基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的斷層應(yīng)力分析

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的斷層應(yīng)力分析

0斷層周圍地應(yīng)力場(chǎng)巖體擾動(dòng)和不連續(xù)面的存在影響了巖體的應(yīng)力變化和遷移過(guò)程。在應(yīng)力適應(yīng)過(guò)程中，擾動(dòng)和不連續(xù)面附近的局部應(yīng)力和區(qū)域應(yīng)力之間存在較大差異。從某種意義上來(lái)講,斷層是區(qū)域地殼穩(wěn)定和工程巖體失穩(wěn)的主控因素之一。在實(shí)際工程中,為研究斷層對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)效應(yīng),很多學(xué)者從斷層周圍地應(yīng)力測(cè)試及數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。從目前的研究發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,主要有以下3種途徑:①把斷層抽象為被節(jié)理及裂隙分割的塊體系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析;②把斷層的力學(xué)性態(tài)作為附加條件,采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法進(jìn)行模擬;③采用接觸面單元模擬斷層與巖體之間的不連續(xù)面。在實(shí)際工程中,斷層的幾何形體是易于確定的,而其力學(xué)性態(tài)往往難以確定,且力學(xué)性態(tài)是影響斷層及其周邊應(yīng)力場(chǎng)分布的主要因素,特定的斷層力學(xué)參數(shù)與特定的應(yīng)力分布狀態(tài)相匹配。本文利用斷層附近及其周邊測(cè)孔的測(cè)試資料,結(jié)合正交設(shè)計(jì)理論及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性反演方法對(duì)斷層的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演,并對(duì)斷層對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行研究。1測(cè)試孔的配置和測(cè)試結(jié)果1.1常規(guī)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試某隧道位于福建東部重力梯度帶上,隧道走向?yàn)镹70°W,山脈主要走向?yàn)楸北睎|~南南西,場(chǎng)區(qū)以構(gòu)造剝蝕中低山為主,巖性以灰色、淺灰色鈣質(zhì)粉砂巖為主。為研究隧道軸線部位巖體應(yīng)力分布情況及斷層對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)效應(yīng),布置了1、2號(hào)2個(gè)測(cè)孔進(jìn)行常規(guī)的水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試(見圖1),其中2號(hào)測(cè)孔位于斷層F11和F12中間。F11斷層的產(chǎn)狀為135°∠75°,斷層帶內(nèi)發(fā)育2條斷面,使巖層產(chǎn)生一定錯(cuò)動(dòng),帶內(nèi)巖石破碎,斷面呈舒緩波狀,為壓性逆斷層。斷層上盤影響寬度約25m,下盤約10m,節(jié)理裂隙發(fā)育,較破碎。F12斷層產(chǎn)狀為157°∠59°,斷層帶內(nèi)為硅化、葉臘石化碎裂巖,見斷層泥及磨圓的斷層角礫,斷面略呈舒緩波狀,斷面上發(fā)育階步及擦痕,為壓性逆斷層。斷層上、下盤影響寬度約20m,節(jié)理裂隙發(fā)育,較破碎。1.2最大水平主應(yīng)力測(cè)試由圖1可知,1號(hào)測(cè)孔距離斷層較遠(yuǎn),其應(yīng)力分布不受斷層的影響,且測(cè)試區(qū)域內(nèi)地勢(shì)起伏相對(duì)較小,其應(yīng)力分布情況可視為測(cè)試區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布;2號(hào)測(cè)孔斷層位于斷層F11和F12之間,其應(yīng)力分布受復(fù)合斷層的影響較大。由測(cè)試成果可知,1號(hào)測(cè)孔測(cè)試區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力方位位于N25°~30°W之間,而2號(hào)測(cè)孔位于N7°~23°E之間,兩者夾角較大。若將1號(hào)測(cè)孔測(cè)得的最大水平主應(yīng)力方位視為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方位,則2號(hào)測(cè)孔所在部位的最大水平主應(yīng)力方位受斷層的影響偏離區(qū)域構(gòu)造方位高達(dá)約45°。圖2給出了2個(gè)測(cè)孔測(cè)得的最大和最小水平主應(yīng)力隨深度的變化情況(圖中,σH為最大水平主應(yīng)力,σh為最小水平主應(yīng)力,σz為自重應(yīng)力)。由圖2可知,1號(hào)測(cè)孔應(yīng)力量值整體大于2號(hào)測(cè)孔。線性擬合可知,1號(hào)測(cè)孔最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)λ(λ=σH/σz)約為1.6,而2號(hào)測(cè)孔約為1.3。2號(hào)測(cè)孔最大水平主應(yīng)力方位的偏轉(zhuǎn)及應(yīng)力量值的弱化可歸結(jié)為斷層的擾動(dòng)效應(yīng)。2反演誤差力學(xué)參數(shù)2.1最大水平地位參數(shù)確定為方便建模,并消除邊界效應(yīng)的影響,建模時(shí)X軸取為隧道走向方位N70°W,使斷層及2號(hào)測(cè)孔處于計(jì)算模型的中部,計(jì)算范圍取1200m×1200m。