在岩体初始地应力场反演中构造边界荷载形式的确定方法与流程

1.本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种在岩体初始地应力场反演中构造边界荷载形式的确定方法。


背景技术：

2.近年随着西电东送、南水北调、泛亚铁路网、川藏高速公路、川藏铁路等重大工程和西部大开发战略的相继实施，在这些区域逐渐涌现出大量具有高地应力的深埋隧道工程，此外，中国西部等地区由于板块构造运动存在强烈的地质构造运动及河谷下切演化，导致这些区域岩体初始地应力场的分布规律极为复杂；通过水压致裂法测量原位地应力发现岩体水平原位地应力大于岩体竖直原位地应力的情况非常普遍，即这些区域普遍存在水平构造应力。
3.为满足铁路或高等级公路线性设计的需要，交通线路中大部分路段需要以深埋长大隧道形式穿越巨大山岭，因此，由岩体自重和构造作用为主要因素形成的岩体初始地应力场，是铁路或公路交通线路隧道段的走向布置和施工方式选取需要重点考虑的问题，同时也是地下工程施工及设计的基础，是隧道开挖后围岩位移分布及破坏形式的控制性因素，故对隧址区岩体的初始地应力场进行分析研究具有重要的实际意义。
4.岩体原位地应力可通过水压致裂法等测量方法较为准确地获得，但由于客观条件限制，在工程中进行大规模、广范围的现场实测是不现实的。再者，实测岩体原位地应力与地形地貌、岩体结构等因素密切相关，测量成果仅能体现测点局部地应力特征，难以体现区域岩体初始地应力场的宏观分布规律，故为获得隧址区岩体初始地应力场的宏观分布规律，对岩体初始地应力场进行反演分析研究显得尤为重要，具有重要的理论意义。
5.然而，在岩体初始地应力场反演中，目前未见报道如何确定构造边界的荷载形式。在目前的文献中，常采用的构造边界荷载形式有：均布挤压构造荷载(即荷载与深度无关)，如图2所示；“均布挤压构造荷载”+“三角形分布挤压构造荷载”，即梯形分布挤压构造荷载(即荷载与深度为一次函数)，如图3所示；此外，还有挤压构造荷载与深度为二次函数的分布，也有挤压构造荷载与深度为三次函数的分布。但学者在岩体初始地应力场反演中未解释采用均布、一次函数、二次函数、三次函数分布挤压构造荷载的原因，也未给出如何确定构造边界荷载形式的方法。
6.而构造边界荷载是影响岩体初始地应力场最主要的因素，因此，在岩体初始地应力场反演中，确定构造边界荷载的分布形式是至关重要的。
7.故需要研发出一种在岩体初始地应力场反演中构造边界荷载形式的确定方法来解决上述问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种在岩体初始地应力场反演中构造边界荷载形式的确定方法。
9.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
10.在岩体初始地应力场反演中构造边界荷载形式的确定方法，包括以下步骤：
11.s1、测量岩体原位地应力；
12.s2、将实测岩体原位地应力转换到数值模型所采用的坐标系下；
13.s3、计算垂直于数值模型竖直边界的实测水平挤压构造应力，即该方向的实测水平原位地应力减去竖向重力应力泊松效应产生的水平应力；
14.s4、对实测水平挤压构造应力与深度依据所采用的函数进行显著性p值法检验；若p值≤0.05，则采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若p值＞0.05，则不能采用相应函数分布的水平挤压构造应力；
15.s5、若有两种及以上函数的p值≤0.05，则采用残差平方和最小的函数分布水平挤压构造应力。
16.具体地，在步骤s4中，若p值≤0.01，则表示实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数分布的依据是很强的，由于依据是很强的，则可客观地采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若0.01＜p值≤0.05，则表示实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数分布的依据是强的，由于依据是强的，则可客观地采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若0.05＜p值≤0.1，则表示实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数分布的依据是弱的，由于依据是弱的，则不能采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若p值＞0.1，则表示没有依据证明实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数的分布，由于没有依据，则不能采用相应函数分布的水平挤压构造应力。
