哈尔滨工业大学
研究生课程作业
课程名称岩土工程数值模拟分析
导师姓名胡老师
研究生姓名XX
所在院系土木工程学院（岩土与地震工程研究中心）类别学术型硕士
日期2013 年6月09日
评语
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GABP网络在岩土体力学参数的位移反分析研究中的应用
摘要：本文以长春地铁1号线解放大路站基坑开挖为工程背景，综合运用了正交试验法、有限差分法以及BP神经网络方法进行了基坑岩土体力学参数的位移反分析研究。根据正交试验对各土层土体力学参数进行分组设计，运用有限差分软件FLAC3D对基坑开挖工况进行模拟计算，根据FLAC3D计算结果构建BP神经网络训练样本，通过GA-BP(遗传BP神经网络)算法进行位移反分析研究，并利用由该网络得到的岩土体参数对基坑位移作正向分析，结论表明了该方法在土性参数反演中的适用性，可以作为地铁深基坑开挖设计施工的参考和借鉴。
关键词：FLAC3D，遗传算法，BP神经网络，正交试验设计，岩土体参数反演
引言
岩土体的力学性态及原始应力状态等参数是数值方法能否成功应用的关键，试图从改进实验技术和采用新的实验手段解决有关岩土工程设计参数是很困难的[1][2]，利用现场量测信息为数值分析提供实用的“计算参数”的所谓“反分析”就由此而产生。从系统角度来看，基坑工程是一个复杂的巨系统，人们对其进行的各种施工活动，均可看成系统输入，而人们量测到的位移、变形破坏则为系统对输入的响应，即系统的输出。而反分析则是根据一个灰色系统的输出确定输入的过程[1][2]。参数反分析可归为三类：①反演法，即直接按量测位移求解逆方程得到参数；②正演法，即首先给定参数的试探值，通过迭代运算和误差函数的优化技术求得参数的“最佳值”；③考虑先验信息及量测误差的贝叶斯(Beyes)方法或卡尔曼(Caiman)滤波法[3][4]。由于岩土体介质的非线性，难以建立待反演参数与量测信息之间的显式关系，目前主要采用正演优化反分析方法实现上述参数识别过程，即第二种方案．土的工程性质受应力历史、应力路径及自身结构影响，呈现出非线性性质，因此在基坑工程反分析中采用非线性土的本构模型日益受人们采纳[5][6]。人工神经网络是一种建立输入和输出的映射关系，具有高度的学习能力、容错能力，三层以上(含三层)的神经网络可以逼近任意非线性函数[3][4]，可用来描述土的力学参数和位移之间的非线性关系。
工程概况
本工程为长春地铁1号线一期工程解放大路站工程，工程包括内部竖井、风道施工。竖井井口位于人民大街和解放大路十字路口东北角绿地上。竖井采用矩形截面形式，支护外缘尺寸为15.55m ×7.20m，竖井深约29.89m，采用倒挂井壁法施工，钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土支护形式。
竖井锁口圈梁为C30钢筋混凝土。井身采用注浆锚管+钢筋格栅＋型钢支撑＋喷射混凝土联合支护形式，喷射混凝土为C20湿喷早强混凝土，厚度为350mm。
施工开挖模拟和反分析参数选择
根据基坑开挖和支护的施工步序，计算共考虑4个工况：开挖至第一道支撑底标高并并设置第一道支撑为工况1，开挖至第二道支撑底标高并设置第二道支撑为工况2，开挖至第三道支撑底标高并设置第三道支撑为工况3，开挖至第四道支撑底标高并设置第四道支撑为工况4，计算中将每一个工况作为一个计算步时，按增量法近似模拟施工过程
反分析结果的准确性很大程度上依赖于现场实测数据的可靠性与代表性[5][7]。反分析所得的岩土体参数一般来说是代表某一基坑土层变形与强度特征的“综合参数”，即要求实测数据也能充分体现这一点，所以从以下三个方面选取反分析实测数据：①实测数据初分析，剔除因局部软弱带、监测失真等因素导致的不合理位移；②考虑数据点的时间分布特征，选取不同开挖层的典型位移；
③考虑数据点的空间分布，选取围护结构顶部的水平位移和沉降位移及周边建筑物的沉降位移。综合以上分析，我们选择四种参数：E,C,μ,φ。
基于FLAC3D的计算模型
FLAC3D一种基于三维显示有限差分法的数值分析软件，在计算求解中它采用了动态松弛法，能够较好地模拟岩土材料的塑性流动、软化、屈服，尤其适合做材料的弹塑性分析，大变形和模拟施工期的开挖过程及支护模拟。因此本文采用FLAC3D做数值分析的手段[8]。
模型计算域范围：基坑开挖深度为15m，当前开挖长64m，基坑宽18.5m。根据基坑开挖影响长度方向约为开挖深度的3-4倍，深度方向约为开挖深度的2-4倍，取基坑沿长边方向延伸约46m，基坑两侧短边各延伸约40m，基坑底部以下取45m，到达下部含碎石粉质粘土层，对计算结构不会有大的影响，即模型尺寸为110m×100m×60m（长×
宽×高）。
在FLAC 3D 模型中，地下连续墙和土体采用三维六面体8节点的实体单元模拟，钢支撑采用3节点的梁单元模拟，材料模型选用Mohr-Coulomb 弹塑性本构关系和强度判据。由于模型范围选取足够大，因此我们在基坑的长边方向（X 方向）两端（X=0,X=90）施加X 方向约束，基坑的短边方向（Y 方向）两端（Y=0,Y=70）施加Y 方向约束，而在模型的底面（Z=-55）施加了XYZ 三个方向的约束。计算模型材料参数如表1，计算模型如图1。
表1计算模型围岩及支护结构力学参数
Table 1 Mechanical parameters for calculating model of
surrounding rock and supporting structures
土层名称 杂填土 粘土 粉沙质粘土 ρ 1900 1874 1810 C 12 21 22 φ 18 12 11 μ
0.33 0.33 0.3 K/MPa 7.93 6.54 8.28 G/MPa 4.0 2.39 3.30 层厚
2.6
4.7
22
图1FLAC 3D 数值计算模型
Fig.1 Numerical calculation model of FLAC 3D
GA-BP 模型的建立
1 目标函数的建立
本文选取现场实测位移增量值与神经网络映射值的残差平方和作为目标函数，也是遗传算法的适应度函数，即：
*2
1
0min ()min
()[],(1)==?-?∈∑m
j
j j f X u u X X D
式中：000(,,,)?=X E c u 为需要确定的参数向量，
0{|g ()0, 1,2,3,}i D X X i n =≤= ，g ()0i X ≤为
参数约束条件，即待反演参数应满足本构关系理论规则和参数允许的取值范围；j u ?和*
j u ?分别为第j 测点某一施工步或某几个施工步前后位移增量的网络映射值和实测值，优化反分析的目标就是求得使()f X 取得最小值时的参数值。。 2基于GA-BP 算法的位移反分析
采用神经网络建立岩土体力学参数和位移之间的映射关系，在数据进行更新的时候，需要进行复杂的数值计算，很大程度上降低了反分析的效率[9][10]。而将神经网络和遗传算法结合[7]，即利用了神经网络的高度非线性映射和预测的功能，又利用了遗传算法全局寻优特性，克服了神经网络学习陷入局部极小问题[11]。采用的遗传神经网络(GA-BP)反分析步骤如下；
(1) 基于正交试验设计生成神经网络学习样本和测试样本的参数组合，通过FLAC 3D 正算程序获取样本的输出，并进行归一化处理。
(2) 给定BP 神经网络隐含层及每个隐含层神节点数的范围，随机抽取一个样本，利用GA 搜索最佳ANN 结构。利用搜索得到的网络进行样本学习，建立岩土体力学参数与输出位移之间的映射关系[12][13]。
