（水工结构工程专业论文）构造应力场作用方式的模糊综合评判方法研究.pdf

中文摘要地应力问题是工程地质、岩石力学及相关学科的一个重要研究领域。构造应力是地应力的重要组成部分。对构造应力的研究不仅要确定构造应力的大小，还要包括构造应力作用形式和方向的确定。构造应力作用形式和方向的确定也是进一步初始地应力场回归计算的重要依据。详细了解构造应力的作用形式和方向对隧洞的洞线确定、地下洞室的方位布置，地下洞室开挖方式等都具有参考价值。目前构造应力作用研究还不能给出精确的解析解，其影响因素很多是模糊的。本文提出依据实测地应力值用模糊综合评判方法研究构造应力作用方式和组合。通过对构造应力场的研究，确定所有可能的构造应力场作用方式和组合方案。根据地质勘测资料( 岩性指标) 和测量资料( 地形、地貌) ，建立工程区岩体有限元计算模型，然后将各种构造应力作用组合方式作为边界荷载条件，利用有限元计算软件计算所有可能情况构造应力场作用方式和组合荷载情况下的应力。将计算出的各测孔位置的应力矢量计入构造应力作用库中。建立模糊隶属度函数，将实测地应力矢量与构造应力作用库中的应力矢量进行比对，通过模糊综合评判得出各种构造应力场作用方式和组合的隶属度，分析得到最接近真实情况的构造应力场作用形式。本文提出根据断层信息模糊综合评判构造应力作用方式和组合。断层是在岩体中普遍存在的，断层信息( 断层的走向、倾角及断距) 不同程度上表征着构造应力的作用方式，也是判断构造应力作用方式不可忽略的信息。本文根据断层走向与构造应力作用方式之间的关系，以走向作为评判因素集，构造应力荷载组合方式作为评语集，分别给出不同走向下每种组合方式的隶属度。最终在已知断层信息的情况下，来综合判断该区域所属的最有可能构造应力组合方式。模糊综合评判构造应力场作用方式和组合是一种行之有效的方法。通过对上述两个内容评判结果的相互印证，最终能够得出一个最接近实际的答案。模糊综合评判得出的结果比以往凭经验判断更有依据、更可靠、更有说服力。关键词：初始地应力场构造应力模糊综合评判断层a b s t r a c tt h ei n s i t us t r e s sp r o b l e mi sa l li m p o r t a n ti n v e s t i g a t i o na r e ao fe n g i n e e r i n gg e o l o g y , r o c km e c h a n i c sa n dr e l a t i n gd i s c i p l i n e s t e c t o n i cs t r e s si sa l li m p o r t a n tc o n s t i t u a n to fg r o u n ds t r e s s t os t u d yo nt e c t o n i cs t r e s s ，n o to n l yi t sm a g n i t u d es h o u l db ed e t e r m i n e d b u ta l s oi t sa c t i o nm o d ea n dd i r e c t i o n d e t e r m i n i n g 血ea c t i o nm o d ea n dd i r e c t i o no ft e c t o n i cs t r e s si sa ni m p o r t a n tb a s i n gf o rf u r t h e ri n i t i a li n - s i t us t r e s sf i e l dr e g r e s sc a l c u l a t i n g a c k n o w l e d g i n gt h ea c t i o nm o d ea n dd i r e c t i o no ft e c t o n i cs t r e s sh a sr e f e r e n c em e r i ti nd e t e r m i n i n gc a v el i n e 1 0 c a t i o na n de x c a v a t i o nm o d e n o w , t h ep r e c i s ea n a l y t i c a lo ft e c t o n i cs t r e s sc a n tb eg i v e nd u et om a n yf u z z yi n f l u e n tf a c t o r s i nt h i sp a p e r , t h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s i n gm e t h o d ，b a s eo na c t u a lm e a s u r e m e n t ，i sp u tf o r w a r dt os t u d yt h ea c t i o nf o r n la n dc o m b i n a t i o ns c h e m eo ft e c t o n i cs t r e s s t h ee n t k ep o s s i b l ea c t i o nf 0 1 t na n dc o m