一种基于集对分析的岩体质量分级评价方法与流程

本发明属于城市地下工程技术领域，特别是涉及一种基于集对分析的岩体质量分级评价方法。

背景技术：

在围绕各类岩体工程开展的设计施工时，岩体的质量直接影响着工程的安全与成本，岩体工程相关的危险系数、经济成本、施工难度会随着岩体质量的提高而降低，因此对工程岩体的质量进行合理科学的评价是岩体相关工程设计建设的基础。为对岩体质量进行综合科学的评价，目前国内外岩土领域专家学者提出了多种评价岩体质量的分级方法。但目前的各类分级评价方法在对影响岩体质量的各参数进行评价时，当样本值落在参数评分区间的边界上时，会导致评分出现区间突变的问题，即该因素的评分存在两种可能，因此在进行岩体分级评价时，对区间边界上的评价判断很容易受到人为因素影响，进而导致最终评价结果随机性较大、准确性较低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，解决现有岩体质量安全评价方法的评分模糊性问题。主要由于其参数评分区间边界上存在着评分的突变型，导致评分结果的模糊不确定性以及准确性降低。

本发明提供一种基于集对分析的岩体质量分级评价方法，将集对分析的理论嵌入到岩体质量分级评价方法中，利用联系数将评分区间边界上的突变性连续化，从而克服该分级方法模糊不确定性的缺点，为达此目的，本发明一种基于集对分析的岩体质量分级评价方法，其特征在于，步骤一、确定岩体质量条件的10个分项指标，包括r1为岩石单轴抗压强度评分；r2为岩芯质量rqd评分；r3为非连续面间距评分；r4为非连续面数目评分；r5为结构面延展性评分；r6为结构面粗糙程度评分；r7为结构面填充物评分；r8为结构面风化程度评分；r9为地下水赋存条件评分；r10为岩石耐崩解性指数评分；

步骤二、基于传统岩体质量评价经验，确定r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9,r10等10个分项指标的权重；

ω(r1:r2:r3:r4:r5:r6:r7:r8:r9:r10)＝(15:10:10:20:5:5:5:5:15:10)

＝(0.15:0.1:0.1:0.2:0.05:0.05:0.05:0.05:0.15:0.1)

步骤三、基于集对分析方法(spa)确定岩体质量的6级评价联系数公式；

μ＝a+b1i1+b2i2+b3i3+b4i4+cj

步骤四、定义tm为岩体质量评价的第m个分项指标值，有1≤m≤10，依次确定各分项评价指标tm的指标性质，随着评价等级的增大而增大的指标，称为正向指标；随着评价等级的增大而减小的指标，称为反向指标；评价标准为单一值的指标，称为明确指标，取对应评分即可；

确定岩石单轴抗压强度评分r1为正向指标，非连续面间距评分r2为正向指标，非连续面间距评分r3为正向指标，非连续面数目评分r4为反向指标，延展性评分r5为反向指标，粗糙程度评分r6为明确指标，填充物评分r7为反向指标，风化程度评分r8为明确指标，地下水赋存条件评分r9为明确指标，岩石耐崩解性指数评分r10为正向指标；

步骤五、参照传统评分方法的经验，确定岩体质量评价指标体系中各级评价标准amn；

步骤六、根据步骤三、四和五中，联立岩体质量分级评价方法的子系统综合评价六元联系数计算式为：μm＝rm1+rm2i1+rm3i2+rm4i3+rm5i4+rm6j，定义rml为岩体质量分级评价样本相对于各级评价等级的联系度分量，基于六元联系数计算公式可求出rml；

当tm≤am1(正向)或tm≥am1(反向)

当am1≤tm≤am2(正向)或am1≥tm≥am2(反向)

当ams≤tm≤am(s+1)(正向)或ams≥tm≥am(s+1)(反向)

当tm≥am5(正向)或tm≤am5(反向)

注：上式中am1～am6分别为子系统评价标准等级的各级限值；

步骤七、基于步骤五中已知的联系度分量rml，定义ωm为各参数评价指标权重，根据公式计算rl；

步骤八、基于均分原理，计算岩体质量分级评价参数样本指标与各级评价标准的不确定性差异度系数i1,i2,i3,i4，且已知对立系数j＝-1，若为n级联系数，则将[-1,1]区间进行5等分，i1,i2,i3,i4依次为