(3) 利用测试样本，对网络进行训练。对训练成熟的网络进行初始化设置，并确定待反演参数的取值范围。
(4) 在待反演的参数取值范围内随机生成可能参数群体，逐个代入训练好的神经网络进行位移预测，计算目标函数值(适应度)。若适应度满足精度要求，则当前对应参数即为最优参数组合[14][15]
；若适应度不满足要求，则进行复制、杂交、变异操作，产生下一子代可能的参数群体[16]。
(6) 重复进行(5)步操作，直到获得满足目标函数精度的最优参数组合。 3 BP 神经网络样本构造
为了使选取的样本能够全面反映土体的力学影响因素，使试验样本具有充分的代表性[11]，采用正交试验设计BP 神经网络样本。利用SPSS 软件来设计正交试验[13]，采用正交表L25(54)分别构造网络的学习样本和测试样本，参数输入部分如上表2，对于样本输出则采用FLAC 3D 正算获取监测点位移增量，如上表3[12][13]。其中，前20
个样
本作为网络的学习样本，后5个为测试样本。
表2 BP网络输入样本
Table 2 Sample input of BP network
编号输入（FLAC计算位移mm）1 2 3 4
1 6.34 5.2
2 9.98 7.34
2 5.1
3 5.8
4 10.77 8.65
3 5.23 5.45 6.38 9.21
4 5.14 6.3
5 8.29 10.63
5 5.74 6.35 8.72 6.66
6 5.82 5.43 9.8
7 8.24
7 4.31 4.79 9.65 9.43
8 3.31 5.92 9.47 8.58
9 7.36 8.66 8.55 7.76
10 6.25 8.37 8.69 9.35
11 6.26 6.98 7.96 7.64
12 6.41 7.02 10.30 8.31
13 7.45 7.84 9.17 8.68
14 6.81 7.92 6.26 8.51
15 6.25 7.90 8.75 8.48
16 7.26 7.16 7.26 6.44
17 7.38 7.18 7.75 8.83
18 7.55 7.01 8.39 6.75
19 8.63 7.67 8.43 8.57
20 7.71 6.89 9.56 7.37
21 7.34 6.75 8.92 9.14
22 7.32 5.89 8.76 8.35
23 6.71 6.97 11.49 9.77
24 6.53 6.61 9.75 9.64
Table 3 Sample output of BP network 参数的反演计算
在Matlab12a中编写进化神经网络算法，通过GA搜索ANN结构，获得最优网络结构为4–24–16–4；采用学习率η=0.20、动量因子α=0.35、利用学习样本训练网络结构，选取测试样本的系统误差极小值对应的网络连接权值，得到网络结构在本工程意义下泛化能力是最佳的[13][16][17]。
然后设置遗传代数Igen=100、种群规模Np=20、选择变异概率0.09，然后调用gaot工具箱，经GA搜索得到最优参数[17]，见表4。
表4 反分析所得岩土体参数
Table 4 Soil mass parameters from back analysis
参数E0（GPa）c（MPa） (°) μ反演值12 15.5 21 0．30
反演分析结果检验
试验
编号
样本参数
E0/GPa C/KPa ?/。u
1 6.26 34.
2 18 0.34
2 6.26 37.1 20 0.28
3 6.26 38.
4 22 0.36
4 6.26 39.9 24 0.39
5 6.2
6 42.0 26 0.33
6 7.36 34.2 18 0.39
7 7.36 37.1 20 0.36
8 7.36 38.4 22 0.33
9 7.36 39.9 18 0.34
10 7.36 42.0 20 0.34
11 8.74 34.2 22 0.28
12 8.74 37.1 26 0.34
13 8.74 38.4 20 0.33
14 8.74 39.9 18 0.39
15 8.74 42.0 24 0.36
16 9.54 34.2 26 0.39
17 9.82 37.1 18 0.36
18 9.82 38.4 20 0.33
19 9.82 39.9 24 0.28
20 9.82 42.0 22 0.28
21 10.31 34.2 26 0.28
22 10.31 37.1 24 0.34
23 10.31 38.4 26 0.36
24 10.31 39.9 22 0.39
25 10.31 42.0 24 0.33
反演分析得到岩土体参数不是我们的最终目标，利用获取的参数进行后续开挖的预测（位移、应力、应变、松动圈深度等）和进行基坑施工期稳性评价、最后用于反馈设计与施工才是我们最关注的事情。
反演得到的岩土体参数是否可用还有待于验证，本文利用获取参数通过正算，获取围岩测点位移，借用灰色系统理论中的后验差法[16][17]进行位移检验来判断反演所得参数的可信性。
用后验差法来检验实测位移和计算位移间的偏差程度：
首先，计算后验差比值和小误差概率，即：
(2)
(3)
式中C 为位移计算值方差与位移残差方差的比值。残差由计算。 然后根据C 、P 值按表6判断结果是否可靠，经检验达到“合格”及以上认为反演结果可用。
表5 精度等级划分表
Table 6 Accuracy grade classification
P C 好 ﹥0.95 ﹤0.35 合格 ﹥0.85 ﹤0.50 勉强合格 ﹥0.70 ﹤0.65 不合格
≦0.70
≧0.65
对基坑粉质粘土层开挖引起的增量位移进行预测。将得到的预测值与现场实测值比较，两者数值较接近，计算的后验差比值和小误差概率表明了反演得到的岩土体参数能够较好代表解放大路站基坑粉质粘土层的整体情况，见表6。结果说明了采用GABP 算法得到的预测值是可信的，可以作为工程参考值。
表6粉质粘土层开挖位移增量计算值与实测值对比 Table.7 Displacement comparison between computed and
measured of excavation
监测点 JF22 JF23 JF27 实测位移 -18.87 -29.74 18.34 计算位移
-17.599
-28.206
18.852
绝对误差 1.271 1.534 0.512 相对误差（%）
-6.32
-5.15 2.79
结论与建议
建立了模拟基坑实际开挖的平面应变有限差分计算模型，进行了岩土体参数的增量位移智能反演，得出以下结论：
(1) 建立基坑分层开挖FLAC 3D 计算模型来模拟实际施工情况，基于正交试验方法获得神经网络学习和测试样本，通过遗传算法优化BP 神经网络结构，形成遗传神经网络(GA-BP)算法，可以迅速地建立位移与岩土体参数之间的高度非线性映射关系，避免了参数调整时需要的复杂计算。
(2) 合理选取反演参数和现场实测位移增量数据，运用遗传算法全局寻优特点，借助训练好的围岩参数-位移之间非线性映射关系网络，成功反演出与弹塑性模型相关4个岩土体参数。
(3) 运用反演参数，通过正算对基坑粉质粘土层开挖引起位移增量进行了预测，并进行了位移的后验差法检验，结果表明反演参数的适用性，可作为后续开挖施工设计依据[6]17]。
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C P 12/C S S =00