b i n a t i o ns c h e m eo ft e c t o n i cs t r e s si sd e t e r m i n e db ys t u d yo nt e c t o n i cs t r e s si n i t i a li n - s i t us t r e s sf i e l d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li sf o u n db a s i n go ng e o l o g yr e c o r n l a l s s a n c ea n ds u r v e yd a t a t h e n ，t h es t r e s so fa 1 1p o s s i b l ea c t i o nm o d e so ft e c t o h i cs t r e s si sc a l c u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n tc o m p u t e rs o f t w a r eb ym a k e su s eo fv a r i o u st e c t o n i cs t r e s sc o m b i n a t i o nf o r ma sb o u n d a r yl o a d i n gc o n d i t i o n n er e s u l t so fe v e r y ：g a g i n gh o l ea r cr e c k o n e di nt e c t o n i cs t r e s sd a t a b a s e f o u n d i n gt h ef u z z ys u b o r d i n a t ef i m c t i o na n dc o m p a r i n gt h ea c t u a ls u r v e yi n - s i t us t r e s sv e c t o rw i 也t e c t o n i cs t r e s si nd a t a b a s e t h es u b o r d i n a t ed e g r e e so fv a r i o u st e c t o n i cs t r e s sa c t i o nf o r m sa n dc o m b i n a t i o na r ee d u c e d a n a l y z i n gw i t ht h e s ed e g r e e s ，t h ec l o s e s ta c t u a lc o n d i t i o no f t e c t o n i cs t r e s sa c t i o nf o r l n si sg o t t h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a lo ft e c t o n i cs t r e s sa c t i o nf o n n sa n dc o m b i n a t i o ni sp u tf o r w a r db a s eo nf a u l ti n f o r m a t i o n 噩1 ef a u l ti su n i v e r s a le x i s t e n c ei nl i t h o s o m e t os o m ee x t e n t t h ef a u l ti n f o r m a t i o na t t r i b u t e st h et e c t o n i cs t r e s sa c t i o nf o r m sa n dc o m b i n a t i o na n di st h en e e di n f o r m a t i o nt oi u d g et h ed i r e c t i o no ft e c t o n i cs t r e s s a c c o r d i n gt ot h er e l a f i o n sb e t w e e nt l l es t r i k ef a u l ta n dt h ed i r e c t i o no ft e c t o n i cs t r e s s ，t h es u b o r d i n a t ed e g r e eo fe a c hc o m b i n a t i o nf o r mo fd i f f e r e n c es t r i k e ，w h o s ea p p r a i s a lf a c t o rs e ti ss t r i k ea n dc o m m e n ts e ti sl o a dc o m b i n a t i o nf o r mo f 把c t o n i cs t r e s s ，i sg i v e n i nt h ee n d ，血em o s tp o s s i b l el o a dc o m b i n a t i o nf 0 1 t no f