况。
3. 优化算法：基于有限元分析的优化算法是一种常用的参数反演方法。
它通过调整模型的参数，以最小化模拟结果与实验观测值之间的误差。
常见的优化算法包括遗传算法、粒子群算法等。
这些算法能够全局搜索参数空间，提高了反演结果的准确性和稳定性。
三、基于有限元分析的岩土体力学参数反演案例1. 地基承载力反演：地基承载力是地下工程中常关注的参数之一。
探析叠前同时反演进行岩性识别及流体预测技术.
探析叠前同时反演进行岩性识别及流体预测技术1.引言反演方法是利用地震资料进行岩性识别和流体预测的有效手段。
常规的纵波阻抗反演利用叠后地震数据，反演得到纵波阻抗，进而利用纵波阻抗与地下介质岩石物理特征之间的关系，来预测地下介质的岩性、孔隙度及孔隙流体充填等特征的变化。
叠后波阻抗反演是单参数反演，很多情况下，不同地质体、不同孔隙发育、不同流体充填，会有相似的纵波阻抗特征，从而对岩性识别和流体预测造成困难。
叠前同时反演有效利用了叠前地震数据中包含的AVO 信息，通过多个共角度部分叠加数据体同时反演得到纵横波阻抗、密度、纵横波速度比、泊松比等，提供了对岩性和流体识别更为有效的弹性参数或参数组合。
相比叠后波阻抗反演，叠前同时反演结果更加准确，信息更加丰富。
东方物探研究院处理中心在国内首先引进叠前同时反演技术，在四川盆地广安地区须家河组低孔低渗型储层预测及含气性检测等多个项目中取得了很好的成效。
2.叠前同时反演处理流程①角道集叠加。
对地震数据进行保幅处理和叠前时间偏移处理。
利用工区的低频速度模型进行角道集分选，然后分别对近、中、远三个角度（最少两个，可以更多）进行角道集叠加处理。
②测井曲线的编辑、校正和模型分析。
对测井数据进行认真的编辑校正，保证井口处纵横波速度和密度的真实响应。
应用Gassmann 流体替代理论研究目标储层中饱和流体充填引起的纵波阻抗等弹性参数的变化特征。
精细的测井分析为岩性识别和流体预测提供有效的敏感因子及定量化解释的依据。
③叠前同时反演。
应用不同角度范围的多个共角度部分叠加数据体，每个叠加数据体分别提取相应的子波，不同入射角下反射系数的求取利用精确的Zoeppritz 方程或简化式（Aki和Richards 等）。
基于地震数据的一维褶积模型假设，通过同时匹配不同入射角度下的合成道与地震道，同时反演得到纵波阻抗、横波阻抗、密度三个弹性参数，进一步计算得到其他弹性参数。
④反演结果综合解释分析。
浆砌块石重力坝弹性模量两种反演方法对比研究
浆砌块石重力坝弹性模量两种反演方法对比研究刘建彪【摘要】The Dam of Shenzhen Chiao Reservoir is a concrete masonry gravity dam,and the material parameters have been changed af-ter years of operation.Based on measured data,this paper firstly uses support vector machine algorithm and particle swarm optimization to inverse the current elastic modulus of the dam.The results of two methods are close,and can be authenticated by each other.It indi-cates that the inversion results are correct and the above two methods are feasible in the inversion analysis of concrete masonry gravity dam.%深圳赤坳水库的大坝为浆砌块石重力坝，经过多年运行，材料参数已经发生变化。
为反演大坝目前的弹性模量，首次采用支持向量机和粒子群反演方法进行对比研究，利用实测数据进行大坝弹性模量反演。
两种反演方法结果接近，相互验证说明反演结果是正确的，同时也说明了上述两种方法在浆砌块石重力坝的反演分析工作中的可行性。
【期刊名称】《人民珠江》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】4页(P59-62)【关键词】参数反演;粒子群算法;支持向量机算法;弹性模量【作者】刘建彪【作者单位】深圳市三洲田·铜锣径水库管理处，广东深圳 518118【正文语种】中文【中图分类】TV641.30 前言在大坝安全性评价中，材料物理力学参数的确定是一项十分重要的内容，是大坝变形和稳定计算的前提。
岩土工程中弹塑性反演计算边界元法及其应用
『， 当 誊＞０ 加载） １ （ ，
而现场量 测 洞周 位移 却 是 比较 容 易 的 ， 因而 目前 计 算 中， 以岩 体 周 围位 移 作 为 计 算 参 数 ， 以取 代 地 应
力 ， 由周 边 位 移 反 算 得 地 应 力 和 岩 体 弹 性 模 量 。 或 位移反 分析 法 目前 已用 于 岩 土工 程 的监 控 设 计 中 ，
２ ０ Ｓ ｉ ｅｈ Ｅ ｇｇ ０８ ｃ．Ｔｃ ． ｎ ｎ．
岩 土 工 程 中弹 塑 性 反 演 计 算 边 界元法及其 应用
徐建刚
（ 北 工 业 大 学 力 学 与土 木 建 筑 学 院 。 安 ７ ０ ７ ；西 安 邮 电学 院 应 用 数 理 系 ， 安 ７ ０ ２ ） 西 西 １０ ２ 西 １１ １