2[()0.6745]P i S εε=-<1S 2S 0
()()()i i i εμμ=-
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岩土体本构模型及 适用条件 0引言 岩土材料的本构理论是现代岩土力学 的基础。广义上说，本构关系是指自然界的作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。土体是一种地质历史产物，具有非常复杂的非线性特征。在外荷作用下，表现出的应力—应变关系通常具有弹塑性、黏性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状。土体本构模型就是在整理分析试验结果的基础上，用数学模型来描述试验中所发现的土体变 形特性。 采用数值方法分析岩土工程问题时，关键技术就是模拟岩土介质的本构响应。作为天然材料的岩土是由固体颗粒、水、空气组成的三相介质，具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、磁滞性、各向异性等性状，其应力—应变关系非常复杂。自Roscoe等创建Cam- clay模型至今，已出现数百个本构模型，得到工程界普遍认可的却极少，严格地说还没有。事实上，试图建立能反映各类岩土工程问题的理想本构模型是困难的，甚至是不可能的。另一方面，岩土介质具有各向异性特征早已为人们熟知，但对其开展深入研究却很少。同时，随着人类工程活动范围和规模的扩大，对岩土的渗透特性与水力耦合作用的研究显得尤为紧迫。因此开展考虑各向异性和渗流—应力耦合作用的岩 土本构模型的研究具有重要的理论价值和 实际工程应用背景。 1传统的岩土本构模型 1.1 弹性模型 对于弹性材料，应力和应变存在一一对应的关系，当施加的外力全部卸除时，材料将恢复原来的形状和体积。弹性模型分为线弹性模型和非线性弹性模型两类。 线弹性模型和非线性弹性模型，其共有的基本特点是应力与应变可逆，或者说是增量意义上可逆。这类模型用于单调加载时可以得到较为精确的结果。但用于解决复杂加载问题时，精确性往往不能满足工程需要，因此引发了弹塑性本构模型的发展。 1.2 弹塑性模型 弹塑性模型的特点是在应力作用下，除了弹性应变外，还存在不可恢复的塑性应变。应变增量。分为弹性和塑性两部分，弹性应变增量用广义虎克定律计算，塑性应变增量根据塑性增量理论计算。 塑性增量理论主要包括3个方而:关于 屈服而的理论;关于流动法则的理论和关于 硬化域软化的理论。应用塑性增量理论计算塑性应变，首先要确定材料的屈服条件，对加工硬化材料，需要确定初始屈服条件和后继屈服条件域称加载条件。其次，需要确定材料是否服从相关联流动法则。若材料服从不相关联流动法则，还需要确定材料的塑性势函数。然后，确定材料的硬化或软化规律。最后可运用流动规则确定塑性应变增量的 方向，根据硬化规律计算塑性应变增量的大小。 屈服准则是判断材料弹塑性的判据，现有的屈服而大体上可分为两类:①为单一开 口的屈服而，也称锥体屈服而;②就是口前 广泛采用的闭合屈服而，也称帽子屈服而。开口的锥形屈服而主要反映塑性剪切变形，大多数经典屈服而都属于这一类型，如T resca准则、V on Mises准则等。但岩土材料不同于金属材料的显著特点之一就是单纯 的静水压力也能产生塑性体积应变，而单一开口的屈服而不能反映这种塑性体积应变。所以近年来无论是对原有屈服而的修正，还
中国矿业大学 2 级硕士研究生课程考试试卷 考试科目岩土工程数值计算法 考试时间 学生姓名 学号 所在院系 任课教师 中国矿业大学研究生院培养管理处印制
《岩土工程数值计算法》课程报告课程报告分析的论文是安徽理工大学岩土工程专业乔成的硕士学位论文《深部巷道锚网喷支护结构的数值模拟与优化设计研究》。目前，数值分析方法有很多种，如有限差分法、有限单元法、边界单元法、离散单元法等。有着理论推演和试验分析无法比拟的优越性，更加贴近实际工程运用。但其求解问题的方法也是不同求解方法的近似解，要么是对基本方程和相应定解条件的直接近似求解；要么是求解原问题的等效积分方程的近似解；或者将连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题再求近似解等等。在实际运用的的时候存在很多局限和不合理性。本报告基于硕士学位论文《深部巷道锚网喷支护结构的数值模拟与优化设计研究》的主要内容及该论文中的数值分析方法。对论文里数值计算与行文中存在的问题进行了分析，概括了文中的创新点，对数值分析的运用做出了总体评价，并提出了自己的一些建议。 0论文主要内容简述 文中探讨了深部巷道开挖过程中及开挖之后围岩的变形与力学特征，（岩体变形具有较强的时间效应，表现为流变或蠕变明显；扩容现象突出；大偏应力下岩体内部节理、裂隙、裂纹张开，出现新裂纹；变形非连续性明显，突然剧烈增加，且具有软岩的力学特性。）讨论了影响巷道变形的主要因素，认为地应力水平和围岩性质是影响巷道稳定的主要因素，并通过对工程实测数据与数值模拟分析对比，讨论了巷道开挖后两种关键因素作用下围岩应力场和位移场的分布情况与变化规律。在此基础上，通过围岩分类法，建立了基于定量指标JV的Hoek-Brown强度参数a和s的线性修正本构关系，并将该强度准则应用于数值模拟之中。在数值模拟分析中，利用FLAC3D对钱营孜煤矿风井巷道的进行了锚喷支护模拟分析，并结合实测数据，提出了风井巷道的锚喷支护参数提出了优化方案。 1文中所用有限差分法软件FLAC3D简介 FLAC3D是美国ITASCA公司在FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）基础上开发的三维数值分析软件，并在岩土工程数值计算中得到了广泛应用。其可实现对岩石、土和支护结构等建立高级三维模型，进行复杂的岩土数值分析与设计。 程序采用的是快速拉格朗日方法，基于显式差分来获得模型的全部运动方程（包括内变量）的时间步长解。程序将计算模型划分为若干个不同形状的三维单
第一部分：数值模拟技术研究文献综述 浅析数值模拟技术 1．引言 近年来，随着我国大规模地进行“西部大开发”和“南水北调”等巨型工程，越来越多的岩土工程难题摆在我们面前，单纯依靠经验、解析法显然已不能有效指导工程问题的解决，迫切需要更强有力的分析手段来进行这些问题的研究和分析。自R.W. Clough 上世纪60年代末首次将有限元引入某土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域取得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的普及及计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能。在这样的背景下，数值模拟特别是三维数值模拟技术逐渐成为当前中国岩土工程研究和设计的主流方法之一，也使得岩土工程数值模拟技术成为当今高校和科研院所岩土工程专业学生学习的一个热点。 采用大型通用软件对岩土工程进行数值模拟计算，在目前已成为项目科研、工程设计、风险评估等岩土类项目的必须，学习和掌握Ansys、FLAC3D、UDEC 等数值计算软件已成为学校、科研院所对工程从业人员的基本要求。 数值模拟方法主要有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流形元法等，各种方法都有其对应的软件。 2.数值模拟的发展趋势 可以说, 继理论分析和科学试验之后, 数值模拟已成为科学技术发展的主要手段之一。