基于熵权-正态云模型的岩爆烈度分级预测研究

岩爆是深埋地下工程主要的工程地质灾害之一,其烈度分级预测是必须解决的岩石工程重大问题。针对岩爆烈度分级的不确定性,选取岩石单轴抗压强度与抗拉强度比σ_c/σ_t、切向应力与岩石单轴抗压强度比σ_θ/σ_c、弹性变形能指数Wet和岩石完整性系数K_v等定量化指标建立评价指标体系,应用熵权法确定各评价指标权重,结合云理论建立了岩爆烈度分级预测的熵权-正态云模型。以国内外12组典型岩爆工程实例对所建模型进行检验,并与逼近理想解法、高斯径向基函数法的判别结果及实际情况进行对比。为进一步考察该模型的有效性和实用性,利用该模型对终南山公路隧道工程竖井的岩爆实例进行分析。研究结果显示,基于熵权-正态云模型的岩爆判别预测结果与实际岩爆情况较吻合,表明熵权-正态云模型在研究岩爆烈度分级预测中具有良好的实用性和可靠性,可为深部地下工程岩爆烈度分级预测提供一种新思路。     

基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测研究

岩爆是深埋长大隧道面临的主要地质灾害之一,其“孕育-发生-发展”全过程异常复杂,使其成为地下工程中的世界性难题。准确反映地应力变化规律以及区域内地质构造影响,结合实测资料进行岩爆分级预测,对保障隧道前期勘察设计及后期安全施工具有重要意义。根据隧道工程地质资料,通过COMSOL Multiphysics和Rhino建立三维数值计算模型,反演分析得到整个区域的初始地应力场。在综合分析影响岩爆关键因素的基础上,从“储能性-倾向性-突发性”研究角度,选取岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比(σ_c/σ_max)、围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比(σ_θ/σ_c)、岩石强度脆性系数(σ_c/σ_t)及岩石弹性能指数(W_et)作为评价指标。采用熵权法确定指标权重,运用功效系数法加权计算总功效系数值,构建了一种基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测模型,并将其应用于川藏铁路桑珠岭隧道。研究结果表明,该模型具有较高的准确性和可靠性,为类似深埋长大隧道岩爆预测提供了一种新的参考。     

熵权-正态云模型岩溶塌陷预测分析

为了研究岩溶地区的岩溶塌陷预测问题,根据大量岩溶塌陷实例确定6项岩溶地区典型的影响因子（岩性系数（RQC）、岩体结构系数（RMSC）、地下水系数（GWC）、覆盖层系数（SSC）、地形地貌系数（LPC）、环境条件系数（ECC））,采用熵权法计算各项影响因子的权重并结合云理论建立熵权正态云模型。通过模型对桂林西城区岩溶塌陷进行预测且结合实际塌陷情况进行比较分析,结果证明建立的熵权正态云模型的预测结果与实际结果比较接近。表明该模型对于岩溶塌陷的预测分析方面具有良好的适用性和可靠性,且能够为岩溶发育地区岩溶塌陷的非线性、复杂性预测判断提供一种新的思路和方法。     

熵权模糊综合评价模型在极软岩隧洞围岩分级中的应用

为解决传统围岩分级方法对极软岩隧洞复杂性考虑不足的缺陷,引入模糊数学理论,选取单轴抗压强度、岩石完整性指标RQD、结构面间距、结构面特征、岩石含水量及干燥饱和吸水率6个因素作为评价指标,为避免评价指标赋值的主观性,利用熵权法计算各指标的权重,建立起围岩分级的熵权模糊综合评价模型。将该模型应用于印度尼西亚某在建水电站黏土岩隧洞围岩分级当中,选取15个待评洞段进行评价,结果表明,隧洞围岩以Ⅳ级或Ⅴ级为主,利用该模型计算的围岩分级结果与现场确定的围岩支护等级高度吻合,通过对比分析,认为该模型分级结果较传统RMR分级法更优,表明模糊数学理论可以解决极软岩隧洞影响因素的复杂性及模糊性问题,熵权法能够降低人为赋值的主观性,两者结合可实现对黏土岩隧洞的客观评价,该方法可为极软岩隧洞分级提供参考。     

