外文翻译-岩土工程

来源：爱go旅游网

理工大学本科毕业设计（论文）摘要

岩土工程未来的设计方法

冯夏庭 JA Hudson

中国科学院武汉岩土力学研究所英国帝国学院岩土顾问

摘要

本文讨论了现在和未来的8个基本方法——岩土工程未来的设计方法。我们知道许多岩石工程项目都受到当前的实际、涉及到规模大、成本增加、增强环保意识以及需要了解和预测的耦合机制的结果，包括压力、水、热和化学反应，同时，岩石力学模型也变得越来越复杂。现在许多组成要素和机理研究可以包含在数字代码中，因此，由于工程变得更加复杂，它可能无法获得所需要的现场资料来支持所有需要的输入数据或进行建模。有必要考虑如何开发一种设计方法——集合目前的方法并包括在几何/机制和模型之间不是以1：1映射为基础的方法，因此，我们的重点就是综合设计方法和智能方法的发展。本文讨论了虚拟实验室和互联网如何支持这些发展的，并给出了中国三峡大坝船闸边坡工程的说明性设计案例，最后本文提出了9个具体的问题。

关键字：岩石力学；岩石工程设计；集成方法；智能方法；以互联网为基础的方法。

河南理工大学本科毕业设计（论文）引言

1、引言

50年代以来，随着人们对岩石力学的认识以及它在岩石工程设计中的应用，已经提出了许多模拟岩石的方法，岩石工程也有了相应的发展，这些模拟方法和设计方法已覆盖了从简单的方法（如过去成功使用的重复程序）到耦合数值模拟（如热力耦合水力机械），特别是随着关于岩质边坡和地下洞室稳定原理的论文出版以及还包括岩石设计方法和相关流程图，岩石力学得到了进一步的发展。

此外，过去50年来，由于科技的发展，从项目大小、成本和环境意义来说，岩石工程项目的规模不断地增加，现在最大的露天矿的尺寸可以用公里衡量，也可以测量许多矿井的深处，在土木工程方面，地下洞室的深度已经超过60米。中国当前的实例就是三峡工程项目，三峡船闸边坡是一个长约1600米，两边高135米的斜坡，而且溪洛渡水电站的主配电房的尺寸是7530300米。

大型的边坡和洞室的稳定性方面可能受到或超出现在的实际。此外，现在复杂的并有相互作用因素的工程都有新的设计要求，例如：核废物处理和地热开发，它们要求岩石应力之间的相互作用、断裂、水流、热和化学反应在长期内需要了解和模拟，这主要是为了设计可能需要的必要预测过程。除了项目规模的增加和复杂性，建模的复杂性也随之增加，然而，一些岩石力学这样的数字描述是薄弱的或不完善的，甚至可能没有一个普遍接受的概念模型。

此外，即使这种结构是可以理解的，实际上，它不可能获得一个给定的岩体的有关参数值，因此，有必要考虑在未来岩石力学建模和岩石工程设计中如何考虑所有这些因素，总之，就是讨论岩石工程未来的设计方法，在将来的短期、中期、长期内，最适宜解决岩石工程设计问题的方法大概是什么?如何预测建模的继续发展？建模会变的更加复杂吗？或者通过神经网路的应用或别的智能方法复杂性会减少吗？互联网的作用是什么呢？

在本文中,我们考虑了岩石工程设计方法的未来和潜在的未来的方法，包括日益增加的设计要求和相关的综合信息，还有工程的实际结构。

河南理工大学本科毕业设计（论文）建模和设计方法

2、建模和设计方法

目标类型 A先前标准方法的使用现场调查类型 B以应力为基础的分析方法类型 C类型 D 一级1：1映射基本数值扩展数值方法，ＦＥＭ，方法，完全ＢＥＭ，ＤＥ耦合建模Ｍ复合法先前类型分析方法岩体分类RMR，Q，GSI分类数据库专家系统 & 别的系统方法以互联网为基础的集成系统方法二级非1:1映射以前分析为基础的设计以后分析为基础的设计构建图1 岩石力学建模流程图和岩石工程设计方法

岩石力学建模流程图如图1所示，以及在[3、4]中列出了岩石工程设计方法。流程图中包括项目目标结构、现场勘察和建造8个建模基本类别，图1的主图中有四列，即A-D,从左到右，四个等级由简单到复杂，A-C类型被广泛用于岩石工程设计，D类型是扩展耦合模型，正在国际上制定，例如：DECOVALEX的研究计划。本文的主题之一就是第四种方法D类集成系统和互联网为基础的方法，现在还没有开发。

