CN107633269A - 岩体质量非线性模糊分级方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种种岩体质量非线性模糊分级方法,一、根据施工方法,确定单因素类型:饱和单轴抗压强度、岩石质量指标、不连续面间距、不连续面状态系数、地下水;二、确定最终评判类别以及对应的单因素类别,将岩体质量分为I‑V级;三、作出单因素评价,确定模糊关系矩阵:归纳解析隶属函数,选用“S”型分段曲线,计算各级的隶属度,完成单因素评判;四、层次分析法建模步骤:1)建立递阶层次结构模型;2)构造各层次所有判别矩阵;3)层次单排序及一致性检验;4)层次总排序及一致性检验;五、综合评判。本发明基于已有相关理论与实践成果的基础上,在岩体质量分级中引入层次分析法、模糊评判法,进行岩体质量非线性模糊评判分级。
Description
技术领域
本发明涉及岩体质量分级方法,尤其是涉及岩体质量非线性模糊分级方法。
背景技术
岩体质量分级方法分为单要素法和多要素法,单要素法主要按岩体质量指标(RQD)进行划分,多要素法包括岩体地质力学分类(CSIR分类)、巴顿岩体质量(Q)分类、岩体基本质量分级(BQ分级)等。
目前,国内外主要采用多要素法进行岩体质量分级。多要素法通过地质勘测,对岩体各类基本要素进行量化评分,并根据公式综合计算相应指标,从而划分岩体质量类别,指导工程设计。岩体质量分级所涉及的基本要素大致分为三类:一类是与岩性有关的要素,如岩石的饱和单轴抗压强度、变形模量等;另一类是与地质构造有关的要素,如节理密度、岩体完整性、结构面状态等;第三类是与岩体环境有关的要素,如地下水、地应力等。
为确定岩体质量类别,就需各类基本要素的量化评分为一个固定值。但这在实际工程应用中往往存在两个问题:一是在工程的前期阶段,由于地质工作尚未开展或完成,缺乏相对完备的勘测资料,导致一些基本要素无法量化评分为单一值;二是由于地质问题的复杂性,不同部位的统计或试验结果往往不尽相同,甚至相差较大,这就导致岩体基本要素的量化评分通常为一个范围值,而在该范围内不同的取值,计算得到的分级结果可能也会不同。正是由于上述问题的存在,传统的分级方法单纯地按照线性计算,结果在实际应用中往往存在一定的误差。
同时,岩体基本要素在传统的分级方法中,通常按照不同的边界标准,被赋予不同的评分,如岩体地质力学分类中的饱和单轴抗压强度(Rc)评分,当Rc≤25MPa时,取0~2分;当Rc=25~50MPa时,取4分;当Rc=50~100MPa时,取7分。由此边界两端的取值结果即使相差很小,得到的评分却相差很大,可能直接导致分级结果的差别,这在实际工程中是不合理的。这是因为,在工程实践中,岩体基本要素的取值通常为一个范围值,并非单一的固定值,而且分级边界的划分也具有一定的模糊性。因此,岩体分级结果往往具有非线性和模糊性的特点。在岩体质量分级中,较为科学且符合实际的做法,是采用模糊概念划分单因素隶属度,即论域上的元素符合概念的程度,并非绝对的0或1,而是介于0和1之间的一个实数。
发明内容
本发明目的在于提供一种岩体质量非线性模糊分级方法。
为实现上述目的,本发明采取下述技术方案:
本发明所述的种岩体质量非线性模糊分级方法,按照下述步骤进行:
第一步、确定分类评价的对象因素集:
根据施工方法,确定单因素类型:饱和单轴抗压强度、岩石质量指标、不连续面间距、不连续面状态系数、地下水;
第二步、确定评判类别集:
确定最终评判类别以及对应的单因素类别,按照常用分类,将岩体质量分为I-V级;
第三步、作出单因素评价,确定模糊关系矩阵:
归纳解析隶属函数,选用“S”型分段曲线,计算各级的隶属度,完成单因素评判;
对每个单因素进行层次分析法确定权重,根据确定的模糊判别矩阵隶属函数的形式,选择“S”型分段曲线;对岩体指标单独进行评判,即单因素评判;
