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岩体渗流的理论模型及其渗流参数确定

作　者: 包太
导　师: 朱可善；刘新荣
学　校: 重庆大学
专　业: 岩土工程
关键词: 卸荷渗透系数裂隙 Gibbs现象平方根法固结系数参数优化遗传算法
分类号: TU463
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

目前,研究较好的岩土体渗流计算模型,以及这些模型相应的参数的优选还较为困难,是制约其发展的重要因素之一。因此,研究简易与方便的计算模型及参数优化方法,对于岩土体渗流研究具有重要的意义。本文基于理论分析,采用拉普拉氏变换,最小二乘法,模拟试验细、微观分析,断裂力学理论等对岩土体渗流进行了较为全面的研究,并用新型混合遗传算法对岩土体渗流模型参数进行了优化分析,得到了一些有益的结论。(1) 以立方定律为基础,从理论上推导了岩体裂隙渗透系数变化量与卸荷量之间的关系公式,并以试验进行了验证,结果吻合良好。(2) 对试验前后的试样裂隙的发展进行了细、微观的分析,认为岩体卸荷后,岩体内部的裂纹会合并、发展、汇合,并最终形成大的裂隙,该裂隙与岩体的卸荷方向基本垂直,形成一条主控的单裂隙,亦即岩体渗流的通道,导致了岩体渗透系数的大幅度增加,是影响岩体渗流特性的重要原因之一。(3) 通过卸荷渗流试验,探讨了渗透系数与卸荷量之间的关系。研究表明,随着岩体的卸荷,岩体的渗透系数与卸荷量近似成一双曲线关系。随着卸荷量的增加,在达到有效卸荷量80%左右的时候,岩石的渗透系数将会产生较大增加,其结果与本文所建立的理论模型计算结果吻合良好。试验还表明,在卸荷量一定的情况下,随着孔隙水压力的加-卸循环变化,其渗透系数逐渐变小。初始有效应力越大,渗透系数下降越大。(4) 以立方定律为基础,在假设裂隙表面为光滑表面的同时,推导出光滑非平行裂隙中的水头分布公式,并以实例证明了本公式的实用性。(5) 通过拉氏变换,建立了以误差函数表示的固结方程的解,有效地消除了太沙基固结方程级数计算中的Gibbs 振荡现象。通过对比分析,得到了固结度的平方根法公式原型。采用工程上通用的最小二乘法,得到了固结系数与试验测量数据之间的关系式,为用计算机进行固结初值、终值以及固结系数的计算提供了一个较好的方法。(6) 针对目前各种参数优化算法易于陷入局域解的缺点,以简单遗传算法为基础,将BFGS 算法嵌入到AGA 算法中,形成了新型混合遗传算法,并对本文提出的卸荷量与渗透系数变化量关系公式中的参数进行了优化研究,取得了较好的结果。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-9
目录  9-11
图表目录  11-15
1 绪论  15-25
  1.1 问题的提出及研究意义  15
  1.2 国内外研究现状  15-23
    1.2.1 多孔介质渗流问题  15-16
    1.2.2 岩体裂隙应力渗流模型  16-20
    1.2.3 岩体卸荷渗流问题  20-21
    1.2.4 参数的优化方法  21-23
  1.3 本文拟开展的研究工作  23-24
  1.4 技术路线  24-25
2 裂隙岩体卸荷渗流理论模型研究  25-55
  2.1 岩体卸荷水力损伤研究  27-37
    2.1.1 卸荷岩体中的应力分布  27
    2.1.2 岩体卸荷水力损伤研究  27-37
  2.2 岩体渗流模型  37-41
    2.2.1 渗流-应力耦合模型  37-40
    2.2.2 初始及边界条件  40-41
  2.3 卸荷岩体渗流-应力耦合模型研究  41-48
    2.3.1 立方定理的推导  41-44
    2.3.2 正应力对裂隙渗透系数的影响  44-45
    2.3.3 饱和岩体裂隙卸荷渗透系数研究  45-48
  2.4 非平行裂隙中水压力分布研究  48-54
    2.4.1 非平行裂隙水头分布公式推导  48-53
    2.4.2 水头分布方式对边坡安全系数的影响  53-54
  2.5 本章小结  54-55
3 裂隙岩体卸荷渗流耦合试验研究  55-79
  3.1 试验基本过程  55-57
  3.2 卸荷渗流试验及结果分析  57-65
    3.2.1 水对岩体强度的影响  57-59
    3.2.2 卸荷渗流试验结果分析  59-65
  3.3 理论与试验成果对比分析  65-66
    3.3.1 卸荷过程中理论计算与试验结果对比分析  65
    3.3.2 循环加、卸荷过程中渗透系数结果分析  65-66
  3.4 细观试验及其结果分析  66-78
    3.4.1 岩样矿物成份测定  66-67
    3.4.2 岩样断面电镜扫描分析  67-70
    3.4.3 岩相光学溥片分析  70-73
    3.4.4 岩样断面CT 扫描分析  73-78
  3.5 本章小结  78-79
4 渗流参数确定及其优化研究  79-115
  4.1 太沙基一维固结问题的参数研究  79-97
    4.1.1 太沙基固结方程的完整解  79-87
    4.1.2 误差函数与级数函数计算结果的对比分析  87-90
    4.1.3 平方根法计算公式的理论验证  90-93
    4.1.4 基于最小二乘法优化固结系数  93-97
  4.2 新型混合加速遗传算法的构成与实现  97-108
    4.2.1 简单遗传算法及其基本实现技术  97-103
    4.2.2 加速AGA算法  103-105
    4.2.3 BFGS 算法  105-106
    4.2.4 UHAGA 优化算法的构成与实现  106-108
  4.3 渗流参数的遗传算法优化分析  108-113
    4.3.1 算法的验证及对比分析  108-110
    4.3.2 渗透系数与应力关系的参数优化分析  110-111
    4.3.3 不同计算模型的对比分析  111-113
  4.4 加、卸荷过程中渗透系数对比分析  113-114
  4.5 本章小结  114-115
5 结论与展望  115-117
  5.1 主要结论  115
  5.2 需要进一步研究的问题  115-117
致谢  117-119
参考文献  119-127
附录:A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录  127-129
  B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目  128
  C. 作者在攻读博士学位期间获奖情况  128-129

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