基于遺傳算法軟巖應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間模型參數(shù)全局優(yōu)化搜索

1、遺傳算法在巖石力學(xué)模型參遺傳算法在巖石力學(xué)模型參數(shù)辨識(shí)中的應(yīng)用數(shù)辨識(shí)中的應(yīng)用20112011年年6 6月月1515日日李邵軍李邵軍1、研究背景、研究背景2、巖石力學(xué)模型參數(shù)種類及其確定方法研究現(xiàn)、巖石力學(xué)模型參數(shù)種類及其確定方法研究現(xiàn)狀狀3、遺傳算法求解巖石力學(xué)模型參數(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題、遺傳算法求解巖石力學(xué)模型參數(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題4、實(shí)例分析、實(shí)例分析-硅藻軟巖應(yīng)力硅藻軟巖應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變-時(shí)間本構(gòu)模型參時(shí)間本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別數(shù)識(shí)別5、展望、展望6、分析軟件介紹與上機(jī)操作、分析軟件介紹與上機(jī)操作提提 綱綱1、研究背景邊坡邊坡隧洞隧洞礦山礦山巖石工程巖體穩(wěn)定性巖石工程巖體穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)分析和評(píng)價(jià)力學(xué)行為力學(xué)行

2、為失穩(wěn)特征失穩(wěn)特征巖體力學(xué)模型和參數(shù)巖體力學(xué)模型和參數(shù)變形破壞模式變形破壞模式三維模型三維模型隧洞和廠房開(kāi)挖圍巖變形特征示例隧洞和廠房開(kāi)挖圍巖變形特征示例巖體力學(xué)模型和參數(shù)巖體力學(xué)模型和參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息1( , , )( , , , , )nKiif x y za s x y z )()()(xxmxz223ijsskkijsijKGG n 理論逐步完善理論逐步完善- 測(cè)試技術(shù)發(fā)展測(cè)試技術(shù)發(fā)展-硬件分析快速硬件分析快速n 理論、數(shù)值、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ挖呌趶?fù)雜理論、數(shù)值、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ挖呌趶?fù)雜n 數(shù)據(jù)有限、離散數(shù)據(jù)有限、離散n 求解難度大求解難度大n 較大空間內(nèi)尋求較大空間內(nèi)尋求全局最優(yōu)解全局最優(yōu)

3、解測(cè)試手段、測(cè)試手段、方法和工程方法和工程條件限制條件限制遺傳遺傳算法算法參數(shù)參數(shù)2、巖石力學(xué)模型參數(shù)種類及其確定方法研究現(xiàn)狀2.1 巖石力學(xué)模型參數(shù)種類 基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù): 巖體變形參數(shù)巖體變形參數(shù)變形模量（變形模量（E）、剪切模量、泊松比（）、剪切模量、泊松比（） 強(qiáng)度參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)抗拉強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度（t）、抗壓強(qiáng)度（）、抗壓強(qiáng)度（c）、內(nèi)聚力（）、內(nèi)聚力（C）、內(nèi)）、內(nèi)摩擦角（摩擦角（） (2) 工程地質(zhì)參數(shù)工程地質(zhì)參數(shù): 有基本的初始地應(yīng)力參數(shù)，結(jié)構(gòu)面參數(shù)、有基本的初始地應(yīng)力參數(shù)，結(jié)構(gòu)面參數(shù)、發(fā)展到要考慮水力參數(shù)、化學(xué)參數(shù)、溫度參數(shù)等發(fā)展到要考慮水力參數(shù)、化學(xué)參數(shù)

4、、溫度參數(shù)等(3) 非線性數(shù)學(xué)表達(dá)式模型需要引入的一系列非線性數(shù)學(xué)表達(dá)式模型需要引入的一系列待定系數(shù)待定系數(shù)，如多，如多項(xiàng)式系數(shù)、冪系數(shù)、常系數(shù)等項(xiàng)式系數(shù)、冪系數(shù)、常系數(shù)等 隨著理論的深入，模型趨于復(fù)雜化，由最初的彈性到塑性隨著理論的深入，模型趨于復(fù)雜化，由最初的彈性到塑性、粘性、脆性等，需要確定的參數(shù)將會(huì)越來(lái)越多、粘性、脆性等，需要確定的參數(shù)將會(huì)越來(lái)越多2.2 巖石力學(xué)參數(shù)獲取方法水平孔現(xiàn)場(chǎng)取樣水平孔現(xiàn)場(chǎng)取樣垂直孔孔現(xiàn)場(chǎng)取樣垂直孔孔現(xiàn)場(chǎng)取樣獲取的巖心獲取的巖心人工采石人工采石加工后加工后50*100mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件單軸壓縮單軸壓縮三軸壓縮三軸壓縮 020406080100

5、120140-1000-500050010001500200025003000應(yīng)變/e第一主應(yīng)力/MPa第一主應(yīng)變第二主應(yīng)變第三主應(yīng)變真三軸真三軸雙軸蠕變雙軸蠕變?nèi)S蠕變?nèi)S蠕變0.0040.0060.0080.0100.0120.0140501001502003.86MPa7.71MPa11.6MPa15.4MPa 剪切蠕變剪切蠕變爆破后進(jìn)行人工制作巖石試件爆破后進(jìn)行人工制作巖石試件安裝加壓、剪切裝置和測(cè)讀系統(tǒng)安裝加壓、剪切裝置和測(cè)讀系統(tǒng)較之巖體，巖石塊可以看作連續(xù)的、較之巖體，巖石塊可以看作連續(xù)的、無(wú)缺陷的均勻介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得無(wú)缺陷的均勻介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，忽略了巖