t e c t o n i cs t r e s s ，w h i c hb e l o n gt oo n ea r e a i sc o m p r e h e n s i v e l ya p p r a i s a lu n d e rt h ec o n d i t i o no fk n o w nf a u l ti n f o r m a t i o n a n a l y z i n gw i t ha b o v em e t h o dg e t st h ec l o s e s ta c t u a lc o n d i t i o ns o l u t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt l l eo u t c o m eo ff u z z yc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l i sm o r er e l i a b l ea n dc o n v i n c et h a nj u d g i n gw i t he x p e r i e n c e t h e r e f o r e t h ef u z z yc o m p r e h e n s i v e l ya p p r a i s a lm e t h o di sa ne f f e c t i v em e a n si na p p r a i s i n gt h et e c t o n i cs t r e s sa c t i o nf o r ma n dc o m b i n a t i o na n dc a nb eu s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：i n i t i a li n s i t us t r e s sf i e l d ，t e c t o n i cs t r e s s ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s i n g ，f a u l t独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：富雕酝签字日期：2 一，年月2 8 f i学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨童盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：重隅导师签名：签字日期：j 一多年“月工汨签字日期：凇，3 年月玷i e i第一章绪论第一章绪论1 1 初始地应力场的研究现状1 1 1 初始地应力场概述应力场是指某瞬时岩体的每一点对应的应力状态的空间排列，没有受到外界人为破坏或者施工破坏的岩体内的应力场叫做初始地应力场j 。初始地应力场的分布是地质环境和地壳稳定性评价、地质工程设计和施工的重要资料之一。许多工程地质现象诸如地震活动、活断层的活动和水库诱发地震等都与地应力的分布有重要的联系。另外，地应力场的分布还对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。因此，对地应力场的研究引起了工程地质界和建筑界的广泛重视。产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。一般认为岩体中的地应力由岩体自重作用、构造作用、地温作用、岩浆侵入作用等诸多因素造成的【2 1 。在不同的情况下，地应力场中几种应力所占的比例很不相同，但通常是岩体重力和地壳运动产生的应力( 寄造作用) 占优势。关于影响地应力的因素，不同的学者有不同的看法，有些认为影响因素有地形、侵蚀和地壳均衡、残余应力、侵入体、构造应力、破裂和结构面以及温度的变化等；有些学者则认为产生高水平应力的原因有侵蚀作用、构造活动、岩石各向异性和结构面；还有认认为影响因素包括：岩性( 地层) 、各向异性、地质构造和非均匀性、地形、构造活动、侵蚀、冰川作用和超固结作用、边界条件和时间、地球球面弯曲等。我国学者陈宗基认为地应力是由于岩体的自重、地形、板块运动、剖蚀及封闭应力引起的1 3 】。上述认识没有区分产生地应力的因素和真正影响地应力的因素，但同时又说明，影响地应力的因素是很多的。大体来说，影响地应力的主要因素有地质构造的影响、地形的影响、岩性的影响、剖蚀作用、冰j i l 作用、人类工程活动等。影响地应力的因素是多种多样的，且每种因素对地应力的影响程度不同。需要指出的是，上述因素对地应力的影响不是独立的，而是往往同时存在，只不过在不同情况下各因素的重要性有所差别。由于影响地应力的因素多种多样，而且目前所得到的测量数据有限且分布不均匀，要对各种因素对地应力的影响有一个第一章绪论准确的认识，还需要很长的过程。1 1 2 地应力的测量对地壳中存在地应力的认识最早来自于工程实践，而最早开展的原地应力测量也源于工程实践的需要。1 9 1 5 年哈斯特( h a s t n ) 在斯勘地那维亚半岛开创了岩体中地应力测试工作，接着在加拿大、美国等地先后开展了这方面的工作。从3 0年代开始到现在，世界范围内用于工程且的的地应力测量已难以胜数。