随着软件技术和计算机技术的发展, 目前国际上数值模拟软件发展呈现出以下一些趋势： （1）. 由二维扩展为三维。早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。随着第三代、第四代计算机的出现, 才开始研制和发展更多的三维计算程序。现在，计算程序一般都由二维扩展到了三维，如LS-DYNA2D 和LS - DYNA3D、AUTODYN2D 和AUTO-DYN3D。 （2）.从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。数值模拟分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值模拟方法。近年来数值模拟方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流等求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如内爆炸时，空气冲击波使墙、板、柱产生变形，而墙、板、柱的变形又反过来影响到空气冲击波的传播，这就需要用固体力学和流体动力学的数值模拟结果交叉迭代求解。 （3）.由求解线性问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。诸如岩石、土壤、混凝土等，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性数值算法才能解决。众所周知，非线性的数值模拟是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此，近年来国外一些公司花费了大量的人力和资金，开发了诸如LS- DYNA3D、ABAQUS和AU-TODYN等专长求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效
岩土工程数值计算原理与方法 随着计算机的计算速度和存储能力的飞速发展以及计算方法的日益完善，数值模拟方法已经成为研究未知领域的强有力的工具。在岩土工程计算与分析中数值计算原理与方法也发展很快。特别是有限元的发展，促进了岩土工程研究、工程预测、优化设计和计算机辅助设计等的发展。但在工程实际中使用数值计算原理与方法却存在一些问题：例如有些人因缺乏对有限元和工程性质的深入了解，而有限元的迅速发展给他们造成一种假象，认为它是万能的，可以处理几乎所有的岩土工程问题；同时他们又被有限元计算结果的精度所迷惑，不了解这些精确结果后面所隐藏的不确定性，也不了解这些数值方法所采用本构模型的局限性以及相应参数的不确定性；因这些不确定性导致数值计算原理与方法的预测结果与实际情况和实际经验相差很大，又由于部分人计算偏于保守，使得岩土工程师难以接受现代数值计算原理与方法。 1. 岩土工程数值计算原理与方法也具有两面性。 有些人偏向于用其进行岩土工程的分析计算的原因在于： (1)数值计算原理与方法能够做任何传统的分析方法所能做到的分析与计算，而且做得更多、更好。 (2)数值计算原理与方法能够给出复杂数学模型的解。因而能够从机理上预测工程性质，而不是统计和经验性的描述，这是一大优点；而简化或经验分析方法有时只能描述其表面或形式上(统计)的关系，缺乏物理机制的描述和探讨。 (3)该方法既能处理简单问题，也能处理复杂问题。 数值计算原理与方法难以被其他人接受的原因在于： (1)使用复杂，难以被很好的掌握。 (2)数值计算原理与方法本身的不确定性(指与精确的解析方法相比所产生的不确定性，特别是在岩土动力非线性问题中这种不确定性会很大)导致预测结果与工程实际不符。 (3)数值计算原理与方法所使用的物理模型或本构模型有局限性，难以反映实际情况，导致预测结果与工程实际不符。 (4)采用复杂模型要求较多的参数，而这些参数难以用简单试验获得。 (5)既然数值计算原理与方法和传统的分析方法都具有很大的不确定性，还不如采用传统的分析方法，因为传统的方法简单、实用。 (6)精确的数值分析结果会误导使用者迷信这些结果的精确性，而没有认识到其后面隐
中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：专业知识，课程性质：选修 一、课程介绍 1. 课程描述 本课程为环境工程专业选修课程，讲授并指导学生利用计算机对岩土工程有限元专业软件进行实际操作练习，使学生掌握利用有限元数值模拟技术解决岩土工程问题的方法步骤，并对结果进行正确的分析评价。课程主要针对岩土工程专业有限元分析软件Plaxis2D的使用进行上机实践，对常见的典型岩土工程问题进行模拟计算和分析。该课程的开设能为学生今后的工作学习奠定软件计算分析基础，有利于学生工作能力的提升，增强其竞争力。 This course is elective for students majored in environmental engineering, which aims to instruct students to practice in numerical simulation using finite element analysis software of geotechnical engineering via computers, to master the method and steps to solve geotechnical engineering problems using finite element method, to analyze results of numerical simulation. This course mainly concerns practicing operation in numerical simulation by finite element analysis software of geotechnical engineering, Plaxis2D, simulation and analysis in common typical geotechnical engineering problems. By this course, students would have the basis of numerical simulation by finite element method, which is benefit for improvement of students’ working ability and enhancement of their competition. 2. 设计思路 作为本科生课程，选择操作相对简单的岩土工程专业有限元分析软件为例进行教学，主要侧重于有限元分析的基本方法步骤以及岩土工程典型问题的数值计算分析，以期达到抛砖引玉的目的。以岩土工程有限元专业分析软件Plaxis2D为基础，对岩土 - 1 -
