[发明专利]一种正应力和剪应力不同权重三维应力场反演方法及系统

权利要求书

1.一种正应力和剪应力不同权重三维应力场反演方法,其特征在于，包括如下步骤：

通过原位应力测试和承压板载荷试验，获取三维空间不同空间部位测点的力学参数测量信息；

根据工程地质信息建立有限元数值分析模型，并在三维空间内不同方向上分别施加荷载，分别确定对应荷载作用下测点处的应力计算值；

建立正应力和剪应力不同权重的三维地应力场反演目标函数模型：

其中，S_残'为残余误差值，m为测点的总数,为第k个测点、第i个正应力实测值，为第k个测点、第j个剪应力实测值，w为正应力权重，w的范围为[0,1]；为第k个测点在对应荷载作用下的第i个正应力计算值，为第k个测点在对应荷载作用下的第j个剪应力计算值；

分别采用正应力和剪应力不同权重下的三维地应力场反演目标函数对目标地应力场进行反演分析，获得不同权重下测点处的应力计算值和应力回归系数；

建立地应力场反演效果评价的误差计算公式，并根据所述应力参数测量信息以及不同权重下测点处的所述应力计算值和应力回归系数确定最优目标地应力场。

2.根据权利要求1所述正应力和剪应力不同权重三维应力场反演方法,其特征在于，所述通过原位应力测试和承压板载荷试验，获取三维空间不同空间部位测点的力学参数测量信息包括如下步骤：

所述通过原位应力测试和承压板载荷试验，获取不同空间部位测点的应力测量参数信息具体包括如下步骤：

在施工现场勘探平硐内进行原位应力测试，获取分析断面处的不同部位m个测点的应力测量值(k＝1,2，...，m；l＝1,2,...，6)和应力方向；

在施工现场勘探平硐内进行承压板载荷试验，采用逐级一次循环法分级施加荷载，获取现场试验实测的压力-变形(P-W)关系曲线，利用半无限空间弹性体公式求得岩体弹性模量E，具体公式如下：

其中，当l＝1,2,3时，为第k个测点、第l个正应力测量值，当l＝4,5,6时，为为第k个测点、第l个剪应力测量值，W为岩体弹性变形，单位为cm；P为按承压板面积计算的压力，单位为MPa；D为承压板直径单位为cm；ν为泊松比。

3.根据权利要求2所述正应力和剪应力不同权重三维应力场反演方法,其特征在于，所述根据工程地质信息建立有限元数值分析模型，并在三维空间内不同方向上分别施加荷载，分别确定对应荷载作用下测点处的应力计算值具体包括如下步骤：

根据工程地质信息，建立有限元数值分析模型，并对所述有限元数值分析模型进行有限元网格划分，并根据所述岩体弹性模量E初始化所述有限元数值分析模型的参数信息；

沿所述有限元数值分析模型边界分别施加重力荷载、水平x方向单位挤压荷载、水平y方向单位挤压荷载及水平面内单位剪切荷载，通过有限元数值处理，并分别提取对应载荷作用下测点处的应力计算值。

4.根据权利要求3所述正应力和剪应力不同权重三维应力场反演方法,其特征在于，所述建立正应力和剪应力不同权重的地应力场三维反演目标函数模型具体包括如下步骤：

以测点处的所述应力测量值与应力计算值之差的平方和达到最小为优化目标，建立m个测点下的正应力与剪应力相互独立的三维反演目标函数模型：

其中：m为测点的总数；当l＝1,2,3时，分别为第k个测点、第l个正应力测量值和计算值；当l＝4,5,6时，分别为第k个测点、第l个剪应力测量值和计算值，分别为第k个测点、第i个正应力测量值和计算值，分别为第k个测点剪应力测量值和计算值；

根据上述公式(2)建立正应力权重为w时的三维地应力场反演目标函数模型，具体如下：

假设第k个测点、第i个正应力σ_ik权重为w，相应的第k个测点、第j个剪切应力τ_jk权重为1-w，代入公式(2)中，可得：

其中，w为0～1.0之间的任意值；

根据上述公式(3)对应力测量值和计算值进行形式变换，建立一般形式下的三维地应力场反演目标函数模型，可得：

其中，为第k个测点、第i个正应力实测值，为第k个测点、第j个剪应力实测值，w为正应力权重，w的范围为[0,1]；为第k个测点在对应荷载作用下的第i个正应力计算值，为第k个测点在对应荷载作用下的第j个剪应力计算值。