从具体的工程目的而言，包括地下洞室开挖、道选线、地热能开发、水利水电工程、区域稳定性、油团钻井稳定性、核废料处理、矿山开采等目的；两从测试技术两言，包括水压致裂法、应力解除法、凯塞效应法、钻孔锯法、非弹性应变恢复法、深钻孔地应力法等。最早的原地应力测量是美国为修建胡佛大坝而进行的应力解除法地应力测量。胡佛大坝是本世纪3 0 年代初建立的拱型重力坝，大坝高2 2 1 3 米，属于高拱坝。高拱坝总体应力水平普遍较高，拉、压应力的储备较小，一旦拱坝产生局部开裂，可能导致应力普遍超限，从而导致坝体的破坏。考虑到蓄水后，两岸坝肩岩体受到的推力很大，可能引起较大的变形面导致大坝失稳。对其进行的三维应力应变分析表明，坝基岩体将开裂1 0 3 6 c m ，这对拱坝稳定肯定是不利的。当时他们设想，如果岩体内存在初始水平应力，足以抵消引起坝基岩体开裂的拉应力的话，就可以满足稳定要求，于是于1 9 3 2 - - 1 9 3 3 年在工程区，用应力解除法实测了岩石初始应力，测得初始水平应力约为上覆岩层自重应力的3 倍，足以抵消拉应力。于是创造性地设计了此坝。通过7 0 多年的运行表明设计是成功的。这是地应力测量成功地应用于工程设计的最早例子。在我国，地应力测量成功地用于工程方面的例子也很多。如在国家重点水利工程一山西省引黄入晋工程项目中，为研究万家寨水利枢纽工程的大坝及地下泵站的稳定性，工程人员于1 9 9 1 1 9 9 2 年对工程区进行了水压致裂法地应力测量，根据实测结果对本区的应力状态进行了分析，并对大坝及地下泵站的稳定性进行了评价，为工程的设计提供了地应力方面的可靠依据。1 1 3 地应力分布规律研究进展随着地应力测量资料的越来越多，人们开始了地应力规律的总结研究。目前普遍认为地应力的分布是随深度增加呈线形增大。不仅垂直地应力盯。，随深度增第一章绪论加呈线形增加，最小水平主应力d 。也随深度也呈线形分布，它两个的差值是剪应力，这个值到达一定深度后随深度变化而不变，是一个常数，一般为2 0 m p a左右。还应该注意一点，地应力在地面处不定为零，不管水平地应力，还是垂直地应力都有这个现象，即都有不通过原点的现象【4 】。有的在压应力轴上是正的，有的是负的。正的是压应力状态，负的是处于张拉状态。比较多的垂直地应力是正的，即大于零，而水平地应力则有时是负的。这些是目前公认的般的规律。根据这一规律，目前地应力测量结果作回归处理时，总是把地应力作为线形分布来考虑，地应力随深度变化呈线形分布已被看作是般的法则。地应力是一个具有相对稳定性和非稳定性的应力场，是时间和空间的函数。从小范围来看，其变化是很明显的，从一个区域到另一个区域，从菜一点到相距数十米的另点，地应力的大小和方向也是不同的。但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。对于地应力时大时小的不稳定现象，陶振宇教授指出的这一重要现象，可能与岩体经受应力历史有关| 5 】，这可能是强烈构造作用地区的现象，即地应力水平与岩体强度有关系；强度大的岩体，能承受的地应力大，而强度小的岩体，当地应力超过它的承受能力时，就发生破坏，应力释放，地应力也会大幅度下降。对轻缓构造作用地区不一定遵循这一规律，轻缓构造作用地区的地应力水平可能与弹性模量有关系，因为这种地应力水平不至于使岩体产生破坏只是产生一定程度的变形。大量的地应力测量资料表明，在地应力场中，最大水平主应力和最小水平主应力也随深度里线性增长关系，而且最大水平主应力和最小水平主应力之值般相差较大，显示出很强的方向性。实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量，最大水平应力普遍大于垂直地应力，平均水乎应力与垂直应力的比值随着深度的增加而减少。垂直应力在多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，只有在个别特别情况下为最大主应力。这说明，水平方向的构造运动对地壳浅层地应力的形成起控制作用。1 1 4 构造地应力场的研究进展构造应力场就是在一个空间范围内构造应力的分布，是与地质构造有关的应力场，通常指导致构造运动的应力场。构造应力场按形成时间分为古构造应力场和现今构造应力场。现今构造应力场是指目前正在活动的构造应力场，而古构造第一章绪论应力场则是指地质时期的构造应力场。构造应力场概念嘲在我国是由李四光教授首先提出的，早在1 9 4 7 年就提出用构造形迹反推构造应力场，并研究各种不同力学性质的构造形迹与应力方向、应力作用方式之间的相互关系。几乎与此同时，4 0 年代格佐夫斯基也提出研究构造应力场，并把用赤平投影求主应力轴方向的方法引入构造应力场的研究。5 0- - 6 0 年代，国内外地质工作者结合地震地质的研究工作开展了构造应力测量，经多年努力，通过野外和室内实测证实了构造应力的存在，并探索、研究了行之有效的构造应力测量技术方法，完善了构造应力测量的理论基础，建立了可靠的测量技术方法和数据处理系统。7 0 年代，构造应力场的研究有长足进展，应力场的研究逐渐深入到地质学的有关领域。万天丰1 9 8 8 年编著了吉构造应力场一书。较全面地论述了构造应力场的有关问题。8 0 年代以后，构造应力场问题越来越受到国内外地质学界的重视，研究内容多涉及大范围的地区，即研究大板块、大陆、大洋地区的构造应力场。