第四步、采用层次分析法,确定分类因素的权重:
层次分析法建模步骤:1)建立递阶层次结构模型;2)构造各层次所有判别矩阵;3)层次单排序及一致性检验;4)层次总排序及一致性检验;
第五步、综合评判:
一次评判:用加权平均型、几何平均型、单因素决定型、主因素突出型四种函数分别评判;
二次评判:以四种所述一次评判结果作为因素集,采用等权法进行二次评判;以二次评判结果作为最终综合评判结果。
本发明基于已有相关理论与实践成果的基础上,在岩体质量分级中引入层次分析法、模糊评判法,进行岩体质量非线性模糊评判分级。非线性岩体质量模糊分级结果,有助于识别影响岩体质量的最显著参数,能够为分析各类岩体质量特性提供基础,从而为工程判断提供科学依据,为工程设计提供准确设计数据。同时,本发明依据合理、经济、高效的评价原则,遵循分类方法发展的趋势,从不同的施工方法入手,选用不同岩石质量分类因素,引入层次分析法确定每个分类因素确定权重,用加权平均型、几何平均型、单因素决定型、主因素突出型等4种模糊矩阵评判函数法等数学的方法进行非线性的模糊评判,根据模糊评判结果采用等权方法进行二次评判,以二次评判结果作为最终综合评判分类结果,确定类别隶属度。本方法对目前常用的评分法、计算法等线性的、确定的判别方法进行改进,引入层次分析法确定各岩体分类因素的权重;运用层次分析和模糊数学的概念,对各种影响因素进行隶属度的判别;建立了非线性岩体质量模糊分级概念及方法。
附图说明
图1是本发明所述非线性岩体质量模糊分级步骤流程图。
图2是本发明所述饱和单轴抗压强度Rc的隶属函数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1所示,本发明所述的岩体质量非线性模糊分级方法,现以国际通用的岩体地质力学分类(CSIR分类)指标RMR为例,详细分级判别步骤如下:
(1)确定分类评价的对象因素集:因素集,根据不同的施工方法,考虑4~5个因素。
岩体地质力学分类指标RMR,分类时需要5个因素:①饱和单轴抗压强度(Rc);岩石质量指标(RQD);③不连续面间距;④不连续面状态系数;⑤地下水。
(2)确定评判结果集:考虑5个类别,即5个分级。
通常RMR分类结果,分为Ⅰ~Ⅴ5个类别,Ⅰ类为很好的岩石,Ⅱ类为好岩石,Ⅲ类为一般岩石,Ⅳ类为差岩石,Ⅴ类为很差的岩石。
RMR分类对应每个分类因素也分为5个级别,见表1;
表1 RMR分类结果表
。
(3)确定权重:岩体各类要素的权重,采用层次分析方法确定;
单因素模糊评判需要各因素的权重,可以专家指定,但任意性过大,尤其对复杂的评价问题,影响评价结果的质量,而层次分析法不需专家直接给定权系数,只需对因素的两两对比的重要性进行描述即可。
运用层次分析法建模,大体可按下面四个步骤进行:1)建立递阶层次结构模型;2)构造出各层次中的所有判别矩阵;3)层次单排序及一致性检验;4)层次总排序及一致性检验。根据以上层次分析法建模步骤,对RMR各因素进行层次分析,确定的权重如表2、3;
表2 层次分析法各要素重要性指数表
表3 根据层次分析法确定每个因素的权重以及检验结果
。
(4)作出单因素评价,确定模糊关系矩阵;
对分类的单因素值在实数域内连续变化的因素,可考虑分析函数方法确定;通常对连续取值指标分级时就是把变化范围(区间),划分成与级别数相同的若干子区间,清晰分类方法认为每个子区间为一个级别,如饱和单轴抗压强度Rc[0,250],按5级分类可划分为5个子区间,[0,250]=[0,25]U[25,50]U[50,100]U[100,250]U[250,350]。如果按线性分级,分属{5,4,3,2,1}级,假如认为子区间[30,60]应属于3级,那么级别便不随指标值变化而单调变化,或者分级是按指标值非线性变化。即分级与指标值子区间是一一对应的,把这种对应叫指标:即子区间映射;若考虑模糊性,这种对应就不再是一对一,一个子区间可以隶属于不同级别,只是程度不同而已,为此可把清晰分类方法中的对应关系的子区间叫作某级别的主区间,简称级别主区间;例如上述区间[30,60]为Rc属于1级的主区间,偏离该区间的指标值属于1级的程度,即隶属度,肯定小于主区间隶属同一级的隶属度,由此可归纳解析隶属函数,实现单因素评判的分析计算,归纳方法如下:
