有限元法在初始地应力场反分析中的应用2

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1、有限元法在初始地应力场反分析中的应用摘要：目前对于初始地应力场的测试，主要采用现场直接量测方法，而采用有限元法的反演分析法越来越成为了一种有效途径。本文结合广东第五抽水蓄能电站工程实例，利用有限元分析方法，并进一步借助神经网络的模拟功能。通过BP神经网络结构和ADINA三维有限元模型建立岩体参数、边界条件与地应力场的映射关系来反演初始地应力场，通过模拟计算与实测结果的对比，表明本文所采用方法进行初始地应力场反演计算是可行的，计算结果是合理的，对类似工程具有一定实用价值。关键词：初始地应力场；有限元法；神经网络；反演分析1引言初始地应力

2、场是地质环境和地壳稳定性评价的重要基本资料，长期以来受到工程界和学术界的广泛关注。由于初始地应力场形成的原因及影响因素是极其复杂的。传统的现场地应力测试诸如：声发射法、应力解除法、应力恢复法及水压致裂法等，不能很好的反映其复杂的映射关系。而利用有限元超强的建模能力和神经网络的自适应、自学习、并行处理及较强的容错能力等来寻找它们之间复杂映射关系，达到反演初始应力场的目的，因此利用这种方法来反演初始地应力场得到广泛应用。本文结合广东省第五抽水蓄能电站的工程实例，利用神经网络BP算法，结合ADINA有限元软件建立三维有限元模型，对引水隧洞过

3、沟线浅埋段及地下厂房区域的钻孔地应力进行了模拟计算，其结果表明：本文采取的反演初始地应力场的方法是切实可行的，计算结果是合理的。2有限元分析法简介2.1有限元分析法的基本原理和基本过程有限元的理论基础是变分原理，即用变分法导出的能量原理来推导有限元方程，其基本原理是：基于位移变分方程的变形体最小势能原理和变形体的虚功方程。其基本过程是将研究对象离散化，用有限个容易分析的单元来代替复杂的研究对象，单元间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。用有限元分析时，先将研究对象离散成为许多小单元，其次给定边界条件、荷载条件和材料特

4、性，建立单元刚度矩阵、总体刚度矩阵，从而形成总体方程，接着修正并求解总体方程，最终得到结果，并对结果进行处理和分析。2.2有限元中的本构模型本文在有限元中，岩体选用Drucker-Pranger(D-P)硬化岩土材料【66】【68】。D-P模型可以看作是Mohr-Coulomb模型的挤压失效空间。Drucker-Prager准则是在Mises准则的基础上，考虑平均压应力而将Mises条件推广而得，其表达式为：式中：——应力第一不变量；——应力偏量第二偏量；5，——仅与岩石内摩擦角和粘聚力有关的试验常数，3工程概况及计算模型3.1

5、工程概况广东省第五抽水蓄能电站位于广东省清新县，属于北江下游和珠江三角洲的边缘，北江一级支流滨江下游的秦皇河。初始地应力量测孔均布置在输水发电系统的引水隧洞过沟浅埋段及地下厂房区域，山体的南面，高程约为400－550m。该工程至今共完成11组应力解除法三维地应力测试和若干组水压致裂法平面应力测试，其钻孔分布在引水隧洞过沟浅埋段及地下厂房区域。本文算例选取在ZK3003、ZK3006孔中进行的11组三维地应力测试成果进行研究，ZK3003、ZK3006孔均为垂直钻孔，其孔口地面标高分别为426.97m和413.69m。3.2三维有限元模

6、型的构建本文在建模过程中考虑工程实际情况，在ZK3003试验孔周围取长度为900m，宽为600m的区域作为研究范围，将XY平面置于黄海高程系的水平面，X轴方向与初拟的输水发电系统在此段的走向基本一致为NW50°，ZK3003孔口在模型中的坐标为（600，250，427），ZK3006孔口坐标为（380，390，414），同时依据多个地质剖面图，在尽量与原地形相吻合的情况下建立几何模型。然后对边界条件进行处理，对岩体材料进行模拟，同时将图1三维有限元计算模型图变形模量和泊松比与边界位移一起作为变量参加神经网络优化。最终建立三维有限元计算

7、模型如图1.所示。计算中选用非线性弹性有限元分析，实体采用3Dsolid单元，利用八节点六面体单元剖分几何体，最终共得到9120个3Dsolid单元和10540个节点。3.3神经网络方法优化参数在反演分析中，需要对参与反演的各参数，，和在一定的取值范围内进行调整试算。本文采用均匀设计法[5]，根据试算建立计算样本。然后把有限元计算出来的应力值，通过建立构造函数，利用神经网络出色的非线性拟合能力得出需要点的应力函数，进而求出应力值。从有限元计算结果中提取6个点的应力分量，将得到的6个点的地应力分量计算值作为网络的输入样本，与其对应的计算

8、参数组合作为网络输出，通过BP网络对参数进行反演预测。经过计算并进行数据的反归一化处理，得到了检验样本的输出，如表1所示：表1检验样本实际输出与目标输出对比表检验样本号131415160.60.60.60.65目标输出0