3 下分层开切眼围岩变形失稳研究 3 Study on deformation instability of surrounding rock under Stratified open cut 下分层开切眼围岩变形、失稳与破坏由以下两个方面因素影响：第一，由其围岩地质条件决定，下分层开切眼顶板为上分层工作面回采过后跨落的矸石重新压实、稳定、胶结而成的再生顶板，整体稳定性差，具有明显的非连续介质破裂体或块裂体的性质，下分层开切眼两帮煤体与顶板层面的黏结系数及内摩擦角小于一般回采巷道，而与底板层面的黏结系数及内摩擦角则基本相同，这是由于下分层开切眼顶板是破碎矸石，虽经过了压实、稳定、胶结过程，与原始地层沉积的粘结性相比，胶结状态仍比较差；第二，由其巷道工程应力赋存环境决定，下分层回采巷道围岩已经受到上分层回采巷道开挖、上分层回采及附近煤柱的影响，并引起应力的重新分布、部分区域应力集中，临近上分层工作面回采使下分层回采巷道周边应力条件更复杂，围岩更破碎，维护也更困难；第三，由其应力赋存环境决定，下分层开切眼围岩已经受到上分层回采巷道开挖、上分层回采及附近煤柱的影响，并引起应力的重新分布、部分区域应力集中，临近上分层工作面回采使下分层开切眼周边应力条件更复杂，围岩更破碎，维护也更困难。 3.1 下分层巷道掘进前围岩应力分布和变形特征(In Front of the Lower Slice Roadway the Stress Distribution and Deformation Characteristics) 3.1.1 数值模拟方案 本章采用FLAC3D建立数值计算分析模型，分析上分层回采巷道掘进与工作面回采对底板围岩应力分布和变形特征、下分层开切眼内错距离对巷道围岩应力特性和变形特征影响规律，从而研究下分层开切眼失稳的机理及破坏原因。根据分析，注浆的目的即是为了加固顶板以及上覆岩层，所以我们通过改变上覆岩层的力学参数来模拟注浆深度对开切眼围岩稳定性的影响。本文数值模拟分为四种
岩土工程数值分析读书笔记 摘要：阅读笔记分为两部分：理论学习和plaxis模拟相关问题。 理论部分 0岩土工程数值分析简介 岩土工程问题解析分析是以弹塑性力学理论和结构力学作为理论依据，适用于解决连续介质、各向同性材料、未知量少、边界条件简单的工程问题，存在很大的局限性。 岩土工程问题数值分析是借助于计算机的计算能力，适用于解决材料复杂、边界条件复杂、任意荷载、任意几何形状，适用范围广。 岩土工程数值分析发展过程： 20世纪40年代，使用差分法解决了土工中的渗流及固结问题，如土坝渗流及浸润线的求法、土坝及地基的固结等。 20世纪60年代，使用有限元法成解决了土石坝的静力问题的求解。 20世纪70年代，使用有限元法解决了土石坝及高楼(包括地基)的抗震分析。 20世纪80年代，边界元法异军突起，解决了半无限域的边界问题；地基的静力及动力问题都使用边界元法得到了有效地解决。 岩土工程数值分析的方法有两类，一类方法是将土视为连续介质，随后又将其离散化，如有限单元法、有限差分法、边界单元法、有限元线法、无单元法以及各种方法的耦合。另一类计算方法是考虑岩土材料本身的不连续性，如裂缝及不同材料间界面的界面模型和界面单元的使用，离散元法，不连续变形分析，流形元法，颗粒流等数值计算方法。 1数值分析过程中存在的问题及解决措施 问题：(1)对岩土工程数值分析方法缺乏系统的知识和深入的理解，出现问题时不知道在什么情况下属于理论问题或数学模型问题；在什么情况下是属于计算方法问题或本构模型问题；在什么情况下是参数的确定问题或计算本身的问题等。 (2)各种本构模型固有的局限性。具有多相性土的物理力学性质太复杂，难以准确地用数学模型和本构模型描述。例如邓肯一张模型不能反映剪胀性，不能反映压缩与剪切的交叉影响； (3)现有的试验手段和设备不能提供适当、合理和精确的参数。靠少数样本点所获得的参数难以准确地描述整个空间场地的物理力学性能；土的参数因土样扰动难以高质量的获取，其精度很差。 (4)数学模型还会给人造成一种错觉，让人觉得其计算结果也一定会更好、更可靠。这样可能使人们忽略了精确的数学公式也照样会有出错的可能性。只有当输入参数的质量和精度很高，并能与数学模型的精度相匹配时，才有可能得到较为准确的计算结果。 措施：(1)加强对土的本构模型的教学与培训，了解和掌握各种土的本构模型的优点和局限性以及模型参数的离散性。 (2)在使用数值分析方法的同时，不断地积累使用经验，包括他人的经验。
数值模拟软件大全 GEO-SLOPE Offical WebSite: www. geo-slope. com SLOPE/W: 专业的边坡稳定性分析软件, 全球岩土工程界首 选的稳定性分析软件 SEEP/W: 专业的地下渗流分析软件, 第一款全面处理非饱和土体渗流问题的商业化软件 SIGMA/W: 专业的岩土工程应力应变分析软件, 完全基于土(岩)体本构关系建立的专业有限元软件 QUAKE/W: 专业的地震应力应变分析软件, 线性、非线性土体的水平向与竖向耦合动态响应分析软件 TEMP/W: 专业的温度场改变分析软件, 首款最具权威、涵盖范围广泛的地热分析软件 CTRAN/W: 专业的污染物扩散过程分析软件, 超值实用、最具性价比的地下水环境土工软件 AIR/W:专业的空气流动分析软件, 首款处理地下水-空气-热相互作用的专业岩土软件 VADOSE/W: 专业的模拟环境变化、蒸发、地表水、渗流及地下水对某个区或对象的影响分析软件, 设计理论相当完善和全面的环境土工设计软件 Seep3D(三维渗流分析软件)是GeoStudio2007专门针对工程结构中的真实三维渗流问题, 而开发的一个专业软件, Seep3D软件将强大的交互式三维设计引入饱和、非饱和地下水的建模中, 使用户可以迅速分析各种各样的地下水渗流问题. 特点:GeoStudio其实就是从鼎鼎大名的GEO-SLOPE发展起来的, 以边坡分析出名, 扩展到整个岩土工程范围, 基于. NET平台开发的新一代岩土工程仿真分析软件, 尤其是VADOSE/W模块是极具前瞻性的, 环境岩土工程分析的利器. 遗憾的是其模块几乎都只提供平面分析功能. Rocscience Offical WebSite: www. rocscience. com Rocscience 软件的二维和三维分析主要应用在岩土工程和 采矿领域, 该软件使岩土工程师可以对岩质和土质的地表 和地下结构进行快速、准确地分析, 提高了工程的安全性并 减少设计成本. Rocscience 软件对于岩土工程分 析和设计都很方便, 可以帮助工程师们得到快速、正确的解答. Rocscience 软件对于用户最新的项目都有高效的解算结果, 软件操作界面是基于WINDOWS 系统的交互式界面. Rocscience 软件自带了基于CAD 的绘图操作界面, 可以随意输入多种格式的数据进行建模, 用户可以快速定义模型的材料属性、边界条件等, 进行计算得到自己期望的结果. Rocscience 软件包括以下十三种专业分析模块: Slide 二维边坡稳定分析模块
题目：关于岩土工程的数值计算方法的综述学院：资源与土木工程学院 专业：岩土工程 学号： 姓名：