9 0 年代以来，国际地质界开始实施大陆与海洋科学钻探计划，探讨现今构造应力和古应力状态，研究岩石圈动力学问题。目前构造应力场研究的主要内容是在确定各地的点应力状态( 应力方向和应力大小) 的基础上，研究在一定区域范围内各个构造活动时期的构造应力状态及其作用形式f 7 】。在构造应力状态研究中主要确定3 个方面的闼题：定时、定肉和定量。定时主要是确定各构造应力状态的不同形成时代，主要是通过研究各构造时期构造形变的相对次序，再与生物化石和同位素年龄资料相配合来确定；定向就是利用各种构造形变来确定各地质时期的构造应力方向，即3 个主应力轴的方向，通常最关心的是最大主压应力轴的方向：定量就是确定( 或估算) 各构造时期构造应力的大小。研究构造应力场的作用形式主要是为了了解地应力地发展情况，般是由工程人员根据定的地勘资料，凭经验得出。目前构造应力场研究进展的重要特点是1 8 ：块和扳内构造应力场研究正在兴起，并愈来愈引起地质学家的重视；现场应力测量和研究古构造应力方向、大小阿技术方法和手段越来越多，日趋先进，使构造应力场的研究由定性推向半定量化阶段；计算技术的发展促进了构造应力场数值模拟的深入，使模拟结果更接近于复杂的真实地质构造现象，细化了应力分布状态。4第一章绪论1 2 当前模糊论和模糊综合评判的发展情况1 2 1 模糊的由来和发展情况很长时间以来，人们对于客观事物的认识习惯于追求其精确性或者清晰性。一个命题要么是真，要么就是假，而元素与集合之间的关系不是属于就是不属于，界限分明，毫不含糊。然而，对于许多实际问题，是很难用准确的数学语言来描述的。如果这些问题碍不到合理的解决，则用建模方法碍到的解往往与实际不符。这时就有必要提出一种新的理论来对这种模糊的问题进行“精确”的刻画。1 9 6 5 年美国控制论专家l a z a d e h 在i n f o r m a t i o na n dc o n t r o l 上的著名论文f u z z ys e t s 标志着模糊理论的产生。l a z a d e h 教授长期从事检测、决策、控制及有关的一系列问题的研究，渐渐的他发现了传统数学的局限性，他指出：“在人类知识领域里，非模糊概念起主要作用的唯一部门是古典数学，一方面，这使数学具有其它学科所无法比拟的力量，种美和广泛性；而另一方面，却也限制了它在模糊性起显著作用的领域里的应用，特别使人文系统，这是人类的判断，感觉和情绪起重要作用的领域。” 9 】模糊理论主要是对模糊现象或模糊概念的刻画，并解决模糊性的闯题【10 1 。所谓模糊现象就是没有严格的界限划分而使得很难用精确的尺度来刻画得现象，而反映模糊现象得种种概念就称为模糊概念j 。正像随机现象一样，在自然界和人们日常生活中，存在着大量的模糊现象和模糊概念。如地应力对工程岩体的影响程度：大、般、较小、没有影响，或对工程的规模的描述，人们总是说“大、较大、一般、小工程”。这些问题都没有严格的数学界限，但是人们可以用上面的修饰词来模糊的判断，这样的模糊性并没有影响人们对这些问题的认识，恰恰相反，这种模糊性使人们有了正确的认识。当前对模糊论的研究多半是基于科技运用，特别是人工智能的发展带动了模糊研究的新热潮，为模糊理论和方法的研究提供了长足的动力，特别是在模糊控制、模糊综合评判、模糊聚类等方面，都有了极大的发展。模糊理论的实际的应用几乎涉及到了国民经济的各个领域及部门。农业、林业、气象、环境、地质勘测、医学、军事、社会治安等等，都有模糊理论广泛而又成功的应用。5第一章绪论1 2 2 模糊综合评判理论的发展情况按确定的标准，对某个或某类对象中的某个因素或某个部分进行评价，称为单一评价。从众多的单一评判中获得对某个或某类对象的整体评价。称为综合评判。综合评判的目的，通常是希望能对若干对象，按定意义进行排序，从中挑出最优或最劣对象，这也称为决策过程。综合评判也是一类决策过程。在具体实际应用中，人们常常要对受多种因素影响的某事物进行决策，如：评估某工程的设计质量，包括外观、结构、造价以及合理性等。由于这些问题中的一些因素包括一些模糊的成分，如上述工程设计中的工程的外观。人们只能定性的认为其属于“好，中等，差”等，要对这些问题中含有模糊成分的问题进行合理的解决，通常的途径是采用模糊综合评判的方法。即将模糊技术同经典的综合评判理论相结合。模糊综合评判并不像经典的综合评判那样能够用一些简单的数值来表示，然后用总分法( 求和) 或加权平均的方法得出一个总分而进行排序择优来完成，模糊综合评判必需要经过建立评判对象的因素集f = z ， ，建立合理的评语集合c = 扛。，。：c n ，用专家评定或其它方法生成评判矩阵j i = ( k ) f ( f c ) 以及通过合理的模糊算子进行综合评判等步骤。当前模糊综合评判的发展离不开人工智能的研究和发展。随着科技的不断进步，人们所研究的领域越来越宽广，研究的对象涉及到更多的交叉学科。这样研究的系统也就越来越复杂，许多问题现在由于受到计算条件和计算方法的限制，只能给出近似解，另外对一些人文类的阅题用精确的方法是难以计算出结果的。模糊综合评判将人类的主观意识数字化，从而很好的解决了这样一些经典数学无能为力的问题，也越来越受到人们的重视。1 3 问题的提出及本文所做的工作1 3 1 问题的提出由于地应力的分布规律十分复杂，精确的描述地应力场在实际中很难做到。