维普资讯
第 ８卷
第 １ ２期
２０ ０８年 ６月
科
学
技
术
与
工
程
⑥
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２０ ０ ８年 ３月 ５ 日收 到
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１
作 者 简 介 ： 建 刚 （９ ３ ） 男 。 士 。 安 邮 电 学 院应 用 数 理 系 副 徐 １６ 一 。 硕 西
教授 。 西北工业大学在读博士生 。 究方 向： 研 应用 力学。Ｅ ｍ ：ｊｏ － ｍｌｘｇ
复杂 。本文 提 出 了较 为 简 易 的用 泰 勒 级 数 展 开 式
巷道围岩初始应力场和弹性模量的区间反演方法
， 等口 。 【Ⅳ ｊ
ｊ ｒｄ Ｔｓ ； ｔ］ Ｎ
（ ）
式 中 ： Ｎ 为单元形 函数 矩 阵；
的不确定性 建立 丁柱 台采用围岩位 移和应力斯测数据的同时，识别地应力和圈岩弹性模量的反演模型 并采用 约束变 尺度 方涪 求解该 反演模 型，欹得地应力和弹性模量所在区间范 ｍ 关键词 区问分析，约束变』 度方法 ，初始应 力场 ，弹性模量
分类号
ｏ３ ，Ｔ ５ ９ Ｕ４ ７
世纪 ７ Ｏ年代 以来 受到人们 的重视 Ｊ 实际工 。在
中 ，地 应力和 同岩弹性 参数一般 均是未知 的，寻找
能够 同时确 定它 们 的方法更 具有 实用性 。文【】 ３曾就 同时辨 识 围岩 弹 性 参数 和 地 应 力可 行 性进 行 过研 究 ， ｌ１ 文 ２率先将 位移和扰 动应力增量量 测信 息同时 用 作反演 分析 的依据 ，提 出 了可 同时反求初始地应 力参数 和地层 弹性参数 的位移 、 力的反演分 析法： 应 文ｌ］ ４曾在 引入所谓 “ 预估约束 ”的条件 下 同时识 别 弹性参数 和地应 力。但 是 ，由于观测 误差客观 存在 的不确 定性 ，据 此推演 出的岩土 工程 参数也应 为不 确 定 ，所 以，反演 问题 本质上是 一个不 确定 问题 ， 本文 从该 角度 对此 类 问题 进行研 究 。 从有 限元 数值计算 的角度 ，本文 首先就 同时辨 识 围岩弹性 参数和 地应力可行性 进行 了探讨 。然后 在可辨 识性 分析 的基 础上 ，采 用区间分 析方 法的思 想 建立 了联 合利Ｊ位 移和应 力观测数 据同时反演 同 ＿ ｝ ｊ
基于有限元强度折减法的边坡参数反演
验数据通常很离散,需要进行分析计算来确定 [1-2]。工
兼顾了滑坡的区域相似性和个体特性,所得到的结果
程类比法在确定滑带土的抗剪强度参数时具有很强的
更合理、可靠。
主观性,在确定类比指标时又受到类比滑坡客观条件
1
的限制。
有限元强度折减法的基本原理
边坡失稳破坏有多种因素，主要包括：岩土体中抗
反演分析是确定滑带岩土抗剪强度参数的一种有
限元不收敛作和塑性区全部贯通共同作为失稳标准，选择边坡失稳破坏的前一级对应的折减系数为
安全系数，计算得出多组安全系数数据，绘制 Fs=1.0 时 c-φ曲线图，综合选取一组合理的 c 和φ值为最
终反演的强度参数。
关键词：
有限元强度折减法；参数反演；安全系数
中图分类号：TU413.6 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2020)08-0004-04
在滑坡稳定性计算和工程设计中,滑带岩土的粘
的Ⅱ-Ⅱ′剖面。利用安全系数进行参数反演[9]，使用有
聚力(c)和内摩擦角（φ）取值正确与否至关重要。目前
限元强度折减法等比例对 2 个强度参数进行折减，重点
确定滑带土抗剪强度参数(c、φ)值的方法有土工试验、
对滑动带岩体参数进行反演计算，把有限元不收敛作
工程类比和反演分析 3 种。滑动带岩土剪切试验分为
2.1 工程概况
云南省晋宁磷矿区，位于昆明市南 55.0km，晋宁
县县城东部 20km 处。矿区（Ⅲ、Ⅳ矿段）34~130 号勘
探线由北至南划分为十个露天采坑，资源储量最大为
六号坑，划分为西一、西二、西三、东一、东二共五个采
区 ，矿 体 厚 度 最 小 1.94m，最 大 38.51m，平 均 8.89m。
地下岩土体弹性模量动态变化机理解析
地下岩土体弹性模量动态变化机理解析地下岩土体的弹性模量是描述岩土体抵抗变形的一个重要指标。
在地下工程中，地下岩土体的弹性模量的动态变化是一个关键问题，对于工程结构的安全性和可靠性有着重要影响。
本文旨在解析地下岩土体弹性模量的动态变化机理。
首先，了解地下岩土体的弹性模量很重要。
弹性模量是衡量岩土体在受力后产生的弹性变形的性质之一，也是衡量其刚性和弹性程度的重要指标。
岩土体的弹性模量可以通过实验测试获得，并且可以根据岩土体的类型、含水量、应力状态、孔隙度等因素进行分析和估算。
在地下岩土体中，影响弹性模量动态变化的主要因素有以下几点：1. 应力状态：地下岩土体受到外力作用，应力状态会发生变化，而应力状态的变化会导致弹性模量的变化。
当地下岩土体受到较大的应力作用时，其弹性模量会增大；而当作用力减小或消失时，岩土体的弹性模量也会随之减小。
2. 孔隙度：孔隙度是指岩土体中孔隙空间的占比。
孔隙度越大，弹性模量越小；孔隙度越小，弹性模量越大。
当地下岩土体中存在大量孔隙时，孔隙对应力的传递产生阻碍，导致弹性模量下降。
3. 含水量：地下岩土体的含水量对弹性模量的变化也有影响。
