地下工程力学（精选4篇）
地下工程力学 篇1
地下岩体是人类社会宝贵的财富, 具有广阔的开发前景, 随着当前我国矿产开采深度的增加, 井下开采作业环境进一步恶化, 井下温度逐渐升高, 此种情况下就对岩石力学提出了新的问题, 岩石力学理论发展成为必然。因此基于岩石力学思想的基础上, 探讨地下工程力学综合集成智能分析的理论和方法, 为地下工程建设的安全性提供重要的理论基础。
1 地下工程力学综合集成智能分析
所谓地下工程力学综合集成智能分析方法, 就是在对岩石工程勘察、设计、施工以及维护等作为一个系统来进行衡量和分析后, 对不确定性推理和运用方法以及区域岩体等价本构模型等的自适应识别算法进行科学化研究, 进一步明确力学遗传算法与并行算法, 在以信息分形为标度后, 积极建立一套科学化的综合决策方式, 通过智能非线性方程以及多种方式集成的计算方法来对岩体变性、破坏、失稳的全过程进行准确的描述, 其基本模型如图1。
就宏观层面来看, 该种智能分析方式主要立足于多学科研究的基础上, 通过对偶和模型以及自适应模型的研究和探索, 不断加强科学实验, 从而为多种模型检验的有效性提供可靠的基础。具体来讲, 地下工程力学综合集成智能分析方法主要包含以下五个方面的内容:一是岩体力学参数与岩块力学参数相对比, 具有一定的差异性, 并且位于不同区域上的岩体力学参数也存在一定的差异性, 那么在对地下工程力学综合集成智能分析进行理论和方法研究时, 应当充分衡量不同区域上的岩体力学参数, 对其非线性关系进行合理的把握, 以神经网络学得到后, 以正确的方式来对力学参数进行表达。二是岩体的本构关系不是岩块的本构关系, 很难实际测定, 加上地下水的作用, 更难在实验室试验。可以建立一个自适应模型, 采用自学习的方法获得各区域上的岩体等价本构关系, 这样获得的本构模型必然会接近实际。三是各种工程设计参数和施工方案是基于分区作出的, 不同分区上的工程设计参数和施工方案可能不同。先利用专家系统或神经网络类比出初步工程设计参数和施工方案, 然后采用有限元、离散元等数值计算方法或理论解析方法进行应力位移计算、对可能的破坏模式进行识别等。利用所得结果对初步设计方案进行校核, 根据施工过程中岩体的进一步揭露所获得的信息进行自适应调整, 不断完善设计过程。四是建立工程施工信息库, 重点回答收集哪些信息才有效, 便于指导下一步施工。在工程进行中获得许多信息, 这些信息对未来的工程很有价值。在有了专家系统后可获取这些数据, 并将它们存储在一个结构化的系统中。这里包括工程类型、工序、持续时间、所需资源、预算费用、工程进行中所出现的问题及其处理措施、经验及其改变情况、施工质量等。分析这些数据, 可以总结过去成功的经验和教训, 预测未来, 保证后来工程的顺利进行。五是研究新的施工技术, 提高施工的白动化水平。对于复杂地质下的微型工程, 大力发展暗挖技术。这种新技术使工人无需进入地下工程, 完全采用制导、遥控方法进行地下工程开挖及辅设管道, 能够连续作业, 也适用于各种复杂的地质条件, 具有快速、准确、经济、安全和防护性好等特点。进行岩石工程系统的智能设计, 引进智能、优化方法进行方案和设备优选, 开发出智能CAD设计系统。这种设计系统可以根据地质情况进行白适应的工程设计。建立施工实时控制模型, 采用模糊控制、自适应控制、智能控制对工程施工过程进行实时控制, 提高生产效率。
2 岩体区域等价本构模型的神经网络识别
就岩体工程中力学问题的总体情况来看, 其非线性问题大多为动态形式, 并且具有一定的不可逆性。甚至部分数学模型建立的难度较大。那么在对神经网络方法进行合理应用后, 通过神经网络来对有限元单元积分点上的材料性质进行准确的表达, 并确保有限元模型满足边界上测量的力与位移条件, 进一步对岩体区域等价本构模型进行准确的识别, 促进地下工程力学综合集成智能分析方法的实际应用价值得以有效的发挥。
3 一种新的不确定性推理方法
