CN110889177B - 基于多目标模糊优选动态规划的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多目标模糊优选动态规划的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，构建多油缸布置动态规划的时间序列；确定多油缸布置动态规划的变量矩阵X和目标评价矩阵A；根据试验的准确性和科学性，确定多油缸布置动态规划的约束条件矩阵，并建立多油缸布置的初始方案集矩阵C；利用归一化处理和最小二乘法，建立目标评价矩阵A的综合相对优属度矩阵R，通过归一化处理，建立各个方案的综合熵值，根据模糊优选算法中熵值最大原则，建立各个方案可行性的判定准则；根据多油缸布置动态规划的时间序列，从T₁到T_n，得到各个时间序列的优选方案集，再从T_n到T₁，逆向验算优选方案集，最终得到多油缸布置的最优方案集。本发明提高了试验结果的准确性和科学性。

Description

基于多目标模糊优选动态规划的系列尺寸岩体锚固结构面剪 切试验的多油缸布置方法

技术领域

本发明涉及基于多目标模糊优选动态规划的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，属于室内物理力学试验技术领域。

背景技术

近几年来，随着我国经济快速发展，一些关系到国计民生的大型建设项目如中西部大型水电工程、高速公路和高速铁路、深部资源开采、战略石油储备以及核电工程等相继实施，工程区岩体的稳定性及灾变问题相当突出，尤其大型露天矿山、水利等边坡的滑坡地质灾害，轻则严重影响生产，重则造成人员伤亡和设备及矿产资源的重大损失。大量文献研究表明，大型边坡地质灾害的根本原因多为其内部的结构面在一定载荷作用下滑移，导致上覆岩体整体失稳。锚固技术是岩土工程加固的一种重要手段，以其独特的加固效益、便捷的施工工艺和相对低廉的经济造价在岩石工程领域得到大力发展和广泛使用。目前一些学者采用大尺寸混凝土或岩石试件(结构面尺寸介于30cm×30cm和30cm×80cm范围)和高强度钢筋(直径8～40mm)开展了单节理或双节理直剪试验，但文献大多针对小型岩体结构面(结构面长度最大不超过100cm)，结构面尺寸与工程现场相差较大，获得的锚固结构面抗剪强度数据与实际值有一定差异，需进行从小尺寸到大尺寸岩体锚固结构面(结构面长度从10cm～1000cm、锚杆数量由少到多)剪切试验。目前，系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的实施还存在一些技术难题：(1)传统的岩体结构面剪切试验采用单个油缸，加载位置为试样端部，照此方法进行大尺寸试样剪切试验时，试样端部易产生应力集中导致局部先破坏，且单个油缸无法提供足够大的推力；(2)在试样浇筑时插入钢板作为牛腿结构，采用多油缸加载，可提供足够大的推力，但多油缸布置的设计是难题，设计不合理不仅导致试验结果不准确、可行度不高，也会因试验尺寸变化而导致油缸布置不合理，试验设计重复浪费；(3)系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置属于动态规划问题，需要满足多个目标，且设计参数较多，导致计算过程较模糊复杂。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于多目标模糊优选动态规划的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，能解决大型系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置难题，避免了试样局部提前破坏、多油缸并行加载导致试验结果可信度不高、系列尺寸剪切试验多油缸布置重复浪费的缺点，提高了试验结果的准确性和科学性，为大型岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于多目标模糊优选动态规划的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，包括以下步骤：

1)依据大型岩体锚固结构面剪切试验的试验需求，包括结构面系列尺寸大小、锚杆直径和锚杆间排距，确定锚杆布置的排数和列数，根据列数构建多油缸布置动态规划的时间序列T＝(T₁,T₂…T_n)；

2)根据实验室提供的条件，确定多油缸布置动态规划的变量矩阵X，包括牛腿结构的宽度X₁、牛腿结构的数量X₂、牛腿布置的位置X₃、端部油缸的数量X₄、侧边油缸的数量X₅、标准液压油缸的载荷吨位X₆和尺寸X₇等参数，所述牛腿布置的位置X₃为各牛腿与首排锚杆的距离；

3)根据试验的安全性、经济性、准确性和效率高低，确定多油缸布置动态规划的目标评价矩阵A，该矩阵由试样端部的应力集中程度A₁、牛腿结构邻近岩体的应力集中程度A₂、端部与侧边油缸数量之比A₃、相邻牛腿之间的安全系数A₄、牛腿结构的造价A₅、油缸的造价A₆、油缸载荷吨位富余系数A₇组成；

4)根据试验的准确性和科学性，确定多油缸布置动态规划的约束条件矩阵，该矩阵如公式(1)所示；

式中，F_油为油缸提供的总切向载荷，F_抗为锚固结构面的最大抗剪力，L_牛为相邻牛腿的之间的距离，L_油为油缸的长度，L_行为结构面上盘的行程，S_峰为结构面达到峰值抗剪强度时上盘的位移，σ_局为上盘端部的局部集中应力，σ_单为上盘单轴抗压强度，W_牛为牛腿结构的宽度，D_间为锚杆布置的间排距；

