[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

说明书

本发明涉及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，其方法包括获取不同测点的应力矢量及岩体弹性模量；根据工程地质信息建立有限元数值分析模型，并分别施加不同方向的荷载，分别确定对应荷载作用下测点处的应力计算值；建立地应力场反演目标函数模型并进行反演分析，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公式并确定最优的目标地应力场。本发明解决了三维应力场中剪应力与正应力间由于数值量级差异引起的剪应力易被忽略的问题，反演获得的地应力场精度大大提高，可准确、可靠、高效地获取地应力场分布特征，为科学识别开挖后的硐室围岩变形破坏特征提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及岩土工程和数值分析技术领域，尤其涉及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。

背景技术

随着社会经济的快速发展及西部大开发战略的实施，我国在水利水电工程、交通、国防等领域的建设正密集展开，与此相关的地下工程越来越多，并呈现出“深埋、超长、特大”的发展趋势。工程实践表明，地应力是引起地下工程围岩变形和破坏的根本作用力，伴随着工程安全问题的日益重视，预先对工程区地应力分布特征进行研究是一项必备的工作，已成为当今岩石力学界研究的热点和重要课题之一。

由于地应力成因的复杂性和不确定性，人们很难准确地认识其形成机理，只能通过外部的观测信息、现场有限的实测资料及地质构造条件，采用有效的分析方法进行岩体应力场反演。目前国内外模拟岩体应力场的方法主要包括位移反分析方法和应力反演分析方法，对于地质条件较为复杂、地应力场非线性特征较为突出区域，常常采用应力场反演分析法。然而，在采用应力反演法进行分析时，现有的研究成果在地应力场反演目标函数的建立方面，较常采用离差平方和来度量两个应力张量之间的接近程度。由于应力张量中的剪应力较之正应力要小得多，尤其对于深埋工程，甚至存在数量级的差异，若仍然采用该方法势必会导致剪应力拟合处于次要甚至被忽略不计的地位，从而容易产生对硐室围岩破坏特征的误判，对工程安全建设危害极大。然而，该方面现有成果相对较少，尚未建立起合理反映正应力和剪应力权重影响的地应力场反演方法。可见，如何构建正应力与剪应力不等权重下的应力场反演目标函数，并结合简易的室内试验、有限的现场测试成果及三维地质数值模型，准确、高效地获取地下工程应力场分布特征，为科学识别开挖后的硐室围岩变形破坏特征，以及永久支护设计的优化提供必备的基础资料，是急需解决的关键技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供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。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种正应力和剪应力不同权重三维应力场反演方法，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。