有限元法在初始地應(yīng)力場(chǎng)反分析中的應(yīng)用2

1、1有限元法在初始地應(yīng)力場(chǎng)反分析中的應(yīng)用摘要：摘要：目前對(duì)于初始地應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試，主要采用現(xiàn)場(chǎng)直接量測(cè)方法，而采用有限元法的反演分析法越來越成為了一種有效途徑。本文結(jié)合廣東第五抽水蓄能電站工程實(shí)例，利用有限元分析方法，并進(jìn)一步借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬功能。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和ADINA三維有限元模型建立巖體參數(shù)、邊界條件與地應(yīng)力場(chǎng)的映射關(guān)系來反演初始地應(yīng)力場(chǎng)，通過模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，表明本文所采用方法進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)反演計(jì)算是可行的，計(jì)算

2、結(jié)果是合理的，對(duì)類似工程具有一定實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：初始地應(yīng)力場(chǎng)；有限元法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；反演分析1引言初始地應(yīng)力場(chǎng)是地質(zhì)環(huán)境和地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要基本資料，長期以來受到工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由于初始地應(yīng)力場(chǎng)形成的原因及影響因素是極其復(fù)雜的。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試諸如：聲發(fā)射法、應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法及水壓致裂法等，不能很好的反映其復(fù)雜的映射關(guān)系。而利用有限元超強(qiáng)的建模能力和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、并行處理及較強(qiáng)的容錯(cuò)能力等來尋找

3、它們之間復(fù)雜映射關(guān)系，達(dá)到反演初始應(yīng)力場(chǎng)的目的，因此利用這種方法來反演初始地應(yīng)力場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合廣東省第五抽水蓄能電站的工程實(shí)例，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法，結(jié)合ADINA有限元軟件建立三維有限元模型，對(duì)引水隧洞過溝線淺埋段及地下廠房區(qū)域的鉆孔地應(yīng)力進(jìn)行了模擬計(jì)算，其結(jié)果表明：本文采取的反演初始地應(yīng)力場(chǎng)的方法是切實(shí)可行的，計(jì)算結(jié)果是合理的。2有限元分析法簡(jiǎn)介2.12.1有限元分析法的基本原理和基本過程有限元分析法的基本原理和基本過程有

4、限元的理論基礎(chǔ)是變分原理，即用變分法導(dǎo)出的能量原理來推導(dǎo)有限元方程，其基本原理是：基于位移變分方程的變形體最小勢(shì)能原理和變形體的虛功方程。其基本過程是將研究對(duì)象離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來代替復(fù)雜的研究對(duì)象，單元間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。用有限元分析時(shí)，先將研究對(duì)象離散成為許多小單元，其次給定邊界條件、荷載條件和材料特性，建立單元?jiǎng)偠染仃?、總體剛度矩陣，從而形成總體方程，接著修正并求解總體方程，最終得到

5、結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理和分析。2.22.2有限元中的本構(gòu)模型有限元中的本構(gòu)模型本文在有限元中，巖體選用DruckerPranger(DP)硬化巖土材料【66】【68】。DP模型可以看作是MohrCoulomb模型的擠壓失效空間。DruckerPrager準(zhǔn)則是在Mises準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，考慮平均壓應(yīng)力而將Mises條件推廣而得，其表達(dá)式為：120fIJk?????1123xyzI????????????22221223311[()()()

6、]6J????????????式中：——應(yīng)力第一不變量；1I3從有限元計(jì)算結(jié)果中提取6個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力分量，將得到的6個(gè)點(diǎn)的地應(yīng)力分量計(jì)算值作為網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本，與其對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù)組合作為網(wǎng)絡(luò)輸出，通過BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行反演預(yù)測(cè)。經(jīng)過計(jì)算并進(jìn)行數(shù)據(jù)的反歸一化處理，得到了檢驗(yàn)樣本的輸出，如表1所示：表1檢驗(yàn)樣本實(shí)際輸出與目標(biāo)輸出對(duì)比表檢驗(yàn)樣本號(hào)13141516xu0.60.60.60.6yu0.20.30.40.6E68636058目標(biāo)輸出?0.

7、150.140.180.16xu0.5950.5890.6240.631yu0.2130.3180.4250.569E67.88863.03559.93457.991目標(biāo)輸出?0.1630.1270.1750.167對(duì)比實(shí)際輸出與目標(biāo)輸出值，殘差相對(duì)誤差處于0.01%—9.29%之間，平均相對(duì)誤差為3.94%，說明網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的結(jié)果是理想的，可以用此網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邊界條件及巖體力學(xué)參數(shù)的反演。4計(jì)算結(jié)果及分析將實(shí)測(cè)點(diǎn)的初始地應(yīng)力值帶入到已訓(xùn)練好的

8、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，得到的輸出結(jié)果即為有限元模擬計(jì)算所需的邊界條件及巖體力學(xué)參數(shù)。最終得到的輸出為（0.56，0.42，60.20，0.15），即，，，0.56xum?0.42yum?60.20EGPa?。將輸出的邊界位移和巖體力學(xué)參數(shù)施加到有限元模型，經(jīng)計(jì)算可以得到研究區(qū)0.15??域內(nèi)的初始地應(yīng)力場(chǎng)。采用后驗(yàn)差檢驗(yàn)方法對(duì)模擬計(jì)算的精度進(jìn)行檢驗(yàn)：（1）首先，分別計(jì)算實(shí)測(cè)值的均值和方差、殘差均值和殘差方差，計(jì)算結(jié)果x21s?22s如下所示：=8