（地质工程专业论文）基于神经网络与有限元法相结合的初始地应力场反分析.pdf

摘要 初始地应力场是地质环境和地壳稳定性评价的重要基础资料，它不仅是决定岩体稳 定性和区域稳定性的重要因素之一，而且往往会对各类建筑物的设计和施工造成直接的 影响，长期以来，工程区的初始地应力场分布特征一直是工程界和学术界研究的重要内 容之一。 。 现场地应力测试是提供地应力场最直接的途径，但往往存在地应力测点相对较少、 量测成果常会有一定程度的离散性等问题，因此，以有限的现场实测地应力数据为基础， 利用数理统计方法结合有限元计算进行反演分析就成为研究区域初始地应力场的另一 种有效途径。而人工神经网络以其强大的非线性拟和能力，适宜于求解岩体的应力、变 形与工程地质条件之间复杂的映射关系。 一 本文首先从初始地应力场的形成入手，分析地形特征、地质构造特征等因素对初始 地应力场分布的影响；然后简要分析初始地应力量测中各种干扰因素对量测结果的影 响，在此基础上分析了提高地应力量测结果精度的途径；最后，结合广东第五抽水蓄能 电站工程实例，采用神经网络与有限元分析相结合的方法，利用b p 神经网络结构和 a d 烈a 有限元程序建立岩体参数、边界条件与地应力场的映射关系，探讨了利用这一 方法反演初始地应力场的可行性及先进性。 此外，在计算过程中，本文采用正交试验方法构造学习样本，在保证了网络预测准 确性的前提下减少了试验次数；同时将灰色系统理论中的后验差检验方法应用于神经网 络的训练效果检查，达到了量化检验神经网络预测能力的目的。通过模拟计算与实测结 果的对比，结果表明本文所采用的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，在类似工程建设中具有一定的实用价值。 关键词：初始地应力场人工神经网络地应力量测反演分析正交试验法 后验差检验 a b s t l ? a c t i n i 6 a lg e 0 一s 缸镯s 触di so n eo ft l l eb 硒i ci 咖a t i o ni ng e o l o 西c 黜r v i r 0 姗e n t 锄dc n l s t s t a b i l i 够池a t i o 玛i ti sn o tj u s tav e 巧i n l p o r t a i l tf a c t o ri i lr 0c _ km a s ss t a b i l i 哆a i l dr e 西o n a l 髓a b i l i t yb mi n n l 确尬i n g 吐l ee n g ：i i l e e r i n gd 鹤i g n 觚dc o n 鼬r i l 砸o n s o ，f o ral o l 冯t i i n e ，m e c h a r a c t e ro fi n i t i a lg e 0 一s 嘛sj e i e l da r o u n dt h c 翩酉n e e r i n ga r e as b 0 u 峪a 旬c a lp o i n ti n 髓l 出嘶n g 锄d a c a d e l i l i cc i 幽r e s e a r c h g e o - s 在伪sm e a s u r e m 钮ti st 重l em o s ts 乜面g h t f 0 刑雒dw a yt 0p v i d ct 1 1 ei l l i t i a l 鲫- s 懈s 矗c l d b u ta l w a y 8 ，q u e s t i o n ss u c h 缎t h e1 i n l i t c dm 翩s u 曲鸩砌s ，d i s 嘣朗伪si nm 韶s u 豫m c n t d a 慨a r ee x i s 媳s o ，b a s i n g 强a c t i l a l 删g e 0 一s 瞻sd a t a ，i ti s 趾删v e w a yt 0 蜘e t h ei i l i 垃a lg e 0 一s t r e s sj f i e l db y 抵i o n 纽a l y s i s n 嵋a 1 蝌h 舔s t r c n gc a p a b i l i t yi l ln o n l i i l 对 6 砸n & s 0i ti sv e 巧位如rs o l v i n gm ec o m p