5)根据步骤2)～4)，建立多油缸布置的初始方案集矩阵C；

6)利用归一化处理和最小二乘法，建立步骤3)中目标评价矩阵A的综合相对优属度矩阵R，该矩阵既包含定量的目标，又包含定性的目标；

7)通过归一化处理，建立各个方案的综合熵值，根据模糊优选算法中熵值最大原则，建立各个方案可行性的判定准则，可行的方案即为优选的方案，如公式(2)所示，

式中，Q_综为各个方案的综合熵值，Q_允为方案可行的阈值；

8)根据步骤1)中的多油缸布置动态规划的时间序列，从T₁到T_n，重复步骤2)～7)，局部调整变量矩阵X，得到各个时间序列的优选方案集；

9)根据多油缸布置动态规划的时间序列，从T_n到T₁，逆向验算步骤8)中的优选方案集，局部调整变量矩阵X，最终得到系列尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸布置的最优方案集。

进一步，所述步骤1)中，多油缸布置动态规划的时间序列，T₁,T₂…T_n分别与1,2…n列锚杆对应。

所述步骤2)中，标准液压油缸需要符合中华人民共和国机械行业标准(《液压缸技术条件》JBT102052000)，保证剪切试验结果的科学性和准确性。

所述步骤3)中，应力集中程度是通过有限元数值计算得到，相邻牛腿之间的安全系数A₄是指L_牛与(L_油+L_传+L_行+W_牛)的比值，油缸载荷吨位富余系数A₇指F_油与F_抗的比值。

本发明中，多目标模糊优选动态规划算法计算效率高，计算结果较精确，对系列尺寸剪切试验的多油缸布置系统地计算，有利于避免后续因试验尺寸变化而导致油缸布置不合理，减少了重复浪费的试验设计；

本发明的有益效果为：能解决大型系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置难题，避免了试样局部提前破坏、多油缸并行加载导致试验结果可信度不高、系列尺寸剪切试验多油缸布置重复浪费的缺点，提高了试验结果的准确性和科学性，为大型岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据。对于大型露天矿山边坡和水利边坡减少投资、降低生产成本、保证开采安全有着重要的意义；同时操作简便，计算效率高，适用范围较宽。

附图说明

图1是本发明的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试样油缸布置示意图，其中，1为锚杆，2为试样，3为牛腿，4为油缸。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

参照图1，一种基于多目标模糊优选动态规划的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，包括以下步骤：

1)依据大型岩体锚固结构面剪切试验的试验需求，包括结构面系列尺寸大小、锚杆直径和锚杆间排距，确定锚杆布置的排数和列数，根据列数构建多油缸布置动态规划的时间序列T＝(T₁,T₂…T_n)；

2)根据实验室提供的条件，确定多油缸布置动态规划的变量矩阵X，包括牛腿结构的宽度X₁、牛腿结构的数量X₂、牛腿布置的位置X₃、端部油缸的数量X₄、侧边油缸的数量X₅、标准液压油缸的载荷吨位X₆和尺寸X₇参数，所述牛腿布置的位置X₃为各牛腿与首排锚杆的距离；

3)根据试验的安全性、经济性、准确性和效率高低，确定多油缸布置动态规划的目标评价矩阵A，该矩阵具体由试样端部的应力集中程度A₁、牛腿结构邻近岩体的应力集中程度A₂、端部与侧边油缸数量之比A₃、相邻牛腿之间的安全系数A₄、牛腿结构的造价A₅、油缸的造价A₆、油缸载荷吨位富余系数A₇组成；

4)根据试验的准确性和科学性，确定多油缸布置动态规划的约束条件矩阵，该矩阵如公式(1)所示；

式中，F_油为油缸提供的总切向载荷，F_抗为锚固结构面的最大抗剪力，L_牛为相邻牛腿的之间的距离，L_油为油缸的长度，L_行为结构面上盘的行程，S_峰为结构面达到峰值抗剪强度时上盘的位移，σ_局为上盘端部的局部集中应力，σ_单为上盘单轴抗压强度，W_牛为牛腿结构的宽度，D_间为锚杆布置的间排距；

5)根据步骤2)～4)，建立多油缸布置的初始方案集矩阵C；

6)利用归一化处理和最小二乘法，建立步骤3)中目标评价矩阵A的综合相对优属度矩阵R，该矩阵既包含定量的目标，又包含定性的目标；

7)通过归一化处理，建立各个方案的综合熵值，根据模糊优选算法中熵值最大原则，建立各个方案可行性的判定准则，可行的方案即为优选的方案，如公式(2)所示，

式中，Q_综为各个方案的综合熵值，Q_允为方案可行的阈值；

8)根据步骤1)中的多油缸布置动态规划的时间序列，从T₁到T_n，重复步骤2)～7)，局部调整变量矩阵X，得到各个时间序列的优选方案集；

9)根据多油缸布置动态规划的时间序列，从T_n到T₁，逆向验算步骤(8)中的优选方案集，局部调整变量矩阵X，最终得到系列尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸布置的最优方案集。