1)确定指标主区间,由界限值自然划分区间,(如Rc:{0,25,50,100,250}自然分成前述5个区间interval={[0,25],[25,50],[50,100],[100,250],[250,350]},子区间序号n={1,2,3,4,5})。
2)按清晰分类经验选择子区间(interval)到级别的映射,即级别主区间映射序列(order):interval→n,例如选Rc的级别主区间映射序列order={1,2,3,4,5},或理解为函数order(interval)={1,2,3,4,5},即序号为n={1,2,3,4,5}的子区间分别为{1,2,3,4,5}级别的主区间。
3)选择隶属函数的形式,参考有关文献初步觉得选“S”型分段曲线有较好的性质,通用表达形式如下:
左边型
右边型
双边型。
4)计算隶属函数曲线的参数:
参数a、b、c、d、e、f应满足b=(a+c)/2,e=(d+f)/2,对双边型,当c≠d时带有平顶,c=d时没有平顶,如图2所示。
参数可以按形状要求计算出来,对5分级方案,每个指标有5条曲线,级别主区间在中部采用双边型,无平顶时仅区间中点隶属度为1,在最左端采用右边型,在最右端采用左边型。
5)单因素评判:
对5因素5分级,共有25条隶属函数曲线,这样给出一个围岩样本,就可以解析的计算其隶属各级的隶属度,完成单因素评判。
根据以上理论及原则,对以上实例单因素判别结果见表4;
表4 RMR单因素评判结果
。
(5)综合评判:采用两次判别,一次评判用4种评判函数分别评判;二次评判以4种评判结果作为因素集,采用等权方法进行二次评判,以二次评判结果作为最终综合评判结果。
前述单因素评判就是确定某个指标属于各级的隶属度。模糊综合评判和普通评判方法相同,为了进行综合评判,先分别采用下列4中函数计算类别的隶属度:1)加权平均型;2)几何平均型;3)单因素决定型;4)主因素突出型。用4类函数分别计算出隶属度后,在此基础上用等权方法进行二次判别,最后的结果为最终评判结果。
根据以上理论及原则,对以上实例的综合评判(一次、二次判别)结果见表5;
表5 综合评判结果表:各种评判方法得到围岩样品属于各级别的隶属度
。
Claims (1)
1.一种岩体质量非线性模糊分级方法,其特征在于:按照下述步骤进行:
第一步、确定分类评价的对象因素集:
根据施工方法,确定单因素类型:饱和单轴抗压强度、岩石质量指标、不连续面间距、不连续面状态系数、地下水;
第二步、确定评判类别集:
确定最终评判类别以及对应的单因素类别,按照常用分类,将岩体质量分为I-V级;
第三步、作出单因素评价,确定模糊关系矩阵:
归纳解析隶属函数,选用“S”型分段曲线,计算各级的隶属度,完成单因素评判;
对每个单因素进行层次分析法确定权重,根据确定的模糊关系矩阵的隶属函数形式,选择“S”型分段曲线;对岩体指标单独进行评判,即单因素评判;
第四步、采用层次分析法,确定分类因素的权重:
层次分析法建模步骤:1)建立递阶层次结构模型;2)构造各层次所有判别矩阵;3)层次单排序及一致性检验;4)层次总排序及一致性检验;
第五步、综合评判:
一次评判:用加权平均型、几何平均型、单因素决定型、主因素突出型四种函数分别评判;
二次评判:以四种所述一次评判结果作为因素集,采用等权法进行二次评判;以二次评判结果作为最终综合评判结果。
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