l e xm a p p i n gr e l a t i o nb 曲叭：e l ls 缸铭sa 五dg e o l o g y e 咖髓d l 玛c 0 n d i t i o 璐 p 曲a r i l 弘c a u s e so f 旬m l 越o no fi n i t i a lg e 0 s 缸镪s 矗e l dw e r ed i s c u s s e d ，i l l c l u d i n gt 锄m 佬a n h 璐锄dg e o l o 孚c a ls t r t l c t u r ec h 撒删s t i c s n e x t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dm e 泌随时e r e n c e i n g e o s 眦s sn l e a 蝴e n tb r i 胡ya n dd i s c l l s s e dt h ew a yt or a j s em e p r e c i s i o ni n m e a s u r 吼e n t f i n a l l y ，a c c o r d i l l gt 0ae n g i n e e r i i l ge x a m p l e ( t h en o 5p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o no fg 啪酣o n gp r 0 v i n c e ) b a s i l l go nt h ec o m b i n a t i o no fa n na n df e m ，也ea u t h o r e s t a b l i s h e dm a p p i n gr e l a t i o n 卸1 0 n gt l l er o c km a s sp a r a m e t e 赐b o u n i i a 叮c o n d i t i o na i l d g c 0 s 缸。e 嗡i i lt 量l ee n d ，n l ef e a s i b i l i 够a n da d v a n t a g eo fi n v c r s i o na i l a l y s i sm e t h o dw e r e 4 5 。，则表明岩体自重应力因素在地应力 场中起主要作用，若屈 4 5 9 ，则是受地质构造因素控制。 2 2 2 初始地应力场的特征 2 2 2 1 地应力场具有时空变化特征 岩体中地应力除地壳深层外，绝大多数是以水平应力为主的三向不等压的三维应力 场，三个主应力的量值和方向随着时间和空间位置的变化而变化f 3 6 】。 中国大陆构造活动强度的分区性和地壳构造运动的阶段性，表明地应力活动无论在 时间还是空间上都是变化的。无论是地壳运动过程，还是某一构造形式的形成和发展， 都充分体现出在地史发展过程中，地应力强度具有随时间变化的特点。我国境内现今构 造应力活动强度随时间的变化依然明显，这首先表现在整个大陆或某地震带地震活动 强度的变化上，另外，原地应力量测结果也反映了地壳应力活动随时间的变化。例如， 在我国华北地区进行的部分地应力绝对值重复量测的结果表明，河北省隆尧县茅山测点 的绝对应力值，1 9 9 6 年为7 7 1 0 5 帕，1 9 7 6 年降为3 2 x1 0 5 帕；而北京西郊温泉测点的 绝对应力值，1 9 7 4 年为3 6 1 0 5 帕，】9 7 6 年却增加到了5 4 1 0 5 帕。 仪器观测资料表明，地壳应力活动方式随时间变化的特点在几十年的小阶段中也表 现得很明显。例如，断层微量位移量测结果表明，我国京津地区的主要断裂活动随时间 变化有挤压、引张和左、右旋扭交替的现象。另外，大量的原地应力量测和震源机制结 果也表明中国大陆东部的主压应力方向自上世纪7 0 年代以来出现了不稳定的情况【3 7 1 。 2 2 2 2 水平向为主的地应力状态 长期实践工作证明，在地质发展历史过程中，无论是构造运动还是推动构造运动的 作用力，都不是单一的，往往是水平向和垂直向伴随出现。大量宏、微观资料表明，中 国各活动区内的地壳应力活动均以水平应力占主导。 1 4 第二章初始地应力场与工程稳定性 根据我国近年来查明的一系列大地震所造成的地震断层，地震过程中地面产生的水 平扭动十分清楚。