关于岩土工程的数值计算方法的综述 我通过学习和查阅相关资料文献了解到，近年来，数值计算模拟分析在岩土工程中越来越受欢迎，随着城市的建设，地下工程所处的环境越来越复杂，影响的因素也是越来越多，所以依靠传统的解析计算难以实现，计算机的数值模拟恰恰解决的了岩土的计算的问题，它可以模拟各种复杂情况下岩土问题。就岩土工程而言，由于岩土介质涉及本构关系、力学参数、自身构造以及边界条件等的复杂多变性，在未采用计算机数值方法以前，对于复杂、重要的岩土工程，如果用传统的弹性力学或弹塑性力学的解析法难以求解时，只好采用物理模拟或其他方法从宏观上把握工程的受力和变形特征。随着计算机数值分析方法的出现和发展，情况发生了巨大的变化。计算机数值方法已经能够较好的模拟非均匀质体、各向异性介质面临的复杂边界条件问题，也能处理岩土工程中不连续性界面、渗流问题、岩土损伤断裂问题以及复杂的岩土工程结构分析问题，对于涉及时间因素的动力问题、蠕变问题，特别是耦合问题，数值模拟计算方法极大的加强了解决岩土工程的能力。 数值计算方法其主要有有限单元法、有限差分法、边界元法、离散元法和流形元法等。 有限单元法：有限单元法发展非常迅速，至今已经成为求解复杂工程问题的有力工具，并在岩土工程领域广泛的采用，主要的分析软件ANSYS。 有限单元法的最基本的元素是单元和节点，基本计算步骤的第一步为离散化，问题域的连续体被离散为单元与节点的组合，连续体内部分的应力及位移通过节点传递，每个单元可以具有不同的物理特征，这样，便可以得到在物理意义上与原来的连续体相近似的模型。第二步为单元分析，一般以位移法为基本方法，建立单元的刚度矩阵。第三步由单元的刚度矩阵集合成总体刚度矩阵，并由此建立系统的整体方程组。第四步进入计算模型的边界条件，求解方程组，求得节点位移。第五步求出各单元的应变、应力及主应力。 有限差分法：有限差分法在岩土工程中是应用非常广泛的方法，在数值计算模拟上有很大的贡献，主要的应用软件为FLAC3D。 基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替，这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似，于是原微分方
《工程地质数值模拟》教学大纲 一、课程基本信息 中文名称：工程地质数值模拟英文名称：Numerical simulation of engineering geology 课程代码：0105803 授课专业：勘查技术与工程 开课单位：国土资源工程学院、城市学院 开课学期：7 学分/总学时：5/80 理论学时：32 上机学时：48 先修课程：土力学、岩石力学、普通地质学、构造地质学、岩石学、矿物学 考核方式：考查 二、课程简介： （1）教学目的 随着计算机技术的发展，为数值方法的发展提供硬件和软件保证，数学建模为计算提供有利的工具。因此，工程地质数值模拟解决了很多前人所不能解决的工程地质问题。这种方法理论与方法并重，试验、数值计算与工程实践相互检验。使得工程地质问题解决的更加广泛，研究的课题更加深入，有力的推进了工程地质学科的定量化进程。作为工程地质专业的本科生，学习工程地质数值模拟，是深入研究工程地质问题的重要手段之一。因此，掌握各种工程地质数值模拟方法的基本理论、适用条件和软件操作，是勘查技术与工程专业培养中非常重要的一个环节，也是本课程的主要教学目的。 （2）教学要求 要求在学习专业基础知识、基础理论知识的基础上，让绝大多数本科生掌握有限单元法、边界元法、离散单元法、有限差分法、数值流形元法等各种工程地质数值模拟方法的基本理论和适用条件，了解各种方法目前所具有的的相关商业软件，并具备至少一种软件的实际操作能力和分析能力。 （3）课程对专业培养目标和毕业要求的支撑作用 本专业以地质、现代勘查技术和环境科学的理论为基础，培养适应21世纪社会主义现代化建设需要的德智体美综合素质全面发展、知识结构合理、基础牢、专业素质高、富有开拓创新精神、系统掌握水工环与灾害地质及岩土工程等专业理论与方法的高级工程技术人才，亦具备较好的科学素养和创造思维及初步的教学、研究能力，能从事勘查技术与工程领域的工程勘察、地质环境评价与防治、岩土工程设计、施工与监理等方面的科研、教学、技术开发和管理工作的复合应用型专业技术人才。学习工程地质数值模拟，使很多工程地质问题解决的更加广泛，研究的课题更加深入，有力的推进了工程地质学科的定量化进程，有力支撑了本专业的培养目标。
相似模拟与模型试验在岩土工程中的应用 相似模拟与其它一样是社会生产发展的必然产物。由于社会生产的不断发展，岩土工程所提出的问题日益复杂和繁琐。用数学方法很难得到精确的解析解，只能作一些假设与简化再求解，因而带来一些误差。于是人们不得不通过实验的方法来探求那些靠数学方法无法研究的复杂现象的规律性。但是直接的实验的方法有很大的局限性，其实验的结果只能推广到与实验条件完全相同的实际问题中去，这种实验方法常常只能得出个别量的表面规律性关系，难以抓住现象的内在本质。《相似模拟》正是为解决这些问题而产生的，它不直接的研究自然现象或过程的本身，而是研究与这些自然现象或过程相似的模型， 它是理论与实际密切相结合的科学研究方法，是解决一些比较复杂的生产工程问题的一种有效方法。 一、相似模拟与模型试验的方要研究内容 它是研究自然界相似现象的一门科学。它提供了相似判断的方法。并用于指导模型试验， 整理试验结果，并把试验结果用于原型的理论基础。 二、相似常数 设c 表示相似常数，x 表示原型中的物理量，x ' 表示模型中的物理量，则： i i i x x c ' = 其中i c 表示第i 个物理量所对应的相似常数。 物理量包含于现象之中。而表示现象的物理量，一般都不是孤立的，互不关联的，而是 处在自然规律所决定的一定关系中，所以说各种相似常数之间也是相互关联的。在许多的情况下这种关联表现为数学方程的形式。下面举例说明： 设两个物体受力与运动相似 则它们的质点的运动方程和力学方程均可用同一方程描述，即： 原型的运动方程与物理方程 dt ds v = dt dv m f = ① 模型的运动方程与物理方程 t d s d v ''= ' t d v d m f '' '=' ② 因为两个物体的现象相似，其对应物理量互成比例，即 s c s s =' t c t t =' t c v v =' m c m m =' f c f f =' ③ ①，②，③联合得到 1==c c c c s t v ④
岩土工程数值分析读书报告 一.岩土与数值分析 在很多岩土工程的实际问题中，例如档土墙、板桩、基础梁和板等工程，由于岩土的非均质、非线性的性状以及几何形状的任意性、不连续性等因素，在多数情况下不能获得解析解。最近二十多年来，随着电子计算机的迅速兴起，在岩土工程中，数值分析受到了极大的重视，各种数值方法在岩土工程中都得到了广泛地应用，而岩土工程中的各种复杂问题的解决又深化和丰富了数值分析的内容。 目前．在岩土工程的数值分析中，用的最为普遍的是有限元法和差分法，其他方法如边界元法正在兴起。变分法与加权余量法既可以独立地作为数值方法运用于土工实际问题的求解，又可作为推导前几种数值方法的手段。当数值分析中的差分法首先盛行于工程科学时，土工中的渗流及固结问题在四十年代后期也开始采用差分法成功地解决了某些实际问题，如土坝渗流及浸润线的求法、土坝及地基的固结等。五十年代及六十年代初，弹性地基上的梁与板以及板桩也用差分法来求解。六十年代，土石坝的静力问题用有限元法来求解。由于有限元解法的灵活性，使差分法在土工中的应用暂时趋丁停滞。进入七十年代之后，土石坝及高楼（包括地基）成功地使用有限无法解决了抗震分析。七十午代后期及八十年代，边界元法异军突起。这方法特别适宜于半无限域课题，这些是土力学及地基工程学科经常遇到的边界情况。近十年来，地基的静力及动力问题，例如桩基及强夯（即
动力固结）等，都使用边界元法得到了有效地解决。 岩土工程数值分析的方法有两类，一类方法是将土视为连续介质，随后又将其离散化，如有限单元法、有限差分法、边界单元法、有限元线法、无单元法以及各种方法的耦合。另一类计算方法是考虑岩土材料本身的不连续性，如裂缝及不同材料间界面的界面模型和界面单元的使用，离散元法（DEM），不连续变形分析（DDA），流形元法 （MEM），颗粒流（PFC）等数值计算方法迅速发展。 二.土的本构关系 材料的本构关系（constitutive relationship）是反映材料的力学性状的数学表达式，表示形式一般为应力-应变-时间的关系，也称为本构定律（constitutive law）、本构方程（constitutive equation）,还可称为本构关系数学模型（mathematical model）简称为本构模型。 （一）土的弹性模型 在线弹性模型中，假定材料符合弹性力学规律，应力-应变关系式为： { } = [D]{ } 这里刚度矩阵称为弹性矩阵，由广义虎克定律 L，"~，1■- 1 J —V 式中包含了弹性模量和泊松比柑两个常数。。它们可以用另外两 个弹性常数，剪切模量G和体积模量K来代替。它们之间的关系为
