地应力场反演
优化位移边界反演三维初始地应力场的研究
优化位移边界反演三维初始地应力场的研究
地应力是引起地壳变形的内因，它对工程建筑的安全与稳定具有重要的影响。
由于地应力不能直接测量，因此需要通过反演计算来获取。
优化位移边界反演三维初始地应力场是一种有效的方法。
这种方法主要是通过在已知位移边界条件下，利用有限元方法进行数值模拟，调整地应力参数使模型的位移或应变与实际观测值尽可能一致，从而得到最优的地应力场。
研究优化位移边界反演三维初始地应力场主要包括以下几个方面：
1. 建立合理的地质模型和力学模型。
这是反演计算的基础，需要考虑地层的分布、岩性的变化、构造的作用等因素。
2. 确定位移边界条件。
这需要根据实际的地质情况和工程需求来确定。
3. 选择优化算法。
常用的优化算法有遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法等。
4. 验证和评估反演结果。
可以通过与实际观测数据的对比，或者进行敏感性分析等方式来验证和评估反演结果的准确性和可靠性。
通过优化位移边界反演三维初始地应力场的研究，可以为工程设计提供科学依据，有助于预防地质灾害，保障工程安全。
岩体初始地应力场的反演回归分析
所谓初始地应力场 ,就是岩体中的应力状态 ,它 由重力和历次地质构造作用而产生 ,又由于岩石的 物理特性 、风化 、剥蚀等作用而变化 ,其应力不断地 释放和重分布 ,而成为当前的残留应力状态 ,并且它 使施工开挖后造成的应力重分布. 而地应力 ,从地质 年代看 ,它是随时间 、空间而变化的非稳定场[1] . 对 于一般工程建设而言 ,初始地应力场可视为忽略时 间因素 (地质年代) 的相对稳定的应力场 ,且认为地 应力场主要由自重场和构造场组成 ,这就为问题的 解决提供了方便.
地下工程的失稳主要是由于开挖过程中引起的 应力重分布超过围岩强度或造成围岩过分变形而造 成的 ,而应力重分布是否会达到危险的程度要看初 始地应力场的具体情形而定 ,所以地应力是影响地 下洞室等工程稳定的最重要的基本因素之一. 随着 我国诸多大型工程项目建设的进行 ,需要搞清楚工 程现场岩体的各种复杂状态 ,其中岩体的初始地应 力场就是一个首要的问题. 地应力场是地质力学与 岩体力学研究的基本内容之一 ,工程建筑地区的区 域稳定性能否合理解决 ,取决于是否提供了一个较 符合实际情况的地应力场. 而其中初始地应力场是 地下工程从开挖到支护等仿真全过程分析计算的基 础 ,对于合理地进行地下工程设计与施工具有很大 的现实意义 ,如何合理地提供工程中可用的三维初 始地应力场 ,是地下工程中面临的一个现实问题.
对图 1 所示考察域 , 若取 z 向为垂直向上 , x , y 分别取水平方向 , 对此构造场 σ构 无非由下列几种 因素组合而成 :由垂直于 x 轴的面加沿 x 方向的法 向分布荷载引起的σ构1 ;由垂直于 y 轴的面加沿 y 方
作者简介 :邵国建 (1963 —) ,男 ,浙江宁波人 ,副教授 ,博士 ,从事工程结构非线性分析研究. ·36 ·
某隧道三维地应力场反演分析
5.32
10.14
5.055.Leabharlann 410.484.98
5.19
10.10
5.15
6.41
10.37
6.33
6.59
11.27
6.41
5.47
9.64
4.21
5.12
8.14
5.42
【作者简介】 唐宝利（1980—），男，研究生，研究方向：岩土工程。 104 发明与创新
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i =1
（二）初始地应力场影响因素及边界约束条件
回归地应力场表达式为：
σ = (l1σ1 + l2σ1∆ ) + (l3σ 2 + l4σ 2∆ ) + l5σ 3 + l6σ 4 + l7σ 5 + l8σ 6 + l9σ ∇ + ε k
其中： σ 为初始地应力值； σ1 、 σ 2 分别为沿东西向、南 北向水平边界施加的1cm均匀挤压位移； σ1∆ 、 σ 2∆ 分别为沿
·工程教育前沿·
（三）计算范围及计算模型 考虑数值计算边界约束条件并结合研究区域实际工程地质 条件，确定计算区域如图1所示。依据上述计算区域图及区域 工程地质条件，采用三维有限差分计算方法和摩尔-库伦本构 模型建立三维地质模型并进行相应的网格剖分，共划分四面体 单元164243个，节点32484个，计算网格剖分见图2。计算区域 模拟了研究区域内强风化、中风化和微风化地层，具体地层岩 体力学参数取自于室内三轴试验及参数反演结果，研究区域各 地层岩体力学参数见表2。
表1 研究区域地应力实测表
测点编 号
深部开采初始地应力场非线性反演新方法