图中的两个主要大框行代表了建模时的两种主要方法，在最上面一行是一级1：1映射，在建模时为了表示以1：1为基础的几何模型和运行机制有一个明确的尝试，例如：如果在隧道附近有一个大的断裂，这可以明确的纳入到数值模拟中。然而，在下面一行是2级非1：1映射，这种模拟技术不是设计成

河南理工大学本科毕业设计（论文）建模和设计方法

包括直接的几何模型和机制，例如：在神经网络技术中，除了特定的节点外使用的节点与哪一个位置或物理变量可能没有直接的关系，如有限元法。

关于图1的A类型中，这些先前的方法使用在先前经验是可利用的地方以及常见的结构中，例如：与原来隧道临近的隧道。这种技术归纳考虑了新的工程数量的经验等级以及先前类型分析方法。

关于图1中的类型B在过去的一级分析方法中是十分有用的，这些方法都是以假定一个CHILE岩体为基础的，如连续性、均匀性、各向同性的线弹性岩石，因此在这些条件应用下都是有用的，例如，在深的巷道和矿井中，应力集中和能量释放的主要影响范围。类型B的二级直接法是岩体的分类方法，其中一个关键的参数是用来评价在施工环境下岩体的特征，尤其是在巷道支护时。描述岩体特征方法的关键是许多岩石的性质是相关的，通过一系列关键参数（6个质量指标和RMR指标），岩体特征就可以容易的很快描述出来。此外，由于岩石性质之间存在的关联性，岩体的分类等级可以用来评估各类岩体特性，例如模量和渗透性。然而，这种分类方法的应用依赖于经验关系，即经验值，因此，对于没有这方面经验的新工程来说，不能轻易的应用。

关于图1中的类型C的一级方法，假如解析解释不可利用的或者受到某种因素或过程的影响占主要方面时，基本数值方法就是用于这方面的分析和设计的，例如，在一个机械、液压或热过程明显的地方，其中的例子包括高边坡的设计、大溶洞水电站设计、岩石爆破或隧道设计以及软岩隧道设计。二级的等效方法类似于扩展岩石分类方法，其中包括很多参数值，它们之间有许多相关性，并且从许多工程中积累了经验。数据库和其它系统方法的关系的使用我为一级数值模拟方法提供了有益的补充。

图1中的类型D包含了更多复杂的集合支持工程设计半耦合、完全耦合模式的数值方法，其中，许多因素的耦合影响是非常明显的，放射性废物库设计及其绩效评估就是这样的例子，这种方法可能需要完全耦合的液压热机械模式或完全耦合水力液压热化学模型，图1 中类型D二级方法的内容预测了其中的一个目标：完全集合系统的设计方法，其中包括使用互联网来解决当前和将来更加复杂的岩石工程设计问题。

河南理工大学本科毕业设计（论文）建模和设计方法

我们预计图1中的A-C类型，由于相对简单并且实用，它们会将继续应用，包括二级非1：1映射的方法。后者包括当前类型分析和岩体分类修正（例如；RMR、Q、GSI）以及基本系统方法，例如：专家系统、神经网络模拟和模糊识别方法，这些方法都已经发挥了作用，尤其是岩体分类方法及其成功：在过去二十年里，更多地隧道是在这种方法的基础上设计的。

实际上，目前使用的分析和设计是采取一级和二级方法的集合。中国陈潮铁矿就是这样，它在220米内每隔10米安排了70个并行口，矿口是罗马拱形状，宽度和高度都是3.2米，该开口的轴向位置是根据矿体的方位和使用的采矿方法设置的。岩体分类首先采用RMR分类和专家系统，最佳的开挖顺序和各种地区的矿口需要不同的RMR分类支持的系统使用专家系统来建立。

一般情况下，首先，岩石工程项目的位置和概念设计是由先前使用的类型分析及其修正确定的，其次，岩体分类可以用于描述岩体的质量和为不同的岩石质量区提供设计方案，例如RMR、Q、GSI。基本数值方法和基本智能方法（如专家系统、神经网络和岩石工程系统）可以用来确认和完善这些设计方案。这样的设计就如图1中的一个途径，例如：先前存在的方法→先前的类型分析及其修正→岩体分类→分析方法→基本数值方法→专家系统数据库以及其它系统方法。