17.优选地，在步骤s1中，岩体原位地应力通过水压致裂法测量获得。
18.本发明的有益效果在于：
19.通过显著性检验后，则表示实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数分布的依据是很强的或强的，然后将通过显著性检验后的水平挤压构造应力施加到数值模型边界上，其可以避免施加沿深度实际分布不一致的水平挤压构造应力，从而可提高施加构造边界荷载的准确度，故能反演得到一个与实测原位地应力匹配的岩体初始地应力场，提高了岩体初始地应力场的反演精度，且所采用函数是通过p值客观地选取，无主观性，因此，在岩土工程领域中，做出了较为凸出的进步；此外，若有两种及以上函数的p值≤0.05，则采用残差平方和最小的函数分布水平挤压构造应力，其可以反演获得与实测原位地应力最匹配的岩体初始地应力场。
附图说明
20.图1是本发明中方法流程图；
21.图2是均布挤压构造荷载示意图；
22.图3为梯形分布挤压构造荷载示意图；
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施
例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
24.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
30.如图1所示，一种在岩体初始地应力场反演中构造边界荷载形式的确定方法，该方法包括：
31.s1、测量岩体原位地应力；
32.s2、将实测岩体原位地应力转换到数值模型所采用的坐标系下；
33.s3、计算垂直于数值模型竖直边界的实测水平挤压构造应力，即该方向的实测水平原位地应力减去竖向重力应力泊松效应产生的水平应力；
34.s4、对实测水平挤压构造应力与深度依据所采用的函数进行显著性p值法检验；若p值≤0.05，则采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若p值＞0.05，则不能采用相应函数分布的水平挤压构造应力；
35.s5、若有两种及以上函数的p值≤0.05，则采用残差平方和最小的函数分布水平挤压构造应力。
36.以下结合具体实例对上述每一步骤进行解释说明。
37.步骤1：测量岩体原位地应力，具体为：
38.因为在所有的岩体原位地应力测量方法中，只有水压致裂法能够测量获得岩体沿重力深度方向的原位地应力分布，因此，本发明选择水压致裂法为例进行解释说明。本发明具体以新建叙永至毕节铁路(川滇段)斑竹林隧道dz
‑
bzls深
‑
01的水压致裂法实测原位地应力为例进行解释说明，通过水压致裂法测量获得的实测原位地应力见表1。
39.表1斑竹林隧道dz
‑
bzls深
‑
01的水压致裂法实测原位地应力
40.序号深度/ms
h
/mpas
h
/mpas
v
/mpas
h
方向
1179.50
‑
8.79
‑
5.53
‑
4.74n19
°
w2220.38
‑
9.70
‑
5.98
‑
5.82n21.33
°
w3288.75
‑
12.71
‑
9.04
‑
7.63n20
°
w4320.69
‑
10.94
‑
7.13
‑
8.47n25
°
w5390.49
‑
16.53
‑
10.32
‑
10.32n21.33
°
w6418.83
‑
17.53
‑
11.52
‑
11.07n21.33
°
w
41.注：s
h
为最大水平主应力；s
h
为最小水平主应力；s
v
为垂直应力。
42.步骤2：将实测岩体原位地应力转换到数值模型所采用的坐标系下。具体为：数值模型所采用的坐标系为：以斑竹林隧道的轴线方向为x轴的方向，竖向的重力方向为z轴的方向，垂直于x轴的水平方向为y轴的方向。因此，根据斑竹林隧道的平面图，可知x轴与正北方位的夹角约29.7
°
，再根据弹性力学的应力转轴公式，见下式，即可得到x、y、z方向的实测原位地应力，见下表。
43.σ
i
′
j
′
＝α
i
′
i
α
j
′
j
σ
ij
44.式中：σ
ij
、σ
i
′
j
′
分别表示转换前、转换后的原位地应力；α
i
′
i
、α
j
′
j
表示转换系数。
45.表2转换后的实测原位地应力
46.序号深度/mσ
x
/mpaσ
y
/mpaσ
z
/mpaτ
xy
/mpa1179.50
‑
6.95
‑
7.37
‑
4.741.622220.38
