专利名称：基于实测结果及线性规划法的地应力场ddm反演方法
技术领域：
本发明涉及的是隧道和地下空间工程领域中的地应力场反演方法，具体是一种采用位移不连续法(DDM)作为计算工具的基于实测结果及线性规划法的地应力场反演方法。
背景技术：
地应力是天然地质体(岩土体)中的未受工程扰动的应力，也称岩体初始应力或原岩应力。地应力的组成主要有五个方面:岩体自重、地质构造运动、地形、剥蚀作用和封闭应力。在隧道、水电站地下硐室和地下空间工程中，工程区域的地应力是设计与施工必须掌握的工程条件。地下工程的岩体开挖是在地应力作用下进行的，开挖卸载将引起岩体变形与应力重分布，严重时会发生失稳、垮塌和破坏。因此，工程区域地应力的获取关系到地下工程安全与稳定。地应力的实测方法主要有水压致裂法、应力解除法、应力恢复法和声发射法等，但这些实测方法获得的地应力是具体某一个点的地应力，而整个工程区域的地应力场需要依靠若干个点的实测地应力值，通过一定的数值方法进行反演获得。既有的地应力场反演方法有数理统计、灰色建模、人工智能等方法，所依靠的数值计算工具一般为有限元和有限差分法。这些方法的不足主要有两点:一是反演方法复杂，计算过程繁琐，在数学上进行了优化反演，但力学概念上并不清晰；二是所采用的计算工具，如有限元和有线差分法，需要建立完整的三维实体模型，而工程区域的地形和地质条件可能十分复杂，建模可能十分困难，且三维实体模型需要划分大量的单元，对计算机的运算速度与能力要求较高。如中国专利公开号为1601304A、申请号为200410043992.2的发明专利申请，该专利公开偶极横波测井地应力多频反演方法，其特征在于:将交叉偶极阵列声波测井数据进行角度旋转后得到两主时间序列，在此基础上提取两主方向的弯曲波频散曲线，利用两个主偏振方向弯曲波频散曲线上的n个频率点的数据根据公式(5)和公式(6)建立n个等式，其中公式(5)和公式(6)均由井孔模式波声弹性方程反演而来，其中n大于或等于6，通过求解这n个等式就可以得到地层的最大主应力SH和最小主应力Sh。但该专利方法也存在着明显的不足:首先，该方法通过声发射法测量岩石传播波速反演地应力，仅能获得测点处的地应力值，无法得到整个工程区域的地应力分布情况；其次，该技术得到的地应力值仅有两个水平最大和最小地应力值，而真实的地应力是三维条件下的，竖向地应力也是工程必需的。而本发明在这两点上具有明显的优势，反演得到的地应力场涵盖整个工程区域，对于区域中任意点的值均可获得，而且得到的地应力场为三维空间分布，涵盖水平和竖向地应力，为工程提供了完整的地应力资料。

发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种采用DDM作为计算工具的基于实测结果与线性规划法的地应力场反演方法，克服上述技术背景所缺乏的如何方便建模、有效计算的地应力场反演问题。本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤:第一步，依据工程现场工程地质勘查报告，并通过实验获得所需参数信息，包括地形地貌、各断层的位置、地应力测点的位置、各测点的地应力实测值、岩石密度P、岩石弹性模量E、岩石泊松比V、各断层的粘聚力c和内摩擦角地应力实测采用孔径变形法，通过三孔交汇获得三向应力状态。在岩体中钻取3个不同方向(相邻孔夹角不小于30° )的交汇孔，对3个孔分别进行孔径变形测量，最后获得岩体三维应力状态。其余参数可直接采用地质勘查报告中的数据，但岩石弹性模量E须进行现场实验测定:在清除爆破松动影响的岩体表面后加工试点，对粘贴承压板(直径为50.5mm的圆形钢板)处的岩石表面进行人工凿平。岩面起伏差控制在5mm内。承压板以外影响带的岩体表面加工至大致平整，并清除松动的岩块和碎石。一般液压千斤顶加载。加载方式为逐级一次循环法，载荷分5级施加，按预期岩体强度进行均分。根据现场试验实测变形资料，绘制压力 变形关系曲线，并分析岩体变形性质、特征，依据弹性理论，按半无限空间弹性体公式求得岩体变形(弹性)模量。
权利要求