通过图1中方法的设计途径的概念，提出了这样的问题：应该选择哪种方法或集成方法解决某个给定的岩石工程问题，这将取决于考虑的问题类型以及各个方法的不同功能。换句话说，图1中的建模和设计途径必须是该项目的目标函数、岩体几何尺寸、力学特性、所涉及的机理以及工程结构特点。

不同的设计方法使用的信息和数据是不同的，并且随着分析和设计的复杂性增加，类型A-D的设计指数也增加。为了进行类型A的研究，不需要很多的资料，可能只要现场观察一下就可以了。为了进行以应力分析为基础的类型B，仅仅需要的是主应力的大小和方向、工程几何大小以及基本力学参数，当可以获得更多的数据时，例如：岩石抗压强度，断裂性能，其中包括：渗透性、破环强度、RQD指标、类型、粗糙度、密封性、持久性、充填、岩体结构、地下水条件。这时岩体分类就可以应用这些资料了。

河南理工大学本科毕业设计（论文）建模和设计方法

为了进行类型D的设计，需要更多的资料。例如，需要进一步了解岩体的整体几何尺寸、应力场边界条件、岩体的抗拉和抗剪强度、断裂以及它的变形和强度参数、开挖程序、工程规模等。

类型D设计甚至需要的资料，例如，要完成一个完全耦合热水力机械化学模型实验，需要所有与相互机理相关的参数数据。

另一点是，在图1所示的流程图下进行分析和设计，岩石工程项目设计包括项目概况、对象分析、分析和设计方法的选择、现场勘察、项目设计。接下来是构建模型，由于在构建模型时获取了工程作用和岩石特性资料，会产生一个反馈回路，它能判断设计方案是否适合，也用于核对分析和设计方法。此外，现场监测数据可用于反馈分析进一步设计和分析方面的参数值。

图1中的8个方法都有各自的优缺点，因此，岩石工程未来的设计方法就是考虑一个综合的设计方法，其中图1已经建立了一个对于给定的工程项目的适当设计途径。

河南理工大学本科毕业设计（论文）集成设计方法

3、集成设计方法

在第二部分已经概括了岩石力学建模和岩石工程设计的不同方法，了解了这些方法的特点，我们认为建模和设计的最佳方法是综合这些方法，它所需要的环境由工程对象决定，这两个直接推论是：

对于不同工程项目的集成设计方法将包括使用的方法的不同的应用顺序，例如，图1中8个方法的不同途径（或许更多的复杂的综合方法）。

基于图1中类型D二级方法在国际上已有了很大的发展，由此类型D二级方法需要进一步的发展。

因此，我们根据上面的完整设计方法和推断提出以下了5个方面，分别是模拟岩石和岩体工程、建模方法的集成、自适应建模方案和模式识别、闭环的设计过程以及需要的发展。

（1）模拟岩体工程岩体被视为受各种地质构造和工程因素影响的复杂综合体。因此，这种系统模拟输入的是与设计相关的客观标准、参数的几何特征和力学性能以及施工引起的岩石工程扰动、进一步现场调查、施工监测被反馈到更新的模型中（参见图1）。因此，通过反馈循环，系统模型应该随着地质变化、工程和环境因素的变化来自我适应调节。

（2）建模方法的集成图1中的集成方法可以简单的使用，并且经过比较类型A-D的方法，集成方法可能更多的涉及到。例如，一个模型或方法为提供更强的能力可能会嵌入另一个模型或方法中。神经网络模型（在图1类型C和类型D的二级中所谓的智能系统建模方法的一部分）可以在有限元软件中建立神经有限元模型，它是通过在有限元神经网络中取代本构法矩阵来完成的。这种增强模型对于自我学习和非线性处理过程的能力有了提高，或者，代替包含在有限元程序中的神经网络。数值分析过程可能列为智能系统模型中的一部分，这种组合可以用来执行重复数值分析，为进一步数值分析提供数据。不能用单独一种方法解决的问题，或者，确实通过图1中所有的方法不能单独解决的问题，可能趋于使用集成方法或网络方法解决。理想的是，系统模型应通过自适应选择与自我学习的原则选择恰当的方法。考虑集成的顺序是必要的。例如:对