步骤九、根据岩体质量分级评价方法总指标的综合评价六元联系数公式：μ＝r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5i4+r6j，代入步骤七中已知的rl以及步骤八中已知的i1,i2,i3,i4，计算岩体质量总评价值μ；

步骤十、将岩体质量总评价值μ进行规格化处理，由[-1,1]区间转化为[0,100]区间，从而即可得到最终的岩体质量评分ψ；

步骤十一、将区间[0,100]进行6等分，从左向右各区间分别对应评价标准等级i，ii，iii，iv，v，vi，再将步骤十得到的岩体质量评分ψ代入区间，确定该岩体对应的评价等级。

作为本发明进一步改进，所述步骤二中各评价参数的权重取值原理为根据传统评价方法的参数评分表中，各参数的评分上限确定其在总分中所占比重，从而确定其重要性，进行归一化处理后得到权重。

作为本发明进一步改进，步骤四中各样本评价指标根据其随着评价等级增大、减小还是定值来确定为正向指标、反向指标和明确指标。

作为本发明进一步改进，步骤五中岩体参数评价指标体系各级评价标准的取值为基于岩体工程实践经验划分为6级。

作为本发明进一步改进，步骤六中联系度分量的取值基于步骤四已知各指标的性质，以及步骤五已知参数评价指标体系各级评价标准，在此基础上再根据六元联系数计算公式求出。

本发明采用上述技术方案，能产生以下技术效果：

由于传统岩体质量评价方法的弊端，即在对影响岩体质量的各参数进行评价时，当样本值落在参数评分区间的边界上时，会导致评分出现区间突变性的问题，即该因素的评分制存在两种不确定性可能，故在进行岩体分级评价时结果会产生模糊不确定性问题，导致评分结果准确性较低。因此，需要一种能对岩体质量进行准确评价的方法。

本发明提供一种基于集对分析的岩体质量分级评价方法，将集对分析的理论嵌入到岩体质量分级评价方法中，采用联系数将评分区间边界上的突变进行连续化处理，从而能克服传统岩体质量分级方法的对区间边界上的评价判断受到人为因素影响较大的缺点。该方法综合考虑了岩石单轴抗压强度评分、岩芯质量rqd评分、非连续面间距评分、非连续面数目评分、结构面延展性评分、结构面粗糙程度评分、结构面填充物评分、结构面风化程度评分、地下水赋存条件评分、岩石耐崩解性指数评分，考虑因素合理全面，得到的评分结果准确性高，适用于大多数岩体评价案例。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为岩体质量安全评价方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种基于集对分析的岩体质量分级评价方法，将集对分析的理论嵌入到岩体质量分级评价方法中，利用联系数将评分区间边界上的突变性连续化，从而克服该分级方法模糊不确定性的缺点。

实施例1：

已知现场试验测得该岩石单轴抗压强度为50.1mpa，岩芯质量rqd为70％，非连续面间距为1.2m，非连续面数目为4，每延米节理数5.7条/m，结构面非常粗糙，中风化，3mm硬质填充物；地下水赋存为湿状，岩石耐崩解性指数为80％。根据以上实测数据，进行岩体质量评分，步骤如下：

步骤一、确定岩体安全状态的10个影响指标，包括r1为岩石单轴抗压强度评分；r2为岩芯质量rqd评分；r3为非连续面间距评分；r4为非连续面数目评分；r5为结构面延展性评分；r6为结构面粗糙程度评分；r7为结构面填充物评分；r8为结构面风化程度评分；r9为地下水赋存条件评分；r10为岩石耐崩解性指数评分。

步骤二、基于传统岩体质量评价经验，确定r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9,r10等10个指标的权重。

ω(r1:r2:r3:r4:r5:r6:r7:r8:r9:r10)＝(15:10:10:20:5:5:5:5:15:10)

＝(0.15:0.1:0.1:0.2:0.05:0.05:0.05:0.05:0.15:0.1)

步骤三、基于集对分析方法(spa)确定岩体质量6级评价联系数公式。

μ＝a+b1i1+b2i2+b3i3+b4i4+cj

步骤四、定义tm为岩体质量评价样本的第m个参数指标值，有1≤m≤10。依次确定样本评价指标tm的指标性质，随着评价等级的增大而增大的指标，称为正向指标；随着评价等级的增大而减小的指标，称为反向指标；评价标准为单一值的指标，称为明确指标，取对应评分即可。