就地下工程力学综合集成智能分析方法的实际情况来看, 以智能岩石力学的方式来对地下岩石工程问题进行处理, 主要指运用核实的不确定性推理方式来进行推理和决策, 并且推理和决策的对象是不确定性知识和信息, 此种情况下, 不确定性推理方法的实际应用效果, 可能会在一定程度上对决策结果的可靠性产生影响和制约, 甚至关系着系统的实际决策能力。针对此种情况, 本文提出一种新的不确定性推理方法, 在明确其核心内容的基础上, 准确定位模糊前提, 并以此为主要依据探讨模糊结论, 进一步提高前提、证据、规则以及推理结果的确定性真值。在综合考虑模糊前提以及支持结论的条件下, 通过不确定推理方法的有效应用, 促进地下工程力学综合集成智能分析方法的实际应用价值的有效发挥。
4 结论
就地下工程力学综合集成智能分析方法的总体情况来看, 其在对地下岩石工程进行合理设计后, 立足于更好的层次, 提出施工与维护系统的高效化策略, 在对岩石力学、人工智能以及神经网络等学科进行科学化研究的基础上, 以集成与并行的方式来对工程中的各项问题进行处理, 进一步促使地下工程力学综合集成智能分析方法更具自适应能力以及自学习能力, 从而切实提高其实际应用价值。
就宏观层面来看, 地下岩体区域的等价本构模型具有明显的不确定性, 非线性特点比较强烈, 并且含有一定噪声, 因此以神经网络学习方法来获取地下岩体区域的等价本构模型时, 具有良好的应用效果。
给出了一种新的不确定性推理方法, 它可综合考虑岩石工程信息的模糊性、随机性和不完全性, 兼容了目前专家系统中研究广泛使用的基于可信度的不确定性推理方法的优点。工程中的初步应用表明了地下工程力学的综合集成智能方法先进、基本可行。当然, 它还有待于进一步的验证和发展。
参考文献
[1]王来贵, 李磊, 刘学.岩石长期稳定性与工程寿命预估研究[A].岩石力学与工程的创新和实践:第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].2010.
[2]盛谦.地面岩石工程研究现状与展望[A].2009—2010岩石力学与岩石工程学科发展报告[C].2010.
[3]胡田清, 肖明, 熊清蓉.水电工程地下厂房数据库系统的开发及应用[J].岩石力学与工程学报, 2011 (S1) .
地下工程力学 篇2
一、说明地下水渗透流速与实际流速的意义和关系。在进行地下水的溶质运移计算时，应采用哪种流速？为什么？（10分）
二、假设在潜水的平面稳定流动中，忽略垂向分速度，试推导和讨论隔水底板对潜水面的影响。（15分）
三、如图所示，在扇形区域内有一井，若用映射法求解此问题，问θ为何种角度才可求解，它们对边界的性质（补给边界或隔水边界）有无要求？（15分）
四、在未切割整个潜水含水层的河流岸边取水，除考虑河流的流量、河水位、河床淤积外，在计算其对开采井的开采流量时，对河流补给量计算，还应考虑哪些因素？试加以说明。（20分）
五、某冲积扇地区，在粘性土隔水层分布起始地段，潜水与承压水的水头线几乎一致，当钻孔位置A点开采承压水，形成降落漏斗如图所示，若位置移至B点开采承压水时，部分影响已经超过隔水层，此时降落漏斗形状应如何？试绘图表示。（20分）
地下工程力学 篇3
作者简介:张顶立,北京交通大学教授,土木建筑工程学院院长,973 项目首席科学家,北京交通大学隧道及地下工程学科带头人.
论文题目:城市轨道交通地下结构性能演化机制
作者简介:朱合华,同济大学教授,教育部长江学者特聘教授、973 项目首席科学家,同济大学隧道及地下工程学科带头人.
论文题目:高度铁路隧道空气动力学效应及其控制
作者简介:高波,西南交通大学教授,土木工程学院院长,西南交通大学隧道工程学科带头人.
论文题目:盾构管片隧道结构设计理论与方法
作者简介:何川,西南交通大学教授,教育部长江学者特聘教授、杰出青年基金获得者,西南交通大学科学研究院院长.
论文题目:岩溶隧道灾害形成机理与控制研究
作者简介:李术才,山东大学教授、副校长,教育部长江学者特聘教授、杰出青年基金获得者,973 项目首席科学家.