河南理工大学本科毕业设计（论文）集成设计方法

可能失效模式的识别、潜在的开挖顺序和支持计划的确定、施工方法和监测方法的建立。集成的模型也支持思维模式的集成：概念性、直观性、视觉性、经验性、逻辑性和创造性。

(3)自适应建模方案和相关的模式识别。上面描述的集成建模是一个由认识的过程→核对和修正→重新认识以获取岩石性质。自适应是指解决问题过程中能够自我适应地质条件的变化、思维模式、理学参数和模型以及分析方法。因此，为了能够使图1所示的建模、设计、构建、进一步现场调查在建模反馈回路循环，自适应能力是一个关键的要求。此外，这种系统建模和问题解决过程是一种模式。因此，这种建模方法应该安排去这种模式的识别程度，尤其是系统输入输出和变化或新的因素的影响的识别之间的关系。

（4）闭环设计过程。在设计过程应遵循上述的反馈回路。初步设计、可能失效模式的识别、使用各种分析方法的标定和现场监测数据都是有几步反馈循环来完成的。这种建模实例会储存在案例数据库中并且可以在将来的建模学习中使用。顺便讲一下，一个新的建模和设计项目是通过利用经验、所有以前工程有一定基础的相关数据和结果开始第一个循环的。

（5）需要的发展。为了发展类型D二级方法的集合建模和设计方法，在系统模拟技术以及其在岩土工程中的应用方面需要更多的研究工作，包括专家系统模型、神经网络模型、非线性方法、岩体本构模型的识别方法、有限数据的外推法以及岩石力学和岩石工程问题的量化定性方法。也需要在方法不确定性和空间差异性方面做研究工作。这种技术的基本目的在于构建适当的算法和开发相关的集合智能的软件和工具，例如：在第二部分描述的神经网络材料模型有限元软件、智能位移反分析工具、集成数值分析工具等。工程应用方面的研究工作就是关于通过实际的岩石工程问题来验证系统模型应用。

河南理工大学本科毕业设计（论文）利用计算机网络的建模方法

4、利用计算机网络的建模方法

4.1以互联网/内网/局域网为基础的并行计算

对于三维大型岩石工程项目的有限元分析（例如：中国三峡大坝船闸为双通道，耐久等级为5级），它可能需要100万个单元来考虑地质结构、地下水、工程结构以及开挖过程。在计算机上编程，可能会导入错误，因此，简易的数值分析（例：减少部分数量或减少计算规模）是必要的。然而，通过一组有内网、局域网、或互联网连接的计算机可以利用并行计算来减少大单元的相关错误。岩土力学可视化并行计算环境可以使用windows操作系统来开发。这组计算机的组成部分就可以视为单一的虚拟机（如图2）。

图2计算机网络形成的一个岩石和土力学虚拟机器并行计算环境

并行计算有两种方法。一种是把一个复杂的岩石力学分析和相关的岩石工程设计任务分成一系列子任务，因此每个子任务就可以通过单独的一台计算机同时解决。另一种是大量地使用数值分析，首先是把问题分解成域，即一个大的计算域分成多个子域（在每个子域中，类似于有限元网格节点数）。然后，每个子域有一个的计算机解决。子任务方法可以大大的减少计算时间。分域方法能使建模方案大大增强。因此，使用的单元大小应和岩体地质成分是相符的。

河南理工大学本科毕业设计（论文）利用计算机网络的建模方法

4.2 互联网-神经网络类比

就像[4]中描述的，工神经网络在许多岩石力学建模项目中已经成功使用。这种原理是以大脑运行为模型的，该原理是由一系列相关联的节点并且改变节点上的权函数使一系列已知的输入输出数据相符的模型。当一个人抓住一个球时，他们没有解决一系列数学方程式，而是使用神经网络抓住这个球。并且花了终生时间去学习如何移动它，如何抓住它。该神经网络是图1中的非1：1二级映射方法，因为只有输入和输出有直接的物理意义：内部节点上的数值与特定的几何或力学参数没有直接的关联。在某种意义上，互联网可以视为某类神经网络，并且，在这个网络中内部相互连接的任何节点会产生一个相应的输出。

一个大的网络可以包含多个子网络，每个子网络都被用于相互模拟一个子问题。子网络结合并建立一个耦合模型，例如：热水力化学完全耦合模型。在图3中，我们用图表说明了一个合作解决问题的系统如何包含一个局域网（内网或互联网）作为数据储存在分布的数据的神经网络的能力。由于分布式学习机的开发，使该模型可以通过互联网学习。这种方法已被开发，它也是一种适合的模型并且在计算机平台上需要开发。