进一步，所述步骤1)中，多油缸布置动态规划的时间序列，T₁,T₂…T_n分别与1,2…n列锚杆对应。

所述步骤2)中，标准液压油缸需要符合中华人民共和国机械行业标准(《液压缸技术条件》JBT102052000)，保证剪切试验结果的科学性和准确性。

所述步骤(3)中，应力集中程度是通过有限元数值计算得到，相邻牛腿之间的安全系数A₄是指L_牛与(L_油+L_传+L_行+W_牛)的比值，油缸载荷吨位富余系数A₇指F_油与F_抗的比值。

本实施例的多目标模糊优选动态规划算法计算效率高，计算结果较精确，对系列尺寸剪切试验的多油缸布置系统地计算，有利于避免后续因试验尺寸变化而导致油缸布置不合理，减少了重复浪费的试验设计。

本实施例的方法能解决大型系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置难题，避免了试样局部提前破坏、多油缸并行加载导致试验结果可信度不高、系列尺寸剪切试验多油缸布置重复浪费的缺点，提高了试验结果的准确性和科学性，为大型岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据。对于大型露天矿山边坡和水利边坡减少投资、降低生产成本、保证开采安全有着重要的意义；同时操作简便，计算效率高，适用范围较宽。

Claims (4)

1.一种系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)依据大型岩体锚固结构面剪切试验的试验需求，包括结构面系列尺寸大小、锚杆直径和锚杆间排距，确定锚杆布置的排数和列数，根据列数构建多油缸布置动态规划的时间序列T＝(T₁,T₂…T_n)；

2)根据实验室提供的条件，确定多油缸布置动态规划的变量矩阵X，包括牛腿结构的宽度X₁、牛腿结构的数量X₂、牛腿布置的位置X₃、端部油缸的数量X₄、侧边油缸的数量X₅、标准液压油缸的载荷吨位X₆和尺寸X₇等参数，所述牛腿布置的位置X₃为各牛腿与首排锚杆的距离；

3)根据试验的安全性、经济性、准确性和效率高低，确定多油缸布置动态规划的目标评价矩阵A，该矩阵由试样端部的应力集中程度A₁、牛腿结构邻近岩体的应力集中程度A₂、端部与侧边油缸数量之比A₃、相邻牛腿之间的安全系数A₄、牛腿结构的造价A₅、油缸的造价A₆、油缸载荷吨位富余系数A₇组成；

4)根据试验的准确性和科学性，确定多油缸布置动态规划的约束条件矩阵，该矩阵如公式(1)所示；

式中，F_油为油缸提供的总切向载荷，F_抗为锚固结构面的最大抗剪力，L_牛为相邻牛腿的之间的距离，L_油为油缸的长度，L_行为结构面上盘的行程，S_峰为结构面达到峰值抗剪强度时上盘的位移，σ_局为上盘端部的局部集中应力，σ_单为上盘单轴抗压强度，W_牛为牛腿结构的宽度，D_间为锚杆布置的间排距；

5)根据步骤2)～4)，建立多油缸布置的初始方案集矩阵C；

6)利用归一化处理和最小二乘法，建立步骤3)中目标评价矩阵A的综合相对优属度矩阵R，该矩阵既包含定量的目标，又包含定性的目标；

7)通过归一化处理，建立各个方案的综合熵值，根据模糊优选算法中熵值最大原则，建立各个方案可行性的判定准则，可行的方案即为优选的方案，如公式(2)所示，

式中，Q_综为各个方案的综合熵值，Q_允为方案可行的阈值；

8)根据步骤1)中的多油缸布置动态规划的时间序列，从T₁到T_n，重复步骤2)～7)，局部调整变量矩阵X，得到各个时间序列的优选方案集；

9)根据多油缸布置动态规划的时间序列，从T_n到T₁，逆向验算步骤8)中的优选方案集，局部调整变量矩阵X，最终得到系列尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸布置的最优方案集。

2.如权利要求1所述的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，其特征在于，所述步骤1)中，多油缸布置动态规划的时间序列，T₁,T₂…T_n分别与1,2…n列锚杆对应。

3.如权利要求1或2所述的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，其特征在于，所述步骤2)中，标准液压油缸需要符合中华人民共和国机械行业标准《液压缸技术条件》JBT102052000，保证剪切试验结果的科学性和准确性。

4.如权利要求1或2所述的系列尺寸岩体锚固结构面剪切试验的多油缸布置方法，其特征在于，所述步骤3)中，应力集中程度是通过有限元数值计算得到，相邻牛腿之间的安全系数A₄是指L_牛与(L_油+L_传+L_行+W_牛)的比值，油缸载荷吨位富余系数A₇指F_油与F_抗的比值。

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