‑
7.45
‑
8.23
‑
5.821.823288.75
‑
10.57
‑
11.18
‑
7.631.814320.69
‑
8.40
‑
9.67
‑
8.471.805390.49
‑
12.77
‑
14.08
‑
10.323.036418.83
‑
13.89
‑
15.16
‑
11.072.94
47.步骤3：计算垂直于数值模型竖直边界的实测水平挤压构造应力，即该方向的实测水平原位地应力减去竖向重力应力泊松效应产生的水平应力。具体为：根据斑竹林隧道的地勘资料可知dz
‑
bzls深
‑
01水压致裂钻孔附近的岩体泊松比，见下表。
48.表3泊松比
49.岩性页岩白云岩夹泥岩白云岩泊松比0.300.340.28
50.根据斑竹林隧道纵断面地质图，结合表3中不同岩性的泊松比，可得不同实测原位地应力对应测点的泊松比，见下表。
51.表4不同实测原位地应力对应测点的泊松比
52.序号深度/m泊松比1179.500.302220.380.303288.750.304320.690.285390.490.286418.830.28
53.根据泊松效应可计算出竖向重力应力在水平方向产生的应力，见下表。
54.表5由于泊松效应竖向重力应力在水平方向产生的应力
55.序号深度/m泊松比竖向重力应力产生的水平应力/mpa1179.500.30
‑
2.032220.380.30
‑
2.493288.750.30
‑
3.274320.690.28
‑
3.295390.490.28
‑
4.016418.830.28
‑
4.31
56.该方向的实测水平原位地应力减去竖向重力应力泊松效应产生的水平应力即为实测水平挤压构造应力，见下表。
57.表6实测水平x、y方向的挤压构造应力
58.序号深度/mσ
x
‑
t
/mpaσ
y
‑
t
/mpa1179.50
‑
4.91
‑
5.342220.38
‑
4.95
‑
5.743288.75
‑
7.30
‑
7.914320.69
‑
5.10
‑
6.385390.49
‑
8.76
‑
10.076418.83
‑
9.58
‑
10.86
59.注：σ
x
‑
t
为实测水平x方向的挤压构造应力；σ
y
‑
t
为实测水平y方向的挤压构造应力。
60.步骤4：对实测水平挤压构造应力与深度依据所采用的函数进行显著性p值法检验(其他显著性检验方法同理)；若p值≤0.05，则采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若p值＞0.05，则不能采用相应函数分布的水平挤压构造应力。具体地，在步骤4中，若p值≤0.01，则表示实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数分布的依据是很强的，由于依据是很强的，则可客观地采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若0.01＜p值≤0.05，则表示实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数分布的依据是强的，由于依据是强的，则可客观地采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若0.05＜p值≤0.1，则表示实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数分布的依据是弱的，由于依据是弱的，则不能采用相应函数分布的水平挤压构造应力；若p值＞0.1，则表示没有依据证明实测水平挤压构造应力与深度呈所采用函数的分布，由于没有依据，则不能采用相应函数分布的水平挤压构造应力。具体为：
61.水平方向的挤压构造应力一般随深度呈正相关，即水平方向的挤压构造应力一般随深度的增加而增加，表6中的水平方向挤压构造应力随深度也呈此趋势，因此，本发明对实测水平挤压构造应力与深度h采用一次函数、二次函数、三次函数进行显著性p值法检验。检验结果分别见表7、表8、表9。
62.表7实测水平挤压构造应力与深度的一次函数显著性p值法检验
[0063] significance f残差平方和自变量h对应的p
‑
valueσ
x
‑
t
2.59e
‑
025.432.59e
‑
02
σ
y
‑
t
8.30e
‑
033.888.30e
‑
03
[0064]
由表7可知，σ
x
‑
t
与深度h为一次函数时，回归模型对应的p值为2.59e
‑
02，小于0.05，回归系数对应的p值为2.59e
‑
02，小于0.05，则表示σ
x
‑
t