当含水量增大时，水分会填充孔隙，增加岩土体的饱和度，从而降低岩土体的弹性模量。
4. 温度变化：地下环境温度的变化也会引起地下岩土体的弹性模量的变化。
温度的升高会导致岩土体内部分子活动加剧，增加岩土体的膨胀系数，从而降低弹性模量。
5. 应力历史：地下岩土体受到的应力历史也会影响其弹性模量的变化。
当地下岩土体在长期受到相同的应力作用后，岩土体的颗粒排列更加紧密，弹性模量会增加；而当应力作用改变方向或大小时，岩土体的颗粒排列会发生改变，弹性模量也会随之变化。
综上所述，地下岩土体弹性模量的动态变化受到多个因素的影响。
应力状态、孔隙度、含水量、温度变化以及应力历史都会对地下岩土体的弹性模量产生影响。
了解并分析这些影响因素，有助于工程设计者合理选择地下岩土体的材料和施工方法，确保地下工程的安全性和可靠性。
巷道围岩初始应力场和弹性模量的区间反演
巷道围岩初始应力场和弹性模量的区间反演摘要从有限元数值运算的角度对岩土工程参数的可辨识性进行了分析。
在可辨识性分析的基础上，考虑观测数据的不确定性，引入不确定问题求解的区间分析思想，建立了联合采纳围岩位移和应力观测数据同时识别地应力和围岩弹性模量的反演模型。
并采纳约束变尺度方法求解该反演模型，获得地应力和弹性模量所在区间范畴。
关键词区间分析，约束变尺度方法，初始应力场，弹性模量1．引言输入参数〔岩体力学参数、初始应力场〕和岩体本构关系给不准是岩土工程数值模拟的两个瓶颈问题[1]。
采纳位移等观测数据推断岩体弹性参数或初始地应力，这类弹性问题的位移反分析，由于公式推演和运算过程的实施较为简单，且所得结果通常能较好地近似反映实际工程问题的要紧特点[2]，70年代以来受到人们的重视[2-6]。
实际工程中，地应力和围岩弹性参数一样均是未知的，查找能够同时确定它们的方法更具有有用性。
文[3]曾就同时辨识围岩弹性参数和地应力可行性进行过研究，杨林德等领先将位移和扰动应力增量量测信息同时用作反演分析的依据，提出了可同时反求初始地应力参数和地层弹性参数的位移、应力反演分析法[2]；文[4]曾在引入所谓〝预估约束〞的条件下同时识别弹性参数和地应力。
然而，由于观测误差客观存在的不确定性，据此推演出的岩土工程参数也应为不确定的，因此，反演问题本质上是一个不确定问题，本文从该角度对此类问题进行研究。
从有限元数值运算的角度，本文第一就同时辨识围岩弹性参数和地应力可行性进行了探讨。
然后在可辨识性分析的基础上，采纳区间分析方法的思想建立了联合利用位移和应力观测数据同时反演围岩弹性模量和地应力的区间反演运算模型。
在该模型中，用有限元法建立系统的操纵方程，把待求变量看作区间数，以量测信息作为设计变量的边界约束，运用约束变尺度方法求出地应力和弹性模量的最大值和最小值。
2．同时辨识巷道围岩弹性模量和初始地应力的可行性分析当巷道埋深较大时，其受力情形能够简化为图1示。
3 1弹性参数反演(基本)
该坝乃混凝土浆砌块石重力坝，坝体材料、坝基 岩构造都比较复杂，随着时间的推移和工程的老 化，本身材料参数发生变化，存在一些不确定因 素。 通过对现场监测资料的分析和反分析来对大坝的 安全进行评价并指导其安全运行。
严格的说，坝体和坝基各个区域，甚至各点的 弹性模量不是相等的，在整个大坝系统中存在 着无数个弹模参数，故系统中的弹模大小有局 部值及整体（或分区）综合平均值之分，前者 可由室内外实验得出，后者则可通过求解系统 的逆问题反演求得。 本文选取其4#坝段内的倒垂线观测资料，通过 统计分析得到的水压分量值反演大坝的物理力 学参数。
岩土数值分析
岩土工程参数反分析方法
三、物理力学参数反演分析
如前所述，岩土工程优化反分析最常用， 也是岩土工程反分析研究中一个最重要、 最实用的研究方向。 岩土工程优化反分析本质上看是一个典 型的复杂非线性函数优化问题，该目标 优化函数是一个高度复杂的非线性多峰 函数。
而普通的优化反分析中多次调用正分析的特点 使得整个算法的计算效率很低。 要解决这类复杂优化函数，采用传统优化方法 往往难以奏效。采用全局优化算法是解决这个 问题的理想途径。
参照坝体各材料的室内实验提供的 结果，坝体浆砌块石弹模的大小参 考 设 计 的 弹 模 E0 取 搜 索 区 间 为 （0.8e10，1.2e10）Pa，ε0 的搜索 范围取在（0.002，0.004）。
5、反演成果及分析
（1）.利用位移资料反演参数结果
基于上述参照混凝土本构关系而假设的本构关系， 对浆砌石坝体弹模E0、及ε0反演。 反演计算结果为该混凝土浆砌块石重力坝的初始弹 模估计值为E0=1.11E10Pa，本构关系为
强夯后地基土变形模量与承载力的反演计算
强夯后地基土变形模量与承载力的反演计算*孔令伟袁建新文摘通过建立反分析模型，提出强夯后地基土变形模量的确定方法，即可根据计算所得的夯沉量随变形模量变化的关系曲线，运用单值反分析法，以达到夯实效果时的单击夯沉量来确定，进而结合载荷实验的基本理论，按相对沉降法预测夯后地基土的容许承载力。
大量反演计算实例表明，所得结果精度满足工程要求，可靠性也较高，为预测强夯加固效果、检验原设计的合理性和改进强夯设计方案提供了一种新的分析途径。
