CN107633269A - 岩体质量非线性模糊分级方法 - Google Patents

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

岩体质量非线性模糊分级方法

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。