本发明中，确定岩石单轴抗压强度评分r1为正向指标，非连续面间距评分r2为正向指标，非连续面间距评分r3为正向指标，非连续面数目评分r4为反向指标，延展性评分r5为反向指标，粗糙程度评分r6为明确指标，填充物评分r7为反向指标，风化程度评分r8为明确指标，地下水赋存条件评分r9为明确指标，岩石耐崩解性指数评分r10为正向指标。

步骤五、基于岩体工程实践经验确定岩体参数评价指标体系各级评价标准amn，即下表1所示。

本发明中，

a11＝250,a12＝150,a13＝80,a14＝40,a15＝20；

a21＝75％,a22＝60％,a23＝50％,a24＝40％,a25＝25％；

a31＝2m,a32＝1m,a33＝500mm,a34＝200mm,a35＝80mm；

a41＝3,a42＝7,a43＝12,a44＝19,a45＝28；

a51＝1m,a52＝2m,a53＝3m,a54＝6m,a55＝10m；

a61＝非常粗糙,a62＝粗糙,a63＝起伏,a64＝较平整,a65＝平整,a66＝光滑；

a71＝坚硬＜3mm,a72＝坚硬3～5mm,a73＝坚硬＞5mm；

a74＝软弱＜3mm,a75＝软弱3～5mm,a76＝软弱＞5mm；

a81＝未风化,a82＝微风化,a83＝中等风化,a84＝中强风化,a85＝强风化,a86＝完全风化；

a91＝完全干燥,a92＝较干燥,a93＝润,a94＝湿,a95＝滴,a96＝流；

a10,1＝85％,a10,2＝70％,a10,3＝50％,a10,4＝35％,a10,5＝20％；

表1岩体参数评价指标体系及各级评价标准

步骤六、已知岩体质量安全评价方法的子系统综合评价六元联系数计算式为：

μm＝rm1+rm2i1+rm3i2+rm4i3+rm5i4+rm6j。定义rml为岩体质量安全评价参数样本相对于各级评价等级的联系度分量，基于六元联系数计算公式(1～4)可求出rml。

r11＝0,r12＝0,r13＝0.25,r14＝0.75,r15＝0,r16＝0；

r21＝0.67,r22＝0.33,r23＝0,r24＝0,r25＝0,r26＝0；

r31＝0.2,r32＝0.8,r33＝0,r34＝0,r35＝0,r36＝0；

r41＝0.75,r42＝0.25,r43＝0,r44＝0,r45＝0,r46＝0；

r51＝0,r52＝0,r53＝0.1,r54＝0.9,r55＝0,r56＝0；

r61＝1,r62＝0,r63＝0,r64＝0,r65＝0,r66＝0；

r71＝1,r72＝0,r73＝0,r74＝0,r75＝0,r76＝0；

r81＝0,r82＝0,r83＝1,r84＝0,r85＝0,r86＝0；

r91＝0,r92＝0,r93＝0,r94＝1,r95＝0,r96＝0；

r10,1＝0.67,r10,2＝0.33,r10,3＝0,r10,4＝0,r10,5＝0,r10,6＝0；

步骤七、基于步骤六中已知的联系度分量rml，定义ωm为各参数评价指标权重，根据公式计算rl。

r1＝0.404,r2＝0.196,r3＝0.0925,r4＝0.3075,r5＝0,r6＝0；

步骤八、基于“均分原理”，计算岩体质量安全评价参数样本指标与各级评价标准的不确定性差异度系数i1,i2,i3,i4。且已知对立系数j＝-1。本例为6级联系数，则将[-1,1]区间进行5等分。i1,i2,i3,i4依次为0.6,0.2,-0.2,-0.6。

步骤九、根据岩体质量分级评价方法总指标的综合评价六元联系数公式：μ＝r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5i4+r6j。代入步骤七中已知的rl以及步骤八中已知的i1,i2,i3,i4，计算岩体质量总评价值μ＝0.526。

步骤十、将岩体质量总评价值μ进行规格化处理，由[-1,1]区间转化为[0,100]区间，从而即可得到精确化的岩体质量评分ψ＝76分。

步骤十一、将区间[0,100]进行6等分，即[83,100]，[67,83]，[50,67]，[33,50]，[17,33]，[0,17]，从左向右各区间分别对应评价标准等级i，ii，iii，iv，v，vi，再将步骤十得到的岩体质量评分ψ＝68代入区间，确定该岩体质量为ii级。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。