一种应力解除法地应力测试的多测点联合解译方法及相关设备

本技术涉及地应力测试与测试数据处理，尤其涉及一种应力解除法地应力测试的多测点联合解译方法及相关设备。

背景技术：

1、地应力是地下洞室、隧道、矿山巷道、水利水电地下工程、边坡工程及深部能源工程设计和稳定性评价的重要基础参数。地应力的大小、方向及其空间变化特征直接影响围岩变形、岩爆倾向、断层活化、支护设计和开挖方案优化。因此，准确获取工程区域内的地应力状态，对地下工程安全设计和施工控制具有重要意义。

2、应力解除法是原位地应力测试中较常用的一类方法。该方法通常在钻孔内安装应变计、空心包体探头、孔径变形测量装置或其他应变测量传感器，通过套芯、套孔或钻孔局部解除等方式释放测点附近岩体中的原始应力，记录不同方向的应变释放响应，并结合钻孔方位、钻孔倾角、传感器布置参数、岩石弹性模量和泊松比等参数，反演测点处的三维地应力状态。

3、在实际工程中，地应力测试通常会在同一钻孔的不同深度位置或同一工程区域内的不同钻孔中布置多个测点。相邻测点或处于同一岩性段、同一构造单元内的测点，往往能够共同反映某一工程区域或地质统计单元的区域背景地应力；而位于不同岩性段、断层两侧、强节理发育带或开挖扰动区内的测点，则可能表现出明显的局部差异。

4、现有应力解除法数据处理方法通常以单个测点为基本对象，分别根据各测点的应变释放数据计算地应力结果。该类方法能够获得单测点的三维地应力分量、主应力大小和方向，但在多测点测试场景下仍存在不足。若多个测点完全独立解译，则难以充分利用相邻测点或相似地质单元内测点之间的共同信息，可能导致区域地应力结果离散性较大；若将多个测点结果简单平均，则又可能掩盖由岩体非均质性、局部结构面、测试误差或施工扰动引起的合理局部差异。

5、此外，不同测点之间是否适合共享地应力信息，不能仅由空间距离决定。两个测点虽然距离较近，但若位于不同岩性段或构造分区内，其地应力状态可能并不一致；某一测点虽然与相邻测点处于同一钻孔内，但若其测试结果明显偏离深度变化趋势，也不宜直接作为可靠的区域约束。因此，需要同时考虑测点空间位置、测点深度、岩性一致性、构造连续性以及初始地应力结果之间的一致程度。

6、另一方面，现有地应力测试通常停留在单测点或区域地应力参数计算层面，缺少根据结果可信范围、测点局部偏差和测点间不一致程度，进一步判断区域参数是否适合直接采用、是否需要分区使用以及是否需要核验或补充测试的处理机制，导致地应力解译结果与工程参数选取之间衔接不足。

技术实现思路

1、本技术实施例的主要目的在于提出一种应力解除法地应力测试的多测点联合解译方法及相关设备，能够提高多测点地应力结果的稳定性、解释合理性和工程适用性。

2、为实现上述目的，本技术实施例的一方面提出了一种应力解除法地应力测试的多测点联合解译方法，包括：

3、获取工程区域内多个应力解除法地应力测试测点的初始数据集，构建多测点测试数据档案；

4、对所述多测点测试数据档案的数据进行统一化处理，并对各测点进行单测点初步解译，得到各测点的初始地应力结果；

5、根据所述多测点测试数据档案，确定各个测点间的相似性关系，得到多测点相似性矩阵；

6、根据各测点的所述初始地应力结果，计算测点间一致性指标，以确定两个相似测点的地应力结果的协调关系；

7、根据所述多测点相似性矩阵和所述测点间一致性指标，确定多测点之间的信息共享权重；

8、将各测点地应力状态作为待估计随机变量，并将所述待估计随机变量分解为区域背景地应力和测点局部偏差，建立多测点联合解译模型；

9、根据所述多测点测试数据档案、所述多测点相似性矩阵、所述信息共享权重以及所述多测点联合解译模型，计算区域背景地应力、各测点局部偏差和各测点地应力状态的联合后验分布；