根據(jù)1號(hào)孔測(cè)試結(jié)果,取最大水平主應(yīng)力方位為N30°W、側(cè)壓系數(shù)為1.56,最小水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)為1.04。由于最大水平主應(yīng)力方位與計(jì)算坐標(biāo)系中的X軸呈40°夾角,需將計(jì)算模型上的最大及最小水平主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為邊界上的應(yīng)力分量σx、σy和τxy,計(jì)算公式如下式中,β為最大水平主應(yīng)力方位與計(jì)算坐標(biāo)X軸的夾角。2.2基于正交設(shè)計(jì)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性反演本文采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法,將斷層及其影響帶內(nèi)的巖體參數(shù)進(jìn)行弱化。在一定的構(gòu)造應(yīng)力及自重應(yīng)力組成的應(yīng)力場(chǎng)中,由于斷層的擾動(dòng)效應(yīng),斷層及其周邊的應(yīng)力將出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象,但應(yīng)力分布情況與斷層的力學(xué)參數(shù)相適應(yīng),且這種應(yīng)力-斷層參數(shù)的響應(yīng)十分復(fù)雜,不能用簡(jiǎn)單的線性方程表示。因此,采用基于正交設(shè)計(jì)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性反演模型對(duì)斷層參數(shù)進(jìn)行反演。分別取斷層F11、F12的彈性模量E11、E12為0.5~4.5GPa,F11、F12的泊松比μ11、μ12分別為0.25~0.41。選擇U9*(94)表進(jìn)行設(shè)計(jì),每個(gè)因素取9個(gè)水平,各水平組合見表1。進(jìn)行有限元正向計(jì)算,將每種工況下的2號(hào)測(cè)孔測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力量值的計(jì)算結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,對(duì)應(yīng)的斷層力學(xué)參數(shù)作為輸出進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)采用Levenberg-Marquardt算法,以保證誤差函數(shù)總是減小的。訓(xùn)練完成后,得到了測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值與斷層力學(xué)參數(shù)之間的非線性映射關(guān)系。此時(shí),以2號(hào)測(cè)孔測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值作為輸入,可得斷層力學(xué)參數(shù)。其中,E11=3.12GPa,μ11=0.351,E12=2.85GPa,μ12=0.370。表2給出了部分測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比。計(jì)算值與測(cè)試值的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.886,說(shuō)明反演結(jié)果比較可信。3斷層周邊應(yīng)力分析根據(jù)模擬結(jié)果,圖3、4分別給出了隧道底板高程X與Y方向正應(yīng)力分布剖面圖和沿隧道軸線方向平面應(yīng)力分量變化曲線(圖中,Sxx為x向正應(yīng)力,Syy為y向正應(yīng)力,Sxy為xy向剪應(yīng)力)。由圖3和圖4可知,斷層附近應(yīng)力量值的變化較為復(fù)雜,斷層端部(尖滅處)有明顯的應(yīng)力集中,且長(zhǎng)度較大的斷層F12端部的應(yīng)力集中程度和集中的范圍明顯大于規(guī)模相對(duì)較小的F11斷層;應(yīng)力降低的情況表現(xiàn)為在斷層附近應(yīng)力值較低,且在斷層厚度較大的F11斷層內(nèi)部應(yīng)力松弛的程度相對(duì)較大;隨著距離的增加,主應(yīng)力逐漸增大,到一定距離后,趨于穩(wěn)定。由于斷層的擾動(dòng)效應(yīng),斷層附近最大水平主應(yīng)力方位也明顯變化,而這種變化主要限于斷層附近一定距離內(nèi)。在斷層內(nèi)及其附近最大水平主應(yīng)力方位與斷層走向平行或呈小角度相交,而斷層尖滅處最大水平主應(yīng)力方位與斷層走向呈大角度相交,隨著距離的增加最大水平主應(yīng)力方位趨于與構(gòu)造應(yīng)力方向平行。4模擬計(jì)算結(jié)果分析斷層對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)十分復(fù)雜,且斷層的力學(xué)參數(shù)亦難以確定,本文基于現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料,通過(guò)對(duì)斷層的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演及斷層對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:(1)測(cè)孔測(cè)點(diǎn)的測(cè)試值和模擬計(jì)算結(jié)果一致,說(shuō)明本文將斷層及其影響帶簡(jiǎn)化為連續(xù)介質(zhì),并通過(guò)力學(xué)參數(shù)的正交設(shè)計(jì)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性反演方法是合理可行的。(2)由于斷層的擾動(dòng)效應(yīng),斷層內(nèi)部及附近區(qū)域有明顯的應(yīng)