近1 0 多年来，在我国大陆进行的一系列原地应力量测表明，在我国 地壳内存在着极大的水平应力，尤其是控制西南、西北和华北地区大地震发生与分布的 活动构造区的应力活动，都是水平分量占优势。国外大量原地应力量测资料也证明，地 壳上部应力状态最重要特点是普遍存在很大的水平应力，最大水平向应力与铅垂向应力 比值( 侧压系数) 一般为o 5 5 5 ，大部分在o 8 1 2 之间，最大值甚至达到3 0 。 2 2 2 3 实测垂直应力约等于上覆岩层的重量 根据对全球实测垂直应力瓯，的统计资料的分析表明，在深度为2 5 0 0 m 2 7 0 0 m 的范 围内，垂直应力仃，呈线形增长，且仃，值大致相当予按加( 7 为上覆岩体平均重度，| j l 为 上覆岩体平均厚度) 计算出来的自重值。在全球多数地区并不存在真正的垂直应力，即 没有一个主应力的方向完全与地表垂直，但在绝大多数测点都发现确有一个主应力接近 于垂直应力，其与垂直方向的偏差不大于2 0 。 布朗( b r 0 、) l m ) 在总结世界上大量的地应力现场实验资料表明，在深度为2 5 2 7 0 0 米 范围内，地应力的铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量，除少数实验点偏离较远之外( 分 散度小于5 ) ，其随深度的变化按照岩石重度成线性增加【3 8 1 ，如图2 1 所示。 o ，铅垂应力( m p a ) 0l o2 03 04 05 06 07 0 名 、- ， 赵 爨 k 懈 舞 o 3 0 0 0 吣汝睁。 u 斌 。 擞 品 一 。渡 o o o o 人 o o 口 八 v 一 + 奥地利 口 呵美国 八 加拿大 口 。斯堪的纳维皿 口 口 口其他国家 图2 1地应力的铅垂向分量随深度的变化规律图 1 5 河海大学硕士学位论文 2 2 2 4 侧压系数随深度变化 国内外的研究结果表明，平均水平应力与垂直应力的比值( 侧压系数兄) 随深度增加 而减小，而且不同地区的比值大小及减小的速率差别很大。 侧压系数是表征地区地应力特性的主要指标之一，一般而言，该值随深度增加而减 小，但在不同区域有较大差异。布朗( b r 0 、张) 根据图2 1 的统计结果提出下式来描述这 种变化趋势： 坐+ o 3 五塑+ o 5 2 2 hh 已有的现场实验资料也表明在钻孔深度较浅( 小于l o o o 米) 时，力比较分散，数值 也较大；随着深度的增加，名分散的趋势渐小，并且向趋于l 附近集中，类似前述的海 姆假说的静水压力状态。 2 2 2 5 水平主应力方向的基本特点 岩体中现存的最大水平主应力方向主要取决于现在的地质构造应力场。大量的现场 实验结果表明，最大主应力方向与地质构造的关系十分复杂，有的地区最大主应力场方 向与构造线垂直，有的则平行。地壳表层和浅层水平主应力方向相对比较复杂，到了几 公里至几十公里的中深层就明显简化多了，直至地壳深部，水平主应力的方向在中国大 陆东、西两大区域内的一致性就更加清楚了。 2 3 初始地应力场的影响因素分析 一个地区的岩体中的应力场除受岩体自重和地质构造运动控制外，还与该地区的地 质构造、地形、岩体的力学性质等影响因素有关，认识这些因素对地应力场分布的影响 规律是正确分析区域应力场的重要基础。 2 3 1 地质构造的影响 地质构造的类型包括断裂、褶皱、隆起和凹陷等，通过对大量地应力量测结果的分 析表明，这些构造类型对地应力均有不同程度的影响。 岩体地质的变化与地质构造和非均质性的存在可以影响到地应力的分布和量测值， 而且也是导致现场量测到的结果具有分散性的原因之一湖1 。h u d s o n 和c o o l i n g 认为【4 1 1 ， 受结构面和围岩材料相对强度的关系的影响，结构面附近应力可能会出现以下三种情 况：( 1 ) 如果结构面是张开的，最大主应力转向平行于结构面；( 2 ) 如果结构面是由一 种类似于围岩的材料组成，则主应力方向不受影响；( 3 ) 如果结构面内的材料是刚性的， 1 6 第二章初始地应力场与工程稳定性 最大主应力转向垂直于结构面。一般情况下，地质构造会干扰区域应力场，使局部应力 场与区域应力场有很大差别，而且在地质构造发育的岩体中应力的变化往往可能十分复 杂。 许多文献中都有关于在经过结构面、岩脉、断层、剪切带、不整合面、非均质矿体 时地应力发生突变的介绍。