6、體中的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，忽略了巖體中普遍存在的節(jié)理裂隙弱面的影響，而普遍存在的節(jié)理裂隙弱面的影響，而且其受力狀態(tài)和自然含水狀態(tài)已非原且其受力狀態(tài)和自然含水狀態(tài)已非原始狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果往往大于巖體的力始狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果往往大于巖體的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)學(xué)性質(zhì)指標(biāo) 實(shí)驗(yàn)室加工巖樣與工程巖體對(duì)比實(shí)驗(yàn)室加工巖樣與工程巖體對(duì)比2.3 存在問(wèn)題與對(duì)策現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)一方面存在尺寸效應(yīng)，即使用在小尺度巖體上現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)一方面存在尺寸效應(yīng)，即使用在小尺度巖體上試驗(yàn)得到的巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)對(duì)于工程尺度巖體的代表性比試驗(yàn)得到的巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)對(duì)于工程尺度巖體的代表性比較差，另外還受卸荷效應(yīng)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)改變的影響較差，另外還受卸荷效應(yīng)

7、對(duì)巖體結(jié)構(gòu)改變的影響 2.3 存在問(wèn)題與對(duì)策實(shí)踐表明，無(wú)論是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)還是現(xiàn)實(shí)踐表明，無(wú)論是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)還是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果都具有較大的離場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果都具有較大的離散性散性n 地質(zhì)條件復(fù)雜地質(zhì)條件復(fù)雜n 巖土介質(zhì)復(fù)雜巖土介質(zhì)復(fù)雜n 巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu) , MPa 巖石單軸壓縮全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)的典型結(jié)果巖石單軸壓縮全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)的典型結(jié)果 測(cè)點(diǎn)并不是沿著某一條曲線有規(guī)律的分布，不同的試件（測(cè)點(diǎn)并不是沿著某一條曲線有規(guī)律的分布，不同的試件（即使是相同巖性從即使是相同巖性從同一工程地點(diǎn)、同一巖塊、同一鉆孔不同深度取得的同一工程地點(diǎn)、同一巖塊、同一鉆孔不同深度取得的）必將使得這種離散更）必將使得這

8、種離散更加放大加放大 參數(shù)的取值到底哪一個(gè)更加符合實(shí)際，這就存在結(jié)果的唯一性和全局優(yōu)化問(wèn)題參數(shù)的取值到底哪一個(gè)更加符合實(shí)際，這就存在結(jié)果的唯一性和全局優(yōu)化問(wèn)題 通過(guò)簡(jiǎn)單的回歸分析可以通過(guò)簡(jiǎn)單的回歸分析可以獲得多種可能的結(jié)果獲得多種可能的結(jié)果窮舉法窮舉法用目標(biāo)函數(shù)檢測(cè)搜索空用目標(biāo)函數(shù)檢測(cè)搜索空間中的所有點(diǎn)，每次一個(gè)，該間中的所有點(diǎn)，每次一個(gè)，該方法簡(jiǎn)單直接，但巨大的工作方法簡(jiǎn)單直接，但巨大的工作量使該方法的性能大打折扣。量使該方法的性能大打折扣。具體來(lái)說(shuō)就是要對(duì)工程涉及的具體來(lái)說(shuō)就是要對(duì)工程涉及的每一類巖性的巖石大量取樣進(jìn)每一類巖性的巖石大量取樣進(jìn)行試驗(yàn)，顯然這種方案是難以行試驗(yàn)，顯然這種方案是

9、難以接受的接受的常用的優(yōu)化搜索技術(shù)包括常用的優(yōu)化搜索技術(shù)包括窮舉法、微分法和統(tǒng)計(jì)分析法窮舉法、微分法和統(tǒng)計(jì)分析法 微分法微分法將搜索空間看作一個(gè)連續(xù)將搜索空間看作一個(gè)連續(xù)多維函數(shù)，通過(guò)求它的導(dǎo)數(shù)尋找多維函數(shù)，通過(guò)求它的導(dǎo)數(shù)尋找最大（小）值。最大（?。┲怠Ｖ苯臃ɑ诤瘮?shù)在極值點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)直接法基于函數(shù)在極值點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)為零，間接法使用函數(shù)值或梯度值為零，間接法使用函數(shù)值或梯度值來(lái)估計(jì)附近極值點(diǎn)的位置，又稱為來(lái)估計(jì)附近極值點(diǎn)的位置，又稱為爬山法。這類方法要求搜索空間是爬山法。這類方法要求搜索空間是連續(xù)可微的，即使允許近似數(shù)值微連續(xù)可微的，即使允許近似數(shù)值微分，其應(yīng)用范圍也受到極大限制。分，其應(yīng)用范圍也