1.一种基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于包括如下步骤: 第一步，依据工程现场工程地质勘查报告，并通过实验获得所需参数信息，包括地形地貌、各断层的位置、地应力测点的位置、各测点的地应力实测值、岩石密度P、岩石弹性模量E、岩石泊松比V、各断层的粘聚力c和内摩擦角興 第二步，依据第一步的信息，建立位移不连续法DDM数值模型，所述位移不连续法DDM数值模型:在工程区域的地表曲面划分若干单元，在各断层面划分若干单元，并输入岩石密度、岩石弹性模量、岩石泊松比、各断层的粘聚力和内摩擦角； 第三步，在竖向施加重力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，得到区域应力场，并提取地应力实测点的应力数据处理值； 第四步，施加水平X方向单位荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，得到区域应力场，并提取地应力实测点的应力数据处理值； 第五步，施加水平z方向单位荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，得到区域应力场，并提取地应力实测点的应力数据处理值； 第六步，依据第三步至第五步得到的各测点的应力数据处理值，通过线性规划法求解各工况对应的回归系数，然后依据回归系数对各工况处理得到的应力场进行组合，求和得到反演地应力场。
2.根据权利要求1所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第一步，地应力实测采用孔径变形法，通过三孔交汇获得三向应力状态，在岩体中钻取3个不同方向的交汇孔，相邻孔夹角不小于30°，对3个孔分别进行孔径变形测量，最后获得岩体三维应力状态。
3.根据权利要求1或2所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第一步，除各测点的地应力实测值之外的其余参数直接采用地质勘查报告中的数据，但岩石弹性模量E须进行现场实验测定:在清除爆破松动影响的岩体表面后加工试点，对粘贴承压板处的岩石表面进行人工凿平，岩面起伏差控制在5mm内，承压板以外影响带的岩体表面加工至大致平整，并清除松动的岩块和碎石，液压千斤顶加载，加载方式为逐级一次循环法，载荷分5级施加，按预期岩体强度进行均分；根据现场试验实测变形资料，绘制压力 变形关系曲线，并分析岩体变形性质、特征，依据弹性理论，按半无限空间弹性体公式求得岩体变形模量。
4.根据权利要求1所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第二步，具体的操作为:首先采用几何建模模块画出地表轮廓线，并沿延长线拖拽成曲面，断层面一般为平面，直接画出几何边界即可；然后采用网格划分模块，必须首先对地表面进行网格划分，在曲面中布点并给点编号，每相邻三点组成一个三角形单元，给每个单元编号，每个单元三个点的排序必须为逆时针，地表单元网格划分完成后，依次对各断层进行网格划分，顺序不可改变；然后在参数输入模块输入各参数，同样，必须先输入地表参数，地表处粘聚力和内摩擦角为0，各断层粘聚力和内摩擦角须依次输入，顺序不可改变，最后输入岩石密度、弹性模量和泊松比；此时启动模型信息生成模块，输出用于数据处理的计算文件，该计算文件是一个文本文件，用于后续的数据处理，之后的反演处理过程直接读取该文件内的信息，该文件中数据排列与顺序必须保持不变，计算文件中依次包含了岩石的力学参数、断层的数目及其力学参数、每个网格节点的坐标、每个网格单元的点号以及待处理区域的范围。
5.根据权利要求4所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第三步，具体的操作为:利用第二步生成的计算文件，在DDM数据处理模块中输入荷载，重力荷载的施加须指明方向，在地表处取为O，沿模型竖向逐渐增大；启动DDM数据处理模块，待处理完成后得到结果文件；利用结果查看功能，输入实测点坐标，得到该点处的地应力数据处理值。
6.根据权利要求4所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第四步，具体的操作为:利用第二步生成的计算文件，在DDM数据处理模块中输入X方向单位荷载，此处的荷载为应力荷载，不需指出方向，在地表处可按坐标转换进行应力分量数据处理并自动施加；启动DDM数据处理模块，待处理完成后得到结果文件；利用结果查看功能，输入实测点坐标，得到该点处的地应力数据处理值。