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控虚拟岩石力学设施远程控制的实验室相机视频音频文本图像共享电脑显示器黑屏实时电子笔记本网站收索引擎电子邮件实时视频会议共享虚拟空间电话会议（动态讨论）岩石力学和工程设计问题的合作研究环境跨学科合作：岩石力学，岩石工程，地质学，地球物理学，热力学，弹性、塑性力学，化学，水力学，人工智能等解决岩石工程设计问题的合作研究RSM VPCE环境网络学习机互联网上的分布式数据库在互联网/内网/局域网上分享和再利用通过神经网络从1:1数值建模到非1：1建模非1：1映射结构的神经网络使用互联网/内网/局域网岩体工程系统的认知——提高系统评价设计的能力个人计算机的使用使用同样或少量信息来指导神经网络建模，并且强调工程预知图3 以互联网为基础的岩石力学建模和岩石工程设计的方法

4.3 为什么需要在互联网上合作研究

随着岩石工程项目和相关资料以及使用的知识复杂性增加，模型变得更大，而且更跨学科。岩石力学建模者和岩土工程师单独完成一个复杂的岩石工程项目的整个设计是不容易的，甚至是不可能的，例如：放射性废物处理库设计。

河南理工大学本科毕业设计（论文）利用计算机网络的建模方法

事实上，由于地理和行政因素，研究小组越来越分散，因此，就不能独自解决这样的问题，这就需要跨学科的交流和国际合作。热水力机械耦合模型合作研究就是一个例子，过去十年，它由DECOVALEX工程发展引导（耦合模型的发展极其对试验验证），目前涉及二十个研究小组分布在各学科和不同地方。这种合作研究主要依赖于面对面的交流和小组会议，并且将这种方法集合到整个系统模型中是不容易的。然而，增加虚拟设施的使用，加上高速信息传输和接入的互联网是很自然的发展。此外，互联网的使用可以进一步发展成已经描述的神经网络概念。

通过在互联网上的合作，各国研究小组在原则上通过与同事交流、接入仪器、共享数据和计算资源。并从数字图书馆获取信息和数据库，来来完成研究，而不用考虑地域位置。通过这种合作，岩石力学研究员可以为岩土工程师提供一个新的岩石力学建模方法，反过来，岩石工程师也会利用这种工具，它不仅能访问集成方法，而且也是一个把他们的实践经验储存在世界范围内都可以利用的知识宝库。此外，不同学科的工作人员的合作，也会加速发展和传播专业基本知识，并且还可以减小发现到应用的时间间隔。实际上，这已经通过互联网平台实现，例如：Elsevier’s sciencedirect .com平台，从这个网站可以快速的收索和下载相关的期刊论文。

一个新的明显加强科学家之间合作的模式将出现，它将加速发展和传播基本知识、优化研究工具的使用、减少发现到应用之间的时间。对于所有研究人员来说，所有研究人员的资源转化为可用的资源，它会把一个兼职的合作人转变成一个全职的合作人，也可以提供网上教学和培训。导师可以利用准备的材料和现场示范教导学生数据采集或分析技术或讲授岩石力学与建模的原理。

河南理工大学本科毕业设计（论文）虚拟岩石力学设施

5、虚拟岩石力学设施

我们在互联网上需要一个合作实验室、分布式模型和分析方法的站点以及岩石工程数据库。合作实验室是一个开放的实验室，跨越地理区域，合作者可以通过电子工具在那相互交流工作。该实验室可以集合各个领域的科学家的共同兴趣。这样的实验室的创新能力远远超过了一个现有的物理实验室。分布式集成专家系统、不断变化的算法、以实例为基础的推断、模糊系统、数值方法、非线性力学模型以及面向对象技术都可以在互联网上指导，也可能在神经网络中配置。计算规模和精确度也将有很大提高。合作者可以在不同的学科领域研究工作，例如：弹性力学、塑性力学、损伤力学、人工智能、数学、非线性科学、系统科学、地质学、地球物理学、化学、力学、热学力学、岩石工程等。这些实例的合作也可能有助于缓和研究员由于不同的目的造成的差距：岩石力学研究员可以对一个新的力学现象产生兴趣，而工程合作者可以使图降低工程成本。目前，他们可能没有什么关系，但在虚拟实验室，这会很容易的。