关键词强夯法，变形模量，容许承载力，反分析法中图法分类号TU 472.31Back-calculation of modulus of deformation and bearing capacity for foundation after dynamic consolidationKong Lingwei Yuan Jianxin(LRSM,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences，Wuhan,430071)Abstract In this paper,through establishing model of back analysis,the modulus of deformation for foundation after dynamic consolidation can be determined by single-valued back analysis method, in which the settlement-modulus of deformation curve and the final drop settlement for control of soil densification are used.Based on the basic theory of plate loading test,the allowable bearing capacity can be predicted by the relative settlement ratio method. Many practical examples of calculation show that the calculated results can satisfy the engineering demand and have high reliability.Therefore,a new method is provided to predict the improvement effect, to check the rationality of orignal design and to improve the design for dynamic consolidation.Key words dynamic consolidation,modulus of deformation,allowable bearing capacity,back analysis1 前言强夯法目前仍停留在累积经验阶段，严格的强夯理论分析和强夯设计方法还没有真正建立起来。
基于岩石物理模型和叠前弹性参数反演的孔隙度计算_蔡涵鹏
巷道围岩初始应力场和弹性模量的区间反演方法的开题报告
巷道围岩初始应力场和弹性模量的区间反演方法的开题报告一、研究背景及意义随着城市建设的不断扩大，地下工程的建设越来越多，巷道施工也成为了一个很重要的领域。
巷道围岩初始应力场和弹性模量是巷道工程稳定性分析的关键因素，对巷道的破坏、变形和位移等都产生了很大的影响。
因此，准确地确定巷道围岩初始应力场和弹性模量是巷道工程的基础。
传统的巷道围岩初始应力场和弹性模量测试方法需要进行大量的现场实验，时间和成本都非常高，但是结果的精度往往不能满足工程实际需要。
因此，如何通过少量的现场实验数据来反演出巷道围岩初始应力场和弹性模量就成为了巷道稳定性分析的研究热点之一。
二、研究目的本研究的主要目的是针对巷道围岩初始应力场和弹性模量的反演问题，提出一种基于少量实验数据的反演方法。
该方法应当具备以下特点：1. 根据实际巷道工程需要，需要以较少的实验数据作为反演的基础。
2. 该方法能够有较高的反演精度和可靠性，以保证初始应力和弹性模量的准确性。
3. 反演方法尽量简便易行，便于工程实际应用。
三、研究内容及方法1、研究内容（1）巷道围岩初始应力场和弹性模量的反演理论研究。
通过对巷道围岩初始应力场和弹性模量的分析，提出适用于巷道围岩的反演方法。
（2）巷道围岩初始应力场和弹性模量反演数值模拟。
利用数值模拟方法验证反演方法的可行性和可靠性。
（3）巷道围岩初始应力场和弹性模量反演现场测试。
选取实际巷道工程作为研究对象，对其初始应力和弹性模量进行反演，将结果与实际量测结果进行比对。
2、研究方法本研究将采用以下研究方法：（1）理论分析法：对巷道围岩的物理特性和力学特性进行分析，提出适用于巷道围岩的反演方法。
（2）数值模拟法：借助有限元仿真软件，选取适当的围岩材料参数和初始条件，进行数值模拟，验证反演方法的可靠性。
（3）现场实测法：选取实际巷道工程作为研究对象，通过少量的现场实测数据，利用反演方法对巷道围岩初始应力场和弹性模量进行反演。
四、预期成果及应用价值1、研究成果（1）提出适用于巷道围岩的初始应力和弹性模量反演方法。
基于有限元法_正则化的弹性模量反求算法研究
其中 R 是正则化矩阵 。
R = a ×I
其中 : a 是正则化参数 ; I 是单位阵 。 对上式求极小解得
T -1 T m s xk = xk- 1 + ( P P + R) P ( u - uk- 1 )
( 11)
关于正则化参数的选取 , 首先根据谱映照定理 证明的 ‖( PT P + R) - 1 PT ‖ ≤
( xk - xk- 1 ) T R ( xk - xk- 1 ) ( 10)
3 基于有限元 2 正则化方法的
弹性模量反求算法模型
根据经典的有限元理论 , 得到平衡方程组 )u = P ( 5) K ( E ,μ 其中 : K 是总刚度矩阵 ; u 是节点位移列阵 ; P 是等效 节点载荷 ; E 是弹性模量 ;μ是泊松比 。 对于已知材料 性质的对象 , 在已知的荷载作用下 , 根据式 ( 5) 可求 ) 和 P 求解 u 。 出节点位移 u , 即已知 K ( E ,μ 这是正 问题的有限元求解过程 。 总体刚度阵的组成只与单 元的几何性质和材料性质 ( 弹性模量 E 和泊松比μ) 有关 。 而有限元模型一旦建立 , 单元的几何形状和坐