7.根据权利要求4所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第五步，具体的操作为:利用第二步生成的计算文件，在DDM数据处理模块中输入y方向单位荷载，此处的荷载为应力荷载，不需指出方向，在地表处可按坐标转换进行应力分量数据处理并自动施加；启动DDM处理模块，待处理完成后得到结果文件；利用结果查看功能，输入实测点坐标，得到该点处的地应力数据处理值。
8.根据权利要求5-7任一项所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:所述的DDM数据处理模块，采用一种人机交互的数据处理过程与方法，要求提供一个可供读取的输入文本文件，文件中的信息必须按照严格的格式与顺序排列，依次为岩石的力学参数、断层的数目及其力学参数、每个网格节点的坐标、每个网格单元的点号以及待处理区域的范围，将该文本文件提供给DDM数据处理模块，并在该模块中输入荷载，即已满足模块运行条件；模块的数据处理是依据位移不连续法，以断层单元的位移不连续量为待求解的基本未知量，依据输入的断层信息数据，将其处理为矩阵数值信息，通过应力影响系数求得边界应力值，该边界应力值符合给定的荷载边界应力条件，对输入的荷载值进行坐标转换处理，由此进行内核分析处理，得到基本未知量，继而完成输入数据的处理，得到一个结果文件；该结果文件是DDM数据处理模块完成后生成的一个文本文件，由两部分内容组成:待处理 的工程区域的各个点的地应力数据处理值，分为6个应力分量表达；待处理区域的各个点的位移值，包含大小和方向。
9.根据权利要求1所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第六步，具体的操作为:将第三步至第五步得到的三组实测点的地应力数据处理值依次输入到回归数据处理模块，然后输入实测地应力值和测点数目，各组输入数据的格式须统一为:测点编号、X方向正应力、y方向正应力、z方向正应力、xy剪应力、yz剪应力和ZX剪应力，中间用空格间隔； 待求解回归系数的方程:
10.根据权利要求9所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:所述的回归数据处理模块，依据输入的若干组实测地应力值，进行回归处理，得到各工况对应的回归系数，该模块需要输入实测地应力值和测点数目以及各工况的经DDM数据处理模块处理得到的对应于实测点的应力结果，各组输入数据的格式须统一为:测点编号、X方向正应力、y方向正应力、z方向正应力、xy剪应力、yz剪应力和zx剪应力，中间用空格间隔；回归处理过程依据DDM数据处理模块得到的各工况在实测点的应力结果与实测结果的相关关系，给予不同的荷载工况各自不同的权重，使各种工况组合形成的应力值与实测应力值最接近；经过处理得到的结果即为各工况对应的回归系数，可用于后续的反演处理。
11.根据权利要求9或10所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:所述的反演求和模块，依据输入的各工况在整个区域的经DDM数据处理模块得到的地应力结果，与经回归数据处理模块得到的各工况对应的回归系数，进行反演求和处理，将各工况分别得到的地应力场按照回归结果进行叠加，组合得到最终的反演地应力场。
全文摘要
本发明提供一种基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，该方法依据工程现场工程地质勘查报告，并通过实验获得所需参数信息；依据得到的信息建立位移不连续法DDM数值模型；分别在竖向施加重力荷载、施加水平x方向单位荷载、施加水平z方向单位荷载，经过DDM处理，得到区域应力场，并提取地应力实测点的应力数据处理值；依据得到的各测点的应力数据处理值，通过线性规划法处理各工况对应的回归系数，然后依据回归系数对各工况处理得到的应力场进行组合，求和得到反演地应力场。
文档编号G01V9/00GK103091727SQ201310011689
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者王颖轶, 李科, 黄醒春 申请人:上海交通大学