第一章绪论 土动力学是研究各种动荷载作用下土的变形、强度特性及土体稳定性的一门学科。 一、动荷载的类型及特点 有两类常见的动荷载：冲击荷载与振动荷载。 1.冲击荷载。爆破、爆炸以及各种冲击引起的荷载，这类荷载对土体的作用主要体现在荷载的速率效应对土体强度与变形的影响。 2.振动荷载。地震，波浪，交通，大型机器基础等引起的荷载，这类荷载对土体的作用主要体现在3个方面： （1）荷载的速率效应对土体强度与变形的影响 （2）荷载循环次数的影响（疲劳） （3）荷载幅值的大小 二、土动力学的研究任务 探求动荷载作用下土体变形、强度变化的规律性，运用近代力学的原理，分析研究土工建筑物及建筑物地基在各种动力影响下的变形与破坏规律。研究内容包括两大方面的内容： 土的动力特性 土的动力稳定性 6个方面的研究问题，包括： （1）工程建筑中的各种动荷作用及其特点 （2）土体中波的传播 （3）土的动力特性：土的动强度、动变形、土的震动液化等。 （4）动荷载作用下的土体本构关系（土的动应力应变关系问题） （5）土动力特性测试方法与测试技术 （6）动荷载作用下土体的稳定性，包括动荷作用下土与结构物的相互作用，地基承载力，土坡稳定性以及挡土墙的土压力。 三、土动力学发展阶段与发展趋势 第1阶段（20世纪30年代）动力机器基础研究 第2阶段（2次世界大战以后）冲击荷载作用下土的动力学问题研究第3阶段（20世纪60年代以后）振动荷载作用下土的动力学问题研究（地震、海洋、交通等） 当前的主要发展趋势（4点）： （1）注重研究土体的动力失稳机理 （2）进一步深化对土的动应力应变关系的研究 （3）进一步深化土与结构物相互作用的研究，即利用更加真实的土动应力应变关系，将结构物与土体相互作用过程中的变形与破坏作为一个整体进行仿真计算分析。 （4）注重现场观测结构、模型试验结果、计算分析结果的相互印证研究 第二章土的动力特性 土的动力特性是指动荷载作用下土的动强度特性与土的动变形特性。
关于岩土工程数值计算的理解 这学期，数值分析作为我们研一的必修课，我们进行了13周的学习。它作为数学的一个分支，是一门研究用计算机求解各种数学问题及其理论与软件实现的学科。数值分析方法首先在工程力学得以利用，然后衍生到岩土工程实践。在岩土力学初期，由于计算机还未得到快速发展，再加上力学理论的限制，学者们也只能根据实际情况建立很简单的力学模型，然后通过力学解析近似分析岩体或土体中的应力状态与变形方式。通常情况下，这种方式离精确值相差甚远。当到后面的计算机问世，这种情况得以改变，使得建立在弹性、塑性或粘弹性力学基础上的复杂计算得到了求解方法。另外，可以通过现有技术建立与实际情况相符合的力学模型，完全精确了岩土工程的分析。在土木工程中的开挖、回填、注浆、爆破、支护工程等，都有一整套成功的模拟方法。在现有条件下，研究人员用计算机求解一个由多种工况组合、具有上万个自由度的复杂的三维问题。伴随着岩土工程的定量化，数值方法的分析计算岩土工程分析中很重要的方法。 在岩土工程中有千差万别的数值计算方法。如何评价这些方法的优劣。一般来说，必须要有一个标准，第一要工程建模结构简单，易于计算机的实现；第二要有可靠的理论分析，在理论上要保证方法的收敛性和数值稳定性；第三使用这种方法要计算效率高，时间效率高是指计算速度快，节省时间；空间效率高是指节省存贮量；第四还要通过数值试验来证明是行之有效的。 连续变形数值分析方法起步较早，现今在工程中运用较多的主要有：有限元法、有限差分法、边界元法、无限元法、拉格朗日元法等，其中以有限元法的应用最为广泛。这类方法主要用于分析岩土介质的连续小变形和小位移特性。 主要介绍下比较常用的分析方法。有限元法：有限元法将目标介质离散为有限个单元，利用这种单元的集合体近似地代替无限单元的连续体，然后根据变分原理和弹性力学方程建立单元节点位移和节点受力之间的关系，根据系统的边界条件以及节点的平衡条件列出线性方程组，从而求解单元应力。有限元法是近似解法，单元剖分的疏密程度与质量、效益密切相关，在理论上如何把握好这个度且保证收敛是有待研究的课题。 有限差分法：有限差分法是有限元法求解复杂边界条件和受载情况的工程的一种补充，其适用范围和特点与有限元法相似，在处理复杂受力情况下的边界问题时，它比有限元法有优势。但其在对网格的划分上比有限元法有更为特殊的要求，目前已经很少单独应用，一般只在某些较复杂的工程中与有限元法一同出现。 随着计算机技术和计算方法的发展，数值模拟方法成为研究岩土工程未知领域的强有力的工具。在土力学的数值分析方法也发展很快。特别是有限元的发展，促进了计算土力学以及土的本构模型的研究和发展。但在工程实际中使用土力学的数值分析方法却存在一些问题：例如有些工程师因缺乏对有限元和土的性质的深入了解，而有限元的迅速发展给他们造成一种假象，认为它是万能的，可以处理几乎所有的工程问题；同时他们又被有限元计算结果的精度所迷惑，不了解这些精确结果后面所隐藏的不确定性，也不了解这些数值方法所采用本构模型的局限性以及相应参数的不确定性；因这些不确定性导致数值分析方法的预测结果与实际情况和实际经验相差很。另外，不成功的实例很多，由此导致计算土力学的研究很多，但真正用于实际工程的却较少。 岩土工程的数值分析方法能够做任何传统的分析方法所能做到的分析与计算，而且做得更多、更好。数值分析方法不但能处理简单问题，也能处理复杂问题。针对复杂的模型，该方法能给出解值，因而能够从机理上预测土的工程性质，而不是统计和经验性的描述。就此改变了经验分析方法只能从表面或者是形式的角度来着手问题的方法，这是一大突破。当然事物都
绪论 一、工程地质问题及工程地质学 人类开展的大量工程建设，基本上都是在我们生活的地壳上进行的，空中楼阁只是一种幻想。工程建设时会遇到各种各样的问题，其中一个最基本的问题就是工程地质问题。 工程地质问题是指与人类工程活动有关的地质问题。它影响建筑物修建的技术可能性、经济合理性和安全可靠性。如建筑物所处地质环境的区域地壳稳定问题、地基稳定问题、地下硐室围岩稳定问题和边坡岩体稳定问题、水库渗漏问题、淤积问题、浸没问题、边岸再造及水坝下游冲刷问题，以及与上述问题相联系的建筑场地的规划、设计和施工条件等方面的问题。 工程地质学是研究与人类工程建设活动有关的地质问题的学科，是地质学的一个分支。根据侧重点的不同，工程地质学又可分为工程地质分析、工程岩土学和工程地质勘察三个分支。工程地质分析是指利用工程地质基本原理，分析工程地质问题产生的地质条件、力学机理及其发展演化的规律，以便正确评价其不利影响并进行有效防治。建筑物的地基或环境是具有一定成分和性质的岩土以及它们的组合，它们与工程活动相关的属性，是决定人类工程活动与地质环境相互制约的形式和规模的基本条件。研究岩土的性质和它在自然或人类活动影响下变化的科学就是工程岩土学。工程地质分析学和工程岩土学是工程地质学的理论基础。将这些理论运用于解决实际工程问题，保证与工程活动的规划、设计、施工、使用和维护等有关的工程地质问题均能得到查明和有效处理，这便是工程勘察。 由于工程地质环境具有显著的区域性分布规律，人类工程活动的类型和规模也具有很大的不同，因此工程地质问题具有区域性、工程性的特点。根据这一特点，工程地质学又可分为区域性工程地质学、城市工程地质学、公路工程地质学、水工港口工程地质学等。 二、工程地质学的研究对象和内容 工程地质学的目的在于查明建设地区或建筑场地的工程地质条件，分析、预测和评价可能存在和发生的工程地质问题，及其对建筑物和地质环境的影响和危害，提出防治不良地质现象的措施，为保证工程建设的合理规划，建筑物的正确