A z = u , z ∈ F , u ∈U ( 1) A 是各种算子 , 所谓正问题就是 :由已知的 A 和 z 求 u ( 一般来说 , 要相对容易一些 ) , 而反问题则是在已
标确定下 , K 的结构为已知 。 在生物医学工程中 , 希 望能够获取弹性模量和泊松比的有关分布信息 。 对 比正问题 , 提出物理特性参数的反问题 , 对 ( 5) 式在 已知研究对象的承载和位移 ( 即 u 、 P 已知 ) , 并且有 限元模型确定 ( K 的结构已知) , 求解 K 中未知的参 μ。 数 E、 几乎所有软组织 ( 肺除外) 可认为是不可压 缩的 , 故泊松比近似取 01 49 , 这样μ在问题中作为常 数出现 。 现代医学影像学发展迅速 , 基于 C T 、 M R I 或超 声图像[ 8 210 ] , 可以有效地提取组织的边界及病变组 织轮廓 , 并可以通过图像配准 [ 11 ] , 获得边界的位移 。 根据所量测的边界位移 uim ( i = 1 , 2 , …n) 和经
隧道围岩弹性模量及泊松比反演程序开发与验证
隧道围岩弹性模量及泊松比反演程序开发与验证苏建伟;陈建龙;钦亚洲【摘要】对UCODE软件进行编程二次开发,建立该软件与有限元软件间接口,实现UCODE程序与有限元软件间的实时数据交换.以浙江某穿山隧道为工程背景,进行围岩弹性力学参数反演程序验证.以隧道围岩弹性模量E及泊松比v为待反演参数,弹性模量E反演初始值分别设定为真值的1/2和2倍,泊松比v反演初始值作相应变化.反演分析结果表明,无论待反演参数初始值如何取值,反演结果都收敛于真值附近,且与真值误差不超过3％,验证了反演程序的稳定性和精确性.%According to secondary development in UCODE software,the interface between finite element software and UCODE was established,which achieved real-time data exchange between them.Based on the mountain tunnel excavation engineering in Zhejiang province,inversion analysis was conducted for identifying estimated mechanics parameters of surrounding rock in the tunnel.This paper focused on two elastic mechanics parameters,elastic modulus E and Poisson's ratio v.The initial values of estimated mechanics parameters were set to group 1 and group 2,which could reflect the impact of initial values on the results.The results show that the inversion values converge to the same set of the values and the evaluated value errors are less than 3％,which verify the stability and accuracy of the inversion program.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2017(035)006【总页数】5页(P940-944)【关键词】UCODE软件;有限元软件;二次开发;参数反演【作者】苏建伟;陈建龙;钦亚洲【作者单位】中国东方电气集团有限公司,成都611731;南通市水利勘测设计研究院有限公司,江苏南通226006;南通大学交通学院,江苏南通226019【正文语种】中文【中图分类】U459.2隧道开挖过程分析广泛采用各种有限元软件进行模拟，有限元模拟需要输入围岩岩体的力学参数，如弹性模量E及泊松比v.这些力学参数往往不容易准确获得，从而导致数值模拟计算结果失真.确定围岩力学参数有室内试验法、现场原位测试法、经验估算类比法等.由于岩体试块尺度效应以及岩体现场分布的不均匀性，采用室内试验及原位测试得到的围岩力学参数可能与实际岩体参数存在偏差，而经验估算类比法作为一种定性的评估方法，无法给出围岩参数的精确值［1-2］.围岩力学参数位移反演分析方法始于20世纪80年代，由于开挖后围岩位移变化量测相对简单可靠，因此围岩参数位移反分析方法迅速发展，目前成为岩土领域研究热点之一［3-10］.位移反演分析常采用传统的正演分析与最优化方法相结合，即“正算位移反分析法”.采用直接逼近和迭代优化试算方法，将待定参数的反演分析问题转化为正演分析，计算目标函数并进行迭代优化、同时逐次修正待定参数的试算值，直至逼近它的最优值［11］.