10、受到極大限制。而對(duì)巖石力學(xué)與工程問(wèn)題，其搜索而對(duì)巖石力學(xué)與工程問(wèn)題，其搜索空間通常是不連續(xù)的、多模態(tài)的和空間通常是不連續(xù)的、多模態(tài)的和有燥聲的有燥聲的該類方法的搜索過(guò)程易于陷入局部極值點(diǎn)，大大影響其結(jié)果全局極值求解的可靠性該類方法的搜索過(guò)程易于陷入局部極值點(diǎn)，大大影響其結(jié)果全局極值求解的可靠性統(tǒng)計(jì)分析法統(tǒng)計(jì)分析法充分正視巖石力學(xué)與工程數(shù)據(jù)的離散性本質(zhì)，根據(jù)搜索過(guò)程中充分正視巖石力學(xué)與工程數(shù)據(jù)的離散性本質(zhì)，根據(jù)搜索過(guò)程中最新獲得的信息指導(dǎo)對(duì)下一個(gè)或一些試驗(yàn)點(diǎn)的概率選擇。但是該類方法需最新獲得的信息指導(dǎo)對(duì)下一個(gè)或一些試驗(yàn)點(diǎn)的概率選擇。但是該類方法需要事先確定研究對(duì)象的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，這是以大量數(shù)據(jù)為

11、基礎(chǔ)的，而巖石要事先確定研究對(duì)象的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，這是以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，而巖石力學(xué)與工程問(wèn)題是數(shù)據(jù)有限的，這就使得應(yīng)用起來(lái)十分困難力學(xué)與工程問(wèn)題是數(shù)據(jù)有限的，這就使得應(yīng)用起來(lái)十分困難一個(gè)較好的解決途徑就是充分利用已有的和比較容易獲取的數(shù)據(jù)，依一個(gè)較好的解決途徑就是充分利用已有的和比較容易獲取的數(shù)據(jù)，依據(jù)非線性模型參數(shù)辨識(shí)思想，采用先進(jìn)的更加有效的信息處理技術(shù)，據(jù)非線性模型參數(shù)辨識(shí)思想，采用先進(jìn)的更加有效的信息處理技術(shù)，獲取可靠的與實(shí)際相符的結(jié)果。而智能科學(xué)的獲取可靠的與實(shí)際相符的結(jié)果。而智能科學(xué)的遺傳算法遺傳算法為該問(wèn)題的解為該問(wèn)題的解決提供了契機(jī)決提供了契機(jī)適應(yīng)值編碼輸入最優(yōu)解適應(yīng)函數(shù)f(x

12、)遺傳算法的黑箱表示形式遺傳算法的黑箱表示形式 mc),() 1(),(1)(),(),() 1,(PtHOLtHPtftHftHmtHm 試驗(yàn)解 1 試驗(yàn)解 2 110110001011010011 101110101010101011 101110101010110011 110110001011001011 101010101110110111 110001101011001011 交叉 變換 倒序 遺傳算法的重構(gòu)操作與試驗(yàn)解遺傳算法的重構(gòu)操作與試驗(yàn)解3、遺傳算法求解巖石力學(xué)模型參數(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題3.1 獲取和搜集整理先驗(yàn)知識(shí)數(shù)據(jù)輸入輸出形式數(shù)據(jù)輸入輸出形式n 多對(duì)一多對(duì)一：依據(jù)巖土體的物理

13、力學(xué)參數(shù)求解穩(wěn)：依據(jù)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)求解穩(wěn)定系系數(shù)定系系數(shù)n 多對(duì)多多對(duì)多：支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)（間距、長(zhǎng)度、寬度、：支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)（間距、長(zhǎng)度、寬度、截面形式等）與安全性、經(jīng)濟(jì)性及施工可行截面形式等）與安全性、經(jīng)濟(jì)性及施工可行性，依據(jù)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)求解應(yīng)力和性，依據(jù)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)求解應(yīng)力和位移位移FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 39250 Model Perspective15:19:14 Fri Jun 20 2008Center: X: 3.127e-001 Y: 1.669e-001

14、Z: 1.039e-001Rotation: X: 100.000 Y: 30.000 Z: 0.000Dist: 1.916e+000Mag.: 1.25Ang.: 22.500Block Group 獲取輸入輸出數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)約束條件與已知模型結(jié)構(gòu)的適用條件相適應(yīng)獲取輸入輸出數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)約束條件與已知模型結(jié)構(gòu)的適用條件相適應(yīng) 對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的約束條件既要保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能正常運(yùn)行，還要保證模型能在使用對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的約束條件既要保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能正常運(yùn)行，還要保證模型能在使用范圍內(nèi)應(yīng)用。典型約束條件如輸入輸出以及中間變量的幅值限制等。對(duì)巖石力學(xué)系范圍內(nèi)應(yīng)用。典型約束條件如輸入輸出以及中間變量的幅值限制等。對(duì)巖石

15、力學(xué)系統(tǒng)，為進(jìn)行巖石力學(xué)模型參數(shù)識(shí)別所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)一般有兩種情況：統(tǒng)，為進(jìn)行巖石力學(xué)模型參數(shù)識(shí)別所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)一般有兩種情況：n 一是為了把已知的具有較好適用性的模型用于新的工程實(shí)例時(shí)，通過(guò)一是為了把已知的具有較好適用性的模型用于新的工程實(shí)例時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定其參數(shù)實(shí)驗(yàn)確定其參數(shù)n 另一種情況是事先對(duì)模型結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完全把握時(shí)，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)另一種情況是事先對(duì)模型結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完全把握時(shí)，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一個(gè)或幾個(gè)較好的模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)識(shí)別確定最終結(jié)果選擇一個(gè)或幾個(gè)較好的模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)識(shí)別確定最終結(jié)果 輸入輸出數(shù)據(jù)中應(yīng)包含對(duì)參數(shù)識(shí)別最豐富的信息輸入輸出數(shù)據(jù)中應(yīng)包含對(duì)參數(shù)識(shí)別最豐富的信息