对于提供一个到科学仪器和试验的安全远程访问端，开发一个虚拟岩石力学设施也会是一个重点，它的重点是大型仪器设备的共享，例如：具有高温高压功能的三轴测试系统、真三轴测试系统、离心机等，这样可以扩展到更小的设备共享。然而，对于本地的用户，数据采集、分析、计算和可视化软件的编写需要一些共享的修改。因此，该仪器可以在网上发布，并且数据可以直接保存到电子实验室笔记本上。

利用VRMF，合作者可以直接并安全的控制仪器、监测仪器、分析结果、以网站为基础的互动切入口、实验参数、提出的测试方法以及研究项目的其它方面。这项提议要求产生和实施一个VRMF计算管理系统结构，以便促进小组知道这种系统如何适应他们的设备，并使VRMF顺利运行。

河南理工大学本科毕业设计（论文）类型D二级方法的发展：智能建模

6、类型D二级方法的发展：智能建模

解决岩石工程设计的标准方法是先前先前标准方法的使用→以应力为基础的分析方法→基本的数值分析，它由岩体分类数据库\\专家系统信息支持。

所谓的‘智能建模’方法是为了更多使用图1中的二级方法，即：增加先前类型方法及其修正→岩体分类→专家系统和神经网络建模的基本方法→集成系统方法和以互联网为基础的方法。二级方法越来越受到重视不，不仅更多的专家系统和神经网络的使用，而且实现了更丰富的研究内容和方法多样性的纳入，使用它，然后解释其结果，换言之，目前这种方案并不包括认识能力。然而，没有理由为什么二级方法不应该包括方案的认识能力。但工程师进入某个隧道时，看到危险的洞顶，洞顶的危险可能立即出现，但是这种危险如何推断，假如可以推断出来从它们的岩石块形状、结构和它们之间的裂隙。同样，从数值有限元和离散元编码的输入可以自动扫描‘危险’，并通过各种作用定义，例如：在UDEC或3DEC输出中的岩体之间裂隙的分布。

在互联网上，岩石力学与岩石工程的广泛研究不仅会加快科研成果的转化和提高研究人员的效率，而且将促进新理论和方法的介绍。因此，开发虚拟环境（开放的、跨平台系统）以及建立虚拟岩石力学和虚拟空间是通过互联网进行协调和广泛的合作研究所需的基本步骤。

河南理工大学本科毕业设计（论文）岩质边坡的集成设计方法

7、岩质边坡的集成设计方法

我们描述了集成建模和利用图1中设计方法的优点，还有增强类型D二级非1：1映射方法的特点。现在，这些想法的实施将通过岩质边坡设计表现出来。岩质边坡设计的标准方法是利用运动和极限平衡可行性研究以及被监测数据支持的基本数值分析。有时，需要进一步扩展数值分析，例如：液压机械耦合模型或液压化学机械耦合模型。有一种互补方法是采用基本系统方法，该方法是利用智能化以及非线性动态处理等，更加进一步集成系统和方法。根据边坡问题的复杂性，得益于各个优势标准方法和互补方法可以结合起来。

在互补方法解决边坡设计问题中，提出了一个不断发展的方法，通过主要任务的闭环设计，它完成了最佳的设计方案，例如：潜在的失效模式识别、安全系数的估算、边坡角的测定以及边坡设计的性能。由于计算机辅助设计工具和案例研究，集成系统已经发展。在中国三峡工程船闸边坡开挖和运行期间，建议使用了两种集成方法估算了船闸边坡的性能参数。

图4表明了图1中适合岩质边坡设计的8种方法，并添加的文本显示了通过不同方法所要求的输入信息。注意输入资料清单仅仅意在表明并不一定都包含在内，使用图4中的方法，由于潜在的失效模式可能为特定的方向角的边坡和坡角的认可，坡角的确定可以首先考虑预期的安全因素。因此，对于指定的边坡，需要估算它的安全系数和性能要求。如果边坡的性能不如预期的那样，应有反馈检查边坡角和潜在的失效模式识别的决定。可以为这样的检查过程和反馈过程提出来一个机理。