张强勇［12］等建立正交试验设计效应优化位移反分析法，对大岗山水电站地下厂房洞群开挖过程中围岩变形模量E和黏聚力C进行了位移反演分析.姜波［13］结合水涧山隧道围岩监测数据，采用FLAC3D有限元软件进行围岩弹性模量的反演分析.张彬等［14］借助监测位移信息，采用黄金分割法实现对围岩单参数—侧压力系数K的数值反演.陈智等［15］以监测到的隧道围岩位移变形数据为依据，采用黄金分割法对隧道围岩弹性模量E 与初始地应力侧压力系数K两参数进行反演，并对隧道洞口浅埋段及洞身段围岩进行位移反分析优化计算，验证了位移反分析在隧道施工围岩参数反演中应用的可行性.本文将UCODE软件与有限元程序结合，对浙江某穿山隧道围岩弹性模量E及泊松比v进行反演分析，验证反演程序的有效性.UCODE是由美国科罗拉多矿业学院国际地下水模拟中心和美国地质调查局联合开发的一款参数反演分析软件，目前最新版本为UCODE_2014，软件采用Fortran语言编程开发［16］.UCODE采用修正高斯-牛顿算法对非线性问题中的参数进行反演分析，算法优点在于求解局部最优解时，计算收敛速度较快，收敛精度也较高.此外，UCODE软件方便与有限元软件建立接口，实现UCODE与有限元软件实时数据交换，从而可进行相关参数反演计算.隧道围岩位移可以写为以下非线性表达式，式中：Y为隧道围岩位移实测（真实）值，a为已知参数向量，b为待定参数向量，e为误差向量，f为关于a、b的非线性函数，即模拟计算得到的围岩测点位移值. 可建立如下目标函数，式中：ω为各测点对应的权重矩阵.第r次迭代时，将非线性函数f采用泰勒公式在br处线性展开，为式中：br为待定参数第r次迭代初值，m为测点数，n为待定参数个数，定义为第r步迭代敏感度矩阵.UCODE采用修正高斯-牛顿法来寻求使目标函数s(b)最小的一组待求参数值，其方程表达为［17］式中：Xr为第r步迭代敏感度矩阵，br、br+1为待定参数向量第r步、第r+1步迭代值，C为对角缩放矩阵，I为单位矩阵，mr为Marquardt系数，用于改善病态问题的迭代效率，初始值mr=0，dr为待定参数第r步迭代调整向量，ρr为算法阻尼系数，其取值范围为0～1.通过迭代求解式（4）、式（5），从而得到待定参数的最优解.本文工程背景为浙江某穿山隧道，该工程为分离式隧道，左洞长1400 m，右洞长1390 m，隧道净宽16 m，行车道宽3×3.75 m.选择隧道左洞ZK8+537位置处作为围岩力学参数反演断面，此位置围岩等级为Ⅳ级，采用上下台阶法施工，洞内位移监控量测布设如图1所示.上断面开挖时，主要测量G1、G2、G3三测点的竖向沉降量及AB、AC、BC测线的收敛量；下断面开挖时监测AD、AE及DE的收敛量.本次参数反演程序验证采用上断面开挖后围岩位移观测值，反演围岩弹性模量E及泊松比v，并与真值比较，验证程序的反演精度和稳定性.根据工程地质勘查资料，设定围岩力学参数真值如表1所示（其中：C为土壤黏聚力，ϕ为土壤内摩擦角）.反演分析程序验证思路为：先采用表1参数值作正演计算，开挖上台阶后，有限元计算得到G1、G2、G3三测点的沉降值及AB、AC、BC测线的收敛值，然后将这些值视为隧道洞室开挖后围岩位移变化实测值，将围岩弹性模量E及泊松比v视为待定参数，采用开发程序进行参数反演分析，得到反演后围岩弹性模量-E及泊松比vˉ，再与表1的E、v真值相比较，从而验证反演程序的精度和稳定性.建立左洞ZK8+537断面有限元模型，共1162个平面应变单元，观测点按实际监控方案布设，按实际施工顺序模拟上台阶开挖，开挖后有限元模型如图2所示.上台阶开挖后，经有限元计算，ZK8+537断面各监测点的位移观测值如表2所示. 以表2数据为围岩变形位移观测值，采用二次开发程序对隧道围岩弹性模量E及泊松比v进行反演.本文待定参数反演初始值设两组，弹性模量E初始值分别设定为真值的1/2和2倍，泊松比v相应变化，反演参数初值见表3.反演计算结果如图3、图4及图5所示.由图3、图4可见，对于待定参数初始值取值不同的情况，参数反演结果都收敛于真值附近；同时由图5可见，反演过程中目标函数的加权残差逐渐减少而趋于零. 将参数反演结果与真值比较，围岩弹性模量E、泊松比v的相对误差分别按式（6）计算，经计算，围岩弹性模量E反演相对误差为2.17%，泊松比v反演相对误差为2.53%，均能满足反演精度要求.通过二次编程开发，构建UCODE软件与有限元软件间接口平台，实现UCODE软件与有限元软件之间的实时数据交换.以浙江某穿山隧道为工程背景，进行隧道围岩弹性模量E、泊松比v的反演分析，并与参数真值相比较.反演计算结果表明，围岩弹性模量E及泊松比v反演值相对误差均较小，能够满足反演计算精度要求，验证了反演程序的稳定性和精确性.［1］徐中华，李靖，王卫东，等.基坑工程平面竖向弹性地基梁法中土的水平抗力比例系数反分析研究［J］.岩土力学，2014，35（z2）：398-404，411.［2］刘振平，迟世春，任宪勇.基于土石坝动力特性的坝料动力参数反演［J］.岩土力学，2014，35（9）：2594-2601.［3］王芝银，杨志法，王思敬.岩石力学位移反演分析回顾及进展［J］.力学进展，1998，28（4）：488-498.［4］梅松华，李文秀，盛谦.FLAC在岩土工程参数反演中的应用［J］.矿冶工程，2000，20（4）：23-26.［5］田明俊，周晶.岩土工程参数反演的一种新方法［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（9）：1492-1496.