李永松 ，陳建平，尹健民 ，許 靜

（1.中國地質(zhì)大學(xué) （武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010）

0 引 言

巖體中的斷層及不連續(xù)面的存在影響著巖體中的應(yīng)力變化及其遷移過程，在應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)的過程中使斷層及不連續(xù)面附近的局部應(yīng)力和區(qū)域應(yīng)力之間有相當(dāng)大的差別。從某種意義上來講，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。在實際工程中，為研究斷層對應(yīng)力場的擾動效應(yīng)，很多學(xué)者從斷層周圍地應(yīng)力測試[1-4]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)展趨勢來看，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[5-6]；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[7-8]；③采用接觸面單元模擬斷層與巖體之間的不連續(xù)面[9]。

在實際工程中，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孔的測試資料，結(jié)合正交設(shè)計理論及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性反演方法對斷層的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演，并對斷層對應(yīng)力場的擾動效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 測孔布置及測試結(jié)果

1.1 地質(zhì)概況及測孔布置

某隧道位于福建東部重力梯度帶上，隧道走向為N70°W，山脈主要走向為北北東～南南西，場區(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應(yīng)力場的擾動效應(yīng)，布置了1、2號2個測孔進(jìn)行常規(guī)的水壓致裂法地應(yīng)力測試 （見圖1），其中2號測孔位于斷層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)生一定錯動，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25 m，下盤約10 m，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20 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，較破碎。

圖1 鉆孔布置

1.2 地應(yīng)力測試成果分析

由圖1可知，1號測孔距離斷層較遠(yuǎn)，其應(yīng)力分布不受斷層的影響，且測試區(qū)域內(nèi)地勢起伏相對較小，其應(yīng)力分布情況可視為測試區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布；2號測孔斷層位于斷層F11和F12之間，其應(yīng)力分布受復(fù)合斷層的影響較大。由測試成果可知，1號測孔測試區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力方位位于N25°～30°W之間，而2號測孔位于N7°～23°E之間，兩者夾角較大。若將1號測孔測得的最大水平主應(yīng)力方位視為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方位，則2號測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個測孔測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號測孔應(yīng)力量值整體大于2號測孔。線性擬合可知，1號測孔最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)λ（λ=σH/σz） 約為 1.6，而 2號測孔約為 1.3。 2 號測孔最大水平主應(yīng)力方位的偏轉(zhuǎn)及應(yīng)力量值的弱化可歸結(jié)為斷層的擾動效應(yīng)。

圖2 測試成果

2 斷層力學(xué)參數(shù)反演

2.1 計算模型及邊界條件

為方便建模，并消除邊界效應(yīng)的影響，建模時X軸取為隧道走向方位N70°W，使斷層及2號測孔處于計算模型的中部，計算范圍取1200 m×1200 m。根據(jù)1號孔測試結(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)力方位與計算坐標(biāo)系中的X軸呈40°夾角，需將計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，計算公式如下

式中，β為最大水平主應(yīng)力方位與計算坐標(biāo)X軸的夾角。

2.2 斷層參數(shù)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)力場中，由于斷層的擾動效應(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，不能用簡單的線性方程表示。因此，采用基于正交設(shè)計的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性反演模型對斷層參數(shù)進(jìn)行反演。

分別取斷層F11、F12的彈性模量E11、E12為0.5～4.5 GPa，F(xiàn)11、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，每個因素取9個水平，各水平組合見表1。

表1 各因素水平組合

進(jìn)行有限元正向計算，將每種工況下的2號測孔測點對應(yīng)的應(yīng)力量值的計算結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，對應(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，得到了測點的應(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，以2號測孔測點的實測值作為輸入，可得斷層力學(xué)參數(shù)。其中，E11=3.12 GPa，μ11=0.351，E12=2.85 GPa，μ12=0.370。 表 2給出了部分測點的計算值和實測值的對比。計算值與測試值的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.886，說明反演結(jié)果比較可信。

表2 計算值和測試值的比較

3 斷層對應(yīng)力場的擾動效應(yīng)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。

圖3 正應(yīng)力分布

圖4 隧道軸線平面應(yīng)力分量分布

由于斷層的擾動效應(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 結(jié) 語

斷層對地應(yīng)力場的擾動十分復(fù)雜，且斷層的力學(xué)參數(shù)亦難以確定，本文基于現(xiàn)場地應(yīng)力實測資料，通過對斷層的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演及斷層對應(yīng)力場的擾動效應(yīng)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論:

（1）測孔測點的測試值和模擬計算結(jié)果一致，說明本文將斷層及其影響帶簡化為連續(xù)介質(zhì)，并通過力學(xué)參數(shù)的正交設(shè)計采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性反演方法是合理可行的。

（2）由于斷層的擾動效應(yīng)，斷層內(nèi)部及附近區(qū)域有明顯的應(yīng)力分異現(xiàn)象，應(yīng)力量值降低，且斷層厚度越大，應(yīng)力松弛程度越大；在斷層端部 （尖滅處）出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷層長度越大，應(yīng)力集中的程度越高。

（3）在斷層內(nèi)及其附近區(qū)域最大水平主應(yīng)力方位受斷層走向控制，與斷層走向基本平行，而在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。

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