哈尔滨工业大学 研究生课程作业 课程名称岩土工程数值模拟分析 导师姓名胡老师 研究生姓名XX 所在院系土木工程学院（岩土与地震工程研究中心）类别学术型硕士 日期2013 年6月09日 评语
注：1、无评阅人签名成绩无效； 2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效； 3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。
GABP网络在岩土体力学参数的位移反分析研究中的应用 摘要：本文以长春地铁1号线解放大路站基坑开挖为工程背景，综合运用了正交试验法、有限差分法以及BP神经网络方法进行了基坑岩土体力学参数的位移反分析研究。根据正交试验对各土层土体力学参数进行分组设计，运用有限差分软件FLAC3D对基坑开挖工况进行模拟计算，根据FLAC3D计算结果构建BP神经网络训练样本，通过GA-BP(遗传BP神经网络)算法进行位移反分析研究，并利用由该网络得到的岩土体参数对基坑位移作正向分析，结论表明了该方法在土性参数反演中的适用性，可以作为地铁深基坑开挖设计施工的参考和借鉴。 关键词：FLAC3D，遗传算法，BP神经网络，正交试验设计，岩土体参数反演 引言 岩土体的力学性态及原始应力状态等参数是数值方法能否成功应用的关键，试图从改进实验技术和采用新的实验手段解决有关岩土工程设计参数是很困难的[1][2]，利用现场量测信息为数值分析提供实用的“计算参数”的所谓“反分析”就由此而产生。从系统角度来看，基坑工程是一个复杂的巨系统，人们对其进行的各种施工活动，均可看成系统输入，而人们量测到的位移、变形破坏则为系统对输入的响应，即系统的输出。而反分析则是根据一个灰色系统的输出确定输入的过程[1][2]。参数反分析可归为三类：①反演法，即直接按量测位移求解逆方程得到参数；②正演法，即首先给定参数的试探值，通过迭代运算和误差函数的优化技术求得参数的“最佳值”；③考虑先验信息及量测误差的贝叶斯(Beyes)方法或卡尔曼(Caiman)滤波法[3][4]。由于岩土体介质的非线性，难以建立待反演参数与量测信息之间的显式关系，目前主要采用正演优化反分析方法实现上述参数识别过程，即第二种方案．土的工程性质受应力历史、应力路径及自身结构影响，呈现出非线性性质，因此在基坑工程反分析中采用非线性土的本构模型日益受人们采纳[5][6]。人工神经网络是一种建立输入和输出的映射关系，具有高度的学习能力、容错能力，三层以上(含三层)的神经网络可以逼近任意非线性函数[3][4]，可用来描述土的力学参数和位移之间的非线性关系。 工程概况 本工程为长春地铁1号线一期工程解放大路站工程，工程包括内部竖井、风道施工。竖井井口位于人民大街和解放大路十字路口东北角绿地上。竖井采用矩形截面形式，支护外缘尺寸为15.55m ×7.20m，竖井深约29.89m，采用倒挂井壁法施工，钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土支护形式。 竖井锁口圈梁为C30钢筋混凝土。井身采用注浆锚管+钢筋格栅＋型钢支撑＋喷射混凝土联合支护形式，喷射混凝土为C20湿喷早强混凝土，厚度为350mm。 施工开挖模拟和反分析参数选择 根据基坑开挖和支护的施工步序，计算共考虑4个工况：开挖至第一道支撑底标高并并设置第一道支撑为工况1，开挖至第二道支撑底标高并设置第二道支撑为工况2，开挖至第三道支撑底标高并设置第三道支撑为工况3，开挖至第四道支撑底标高并设置第四道支撑为工况4，计算中将每一个工况作为一个计算步时，按增量法近似模拟施工过程 反分析结果的准确性很大程度上依赖于现场实测数据的可靠性与代表性[5][7]。反分析所得的岩土体参数一般来说是代表某一基坑土层变形与强度特征的“综合参数”，即要求实测数据也能充分体现这一点，所以从以下三个方面选取反分析实测数据：①实测数据初分析，剔除因局部软弱带、监测失真等因素导致的不合理位移；②考虑数据点的时间分布特征，选取不同开挖层的典型位移； ③考虑数据点的空间分布，选取围护结构顶部的水平位移和沉降位移及周边建筑物的沉降位移。综合以上分析，我们选择四种参数：E,C,μ,φ。 基于FLAC3D的计算模型 FLAC3D一种基于三维显示有限差分法的数值分析软件，在计算求解中它采用了动态松弛法，能够较好地模拟岩土材料的塑性流动、软化、屈服，尤其适合做材料的弹塑性分析，大变形和模拟施工期的开挖过程及支护模拟。因此本文采用FLAC3D做数值分析的手段[8]。 模型计算域范围：基坑开挖深度为15m，当前开挖长64m，基坑宽18.5m。根据基坑开挖影响长度方向约为开挖深度的3-4倍，深度方向约为开挖深度的2-4倍，取基坑沿长边方向延伸约46m，基坑两侧短边各延伸约40m，基坑底部以下取45m，到达下部含碎石粉质粘土层，对计算结构不会有大的影响，即模型尺寸为110m×100m×60m（长×
《岩土工程数值分析》读书报告 随着计算机的计算速度和存储能力的飞速发展以及计算方法的日益完善，数值模拟方法已经成为研究未知领域的强有力的工具。在岩土工程计算与分析中数值分析方法也发展很快。特别是有限元的发展，促进了岩土工程研究、工程预测、优化设计和计算机辅助设计等的发展。但在工程实际中使用数值分析方法却存在一些问题：例如有些人因缺乏对有限元和工程性质的深入了解，而有限元的迅速发展给他们造成一种假象，认为它是万能的，可以处理几乎所有的岩土工程问题；同时他们又被有限元计算结果的精度所迷惑，不了解这些精确结果后面所隐藏的不确定性，也不了解这些数值方法所采用本构模型的局限性以及相应参数的不确定性；因这些不确定性导致数值分析方法的预测结果与实际情况和实际经验相差很大，又由于部分人计算保守保守，使得岩土工程师难以接受现代数值分析方法。 1.其实，岩土工程数值分析方法也具有两面性。 有些人偏向于用其进行岩土工程的分析计算的原因在于： (1)数值分析方法能够做任何传统的分析方法所能做到的分析与计算，而且做得更多、更好。 (2)数值分析方法能够给出复杂数学模型的解。因而能够从机理上预测工程性质，而不是统计和经验性的描述，这是一大优点；而简化或经验分析方法有时只能描述其表面或形式上(统计)的关系，缺乏物理机制的描述和探讨。 (3)该方法既能处理简单问题，也能处理复杂问题。 数值分析分析难以被其他人接受的原因在于： (1)使用复杂，难以被很好的掌握。 (2)数值分析方法本身的不确定性(指与精确的解析方法相比所产生的不确定性，特别是在岩土动力非线性问题中这种不确定性会很大)导致预测结果与工程实际不符。 (3)数值分析方法所使用的物理模型或本构模型有局限性，难以反映实际情况，导致预测结果与工程实际不符。 (4)采用复杂模型要求较多的参数，而这些参数难以用简单试验获得。 (5)既然数值分析方法和传统的分析方法都具有很大的不确定性，还不如采用传统的分析方法，因为传统的方法简单、实用。 (6)精确的数值分析结果会误导使用者迷信这些结果的精确性，而没有认识到其后面隐藏的不确定性，进而导致工程事故。 2.岩土工程数值分析方法中存在的问题