［6］汪旭，康飞，李俊杰.土石坝地震永久变形参数反演方法研究［J］.岩土力学，2014，35（1）：279-286.［7］汪明元，单治钢，饶锡保，等.基于近海钢管桩现场试验的海洋土参数反演［J］.岩土工程学报，2016，38（z2）：143-148.［8］何亮，李国英，杨杰.坝址区覆盖层静力特性参数反演研究［J］.人民黄河，2016，38（11）：98-100.［9］杨荷，周伟，马刚，等.基于响应面法的高堆石坝瞬变-流变参数反演方法［J］.岩土力学，2016，37（6）：1697-1705.［10］赵炼恒，左仕，陈静瑜，等.考虑参数互相关性的滑坡抗剪强度参数可靠度反演分析［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2016，44（6）：121-128. ［11］孙钧，戚玉亮.隧道围岩稳定性正算反演分析研究——以厦门海底隧道穿越风化深槽施工安全监控为例介绍［J］.岩土力学，2010，31（8）：2353-2360. ［12］张强勇，向文，杨佳.大岗山地下厂房洞室群围岩力学参数的动态反演与开挖稳定性分析研究［J］.土木工程学报，2015，48（5）：90-97.［13］姜波.隧道围岩特性参数反分析与数值模拟［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016，35（6）：603-606.［14］张彬，王文野，苏鹏，等.软弱围岩隧道侧压力系数反演分析［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015，34（3）：358-363.［15］陈智，毛安琪，窦斌强，等.某隧道围岩参数反演分析及实时施工应用［J］.水电能源科学，2015，33（3）：104-107，49.［16］POETER E P，HILL M C，UCODE puter code for universal inverse modeling［J］.Computers&Geosciences，1999，25（4）：457-462. ［17］RECHEA C，LEVASSEUR S，FINNO R.Inverse analysis techniques for parameter identification in simulation of excavation support systems ［J］.Computers and Geotechnics，2008，35（3）：331-345.。
碾压混凝土坝层面弹性模量 和厚度反演
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岩体初始应力场的遗传算法与有限元联合反演法
岩土力学 2004年在不断的发展过程中都是越来越适应环境，物种的每个个体的基本特征被后代所继承，但后代又不完全同于父代，这些新的变化，若适应环境，则被保留下来，否则，就将被淘汰。
在遗传学中认为，遗传是作为一种指令遗传码封装在每个细胞中，并以基因的形式包含在染色体中，每个基因有特殊的位置并控制某个特殊的性质。
每个基因产生的个体对环境有一定的适应性。
基因杂交和基因突变可能产生对环境适应性强的后代，通过优胜劣汰的自然选择，适应值高的基因结构就保存下来。
遗传算法就是模仿了生物的遗传、进化原理，并引用了随机统计理论而形成的。
在求解过程中，首先，在解空间中取一群点，作为遗传开始的第一代。
每个点（基因）用一个二进制的数字串表示，其优劣程度用目标函数来衡量。
在向下一代的遗传演变中，是把前一代中的每个数字串根据由其目标函数值决定的概率分配到配对池中，好的数字串以高的概率被复制下来，劣的数字串被淘汰掉。
然后，将配对池中的数字任意配对，并对每一数字串进行交叉操作，产生新的子孙（数字串）。
最后，对新的数字串的某一位进行变异。
这样，就产生了新的一代。
按照同样的方法，一代一代地寻找问题的最优解，直至满足收敛判据或预先设定的迭代次数为止。
遗传算法的最大特点在于演算简单，它有三种基本演算：选择，交叉，变异。
(1) 选择。
根据各个个体的适应度，按照一定的规则或方法，从第t代群体P(t)中选择出一些优良的个体遗传到下一代群体P(t+1)中。
(2) 交叉。
将群体P(t)内的各个个体随机搭配成对，对每一对个体，以某个概率（称为交叉概率）交换它们之间的部分染色体。
(3) 变异。
对群体P(t)中的每一个个体，以某一概率（称为变异概率）改变某一个或某一些基因上的基因值为其他的等位基因。
使用上述三种遗传算子（选择算子、交叉算子、变异算子）构造出的遗传算法的运算过程如图1所示。
其主要运算过程为：(1) 初始化。
设置进化代数计数器t←0；设置最大进化代数T；随机生成M个个体作为初始群体P (0)。
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那 么
其二阶泰勒展开式（ 不含余项 ） 为
６ ＝６ ＋
］＋
］＿
］
（） ４
砉 Ｉ［ ＋ 面 即 一］ 差 巨 ］ ０ ［ 一 砉２ ８ Ｉ
（） ２
对于 Ｅ 所在的单元 ， 。 其单元 刚度矩阵为
式中 ： ６为实测坝体位移值 ； 为坝基 初始弹性 模量 ； 为对 Ｅ ６ 应于 Ｅ 时的位移值 ； 。 Ｅ 为需要 反演 的真值 。 根据有 限单元 法 ， Ｋ ［ ］ ： ［ ］ （ Ｋ ［ ］ ６ Ｒ ， ［ ］为单 元 刚 度矩阵的和） 方程两边对 Ｅ 求导得 ： ，