16、即在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最合適的條件，采取的主要實(shí)驗(yàn)手段有拉即在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最合適的條件，采取的主要實(shí)驗(yàn)手段有拉伸、壓縮和剪切實(shí)驗(yàn)，有單軸、常規(guī)三軸和真三軸實(shí)驗(yàn)，有靜力和動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，等等伸、壓縮和剪切實(shí)驗(yàn)，有單軸、常規(guī)三軸和真三軸實(shí)驗(yàn)，有靜力和動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，等等。還包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，再加上實(shí)驗(yàn)中遵循的應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史信息。還包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，再加上實(shí)驗(yàn)中遵循的應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史信息一方面，就需要根據(jù)研究對(duì)象的具體情況安排實(shí)驗(yàn)。如進(jìn)行巖體力學(xué)參一方面，就需要根據(jù)研究對(duì)象的具體情況安排實(shí)驗(yàn)。如進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)識(shí)別時(shí)，考慮到巖石與巖體的區(qū)別，直接用巖塊實(shí)驗(yàn)

17、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是數(shù)識(shí)別時(shí)，考慮到巖石與巖體的區(qū)別，直接用巖塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是不適宜的，需要進(jìn)行參數(shù)反演或不適宜的，需要進(jìn)行參數(shù)反演或GSI分析等。分析等。 數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)（取樣點(diǎn)）應(yīng)盡量均布于系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)（取樣點(diǎn)）應(yīng)盡量均布于系統(tǒng)狀態(tài)空間這就涉及到參數(shù)識(shí)別結(jié)果的廣泛可用性。為了使參數(shù)識(shí)別結(jié)果在整個(gè)模型適用范圍這就涉及到參數(shù)識(shí)別結(jié)果的廣泛可用性。為了使參數(shù)識(shí)別結(jié)果在整個(gè)模型適用范圍內(nèi)是全局可用的，應(yīng)盡量避免所有樣本取自少數(shù)局部區(qū)域。對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，相對(duì)于內(nèi)是全局可用的，應(yīng)盡量避免所有樣本取自少數(shù)局部區(qū)域。對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，可控因素較多，比較容易實(shí)施。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，受限于成本

18、因素現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，可控因素較多，比較容易實(shí)施。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，受限于成本因素和工程因素，需酌情對(duì)待。應(yīng)結(jié)合工程特征，在盡可能了解系統(tǒng)輸入輸出范圍和變和工程因素，需酌情對(duì)待。應(yīng)結(jié)合工程特征，在盡可能了解系統(tǒng)輸入輸出范圍和變化趨勢(shì)前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和安排數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。在先驗(yàn)知識(shí)不明確情況下，可采取化趨勢(shì)前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和安排數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。在先驗(yàn)知識(shí)不明確情況下，可采取折中方法，如在數(shù)據(jù)變化劇烈區(qū)域多取樣。折中方法，如在數(shù)據(jù)變化劇烈區(qū)域多取樣。 要與參數(shù)識(shí)別結(jié)果的工程特性和物理意義匹配要與參數(shù)識(shí)別結(jié)果的工程特性和物理意義匹配由于辨識(shí)過(guò)程是一個(gè)對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程，往往容易忽略識(shí)別結(jié)果的物由于辨

19、識(shí)過(guò)程是一個(gè)對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程，往往容易忽略識(shí)別結(jié)果的物理意義。如果是用來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的模型，則不用刻意追求估計(jì)參數(shù)的物理意義及理意義。如果是用來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的模型，則不用刻意追求估計(jì)參數(shù)的物理意義及其精確性，而應(yīng)將重點(diǎn)放在工程特性上。考慮到工程因素的復(fù)雜性，對(duì)輸入輸出數(shù)其精確性，而應(yīng)將重點(diǎn)放在工程特性上。考慮到工程因素的復(fù)雜性，對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)要求相對(duì)寬松些，可以容許一定程度的噪聲存在和結(jié)果的離散性。但如果是本構(gòu)據(jù)要求相對(duì)寬松些，可以容許一定程度的噪聲存在和結(jié)果的離散性。但如果是本構(gòu)模型等機(jī)理模型，為了能夠從某種角度解釋巖石力學(xué)對(duì)象的穩(wěn)定性機(jī)理，必須強(qiáng)調(diào)模型等機(jī)理模型，為了能夠從某種

20、角度解釋巖石力學(xué)對(duì)象的穩(wěn)定性機(jī)理，必須強(qiáng)調(diào)參數(shù)的物理意義及其精確性，還要探討結(jié)果的唯一性。參數(shù)的物理意義及其精確性，還要探討結(jié)果的唯一性。3.2 模型參數(shù)化模型參數(shù)化就是確定模型結(jié)構(gòu)中待識(shí)別參數(shù)的有關(guān)信息，包括參數(shù)的個(gè)數(shù)、種類、模型參數(shù)化就是確定模型結(jié)構(gòu)中待識(shí)別參數(shù)的有關(guān)信息，包括參數(shù)的個(gè)數(shù)、種類、范圍、分布等。巖石力學(xué)非線性模型中的參數(shù)構(gòu)成的是一個(gè)大參數(shù)空間，包括巖石范圍、分布等。巖石力學(xué)非線性模型中的參數(shù)構(gòu)成的是一個(gè)大參數(shù)空間，包括巖石力學(xué)系統(tǒng)本身的材料屬性參數(shù)，反映應(yīng)力路徑等約束條件的控制參數(shù)，反映非線性力學(xué)系統(tǒng)本身的材料屬性參數(shù)，反映應(yīng)力路徑等約束條件的控制參數(shù)，反映非線性程度等的力學(xué)