深部开采初始地应力场非线性反演新方法汪伟;罗周全;秦亚光;姚曙;颜克俊【摘要】Aiming at rock brittle-ductile transition and frequent underground pressure activity in deep Fankou mine, geostress measurement was carried out by using developed LUT over-coring system in deep level. Considering complex geological modeling, inversion load expression and nonlinear mapping between load factors and measured stress, the nonlinear loading words and load parameters searching program were compiled, and thus a new nonlinear inversion method of geostress field characterized by chaotic search theory was put forward. The new inversion method was applied in the Fankou mine. The results show that the inversed stress fits well with measured stress, and the average fitting accuracy exceeds 90%. The nonlinear chaotic method is reasonable and workable for geostress field inversion, which can lay an effective foundation for safe production in deep mining level.%针对凡口矿深部开采面临的岩体脆-延性过渡、地压活动频繁等现状,采用改进型LUT套孔应力测定系统开展矿山深部原岩应力实测工作.对514组国内地应力实测值进行拟合分析,综合考虑复杂地质体建模、反演载荷表达、载荷系数与应力实测值之间的非线性映射,编写非线性加载命令及载荷系数搜索程序,提出以混沌搜索理论为核心的地应力场非线性反演新方法.将该方法应用于凡口矿深部初始地应力场反演.研究结果表明:应力反演值与实测值平均拟合精度达90%;将非线性混沌方法用于地应力场反演是可行的,能为深部安全开采提供有效支撑.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)003【总页数】9页(P804-812)【关键词】深部开采;初始地应力场;非线性载荷;混沌搜索;反演分析【作者】汪伟;罗周全;秦亚光;姚曙;颜克俊【作者单位】中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;凡口铅锌矿,广东韶关,512325;凡口铅锌矿,广东韶关,512325【正文语种】中文【中图分类】TD311随着社会经济发展对矿产需求量的大幅度增加，浅部资源日趋枯竭，许多矿山已进入深部开采阶段。
雪峰山公路隧道地应力场反演及工程应用
的作用下产生的自重应力场 ,计算模型侧面及底面
加场 : 在 2 个侧面分别施加水平方向单
位均布压力来模拟水平方向构造作用力 ,对非加载
侧面边界和底部边界的约束条件与自重应力场模拟
时相同 。对水平面内剪切应力的模拟 ,则通过施加
边界位移来模拟 。
2 雪峰山公路隧道初始地应力场的反演分 析
直向上方向为 Z 轴 ,计算区域平面和钻孔位置示意
图 ,见图 1。对计算区域共离散为 20 531 个等参单元 ,
15 485 个节点 ,有限元网格见图 2。根据地应力场的
弹性假定 ,采用线弹性材料本构模型 ,应用国际标准
通用有限元分析程序 ANSYS 进行子应力场的求解 。
图 1 计算区域平面与钻孔位置 Figure 1 Layout of concerned region and drilling holes
图 2 三维有限元网格 Figure 2 3D FEM meshes
σ1jkσ2jk
σ1jkσjnk
k=1 j=1
k=1 j=1
k=1 j=1
m6
m6
∑∑ ∑∑ 对
(σ2jk ) 2
σ2jkσjnk
k=1 j=1
k=1 j=1
⁝ ⁝
⁝ ×
m6
∑∑ 称
(σjnk ) 2
k=1 j=1
m6
∑∑σj3kσ1jk
第1期
朱光仪 ,等 :雪峰山公路隧道地应力场反演及工程应用
73
的岩体力学参数见表 1 。
2. 2 计算区域及有限元模型
雪峰山隧道区域内 ,地应力测量钻孔共有 3 个 ,
表 1 岩体力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rockmass
简述地应力场反演的流程。
简述地应力场反演的流程。
地应力场反演的流程：
1.获取反演所需资料：点应力观测值、预定波速度等。
2.根据前人研究，确定反演模型和参数，利用曼哈顿近似法、平面分割法等定量分析参数和模型。
3.确定目标函数，以最小化反演模型对应的目标函数，计算最佳匹配系数，确定应力场的张量形式。
4.采用计算机匹配算法，求解反演的最小二乘拟合分析问题，根据匹配系数得出其结果。
5.计算反演结果的合理性，根据计算结果，重新研究反演的真实性或近似性。