论文题目:城市地下结构抗震性能研究
作者简介:陶连金,北京工业大学教授,岩土及地下工程学科带头人.
论文题目:隧道支护与围岩动态作用模型及其应用
作者简介:张顶立,北京交通大学教授,土木建筑工程学院院长,973 项目首席科学家,北京交通大学隧道及地下工程学科带头人.
论文题目:隧道施工影响下城市地下结构的变形响应
地下工程力学 篇4
工程力学课程的能力培养要求是使学生通过系列基础课程的学习提高: (1) 建模能力; (2) 分析计算能力; (3) 实验能力; (4) 自学能力。工程力学是一门兼有基础理论和应用技术两重性质的技术基础课, 它要求学生不仅要掌握课程要求的基本理论, 而且要求学生具有将实际问题抽象为力学模型的能力和处理工程中有关力学问题的能力。工程力学涉及大量的工程案例, 在许多工程技术领域中有着广泛的应用。工程力学教学中实施“力学建模”与工程实际案例相结合, 培养学生应用力学的基本理论和方法分析、解决一些工程实际问题, 具有重要的理论和实际意义。
二、工程力学教学中存在的典型问题
1. 教材方面。
国内近几年有关工程力学课程及其教材的建设成果颇为丰硕, 但是教材中基本没有系统介绍建模的内容, 而是直接给出力学模型, 讲解理论概念及模型的计算方法[1]。教材中问题的提出、概念的引入缺乏明确的工程背景介绍。工程力学是一门兼有基础理论和应用技术两重性质的技术基础课, 现有教材建设没有依托具体的学科专业深化展开, 需要适量增补一些富有专业实践性或趣味性的教学素材。同时高校生源质量良莠不齐, 以及出于教学学时数大幅缩减, 工程力学教材降低了其所编内容的难度, 删除了偏难的理论分析和公式推导, 忽视了不同基础学生的多层次需求。工程力学教材的课后习题多数偏重于某个具体理论或公式的分析与运用, 很少引入生产实践中基于力学分析的综合运用实例, 没有发挥出课后习题应有的功效。
2. 教师方面。
一方面传统教学方法侧重于对工程力学课本中概念的讲解, 虽然学生能掌握力学解题思路, 但其弊端是形式呆板、内容枯燥, 难以提高学生的学习兴趣。这就需要教师弱化理论推演, 加强应用环节的讲解。另一个方面长期以来工程力学的教学改革侧重于课程内容和教学方法的研究, 忽视课程与工程实践密切联系的特性, 因而不能很好地调动学生的学习积极性和培养学生的创新能力。同时许多工科教师毕业留校直接从事教学工作[2], 缺乏实际工作经验, 难以掌握。这就要求教师具有深厚的力学知识和宽广的知识结构, 加强实践学习, 将科研项目总结为工程力学问题, 授课时对学生进行结合专业的创新性引导和启发。
3. 学生方面。
工程力学是在大学里最初接触到与工程实际密切相关的主要课程之一, 它具有理论性强、系统性强、逻辑严密、比较抽象、与工程实际具有一定联系等特点。但学生实践经验少, 综合分析工程实际问题的能力差, 这给学生学习这门课程造成了很大困难。我校大规模扩招后, 高校生源的质量良莠不齐。同时基础课程的教学中, 如高等数学和大学物理, 有些教学环节的实施不到位, 教学效果不是很理想, 直接影响学生工程力学的学习效果。而科学技术的高速发展使得力学的研究对象更加复杂, 力学的基础性、交叉性、技术性的学科特点更加明显, 这也增加了学生学习力学的难度。
三、力学建模与工程案例相结合教学的几点建议
建模是指根据具体问题选择合理的计算模型, 建立工程构件力学模型, 并根据力学基本原理建立相应数学模型, 它是将力学理论应用到实践的必要过程。下面从课堂教学、实验教学和考核三个方面论述力学建模与工程案例相结合教学模式。
1. 结合典型力学案例让学生掌握建模。