百Ｋ ］ ］ Ｏ ＊ Ｉ ＋
］ ＋
ａ Ｅ
；
］ ＋
ａ
］ ＝
㈩ 、 一
＋
。
１ 有限元反演分析原理
大坝的位移场与基岩弹性模量的关系可以表示 为
６ ＝６ Ｅ ， ， ， （１ … Ｅ） （） １
当外荷载不变时 ， 有
ｂ Ｅｆ ＋ 。 ｂ Ｅ ：０
文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：００ １７ （０ ７ ０ ０ ６ Ｏ １０ — ３９ ２０ ）２— ０ ６一 １ 中图分类号 ：Ｔ ２ ３３ Ｖ ２ ．
在大坝安全性评价 中， 基岩物理力学参数 的确 定是一项 十
分重要 的内容 …。笔者 提出 了一 种利用 大坝原 型监测 资料对 基础弹性模量进行反演分析的方法。
基 岩强度较低 。 （ 下转第 ６ ９页）
２ 应用实例
某水利枢纽 电站 坝段不 同部位 坝体 的沉降 变形 监测结 果
见表 １采用上述有限元反演分析方法 ， 以计算 出基岩 加固后 ， 可
的弹性模量 ， 见表 ２ 。
收 稿 日期 ：０６ ０ －５ ２０ — ４ ２
作者简介 ： 宗 国（ ９９ ） 男， 南衡 南人 ， 全 １６ 一 ， 湖 高级 工程 师，
（． １ 湖南水利水 电工程监理承包 总公 司， 湖南 长沙 ４ ０ ０ ； ． １０ ７ ２ 宁夏沙坡头水利 枢纽有限责任公 司， 宁夏 中卫 ７ １０ ） ５７ ０
摘
要： 在现有大坝基岩物理力学参数反演分析方法 的基础上 ， 出了一种新 的反演分析方 法 ， 提 即用 展开 的二阶泰勒 多
项式结合有限单 元法进行求解 。应用实例表明 ： 某水利枢纽电站坝段不同部 位在 固结灌浆后强度均有所提高 。 关 键 词 ：基岩弹性模 量；有 限单元法 ； 演分析 反
团的影响 ， 柠檬酸的结构和性质与硫酸完全 不同 。柠檬酸 的离 解能力小于硫酸 ， 而羟基和羧基的存 在不但 能有效降低水 的表
ｐ ｅ Ｊ ． ｎ ｍａｉ ａ Ｂｏ ｅ ｒ ｒｔｎ ＆ Ｂｏｅｒｄｔ ｎ ｉ ［ ］ Ｉｔ ｔ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｏ ｐ ｅ ｏｌ ｄ ｅｏ ｉ ｉ ｇａａ ｏ ， ｄ ｉ
１９ （２ ． ９８４ ）
韩静云 ， 张小伟 ， 田永镜 ， 污水处理 系统 中混凝 土结 构 等． 的腐蚀现状调查及分析 ［ ］混凝 土，００ １ ） Ｊ． ２０ （１ ． 周 富春． 生活污水对砼管道 的腐蚀 机理研究 ［ ］ 重庆交 Ｊ．
通 学院学报 ，０２ １ ． ２０ （ ）
通混凝土 ， 因此在试验后期相对值强度 系数下 降得 比普通 混凝
羟基三 元羧 酸 ， 有机 官能 受
魏礼凯 ． 混凝土污水管 的抗 侵蚀 寿命 设计 ［ ］ 江苏广播 Ｊ． 电视大学学 报 ，０４ ３ ． ２０ （ ）
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第 ２ 卷第 ２期 ９
２０ ０ ７年 ２月
人
民
黄
河
Ｖｏ ． ９． ． １ ２ Ｎｏ ２
ＹＥ ０Ｗ ＲＩ Ｒ ＬＬ ＶＥ
Ｆ ｂ ２ ０ ｅ ．，０ ７
【 利 水 电工 程 】 水
基岩弹性模量有限元反演分析
全 宗 国 顾 耀 民 ，
（ ６ ）
箬 簧 ， ２， ４ 与 … ， … 求
得。 用最小二乘 法便可求得坝基加 固后的弹性模 量。
从 表 ２可以看 出 ， 坝段在 固结 灌浆 后强 度均有 所提 高 ， 各
不 同部位基岩弹性模量 提高 幅度不 同 ， 均增 高 ５ 平 ％。坝体变
形 和沉 降能在一定 程度 上反 映基础加 固效 果 ， 降大 的部 位 ， 沉
［ ］ ｆｅ ］ ］ Ｋ ＝ｆ８ ［ ［ ｄ ｆ ３Ｄ Ｂ Ｖ Ｔ
当坝 体 有 ｍ 个 临 测 点时 （ ＞ ｎ ， 以得 到 如 下 方 程 组 ： ｍ ）可
（ ５ ）
大坝基础每个监测点都可以写出类 似于式 （ ）的表达式 ， ２
鲁 ］ ｒ…簧 ］ ｇｇ ＋ 簧 ＋＋ ＋ ｎ 簧［ － 龟 ＋ ］ ＝簧 ＋ 簧 …￣Ｅｅ ］ ＋ ［ 簧 ８ － ； 鲁 ］ ｎ…簧 ］ ｇｇ ＋ 簧 ＋ ＋ ｎ 簧［ －
两种混凝土虽然掺有粉煤灰 ， 使得 Ｃ （ Ｈ） 含量 减少 ， 水泥 ａＯ ： 但
参 考文 献 ：
Ｊｆ ｅ Ｄ ｖｓ Ｄａ ａＮｉａ Ａｎ ｌｓ ｆｃ ｎ ｒｔ ｒｍ ｅ ｒ ｅ ｒｙ Ｌ， ａ ｉ， ｎ ｃ ． ａｙ ｉ ｏ ｏ ｃｅｅｆ ｓ ｏ ｓｗｅ
石密实 ， 粉煤灰又具有后 期强 度大 的特点 ， 以硫酸 腐蚀试 验 所 初期相对值强度系数变 化不 大。在腐 蚀试验后期 ， 因为试 件表 面 的 Ｃ （ Ｈ） ａ Ｏ 已经被 完全 消耗掉 了 ， 以硫酸 溶液 的扩 散系 所 数就成为影响腐蚀的 主要 因素 。这 时粉 煤灰混 凝 土和聚丙 烯 混凝土 由于微细观结构密实 ， 使得酸在 内部 扩散 的速度小 于普
硕士。
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第 ２期
韩菊红等 ： 改性 混凝土耐腐蚀 性能试验研究
・ ９・ ６
土水泥用量 比其他 两种 混凝 土大 ， 化时有 更多 的 Ｃ （ Ｈ） 水 ａＯ
丙烯掺量不大 ， 更有效地 降低 了混凝 土的成本 。
产生 ， 使得试验初期普通混凝土具有较 强的耐腐蚀能 力。其他