因此，科学家们通过长期的研究和实验探索，提出了许多行之有效的方法来对地应力场进行模拟描述，如郭怀志教授的多元回归有限元计算模拟岩体初始地应力场方法1 2 、张有天教授的应力函数趋势方法【1 3 】，肖明教授提出三维初始应力场反演与应力函数拟合方法( 1 4 j 系统分析方法等为深入研究地应力规律打下了坚6第章绪论实的基础。地应力主要由梅造应力和自重应力组成( 还包括物理化学应力、热应力等) ，而构造应力是其中最为复杂而且众学者最为关心和感兴趣的部分。构造应力是由于岩石圈板块的相对位移引起的应力，其大小、方向都随着板块的不断移动而发生变化，只有通过地应力测量来得出各点的应力方向和大小。但在实际中，进行广区域地应力的大规模测量受到人力、物力和时间等诸多因素的限制，只能对区域内的某些认为是典型的点进行测量，而后通过对这些已测得的数据以及各点的相对位置信息来进行理论推导，从而得出其地应力分布情况。但构造运动的作用方式仍然是未知的。即虽然已知了某区域的地应力场分布图，但是不知道区域内分块之间以及区域与外区域之间的力的作用形态如何，因而对整个区域内的应力分布的将来发展趋势也很难以判断。故通过测量所得到的数据及测量点之间的位置信息来判断区域内最有可能的构造应力作用组合形式也是非常重要的。1 3 2 本文所做的工作本文将就如何在已知实测地应力值情况下判断工程区域内构造应力组合形式作为研究对象，进行评判方法的研究。板块与板块之间的相互作用( 构造运动)一般由三种最基本的形式组成即：拉、压、剪。分别对这三种形式进行有效的组合，可以得如2 6 种不同的组合方案，保证实际中的构造运动作用形式定是组合方案的一种。并在此基础上提出了构造应力作用形式应力库的概念，然后利用应力库中的构造应力矢量与测量值矢量之间的方向差来确定隶属度函数，而后根据工程经验和理论推导给出合适的权重，选取合适的算子，最后得出隶属度最大的构造应力作用组合形式。断层是在岩体中普遍存在的，近年来在断层附近进行的地应力测量结果表明，活动断层附近的应力值变化是十分复杂的。如果实测应力测量探孔打在断层附近，根据该点的测值进行构造应力方向的模糊综合评判，就可能导致误差。构造应力对岩体中断层的作用，使得断层反映出不同的性质如张性断层、压性断层或扭性断层。断层面的走向、倾角及断距也能反映出构造应力方向和大小。本文利用在实际工程地质勘测报告中的断层信息( 断层类型、走向以及倾角) ，结合断层的形成机理和地应力知识，建立起以某种类型断层走向为评判因素，以构造应力作用形式为评语集的综合评判模型。通过断层的倾角来对模糊评判的隶属度进7墨二兰堕堡行修正，最终得出最有可能的构造力作用形式。将评判结果与上述的模糊综合评判方法得出的结果进行分析比较，从而使结果更加明确化，提高评判的可信度。第二章模糊理论及模糊综合评判第二章模糊理论及模糊综合评判2 1 模糊基本理论2 1 1 模糊理论的产生很长时间以来，人们对于客观事物的认识习惯于追求其精确性或者清晰性。一个命题要么是真，要么就是假，元素与集合之间的关系不是属于就是不属于，界限分明，毫不含糊。实际中对于一个动态系统的处理方法是，找出影响系统变化的主要因素，忽略一些次要的因素，用相应的精确数据来建立反映其主要性质的数学模型。然而，对于许多实际问题，很难确定主要因素和次要因素的标准，而且获取数据的误差对模型建立影响的程度也是很难用准确的数学语言来描述。如果这些问题得不到合理的解决，则用建模方法得到的解往往与实际不符。要解决此类问题，就需要用模糊的方法来处理。1 9 6 5 年美国控制论专家l a z a d e h 在i n f o r m a t i o na n dc o n t r o l 上的著名论文f u z z ys e t s 标志着模糊理论的产生。l a z a d e h 教授长期从事检测、决策、控制及有关的一系列问题的研究，他发现了传统数学的局限性。他指出：“在人类知识领域里，非模糊概念起主要作用的唯一部门是古典数学，一方面，这使数学具有其它学科所无法比拟的力量，一种美和广泛性：而另一方面，却也限制了它在模糊性起显著作用的领域里的应用，特鄹是人文系统，这是人类的判断，感觉和情绪起重要作用的领域。”模糊理论的实际应用几乎涉及到了国民经济的各个领域及部门。农业、林业、气象、环境、地质勘测、医学、军事、社会治安等，都有模糊理论广泛而成功的应用范例。2 1 。2 模糊论和概率论的区别模糊性同随机性一样具有不精确性，是事物本身所固有的特性。但是他们有着根本的区别。客观世界中，事物在本质表现上具有确定性和不确定性，这种属性反映在量的方面如下：第二苹模糊理论及模糊综合评判r 确定性的量( 经典数学的研究领域)i量r 随机性的量( 概率统计的研究领域)l 不确定性的量o 模糊性的量( 模糊数学的研究领域)概率统计与模糊理论均来自客观实际，它们都摆脱了经典数学的确定性，反映了物质世界具有不确定性的面。然而，它们所反映的概念和性质截然不同的，各自的出发点也不一样。概率统计所研究的是涉及一个事物是否发生的不确定性以及与之相关的量的规律，它摆脱了“一因一果”的因果决定性，反映了事物的随机性：而模糊理论所研究的是涉及事物本身所固有的不精确状况，摆脱了“非此即彼”的精确性，而使得概念的外延具有不分明性，也就是“亦此亦彼”这样一种模糊的性质。考虑下面的事件：工程投标，记a = “投标成功”：j = “工程设计比较合理”。