岩体破坏的非线性理论研究及应用

岩体的破坏分析是岩体力学研究的难点之一，虽然国内外在研究岩体工程的稳定性方面已有许多成功的实例，积累了丰富的实践经验和理论上的认识。然而随着岩体工程迅速发展和研究工作的不断深入，人们仍然发现了许多传统理论难以解释的现象和难以解决的困难，这就需要引进新的学科—非线性理论去研究和解释。本文在总结回顾过去工作的基础上，主要开展了如下5个方面的工作。 1、影响岩体抗剪强度参数的因素较多，且包含较多的定性指标，而神经网络能将多种控制因素作为一个整体来考虑，而不仅局限于定量因素，因此可以利用神经网络合理选择岩体抗剪强度参数。同时利用训练好的神经网络模型分析输入对输出的相对作用强度，从而可以根据输入参数的变化对输出参数作对应的调整，达到对模型的最优控制。 2、提出了基于支持向量机和模拟退火算法的位移反分析的新方法，并将该方法应用于索风营水电站地下洞室的岩体力学参数反演分析中。该方法利用支持向量机的非线性映射和预测功能，模拟有限元计算过程，从而提高了反分析计算速度；同时由于模拟退火算法具有全局搜索能力，解决了局部极小与全局极小问题。因此该方法既克服了传统反分析方法易于陷入局部极小值的缺点，又表达了岩体力学参数与位移之间复杂的非线性映射关系。 3、岩体向失稳方向的演化过程是一个能量耗散且伴随有减熵的过程。因此，熵可用于描述岩体演化过程的非线性和自组织性。文中定义了岩体结构熵，并将其与有限元计算和突变理论相结合，研究了岩体失稳的熵突变准则，并将熵的大小作为表征岩体安全度的指标。 4、建立了基于支持向量机的岩体演化的位移预测及突变分析模型。采用基于支持向量机的混沌时间序列预报方法预测岩体位移变化的时间序列，利用该位移时间序列拟合成Talor级数并将其化为尖点突变方程的形式，通过判断突变方程的突变特征值来预测和分析岩体的稳定性。 5、研究了基于位移突变的岩体稳定的数值模拟方法。应用有限元数值分析方法模拟开挖施工过程中岩体的位移变化，对开挖过程中岩体关键部位的位移时间序列进行尖点突变分析，以判别岩体位移的稳定性，从而分析岩体工程系统的稳定性。 通过本文的研究，使岩体稳定的非线性研究成为一个相对较完整的模型。本模型不仅可供岩体工程设计时参考，而且对力学的稳定性理论、岩体的破坏理论方面也有所拓广和创新。