力学建模是联结力学与工程应用最为重要的纽带, 课堂上老师要向学生介绍力学建模的基本知识。所谓建模指的是用某种形式或模式去近视描述、模拟所考察对象本身及其变化过程的现象和规律。一个理想的模型既能反映考察问题的根本特征, 同时可以量化求解的模型, 应满足:可靠性和适用性。建模时必须对与考察问题有关事物进行详尽和深入的分析, 建模研究包含以下三个方面: (1) 模型的建立; (2) 模型参数的估计; (3) 模型的检验。工程力学理论性很强并紧密联系工程实际, 而学生实践经验少, 直接影响学生综合分析工程实际问题的能力。课堂上工程问题的提出, 首先是介绍它的工程背景, 除了必要的语言描述, 还通过大量图片和影音资料进行介绍, 提高学生的感性认识。教师还要鼓励学生用所学的知识去解决问题, 帮助学生学习对问题的界定, 了解实际工程问题与计算简图之间的差距。教会学生将具体的工程实际问题抽象为力学模型的方法, 要求所建的模型能接受实践的检验并做出相应的修正, 使科学研究的模型计算成果接近于实际。教师应注意搜集和积累一些与工程力学相关的典型案例, 有目的地选择密切联系工程实际和日常生活的例题, 在讲解例题时, 突出对实际问题的简化、建模的过程, 注重培养学生运用所学的基本理论和方法去分析和解决工程实际问题的能力[3]。
2. 借助实验进一步提高学生建模能力。
实验和理论在工程力学中占有同等重要的地位, 但是我校在力学教学中存在着重理论、轻实验的现象。现有的一些实践课程大都是为验证课堂教学所传授的知识而开设的, 只注重教授学生求解具体的力学理论问题, 而忽视通过实验培养学生将工程实际问题提炼成力学模型, 培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力[4]。实验教学中应该精简验证性实验内容, 增加综合性与研究型实验项目。为适应不同层次学生的教学需要, 结合课程性质和课程内容, 从科研项目中提炼出一些具有工程背景的综合性与研究型实验项目, 让学生综合运用基础理论知识, 建立其力学模型, 研究其理论解决方案, 再用实验结果来检验力学模型[5]。这样不仅丰富了实验教学内容, 充分调动了学生学习的积极性和主动性, 提高了教学质量。学生通过“实验到理论再到实验”的过程, 提高自身研究问题和解决问题的能力。同时根据需要可以开展模拟实验, 它作为真实实验在一定条件下的替代具有明显的优势, 模拟实验的表现形式有: (1) 实物演示实验; (2) 数值模拟实验; (3) 人机交互模拟实验。目前一些高校已经开始用MATLAB软件为工程力学进行模拟计算和实验, 可以借鉴这些先进成果进行转化应用。
3. 增加力学建模考核内容。
目前我校仍然采用课后习题作业和闭卷考试作为考核学生的基本手段, 这种方式考查学生记忆能力的较多, 不利于发挥学生运用知识和动手实践的能力。因此, 有必要对现行考试方法和考试内容加以改革。平时的考核可以采用课后习题作业、实验操作和读书报告的形式[6], 课后习题是适量的基本概念的考核和理论计算;实验内容应贴近于工程实际, 让学生综合运用理论知识, 建立其力学模型, 研究其理论解决方案;读书报告要求学生就一个工程实践中的力学问题, 根据力学基本概念和定理对问题进行抽象简化并建立其力学模型, 然后利用所学的理论知识确定计算方法, 最后进行分析计算并给出解答。期末考试内容不仅包括考核学生掌握力学基本概念的能力, 还包括考核学生应用力学理论知识分析和解决问题的能力。例如, 给定一个简单的典型力学问题, 让学生简化力学模型, 给出受力分析, 为各构件选取材料及截面形状和尺寸, 并对该结构存在的问题谈自己的看法。这种考核方式注重培养学生解决力学问题的能力和对所学工程力学知识进行归纳、总结的能力。
参考文献
[1]杨冠声.工程力学建模[J].天津职业院校联合学报, 2007, (11) :12-15.
[2]黎杰松.浅析大学工程师教育存在的问题及对策[J].华北水利水电学院学报 (社科版) , 2012, (4) :155-157.
[3]周丽珍, 张涛.勘查技术与工程专业的“工程力学”课程教学方法探索[J].中国地质教育, 2010, (增) ;
[4]张涛, 周丽珍.加强高校实验室建设培养学生创新思维[J].中国地质教育, 2007, (增) .
[5]王彦生, 侯中华.创建工程力学实验教学示范中心培养创新型人才[J].实验室研究与探索, 2010, (8) :75-77.