红层软岩软化的界面过程及其动力学模型

红层软岩灾变和界面上的水-岩相互作用密切相关,研究界面过程对于揭示其灾变机制具有重要的意义。目前针对红层软岩软化的研究主要是宏观唯象特征的研究,红层软岩软化界面过程的研究处于探索和起步阶段,仍需要进一步地完善。针对这一问题,通过分析红层软岩软化界面过程的特征,水-岩界面上的软岩颗粒不断溶解,水在软岩中扩散,形成新的水-岩界面,基于此建立软岩系统标准熵对软岩软化进行表征,发现软岩系统标准熵值随着时间的变化规律与软岩软化崩解具有一致性;同时,利用菲克扩散定律构建软岩软化界面过程的动力学模型,很好地描述水-岩界面的生成规律;最后在红层软岩的DEM-CFD（离散元-计算流体力学耦合）模型中,软岩软化过程颗粒连接断裂代表水-岩界面的生成,对比界面过程动力学模型,取得较好的拟合结果。该研究结果对软岩软化界面过程的探索具有一定的意义。     

基于正态云模型的深埋地下工程岩爆烈度分级预测研究

岩爆是深埋地下工程开挖建设过程中常见的工程地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测一直是岩石地下工程的世界性难题。针对岩爆烈度评估过程中存在的模糊性和随机性问题,建立了基于德尔菲法和正态云的综合评判模型。在系统分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取岩石单轴抗压强度与抗拉强度比σc/σt、切向应力与岩石单轴抗压强度比σθ/σc、岩石脆性指数Is和弹性变形能指数Wet构建评价指标体系,通过德尔菲科学方法确定其权重系数。基于云模型理论计算各评价因子隶属于岩爆级别的云数字特征,生成正态云滴,实现了岩爆烈度与评价指标值之间的不确定映射,保留了评估过程中的随机性。最后,利用国内外典型岩爆工程实例对所建模型进行检验,其判别结果与实际岩爆等级相符,且准确率高于功效系数法和集对分析理论,表明采用云模型对岩爆烈度进行预测是可行的、有效的。该模型具有较高的准确性和可靠性,能满足工程应用需要,在深埋地下工程岩爆预测中具有良好的工程应用前景。     

基于熵权的属性识别模型在地下水源地水质评价中的应用

为克服在一般水质综合评价过程中确定评价指标权重系数带有专家打分法的主观偏向性,利用Shannon熵理论客观地确定出水质评价指标的熵权系数,并结合程乾生提出的属性识别理论建立了基于熵权的地下水源地水质属性识别模型。首先,建立属性空间矩阵并确定权重,然后计算属性测度,最后利用置信度准则和评分准则对模型做出评价并给出了应用实例。该模型和作者应用SPA模型的评价结果具有很好的一致性。      

高应力软岩巷道围岩与支护结构相互作用分析

基于Mohr-Coulomb应变软化模型,将收敛-约束法应用于高应力软岩巷道围岩-支护相互作用分析中,构建典型支护结构特征曲线。以FLAC3D数值模拟软件为工具,分析应变软化模型、剪胀角及不同巷道断面类型对围岩-支护相互作用的影响,并对支护系统稳定性进行评价。研究结果表明：考虑应变软化行为的围岩所需支护压力与Mohr-Coulomb模型计算结果相差较大,剪胀角对围岩应力释放过程及围岩-支护相互作用影响较小,巷道不同断面形式及断面不同位置点围岩所需支护压力有一定差异性;初期支护系统的稳定性是围岩与支护系统最终稳定的关键,采用收敛-约束法评价高应力软岩巷道初期支护系统的稳定性,对高应力软岩巷道的支护结构设计及施工具有一定指导意义。     

水库边坡稳定性评价的改进云模型

水库边坡的稳定性受诸多因素的影响,以致其准确评价仍存在一定的困难。为克服传统的正态云模型方法在实际应用中存在的云模型特征值取值不统一以及使用期望隶属度而非实际隶属度两个问题,提出了改进型正态云模型,并在MATLAB软件平台上开发了便于模型应用的程序。选取影响水库边坡稳定性的12个主要因素作为评价指标,应用程序生成各评价指标在各稳定性等级的综合隶属度云模型,接着使用改进的熵权层次分析法确定各评价指标的相应权重,最后将平均综合隶属度最高值所在的级别确定为边坡的稳定性等级。将该方法应用于34个水电边坡工程稳定性评价实例,并将结果与现行国家规范推荐的CSMR法及这些边坡的实际状态进行了比对。结果表明该方法的准确度比CSMR法高,具有较好的可靠性和实用性,也可供公路、铁路或建筑等其他岩质边坡在进行稳定性评价时参考。     