21、參數(shù)，保持模型表達(dá)式完整性引入的待定系數(shù)，等等。一般很難也沒(méi)程度等的力學(xué)參數(shù)，保持模型表達(dá)式完整性引入的待定系數(shù)，等等。一般很難也沒(méi)有必要把所有參數(shù)都作為待定參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。不要錯(cuò)誤地認(rèn)為識(shí)別的參數(shù)越多，結(jié)有必要把所有參數(shù)都作為待定參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。不要錯(cuò)誤地認(rèn)為識(shí)別的參數(shù)越多，結(jié)果就越好。因?yàn)殡S著參數(shù)的增加，參數(shù)間的交叉現(xiàn)象必然增多。一方面會(huì)給參數(shù)識(shí)果就越好。因?yàn)殡S著參數(shù)的增加，參數(shù)間的交叉現(xiàn)象必然增多。一方面會(huì)給參數(shù)識(shí)別算法帶來(lái)重重困難；另一方面，參數(shù)間的自由調(diào)整會(huì)使得原來(lái)定義明確的參數(shù)失別算法帶來(lái)重重困難；另一方面，參數(shù)間的自由調(diào)整會(huì)使得原來(lái)定義明確的參數(shù)失去其物理意義或工程特性。因此，進(jìn)行模

22、型參數(shù)化時(shí)要充分利用先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)參數(shù)去其物理意義或工程特性。因此，進(jìn)行模型參數(shù)化時(shí)要充分利用先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)參數(shù)搜索空間進(jìn)行約束和簡(jiǎn)化搜索空間進(jìn)行約束和簡(jiǎn)化 簡(jiǎn)約性簡(jiǎn)約性即充分利用先驗(yàn)知識(shí)，采取簡(jiǎn)單易行的分析方法，將模型中那些便于獲取的參數(shù)，即充分利用先驗(yàn)知識(shí)，采取簡(jiǎn)單易行的分析方法，將模型中那些便于獲取的參數(shù)，直接通過(guò)計(jì)算求得，通過(guò)減少參數(shù)個(gè)數(shù)達(dá)到對(duì)非線性大參數(shù)空間簡(jiǎn)化的目的。如對(duì)直接通過(guò)計(jì)算求得，通過(guò)減少參數(shù)個(gè)數(shù)達(dá)到對(duì)非線性大參數(shù)空間簡(jiǎn)化的目的。如對(duì)像巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)等這類物理意義非常明確的參數(shù)（重度、彈性模量、粘像巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)等這類物理意義非常明確的參數(shù)（重度、彈性模量、粘聚

23、力、內(nèi)摩擦角等），可采取常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算直接得出。而將那些物理意聚力、內(nèi)摩擦角等），可采取常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算直接得出。而將那些物理意義不是十分明確、不便于直接獲取的參數(shù)作為識(shí)別對(duì)象。義不是十分明確、不便于直接獲取的參數(shù)作為識(shí)別對(duì)象。 關(guān)鍵性關(guān)鍵性即選擇那些對(duì)求解巖石力學(xué)或工程問(wèn)題最為關(guān)鍵的參數(shù)作為識(shí)別對(duì)象。而其他參數(shù)即選擇那些對(duì)求解巖石力學(xué)或工程問(wèn)題最為關(guān)鍵的參數(shù)作為識(shí)別對(duì)象。而其他參數(shù)盡量通過(guò)其他方法確定，避免因參數(shù)個(gè)數(shù)的增加以及參數(shù)間交叉現(xiàn)象的加重導(dǎo)致最盡量通過(guò)其他方法確定，避免因參數(shù)個(gè)數(shù)的增加以及參數(shù)間交叉現(xiàn)象的加重導(dǎo)致最重要的參數(shù)得不到合理識(shí)別重要的參數(shù)得不到合理識(shí)別 獨(dú)立獨(dú)

24、立性性待識(shí)別參數(shù)間應(yīng)該是相對(duì)獨(dú)立的。參數(shù)間的相關(guān)性使得參數(shù)調(diào)整的隨意性提高，給待識(shí)別參數(shù)間應(yīng)該是相對(duì)獨(dú)立的。參數(shù)間的相關(guān)性使得參數(shù)調(diào)整的隨意性提高，給識(shí)別過(guò)程增加難度的同時(shí)也會(huì)抹殺參數(shù)的物理意義。應(yīng)事先進(jìn)行相關(guān)性分析，避免識(shí)別過(guò)程增加難度的同時(shí)也會(huì)抹殺參數(shù)的物理意義。應(yīng)事先進(jìn)行相關(guān)性分析，避免相關(guān)性高的參數(shù)同時(shí)出現(xiàn)在待識(shí)別參數(shù)中相關(guān)性高的參數(shù)同時(shí)出現(xiàn)在待識(shí)別參數(shù)中 區(qū)別性區(qū)別性一類是具有重要物理意義的模型參數(shù)，這在巖石力一類是具有重要物理意義的模型參數(shù)，這在巖石力學(xué)本構(gòu)模型研究中表現(xiàn)的很明顯，如彈性模量、粘學(xué)本構(gòu)模型研究中表現(xiàn)的很明顯，如彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等反應(yīng)材料本質(zhì)屬性的參數(shù)。進(jìn)行