很明显，事件a 是随机事件，而j 是模糊事件。我们用概率来刻画随机量，而用隶属度来表示模糊量。概率和隶属度的区别就好比在一个暴风雨的日子，你走在虎山坡上，由于这里随时会出现大面积坍塌，而你又很疲劳，正在犹豫是歇歇，还是继续赶路，这是突然有个人告诉坍塌的概率是1 ，你当然会选择继续赶路，因为这1 有可能意味这全面的坍塌，若这个人告诉你坍塌的隶属度是1 ，你就会有犹豫了，也许歇歇也是不错的主意，因为即使坍塌也只能坍塌其中的l ，那可能是很安全的。2 1 3 模糊系统实际问题的求解往往最后归结为建立一套规则，使得只要给定一组已知的信息，就可得出相应的结果，既设计一个合适的自动求解系统【1 ”。目前的计算机还不像人脑那样去思维、推理和判断，只有在给定准确信息之后，计算机才能做出相应的判断。然而根据不相容原理，当一个系统复杂性增加时，使之精确化的能力则会降低，并且达到一定的闽值后，精确性与复杂性相互排斥【1 2 1 。此时精确建模方法就是失效的。人脑却不存在这样的问题。为了使所建立的求解系统具有类似的功能，模糊技术是其中最关键的因素。模糊系统是以模糊规则为基础而且具有模糊信息处理能力的动态模型。与普通的系统比起来，模糊系统具有下面几个第二章模糊理论及模糊综合评判方面的优点1 13 】：能将人的经验、知识等用适合计算机的形式表现出来；可以建立描述入的感觉、语言表达方式以及行动过程的模型；能模拟人的思维、推理和判断过程：压缩信息。作为模糊系统基础部分的模糊规则，常采用“i f t h e n ”的形式，它可以用来表示专家的经验、知识等。例如对于工程中的浇注混凝土，专家经验可以表示为下列的模糊规则：i f 外界气温凉t h e n 可以快速浇注；i f 外界气温合适t h e n 可以适速浇注；i f 外界气温热t h e n 可以慢速浇注。当然对于外界气温凉、合适和热的具体评判标准还可以迸行细分，建立其各自的模糊集。模糊规则的表现方式自然，从而容易获取专家经验。计算机的运算结果也能表示成模糊规则，容易被人理解。模糊逻辑推理是模糊系统必不可少的部分，它主要是通过模糊关系的相互合成来实现，m a x m n 合成是目前最常用的合成方法。模糊推理的主要作用是从数条图2 1 模糊推理过程图同时起作用的模糊规则中，按并行处理的方式产生对应模糊输入的模糊输出量。模糊化过程是模糊系统将输出结果转化为可执行步骤的最后一步。苎三童燮塑堡笙墨堡塑堡鱼堂型2 1 4 模糊集合及其运算模糊集合是对模糊现象或模糊概念的刻画1 1 4 】。所谓模糊现象就是没有严格的界限划分，即很难用精确的尺度来刻画的现象，而反映模糊现象的各种概念就称为模糊概念。正像随机现象一样，在自然界和人们日常生活中，存在着大量的模糊现象和模糊概念。如工程：大工程、中等规模工程、小工程等。他们之间没有严格的数学界限，但是人们可以用上面的修饰词来模糊的判断，而恰恰这种模糊性使人们对事物有了正确的认识。( 1 ) 模糊集合经典集合在一定意义上反映了人类对事物分类或概念抽象的一个侧面。根据经典集合的定义，一个元素x 与一个集合s 的关系只能是x s 或x 仨s 两种情况，可用特征函数表示如下：厂1当x s 时c ( x ) 2 b ，+ 仃，) ，而最小的主应力则是不变的垂直主应力= 盯：，根据前述，剪切破裂面与最大压应力q 作用的平面成4 5 0 + 舻2 角，两组剪切破裂面之间的锐角平分线指向最大的压应力正，剪切破裂面与0 - 2 ( 即盯。) 平行。根据实际测量结果，剪切破裂面与水平面的倾角多数在第四章根据断层信息模糊评判构造应力2 0 。3 0 。之间，这种断裂面的盘沿着压应力作用的方向作上盘向上，下盘向下图4 3 当二个水平应力增加时的应力状态的滑动，形成逆断层( 压性断裂) 。一般认为这种逆断层( 逆掩断层) 是地壳水平方向上受到挤压而产生的。( 3 ) 平移断层( 扭性断裂)若附加水平应力场使原始岩体应力的两个水平应力中的一个水平主应力增加( 仃，+ a o x ) ，另一个水平主应力减少( 盯，一a a ，) ，则原始岩体的应力标准状态就变成图4 4 所示的主应力单元体，这时最大的主应力和最小的主应力都是水平的，盯1 = 盯，+ a c t ，c r 3 = 盯，一a o ，而垂直的主应力口2 = 仃：是二者之间，因卜一0 12 盯j + a o - x图4 4 一个水平应力增加，一个水平应力减小时的应力状态此，单元体的剪切破裂面与盯：平行。这种断裂面的两盘沿着最大压应力作用方第四章根据断层信息模糊评判构造应力向作水平错动，形成了平移断层f 扭性断层) 。存在于自然界的各类岩石的各个部分并非是一致的，同时作用于岩石的一对力也不完全是在同一直线上的，这样就有可能使断层的两盘，在发生移动的同时可发生转动现象，或者两盘在作相对升降运动时也同时发生水平方向的相对错动，这进一步地提高的断层的错综复杂性。4 2 断层对地应力场的影响2 7 i( 1 ) 断裂对地应力的影响关于断裂构造对地应力的影响问题很早就引起了人们的注意。不连续面、各向异性和非均质性能会导致岩体中复杂的应力状态。主应力迹线由于断层的形成而发生的转向，应力迹线的转向仅仅发生于断层末端。岩脉充填物是在垂直于最小主应力方向形成的断裂。随着地应力测量工作的迅速发展，活动断层附近地应力分布的测量和研究工作也逐步开展起来。