6.对反演结果进行评价，对估算出来的应力分布情况和物理意义进行检验，进一步完善模型和参数确定。
地应力场边界条件反演的粒子群-差分进化耦合方法
为个体极值，记为：
pbest ( pi1, pi2 ,, pi6 ),i 1,2,, N
（3）
整个粒子群迄今为止搜索到的最优位置为全局极值（称
收稿日期：2018-09-07 作者简介：王国旺，中国葛洲坝集团第一工程有限公司。
第5期
王国旺等：地应力场边界条件反演的粒子群-差分进化耦合方法
215
为全局适应度），即当前所有计算应力分量与实测应力分量 方差和为最小时对应的 Vi，记为
导致粒子群的早熟收敛，因此引入差分进化方法与粒子群耦
合。 已有文献表明[20]差分进化（DE）算法的性能优于粒子群
和其它进化算法，己成为一种求解非线性、不可微、多极值
和高维的复杂函数的一种有效和鲁棒的方法，但目前在国内
的研究和应用较少。当粒子群出现早熟迹象时，将当前最优
（2）
由于地应力存在多个分量，寻优过程中存在对应于单个
应力分量的最优值，称为个体最优解。对应于所有应力分量
的最优值称为全局最优解。
迄今为止搜索到的个体最优位置，即某位移分量对应的
N 个计算应力分量与相应实测应力分量（例如由水平位移分
量
ui1
引起的对应的计算应力
i xx
及实测应力分量
xx
）方
差和（称为个体适应度）的最小值对应的 xij，j=1，2…6 称
第 19 卷 第 5 期 2019 年 5 月
中国水运 China Water Transport
Vol.19
No.5
May
2019
地应力场边界条件反演的粒子群-差分进化耦合方法
王国旺 1，夏新兵 2，3，郭运华 2
（1.中国葛洲坝集团第一工程有限公司，湖北 宜昌 443000；2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，湖北 武 汉 430070；3. 中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160）
地应力反演与油气成藏的关系
地应力是控制油气运移，集聚的重要因素之一地壳在地应力作用下，发
生构造运动和岩层变形，岩层的变形产生孔隙的体积变化，压缩或膨胀使岩 层内孔隙流体压力增加或 减小，产生孔隙流体压力梯度或势差，推动流体在 岩层内流动。在流动过程中，遇到合适的 圈闭，油气就会聚集成藏，形成油 田。
岩层的变形也导致孔隙度和渗透率的改变，从而影响渗流的速度和方向。近 年来，很多 作者关注地应力对油气运移的驱动作用，油田应力场与油气运移、
地应力驱动油气运移理论基础
1 地应力与流体速度关系 达西通过试验确定了流体流过孔隙介质的流速。他将流体在孔隙介质中
的流速定义 为单位时间，流过单位面积流体通过的体积。流速正比于该点孔 隙压力梯度。
式中: Vx，Vy，Vz 为流速沿 x，y，z 方向上的分量; η 为流体的粘度; k 为介质的渗透 系数。达西所表示的公式是用水头高度 h 来表示的。我们这里 采用压力的形式更为方便。渗 透率是影响流体流动的重要参数，而渗透率如 前所述，同样也与地应力有关。 由上述分析可见，孔隙岩层中流体的流动速 度决定于孔隙压力梯度，渗透系数和流体的 粘度。
( 3) 中央背斜带，有多处低应力区。油藏的分布与低应力区和低势区有很好 的对 应关系，已有油藏大多位于低应力区和低势区，说明地应力对该区油藏有控制作 用。 ( 4) 地应力随深度增加，深部应力高，浅部应力低，油气由深部向浅部运移。反 向屋脊处应力值低，这是形成反向屋脊类型油藏的重要原因之一。 ( 5) 根据应力场和运移势场并结合地质构造，可对油藏进行预测，同时对剩油进 行了评估，为油田勘探开发提供科学依据。
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地应力场反演
地应力场反演是指根据地下测量数据和观测结果，推断地下的地应力分布情况。
地应力是地质力学中一个重要的参数，它描述了地下岩石或土体所受到的应力状态。
在地应力场反演过程中，通常采用以下步骤：
1.数据采集：首先，需要进行地下测量和观测，如岩石力学
试验、地球物理勘测（如地震勘测、地电阻率测量）以及
测量地下水位等。
这些数据可以提供关于地下构造和力学
性质的信息。
2.数据解释与模拟：基于采集到的数据，可以进行解释和模
拟分析，以了解地下的地质结构和应力场分布。
使用地球
物理建模、地质力学模型、数值模拟等方法对数据进行处
理和分析，得到初步的地应力估计结果。
3.反演算法与优化：在地应力场反演中，可以使用不同的算
法和优化方法，如逆问题求解、最小二乘拟合、反演优化
等，将观测数据与模拟结果进行比较，通过不断调整模型
参数和拟合误差，逐步优化地应力场的反演结果。
4.结果验证与解释：最后，需要对反演结果进行验证和解释。
通过与现场实测数据或已知的地质结构、构造特征进行对
比，对反演结果的合理性和可靠性进行评估，并解释地下
应力分布的原因。
地应力场反演是一项复杂的工作，需要综合应用地质学、地球
物理学、地球力学和数学等多学科知识。
同时，由于地下情况的复杂性和测量数据的不确定性，反演结果可能存在一定的误差和不确定性，因此在解释和应用反演结果时需要谨慎分析。