25、聚力、內(nèi)摩擦角等反應(yīng)材料本質(zhì)屬性的參數(shù)。進(jìn)行這類參數(shù)的識(shí)別時(shí)，除要求參數(shù)估計(jì)的比較準(zhǔn)確外這類參數(shù)的識(shí)別時(shí)，除要求參數(shù)估計(jì)的比較準(zhǔn)確外，還要保證其物理和工程意義得到正確體現(xiàn)。，還要保證其物理和工程意義得到正確體現(xiàn)。這就這就需要在進(jìn)行參數(shù)識(shí)別時(shí)除了依據(jù)常規(guī)的數(shù)學(xué)上的約束外，需要在進(jìn)行參數(shù)識(shí)別時(shí)除了依據(jù)常規(guī)的數(shù)學(xué)上的約束外，還要增加機(jī)理方面的約束條件還要增加機(jī)理方面的約束條件另一類是物理意義不是很明確的如反應(yīng)非線性程度的冪指數(shù)以及多項(xiàng)式系數(shù)等，就另一類是物理意義不是很明確的如反應(yīng)非線性程度的冪指數(shù)以及多項(xiàng)式系數(shù)等，就沒(méi)有必要一味追求估計(jì)參數(shù)的精確性，而要強(qiáng)調(diào)其全局合理性沒(méi)有必要一味追求估計(jì)參數(shù)的精確

26、性，而要強(qiáng)調(diào)其全局合理性即在選擇待識(shí)別參數(shù)時(shí)要考慮各參數(shù)的不同涵義，視具體情況區(qū)別對(duì)待即在選擇待識(shí)別參數(shù)時(shí)要考慮各參數(shù)的不同涵義，視具體情況區(qū)別對(duì)待 可辨識(shí)性可辨識(shí)性要求選擇那些變化性、趨勢(shì)性在輸入輸出數(shù)據(jù)中體現(xiàn)得較為明顯的模型參數(shù)作為待要求選擇那些變化性、趨勢(shì)性在輸入輸出數(shù)據(jù)中體現(xiàn)得較為明顯的模型參數(shù)作為待識(shí)別參數(shù)。即待識(shí)別參數(shù)對(duì)輸入輸出特性的敏感性問(wèn)題。即使是相同模型結(jié)構(gòu)，不識(shí)別參數(shù)。即待識(shí)別參數(shù)對(duì)輸入輸出特性的敏感性問(wèn)題。即使是相同模型結(jié)構(gòu)，不同參數(shù)對(duì)不同類型輸入輸出數(shù)據(jù)的敏感性不同，如巖石的彈性模型對(duì)變形數(shù)據(jù)的敏同參數(shù)對(duì)不同類型輸入輸出數(shù)據(jù)的敏感性不同，如巖石的彈性模型對(duì)變形數(shù)據(jù)的敏感

27、性最高，內(nèi)聚力次之，內(nèi)摩擦角最低。敏感性越高，參數(shù)識(shí)別的結(jié)果越可靠。這感性最高，內(nèi)聚力次之，內(nèi)摩擦角最低。敏感性越高，參數(shù)識(shí)別的結(jié)果越可靠。這應(yīng)該和輸入輸出數(shù)據(jù)的獲取結(jié)合起來(lái)，互為參照進(jìn)行選擇應(yīng)該和輸入輸出數(shù)據(jù)的獲取結(jié)合起來(lái)，互為參照進(jìn)行選擇某廠房工程實(shí)例變形對(duì)強(qiáng)某廠房工程實(shí)例變形對(duì)強(qiáng)度參數(shù)不敏感度參數(shù)不敏感3.3 參數(shù)搜索過(guò)程設(shè)計(jì)遺傳算法以全局優(yōu)化為根本目的，采用隨機(jī)搜索策略，從一組隨機(jī)產(chǎn)生的初始點(diǎn)開(kāi)遺傳算法以全局優(yōu)化為根本目的，采用隨機(jī)搜索策略，從一組隨機(jī)產(chǎn)生的初始點(diǎn)開(kāi)始，理論上達(dá)到全局最優(yōu)解的概率為始，理論上達(dá)到全局最優(yōu)解的概率為1。它不需要任何關(guān)于目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)信息，。它不需要任何關(guān)于

28、目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)信息，因而不需要任何光滑連續(xù)性假設(shè)，通過(guò)一個(gè)基于模型計(jì)算輸出誤差的適應(yīng)值標(biāo)準(zhǔn)模因而不需要任何光滑連續(xù)性假設(shè)，通過(guò)一個(gè)基于模型計(jì)算輸出誤差的適應(yīng)值標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)的適應(yīng)性，可以方便地加入各類約束信息。在算法設(shè)計(jì)過(guò)程中，如約束信息型參數(shù)的適應(yīng)性，可以方便地加入各類約束信息。在算法設(shè)計(jì)過(guò)程中，如約束信息、適應(yīng)值評(píng)價(jià)函數(shù)定義等方面還要結(jié)合具體問(wèn)題力求精煉、適應(yīng)值評(píng)價(jià)函數(shù)定義等方面還要結(jié)合具體問(wèn)題力求精煉21( )iiifitnessddNpee=-2( )iiifitnessddpee=-殘差平方和殘差平方和均方根均方根3.4 預(yù)測(cè)分析預(yù)測(cè)分析是在通過(guò)參數(shù)識(shí)別確定模型參數(shù)以后，預(yù)測(cè)分析是在通