与深度h呈一次函数分布的依据是强的；σ
y
‑
t
与深度h为一次函数时，回归模型对应的p值为8.30e
‑
03，小于0.01，回归系数对应的p值为8.30e
‑
03，小于0.01，则表示σ
y
‑
t
与深度h呈一次函数分布的依据是很强的。
[0065]
表8实测水平挤压构造应力与深度的二次函数显著性p值法检验
[0066] significance f残差平方和自变量h对应的p
‑
value自变量h2对应的p
‑
valueσ
x
‑
t
8.24e
‑
024.105.94e
‑
013.97e
‑
01σ
y
‑
t
3.23e
‑
022.716.10e
‑
013.38e
‑
01
[0067]
由表8可知，σ
x
‑
t
与深度h为二次函数时，回归模型对应的p值为8.24e
‑
02，即0.05＜p值≤0.1，自变量h回归系数对应的p值为5.94e
‑
01，大于0.1，自变量h2回归系数对应的p值为3.97e
‑
01，大于0.1，则有没有依据证明σ
x
‑
t
与深度h呈二次函数的分布；σ
y
‑
t
与深度h为二次函数时，回归模型对应的p值为3.23e
‑
02，小于0.05，自变量h回归系数对应的p值为6.10e
‑
01，大于0.1，自变量h2回归系数对应的p值为3.38e
‑
01，大于0.1，则有没有依据证明σ
y
‑
t
与深度h呈二次函数的分布。
[0068]
表9实测水平挤压构造应力与深度的三次函数显著性p值法检验
[0069][0070]
由表9可知，σ
x
‑
t
与深度h为三次函数时，回归模型对应的p值为2.51e
‑
01，大于0.1，自变量h回归系数对应的p值为7.67e
‑
01，大于0.1，自变量h2回归系数对应的p值为7.57e
‑
01，大于0.1，自变量h3回归系数对应的p值为7.25e
‑
01，大于0.1，则有没有依据证明σ
x
‑
t
与深度h呈三次函数的分布；σ
y
‑
t
与深度h为三次函数时，回归模型对应的p值为1.36e
‑
01，大于0.1，自变量h回归系数对应的p值为7.51e
‑
01，大于0.1，自变量h2回归系数对应的p值为7.48e
‑
01，大于0.1，自变量h3回归系数对应的p值为7.11e
‑
01，大于0.1，则有没有依据证明σ
y
‑
t
与深度h呈三次函数的分布。
[0071]
其他显著性检验方法同理，具体为：p值法检验是以p值≤0.05表示通过显著性检验；其他检验方法，例如f检验，是以检验统计量的样本观测值大于f检验在显著性水平α下的临界值f1‑
α
(k,n
‑
k
‑
1)表示通过显著性检验，显著性水平α一般取0.05；t检验，是以检验统计量的样本观测值大于t检验在显著性水平α下的临界值t1‑
α/2
(n
‑
k
‑
1)表示通过显著性检验，显著性水平α一般取0.05；把1)表示通过显著性检验，显著性水平α一般取0.05；把换成“p值≤0.05”即可得到相同的结果，因此，其他显著性检验方法同理。
[0072]
若p值≤0.01或0.01＜p值≤0.05，即依据是很强的或强的，则可以采用相应函数
分布的水平挤压构造应力；若0.05＜p值≤0.1或p值＞0.1，即依据是弱的或没有依据的，则不能采用相应函数分布的水平挤压构造应力。具体为：由上述结果可知，仅当σ
x
‑
t
与深度h为一次函数时，p值小于0.05，即依据是强的，则可以采用σ
x
‑
t
与深度h为一次函数分布的水平挤压构造应力；仅当σ
y
‑
t
与深度h为一次函数时，p值小于0.01，即依据是很强的，则可以采用σ
y
‑
t
与深度h为一次函数分布的水平挤压构造应力。
[0073]
因此，在数值模型的边界上，有客观且强的证据证明：实测水平挤压构造应力随埋深呈梯形分布，故可以在数值模型的边界上施加梯形分布的构造荷载，而梯形分布的构造荷载可分解为均布构造荷载和三角形分布构造荷载，即，可在数值模型的边界上分别施加均布构造荷载和三角形分布构造荷载，斑竹林隧址区在施加此分布构造荷载后，则可反演得到一个与实测原位地应力匹配的岩体初始地应力场。综上，本发明给出了：在岩体初始地应力场反演中，在数值模型边界上，采用何种函数分布挤压构造荷载的原因，也给出了客观确定构造边界荷载形式的方法。
[0074]
步骤5：若有两种及以上函数的p值≤0.05，则采用残差平方和最小的函数分布水平挤压构造应力。具体为：
[0075]
若σ
x
‑
t
与深度h为一次、二次函数时其p值都小于等于0.05，则可以采用其中残差平方和最小的函数分布水平挤压构造应力。
[0076]
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。