高應力流變岩體工程開挖支護參數最佳化方法研究

《高應力流變岩體工程開挖支護參數最佳化方法研究》是依託山東科技大學，由王輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高應力流變岩體工程開挖支護參數最佳化方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王輝
• 依託單位：山東科技大學

項目摘要

地下工程開挖與支護參數最佳化是大型地下工程穩定性分析的重點，目前國內外還未形成一套系統有效的研究方法。本項目通過室內岩石三軸卸圍壓、加、卸載蠕變試驗，研究岩石長期蠕變變形與不可逆變形之間的關係及其長期強度特性，建立高應力岩體非線性蠕變損傷本構模型和損傷演化方程；分析影響開挖支護方案的各項因素（如開挖尺寸，支護結構受力，圍岩變形、塑性區面積及蠕變損傷效應等），建立考慮影響開挖支護參數的多目標最佳化模型，並基於MATLAB平台，提出一種新型、高效多目標最佳化分析方法；開發以ABAQUS軟體為平台，Python語言為基礎的地下工程開挖支護參數最佳化分析平台，實現地下工程最佳化設計的動態仿真。通過對依託工程現場監測數據的反演分析，得到圍岩流變模型參數，並依此開展考慮圍岩長期穩定性的依託工程開挖與支護參數的動態最佳化。研究成果將為我國重大地下工程設計與施工參數的最佳化分析提供理論基礎。

結題摘要

地下工程開挖與支護參數最佳化是大型地下工程穩定性分析的重點，國內外還未形成一套系統有效的研究方法。本項目通過系統的實驗室試驗、理論分析、數值仿真與反饋分析相結合的研究方法，緊密圍繞解決高應力流變岩體地下工程開挖與支護參數的最佳化問題開展深入細緻的研究，主要研究成果如下：（1）建立了深部岩體非線性蠕變損傷本構模型。開展了系統的室內岩石三軸壓縮和蠕變試驗，研究岩石基本物理力學參數、力學行為、擴容與塑性和蠕變應變之間的關係，揭示了高應力下岩石的損傷演化與蠕變的關係，建立了考慮時間效應和應力水平影響的岩石三維損傷演化方程，並在此基礎上提出了高應力工程岩體非線性蠕變損傷本構模型，然後通過編程建立了其數值仿真算法。（2）提出地下工程有限元參數化分析方法。為實現可變參數的自動建模、分析和計算，依託ABAQUS平台，基於其標準設計語言Python對其前後處理進行二次開發。在前處理方面，將模型可動邊界的非線性關係編入到程式中，實現了通過用戶自定義參數即可完成參數化建模、劃分格線、定義集合、指定材料屬性、設定分析步以及模型的自動計算；後處理方面，通過用戶指定輸出對象，實現對計算結果檔案批量處理，輸出分析數據。該研究成果極大提高了數值仿真分析問題的效率。（3）開展了基於有限元模擬的多目標最佳化理論模型研究。將統一目標函式法中的線性加權組合法編入MATLAB程式中與有限元參數化分析方法相互調用，實現了地下工程開挖支護參數的自動最佳化。項目研究成果在水電站地下廠房空間最佳化、淺埋偏壓隧道工程設計、深部煤礦巷道支護參數最佳化等工程中進行了推廣套用，為地下工程的設計施工提供了科學指導。