29、過(guò)參數(shù)識(shí)別確定模型參數(shù)以后，用獲得的模型對(duì)研究對(duì)象輸入輸出特性進(jìn)行預(yù)測(cè)用獲得的模型對(duì)研究對(duì)象輸入輸出特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，用于指導(dǎo)理論與實(shí)踐，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，用于指導(dǎo)理論與實(shí)踐的過(guò)程的過(guò)程進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)時(shí)不光要針對(duì)已知樣本，還要驗(yàn)進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)時(shí)不光要針對(duì)已知樣本，還要驗(yàn)證對(duì)未知樣本（事先從獲取的輸入輸出數(shù)據(jù)中隨證對(duì)未知樣本（事先從獲取的輸入輸出數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取一部分未用于參數(shù)識(shí)別過(guò)程的樣本來(lái)模擬機(jī)抽取一部分未用于參數(shù)識(shí)別過(guò)程的樣本來(lái)模擬）的外推預(yù)測(cè)能力）的外推預(yù)測(cè)能力學(xué)習(xí)樣本學(xué)習(xí)樣本檢驗(yàn)樣本檢驗(yàn)樣本4、實(shí)例分析4.1 概況軟巖在世界上分布非常廣泛軟巖在世界上分布非常廣泛，泥

30、巖與頁(yè)巖占地球表面所，泥巖與頁(yè)巖占地球表面所有巖石的有巖石的50 %左右。礦山開(kāi)左右。礦山開(kāi)采、地下隧洞建設(shè)、邊坡開(kāi)采、地下隧洞建設(shè)、邊坡開(kāi)挖等工程中常見(jiàn)有軟巖挖等工程中常見(jiàn)有軟巖 硅藻軟巖應(yīng)力硅藻軟巖應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變-時(shí)間本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別時(shí)間本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別某地下隧洞工程的軟巖洞段某地下隧洞工程的軟巖洞段鉆孔巖心形態(tài)鉆孔巖心形態(tài)軟巖包括三個(gè)方面的概念：軟巖包括三個(gè)方面的概念：n 巖體的結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境表現(xiàn)為軟弱、破碎、松散、高地應(yīng)力等巖體的結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境表現(xiàn)為軟弱、破碎、松散、高地應(yīng)力等n 二是巖體的物理（化學(xué)）和力學(xué)特性表現(xiàn)為低強(qiáng)度、流變、風(fēng)化、二是巖體的物理（化學(xué)）和力學(xué)特性表現(xiàn)為低強(qiáng)度

31、、流變、風(fēng)化、膨脹等（如錦屏隧洞大理巖單軸抗壓強(qiáng)度膨脹等（如錦屏隧洞大理巖單軸抗壓強(qiáng)度80-120MPa，而綠片巖軟，而綠片巖軟巖僅為巖僅為20MPa）n 圍巖的工程特性表現(xiàn)為長(zhǎng)期流變、變形量大、作用時(shí)間長(zhǎng)等圍巖的工程特性表現(xiàn)為長(zhǎng)期流變、變形量大、作用時(shí)間長(zhǎng)等監(jiān)測(cè)到的軟巖變形監(jiān)測(cè)到的軟巖變形本研究涉及的軟巖工程日為本石川縣能登半島端部株洲市本研究涉及的軟巖工程日為本石川縣能登半島端部株洲市區(qū)的開(kāi)發(fā)工程區(qū)的開(kāi)發(fā)工程, 由當(dāng)?shù)氐谌o(jì)中新世后期硅藻泥巖層中采由當(dāng)?shù)氐谌o(jì)中新世后期硅藻泥巖層中采取試樣進(jìn)行試驗(yàn)。硅藻軟巖由硅藻的殘骸物、粘土及火山取試樣進(jìn)行試驗(yàn)。硅藻軟巖由硅藻的殘骸物、粘土及火山灰等堆積

32、形成灰等堆積形成, 大多分布在沿海附近（據(jù)廖紅建，大多分布在沿海附近（據(jù)廖紅建，軟巖的軟巖的強(qiáng)度一變形一時(shí)間之間關(guān)系的試驗(yàn)分析強(qiáng)度一變形一時(shí)間之間關(guān)系的試驗(yàn)分析，巖土力學(xué)，巖土力學(xué)， 1998）本研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于本研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于廖紅建教授廖紅建教授1998年的年的博士后工作博士后工作報(bào)告報(bào)告 ，巖土類材料的靜動(dòng)強(qiáng)度及本構(gòu)關(guān)系的研究，巖土類材料的靜動(dòng)強(qiáng)度及本構(gòu)關(guān)系的研究硅藻泥巖層中切取的每邊長(zhǎng)硅藻泥巖層中切取的每邊長(zhǎng)40cm的立方體試件中制作直徑的立方體試件中制作直徑5cm，高高10cm的圓柱形試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。為了探討不連續(xù)面或者是裂的圓柱形試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。為了探討不連續(xù)面或者是裂縫對(duì)