软岩饱水软化过程微观结构演化的临界判据

针对红层软岩遇水软化问题,在已开展的粉砂质泥岩饱水软化试验结果的基础上,从建立软岩微观结构模型出发,定量化研究软岩软化的力学机制。首先将描述粉砂质颗粒特性的结构元件引入到M. Tuller、D. Or提出的黏土矿物微结构模型中,提出了软岩微观结构组合元件;然后结合软岩饱水软化试验中微观结构测试结果,考虑天然状态软岩微观结构的基本类型特征,建立了描述粒状结构与致密条块状结构软岩的两类典型微观结构单元;在此基础上,采用重整化群方法,分别建立了两类软岩软化的重整化模型,并基于重整化原理,分析了软岩软化过程微观结构演化的临界判据,搭建了软岩微观结构与其力学特性之间的定量关系。通过对比软岩饱水软化过程力学性质试验结果,验证了所建立模型的合理性,为进一步开展软岩软化全过程定量化研究奠定基础。     

基于组合赋权和未确知测度的深埋隧道岩爆危险性评价——以川藏交通廊道桑珠岭隧道为例

针对复杂山区深埋隧道岩爆危险性评价中的诸多不确定性因素问题,通过归纳分析典型高地应力条件下深埋隧道岩爆破坏特征及关键影响因子,从客观反映高地应力环境、岩石力学性能和围岩性质3个层面确定5项岩爆评价指标,利用未确知测度理论建立隧道岩爆危险性评价模型.为了充分考虑岩爆危险性评价的主观因素和客观因素,通过引入距离函数,采用熵权法和层次分析法相结合构建组合赋权法,综合确定各指标的权重系数.基于未确知测度理论及计算规则,结合岩爆危险性分级标准,构建直线型单指标测度函数,计算单指标测度评价矩阵和多指标测度向量,依照置信度准则进行岩爆危险性评价.将构建的岩爆危险性评价未确知测度模型应用于川藏交通廊道桑珠岭隧道,并与强度应力比法、Russenes判据、岩石脆性系数、岩体完整性系数、岩石弹性能指数等单指标判据评价结果及实际岩爆结果进行对比.研究结果表明:该模型评价结果的准确率达到94.4%,比单指标岩爆判据的准确率高16.7%~66.7%.      

基于组合赋权的岩爆倾向性预测灰评估模型及应用

提出一种用以确定岩爆灾害评价中各指标权重的组合赋权（GEM-GW）方法。该方法依据信息熵理论,对基本熵权法进行改进,理论上解决熵权法在某些情况下不适用的问题,并引入欧几里得距离函数,使得主、客观权重之间和偏好系数间的差异程度一致,从而获得理想的综合权重。在该基础上,根据岩爆的成因及特点,选取影响岩爆的主要评价指标,同时对灰色聚类法进行优化,建立基于组合赋权的岩爆倾向性预测灰评估模型。利用该模型,对国内外一些重大深部岩石工程岩爆案例进行分析,并与模糊综合评判法、属性综合评判法、未确知测度评价法和物元分析法及实际情况进行比较。研究结果表明,该模型预测结果与实际情况吻合较好,预测精度较高,从而验证该模型的有效性及实用性。研究方法为岩爆灾害的准确预测提供一种切实可行的途径。     