也逐渐认识到一些断层与地应力变化之间的关系。目前普遍认为，小范围内岩性的差别对地应力没有明显的影响，而较大的断层影响到主应力的方向，而且主应力方位趋于平行于相邻的断层。小的构造则即影响到地应力的方位，又影响到地应力的量值。构造中对地应力影响最为明显的是活断层，活断层实际上就是现今地应力场中应力集中程度较高的断裂带，同时它的持续活动又将导致其附近地区应力进一步重新分布，所以在活断层或活动断块的特定部位，往往形成很高的局部构造应力集中区。通常是局部压应力集中区是近代隆起和推挤构造形成的地带，往往伴有逆断层的强震活动：局部拉应力集中区则是近代凹陷和拉分型构造的形成地带，有时则伴有正断机制的地震。一条断裂带的现今活动，主要是构造作用的结果。由于断裂的活动，反过来又影响断裂周围地区的应力场，特别是断裂附近的最大剪应力，明显地受断裂活动程度和断裂规模的影响。当区域应力加强到能克服断裂面的摩擦力时，断裂就发生蠕滑、位移，附近的剪应力即发生变化，常表现为低于区域剪应力。断层对地应力大小变化的影响活动断层附近的应力大小一直是地学学者们所关心的问题。在过去，人们普遍认为，地震就是断层活动引起的，而断层活动则是地应力作用的结果。由此推第四章根据断层信息模糊评判构造应力断，活断层附近一定是应力集中地带。但是，近年来在断层附近进行的地应力测量结果表明，活动断层附近的应力值变化是十分复杂的。活动断裂并非全段都是活动的，在有些地方有相对的闭锁段，造成实际滑动带并不是很长。所以，活动断裂上有剪应力低，也有剪应力高的段，且同一条活动断裂不同部位的应力状态可能不同。对于断裂附近地应力异常的成因，一些学者认为有以下几种可能：一是由于断层活动( 例如蠕变) 释放了能量；另一种是由于断层水的作用，使得断层附近的岩石强度降低。此外，断层带附近的岩石软化和断层泥的作用以及地下热流等因素的影响，也都能使应力值降低。( 3 ) 断层对地应力方向变化的影响活动断裂附近主应力范围的分布是十分复杂的，但与区域主应力范围相比，在断裂附近的应力方向均不同程度地变化，表现为与区域应力方向不一致，与断层呈一定交角，且这种变化主要限于断裂附近一定距离内，远离断裂，主应力方位逐渐趋于与区域应力方向一致。但是，由于测量资料较少，目前尚难以系统总结出活动断裂附近的应力方向的变化规律。因此，有必要在对已有实测资料分析的基础上，通过有效的数值模拟分析研究活动断裂附近的应力方向变化舰律，并探讨其机理。4 3 根据断层信息模糊评判模型的建立无论对于压性断层、张性断层还是扭性断层，不同的构造应力外力荷载组合形式，必然决定了断层的走向、倾角及断距【2 “。对于同一类断层，以走向作为评判因素集，2 6 种外力荷载组合形式为评语集，分别给出不同走向下每种缀合形式的隶属度。然后再依据不同的倾角，给出不同类断层的权重，最终在已知断层走向和倾角的情况下，来综合判断该区域所属的构造应力组合形式。再通过与前章的所得结果的对比分析，相互补充和印证，进而提高评判的质量。首先假设岩体计算域范围内只存在一条主要断层，由该断层信息模糊综合评判构造应力方向，由浅入深地研究。4 。3 。1 隶属度函数的确定无论断层呈什么性质( 张性、压性或者扭性) ，断层的走向必将影响评判结果。本文规定断层起始走向从北开始，设走向角为o r ，口的取值范围为0 0 一1 8 0 0 。3 8第四章根据断层信息模糊评判构造应力依据断层性质，根据走向角口的取值。给出每种的构造应力作用组合形式在0 0 一1 8 0 0 角度范围内的隶属度函数。这些隶属度函数的确定主要依据工程经验和断层形成的机理。图4 6 走向角示意图1 张性断层( 正断层)对于表3 1 中不同种组合形式，可以首先判断，张性断层主要是由于横河向张拉或者顺河向张拉造成的，而且张性断层多垂直于张力的方向发生。对于具体的某种张拉方式的隶属度函数，分析如下：( 1 ) 编号1 4 ，组合号1 + ，横河向平动张拉，如图3 2 ( b ) 所示，由于该种断层多垂直于张力方向发生，故可以以角度的余弦作为隶属度函数，即：4 ( 口) = 1 2 + c + ( c o s ( 2 a ) 十1 )( 4 - 1 )式中c 0 3 】是指修正系数，因为即使在走向角为0 0 的情况下，隶属于l + 的隶属度也不可能都为l ，因为其它种组合形式也有可能导致这种情况发生，只是隶属r 的程度较大。隶属度函数如图4 6 所示。( 2 ) 编号1 5 ，组合号2 + ，顺河向平动张拉，如图3 - - 3 ( b ) 所示，同上可以得出其隶属度函数如图4 6 所示，即：一( 矗) = 1 2 c + ( s i n ( 2 e 9 0 ) + 1 )( 4 2 )第四章根据断层信息模糊评判构造应力图4 6 编号1 5 、1 6 组合形式的隶属度函数( 3 ) 编号1 7 ，组合号r + 2 ，横河向平动张拉，顺河向平动张拉。在横河向张拉力和顺河向张拉力的共同作用下，如图4 7 所示，当走向角接近4 5 0 的过程中，就越来越难以判断是否是属于这种组合，当走向角为4 5 0 的情况下，其隶属度为0 。图4 7 组合号1 + + 2 下断层分析根据上图，可以给定组合号l + + 2 + 的隶属度函数：爿( 口) = 1 2 + c + ( c o s ( 4 a ) + 1 )其隶属度函数如图4 8 所示。4 0( 4 3 )第四章根据断层信息模糊评判构造应力图4 -