河南理工大学本科毕业设计（论文）岩质边坡的集成设计方法

目标：利用经济有效性和安全性设计一个合适的边坡角可能的力学问题：在不同模式、软岩、地下水、化学腐蚀以及时效作用下的滑动主应力大小和方向，坡角和坡高，单位重量，基层组织的凝聚力和摩擦角、岩体节理，岩体强度以及地下水极其属性地质，主应力大小和方向，完整岩体的几何尺寸极其力学性能，断裂，开挖过程，坡角和坡高，水压和流动力，工程规模，时效性，化学腐蚀性，流体力学性支持复合算法的额外属性，例如断裂位置处的应力集中，在断裂处影响正应力的水压力使用先前存在的标准方法现场调查极限平衡分析，Sarma,Bishop等基本数值方法，FEM,BEM,DEM,复合法同样，类型 A类型 B类型 C信息的重要性或所有THMC耦合的强度例如：HM,THM,HMC,THMC复合建模一级1：1映射类型 D先例类型分析及修正岩石分类，例如SRMR基本系统，方法，数据库，专家系统，RES完全集成系统，互联网为基础的方法二级非1：1映射岩石的抗压强度，断裂性能例如：气密性，持久性，浸透性，穿透性，粗糙度，类别，填充性，平整度，RQD,岩体结构，地下水以及坡角和颇高数据库信息，事例，岩体的抗压、抗拉及抗剪强度极其性能参数，岩体结构极其完整性，开挖过程和几何尺寸，地应力，地下水压力或其变化，时效性等以前分析为基础的设计以后分析为基础的设计构建

图4分析方法的演变和使用的相关输入信息——由于岩质边坡建模和设计的复杂性。

需要注意的是,这个输入资料清单仅仅是为了表征并不一定都包括。

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问题空间P（t)解决P（t+1)建模和估计解空间S（t)修正建模和估计解决S（t+1)`

时间步t

图5 时间步t到t+1的建模问题过程和解决方案

见图5，假设在时间t内有一个问题空间P(t)和解空间S（ｔ）。下一个时间段就会有一个问题空间P(t+1)和解空间S（ｔ＋１）。该模型的演变是在问题空间和解空间中两个变化的系统。每个空间的演变有最新的资料为指导。研究这种这种变化的基础是遗传算法和遗传规划。这种从一个时间段到下一个时间段的变化是使用互动人口的方法来完成的。在这个方法中，两个空间被认为是一系列基因型和表现型。一个是用来模拟预期的活动，另一个是用来模拟解决方法。因此，它要求一个变化的人口（潜在的解决方法）和变化的解决方法，即：一个活动在现阶段内变化结构将在下一步变化，如果可以增加新的信息，边坡设计如同上面描述的一样，继续变化从现阶段到下一个阶段。

一个合理的边坡设计可能需要通过完成一个或多个循环，就像图6表明的那样。

河南理工大学本科毕业设计（论文）岩质边坡的集成设计方法

以神经网络为基础的后分析有限元方法参数估计以岩体分类为基础的经验估计以数值方程为基础的估计模型识别边坡设计极其性能估计岩体分类坡角的确定可能破坏模式的识别本构模型识别极其使用基本算法的参数确定数值模型的系数识别RMR,Q,SRMR,GSI通过改进算法为基础的神经网络建模通过BP算法为基础的神经网络建模专家系统使用基本算法的数值模型识别通过改进算法为基础的神经网络建模安全因素的估计通过BP算法为基础的神经网络建模以网格划分为基础的神经网络建模模糊神经网络建模有限方程：Sarma,Bishop边坡的性能估计和稳定分析数值方法：有限元和离散元方法稳定性分析神经网络为基础的时序分析

图6 边坡设计方法的智能建模极其性能估计

7.1 使用神经网络模型测定坡角

考虑到多种因素的相互存在，坡角的预定可以通过使用神经网络建模技术来完成。在建模中，影响边坡稳定的因素，无论是定性的还是定量的，都可以在早期阶段输入到模型中。因为数学/机械建模是不同的，在神经网络建模时，为了形成模型，首先应从实际的数据中有一个学习的过程。当然，神经网络模型学习的完成依赖于它的学习过程和实例数据的代表性。为了预测模型的完成，有两类新的学习算法是适用的。一类是改进的BP算法，另一类是不断发展的的学习算法。前者适用于模型结构已知时，而后者适用于模型结构未知时。

通常，BP算法用于建立一个多层前反馈神经网络。有两个关键的参数（最大允许相互学习和最小允许误差）来决定学习过程的结束。这两个参数通常由用户经验决定。错误的参数将导致‘过度训练’或‘缺乏训练’。前者表明了在

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预测新的实例作为学习过程模型的性能变得更差。

制止模型学习过程的合理参数和数值是什么呢？模型学习过程何时完成？鉴于这些问题，因此，提出了一类改进的BP算法。利用这个算法，这种模型将完成它的学习过程，并且它为手头上所有新的实例提供了最好的预测。