高地应力“强度 & 应力”耦合判据及其分级标准

众多地下工程建设始终处于高地应力环境中,岩体初始应力是地下工程围岩变形破坏的先天条件和主导因素。“高地应力”术语及概念出现和地下工程围岩特殊破坏现象紧密联系,属于工程概念范畴。随着地下工程数量越来越多并逐渐向深部发展,高地应力诱发的围岩破坏现象日益显著,严重影响工程稳定性。现有的高地应力定量分级判据多采用强度应力比值形式,没有充分考虑岩石强度、应力两个指标的绝对值大小和耦合关系。本文在讨论现有分级判据、收集实际工程案例数据以及分析高地应力破坏现象显现过程的基础上,提出了高地应力“强度& 应力”耦合判据及其定量分级标准。高地应力“强度& 应力”耦合判据的表现形式为3条考虑岩石饱和单轴抗压强度R_c以及和初始最大主应力σ₁耦合的边界线,边界线以内的区域为高地应力区、边界线以外的区域为低地应力区。该判据特点是既考虑初始最大主应力、岩石饱和单轴抗压强度的绝对值边界条件,同时也考虑两者耦合区间。研究结果表明:基于二维尺度提出的“强度& 应力”耦合判据,针对86个典型地下工程的高地应力判别结果和工程现场高地应力显现形式完全相符,可以在实际地下工程中推广应用。基于“强度& 应力”耦合判据的高地应力区分级标准能较好地判别围岩破坏现象的剧烈程度,可为工程灾害的预防提供参考。     

隧道层状岩体质量评价的BQ分级改进

国标BQ分级方法是一种多因素、多变量、定性与定量结合的分级方法,该方法选取岩石饱和单轴抗压强度和岩体完整性指数计算出岩体基本指标,再考虑到工程岩体现场工况对其修正,既保证了分级的客观性,又降低了现场分级的难度。但在一些复杂地质条件下,如层状岩体等,BQ分级存在修正系数定性评价的局限性。由于现场工程人员的主观判断不同,导致两种岩体分级交界处往往会出现分级交错的现象。基于室内力学试验,本文阐述了层理倾角与围压对层状岩体力学参数的影响规律。采用Jaeger-Donath与Mogi-Coulomb强度准则提出针对层状岩体的结构面产状修正系数K₂以及初始地应力状态修正系数K₃的计算公式,并通过木寨岭铁路隧道围岩分级计算进行了验证。     

基于未确知测度的边坡地震稳定性综合评价

文章提出一种基于未确知测度理论的边坡地震稳定性综合评价方法,建立了各评价指标的未确知测度函数。根据信息墒理论计算各评判因子的权重,用置信度识别准则进行等级判定,得出了评价结果。该评价方法能解决边坡地震稳定性评价中诸多因素不确定性问题,还能对其进行定量分析。对实际工程中的16个典型的地震边坡进行综合评价,并与灰色聚类法、综合指标法、实测震害的结果进行比较。研究结果表明:未确知测度评价法性能良好,正确率高,具有重要的实用价值,为边坡地震稳定性的综合评价提供了一条新途径。     

红层软岩模型试验相似材料的配比试验研究

相似模型试验是研究红层软岩工程性质的重要手段之一,其试验结果的可靠性依赖于相似材料的正确选择与合理配比。针对红层软岩遇水极易软化的特性,在传统相似材料配比基础上添加生石灰,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,以骨料中铁粉与钡粉质量比例、铁粉与钡粉总质量中铁粉的质量比例、石膏质量、生石灰质量为4个因素,每个因素设置了5个取值水平,共制作25组、610个试样。每组试样均测试了其软化系数、密度、无侧限单轴抗压强度、抗拉强度及黏聚力与内摩擦角等物理力学参数,并研究了这些参数随上述4个因素取值水平的不同而变化的规律。最后,基于上述结果,配制了3种典型的软岩相似材料,并分别开展了真实软岩材料的饱水软化平行对比试验。研究结果表明：（1）根据配比方案所配相似材料物理力学参数可基本满足软岩相似模型试验的要求;（2）相似材料物理力学参数变化规律明显,便于通过调节其配比模拟不同软岩材料;（3）三组对比试验中相似材料饱水软化系数与真实软岩具有较高吻合度。     

《工程岩体分级标准》在深部巷道围岩分级中的应用及分析

通过对新旧国标GB 50218-94、GB/T 50218-2014《工程岩体分级标准》相关内容的对比分析,指出了新国标的改进。在国标GB/T 50218-2014《工程岩体分级标准》岩体质量分级的基础上,提出了岩体基本质量指标BQ的简化计算方法,并绘制了岩体基本质量指标与岩石完整程度系数之间的关系,并建立了BQ与R_c、K_v之间的关系表,通过图表结合可以较快地确定岩体基本质量等级。结论可为地下工程稳定性分析提供参考。