33、軟巖強(qiáng)度一變形一時(shí)間特性的影響縫對(duì)軟巖強(qiáng)度一變形一時(shí)間特性的影響, 制備試樣時(shí)除圖所示的完制備試樣時(shí)除圖所示的完整試樣外整試樣外, 還制作了按一定的傾角切割有不連續(xù)面的試樣還制作了按一定的傾角切割有不連續(xù)面的試樣軟巖試樣軟巖試樣4.2 軟巖的強(qiáng)度一變形一時(shí)間關(guān)系的試驗(yàn)試樣完全飽和試樣完全飽和, 孔隙比較高孔隙比較高, 為多孔質(zhì)材料為多孔質(zhì)材料, 壓縮指數(shù)為壓縮指數(shù)為1.458, 具有較高的壓縮性。具有較高的壓縮性。由等向固結(jié)試驗(yàn)和不同固結(jié)壓力下固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)由等向固結(jié)試驗(yàn)和不同固結(jié)壓力下固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果, 求得該軟巖的前期固結(jié)壓力求得該軟巖的前期固結(jié)壓力1.5MPa軟巖試

34、樣的主要物性指標(biāo)軟巖試樣的主要物性指標(biāo)名稱 比重 （g/cm3） 天然含水量 （%） 液限 （%） 塑限 （%） 孔隙比 指標(biāo)值 2.183 119.6 172.7 94.7 2.67 基本試驗(yàn)參數(shù) 壓縮系數(shù)=0.642、膨脹系數(shù)k=0.071、泊松比 =0.397、M=1.75 固結(jié)壓力 c（MPa） 初始孔隙比0e 應(yīng)變率 a. (%/min) W(%) 密度 (t/m3) 0.1 2.77 0.175 123.15 1.311 0.5 2.75 0.175 14.384 1.335 0.75 2.74 0.175 124.26 1.288 1.0 2.70 0.175 126.4 1.3

35、25 1.5 2.63 0.175 128.87 1.317 2.0 2.54 0.525 114.22 1.35 2.5 2.38 0.175 112.53 1.394 3.0 2.14 0.175 100.96 1.392 其他試驗(yàn)參數(shù) 3.5 2.05 0.175 97.2 1.422 為了探討軟巖的應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)時(shí)間的依存性，在中容量（最大圍為了探討軟巖的應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)時(shí)間的依存性，在中容量（最大圍壓壓4.9Mpa）的三軸儀上對(duì)軟巖分別進(jìn)行了等向固結(jié)實(shí)驗(yàn)、固結(jié)）的三軸儀上對(duì)軟巖分別進(jìn)行了等向固結(jié)實(shí)驗(yàn)、固結(jié)不排水三軸壓縮實(shí)驗(yàn)以及蠕變實(shí)驗(yàn)不排水三軸壓縮實(shí)驗(yàn)以及蠕變實(shí)驗(yàn).為了使剪切時(shí)試樣上端不受

36、約為了使剪切時(shí)試樣上端不受約束束, 在加壓板和承壓板之間設(shè)計(jì)了不銹鋼球連接在加壓板和承壓板之間設(shè)計(jì)了不銹鋼球連接,試驗(yàn)采用試驗(yàn)采用0.5MPa和和0.1MPa的反壓力的反壓力硅藻軟巖在正常固結(jié)條件下不同固結(jié)壓力下的壓縮硅藻軟巖在正常固結(jié)條件下不同固結(jié)壓力下的壓縮試驗(yàn)結(jié)果（固結(jié)應(yīng)力水平分別為試驗(yàn)結(jié)果（固結(jié)應(yīng)力水平分別為0.5MPa，1.0MPa，2.0MPa，3.0MPa） 硅藻軟巖在超固結(jié)條件下不同固結(jié)壓力下的壓縮試驗(yàn)結(jié)硅藻軟巖在超固結(jié)條件下不同固結(jié)壓力下的壓縮試驗(yàn)結(jié)果（固結(jié)應(yīng)力水平分別為果（固結(jié)應(yīng)力水平分別為0.1MPa，0.75MPa，1.5MPa，2.5MPa，3.5MPa） 試驗(yàn)結(jié)果表

37、明，固結(jié)不排水三軸壓縮實(shí)驗(yàn)下硅藻軟巖的應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果表明，固結(jié)不排水三軸壓縮實(shí)驗(yàn)下硅藻軟巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化硬化軟化型。以前期固結(jié)壓力軟化型。以前期固結(jié)壓力c=1.5MPa為界，當(dāng)為界，當(dāng)c1.5MPa時(shí)為正常固結(jié)時(shí)為正常固結(jié)領(lǐng)域，應(yīng)變軟化程度較低，峰值強(qiáng)度后偏應(yīng)力逐漸減少；當(dāng)領(lǐng)域，應(yīng)變軟化程度較低，峰值強(qiáng)度后偏應(yīng)力逐漸減少；當(dāng)c樣本樣本動(dòng)態(tài)反演巖土體力學(xué)參動(dòng)態(tài)反演巖土體力學(xué)參數(shù)，動(dòng)態(tài)力學(xué)模型數(shù)，動(dòng)態(tài)力學(xué)模型反饋反饋驗(yàn)證和調(diào)驗(yàn)證和調(diào)整設(shè)計(jì)整設(shè)計(jì)施工方案施工方案揭露的地質(zhì)條件揭露的地質(zhì)條件GA/PSObXXXSVMFsiniii221*2exp)(_bXXXSVMiniii221*2exp)(Pr_)(_XSVMFs)(Pr_XSVM安全系數(shù)和造價(jià)預(yù)測(cè)函數(shù)安全系數(shù)和造價(jià)預(yù)測(cè)函數(shù) A2 樁長(zhǎng) 1216 B1