利用神经网络模型，可以估计在给定的地质条件下的坡角。如何选择坡角见表1，它包含了使用神经网络模型学习得出的26个现有的斜坡角度的对比。这种结果同边坡在实际中使用的是一致的。该结果通过输入岩石单轴抗压强度、断裂倾角、断裂面和斜坡面的关系、地下水条件、岩体结构、可能破坏的模式、岩石凝聚力、岩石内磨擦角、边坡高度以及预期安全系数获得的。

7.2使用专家系统识别破坏模式

（1）顺层滑动（2）膨胀破坏（3）倾倒破坏（4）楔形体滑动（5）水平错位（6）崩塌

（7）单一平面的滑动

（8）在下降边单一平面滑动产生一对裂纹（9）多层岩块下的单一平面滑动

(10)在边坡底部剪切作用下的单一平面的滑动（11）阶梯式多层平面滑动

（12）两个平面上有相同倾角的滑动（13）两个平面上有不同倾角的滑动（14）圆弧滑动

（15）有边坡底角的高压力和水压力引起的过剩变形

这些潜在的破坏模式通过调节地质结构、岩体强度、边坡底角处高压力或

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水压力来控制。由于边坡的破坏可以在结构上或非结构上来控制，因此潜在的破坏模型监测可以从地质结构的监测开始。专家系统是专门识别岩体和层状岩体的。

该专家系统的输入参数包括边坡和岩层的关系、岩层倾角、边坡涉及强度、岩层内摩擦角、横向切割面、地应力、边坡设计高度、岩石单轴抗压强度、延性比、断裂类型、边坡底部滑动面露头、坡顶滑动面露头、断裂群、以及裂纹排列数。极限平衡和数值方法也可用于校正分析。对于一些高边坡，由于整个边坡和各自基准坡的角度和高度不同，各自潜在的破坏模式分别被认出。

7.3利用集成智能方法估算边坡的稳定性和安全系数

根据边坡的潜在破坏模式，可以估算它们的安全系数，并且对于给定的破坏模式，可以用不同的智能方法估算它们的安全系数。对这个课题的神经网络可以用不同的学习算法建立，例如：不断变化的算法和该进的BP算法。此外，还有其它的神经网络方法，即：以神经网络建模和模糊网络建模为基础的方法。

岩质边坡分析和设计的固有特征是缺乏整个系统的知识。然而，模糊网络是强大的，足以能够应付知识和数据的不确定性。模糊网络由输入层、隶属函数的计算层、模糊规划层以及后模糊层组成。数值数据利用函数关系可以转化成模糊的语言变量。因此，模糊网络可以有定性和定量的输入，详情见图[15]。在经验系统公式中确定的研究系数是一个有多个参数的组合优化问题。使用标准公式估计循环破坏模式和潜在楔形失稳边坡的安全系数。通过表2、表3中的数值可以获得不同的神经网络模型。它们相互一致，遗传算法的附加的应用是识别输入参数和数值分析模型，具体情况见图[15]。

7.4了解边坡设计中的集成智能系统

集成智能系统是在个人计算机上使用VC++设计边坡。它包含多个任务和分析方法的集成（图6）。前者包括岩体力学参数的识别、模型的识别、岩体分类、边坡角度的确定、潜在破环模式的识别、估算安全系数、边坡性能分析。参数

河南理工大学本科毕业设计（论文）岩质边坡的集成设计方法

识别细分为使用位移分析法的杨氏模量识别，岩体分类和统计模型以及用于岩体分类的岩体强度和统计模型。后者包括用于解决单个或多个任务的集成潜在方法。

有四种方法可以用于分析边坡的稳定性：极限平衡、数值方法、可靠性分析和神经网络为基础的时序分析。有六种方法用于估算系统中的安全系数：一模型为基础的统计、使用变化学习算法的神经网络建模、使用改进的BP算法神经网络建模、以神经网络建模为基础的集合、极限平衡以及遗传算法。已经设计了一种机理，它是协调从多个方法中产生的方案。数据分析和处理过程中的实例可以保存到一个数据库和案例库中。为了用户方便的选择方法，已经开发了一个友好的用户界面，该界面提供了输入数据的接口和检查错误的功能，它能够核对用户的输入错误。对于检查错误，一些基本的数据已经存储在数据库中，它还提供了输入结果可视化的功能。