10、根据所述联合后验分布，输出工程区域或地质统计单元的区域地应力参数、各测点联合修正结果、测点局部偏差和不一致测点标识，进而确定地应力参数的工程应用方式。

11、在一些实施例中，所述获取工程区域内多个应力解除法地应力测试测点的初始数据集，构建多测点测试数据档案，包括：

12、获取各个测点的应变释放数据、测点空间位置、测点深度、钻孔方位、钻孔倾角、传感器布置参数、岩石弹性模量、泊松比、测试时间、采样频率、坐标方向、数据单位和测试记录说明；其中，所述应变释放数据包括各应变通道在应力解除过程中的应变变化曲线、最终释放应变、特征释放应变或经预处理后的有效应变值；所述传感器布置参数包括应变片或应变传感器编号、安装角度、空间方向、与钻孔轴线之间的几何关系以及对应的应变响应系数；

13、获取各测点对应的工程地质信息，其中，所述工程地质信息包括岩性类型、岩体完整程度、节理裂隙发育情况、断层位置、构造单元、开挖扰动区、测点所在洞室或巷道位置以及测点是否位于同一连续岩体范围内；

14、根据获取到的初始数据集，构建得到多测点测试数据档案；

15、其中，所述多测点测试数据档案包括但不限于：测点编号、钻孔编号、测点空间坐标、测点深度、钻孔姿态、应变释放数据、传感器布置参数、岩石弹性参数、工程地质信息和测试记录信息。

16、在一些实施例中，所述对所述多测点测试数据档案的数据进行统一化处理，并对各测点进行单测点初步解译，得到各测点的初始地应力结果，包括：

17、对多个测点的数据进行统一化处理，所述统一化处理包括：坐标系统一、深度基准统一、应力符号约定统一、应变数据格式统一、传感器方向统一和岩石力学参数单位统一；

18、在完成统一化处理后，分别对各测点进行单测点初步解译，对于第个测点，建立测点的应变释放数据与三维地应力张量分量之间的应变-应力响应关系；

19、根据所述应变-应力响应关系，计算各测点的初始地应力结果；其中，所述初始地应力结果包括三维地应力张量分量、最大主应力、中间主应力、最小主应力、最大水平主应力方向、主应力大小不确定性范围、主应力方向不确定性范围以及单测点解译残差，进而得到各测点的初始地应力结果。

20、在一些实施例中，所述根据所述多测点测试数据档案，确定各个测点间的相似性关系，得到多测点相似性矩阵，包括：

21、对于任意两个测点，计算两个测点的空间距离、深度差异、岩性一致性、构造单元一致性、断层同侧性和开挖影响状态相似性；

22、其中，两个测点之间的相似性关系的表达式为：，其中，为测点和之间的相似性指标；为空间距离相似性指标；为深度相似性指标；为岩性一致性指标；为构造连续性指标；为断层同侧性或地质分区一致性指标；为开挖影响状态相似性指标;、、、、、为对应权重系数；

23、根据两个测点之间的相似性关系，计算得到多测点相似性矩阵。

24、在一些实施例中，所述测点间一致性指标包括主应力大小一致性指标、主应力方向一致性指标、应力张量分量一致性指标和深度变化趋势一致性指标中的一种或多种，所述根据各测点的所述初始地应力结果，计算测点间一致性指标，以确定两个相似测点的地应力结果的协调关系，包括：

25、对于主应力大小一致性指标，比较测点和测点的最大主应力、中间主应力、最小主应力或主应力差之间的差异；

26、对于主应力方向一致性指标，比较测点和测点的最大水平主应力方向或三维主应力方向之间的差异；

27、对于应力张量分量一致性指标，比较两个测点在统一工程坐标系下的应力张量分量差异；

28、对于深度变化趋势一致性指标，根据同一钻孔或同一地质统计单元内多个测点的深度位置和初始地应力结果，判断地应力大小、主应力方向或应力分量是否随深度呈现合理变化；

29、其中，测点和测点之间的综合一致性指标的表达式为：；式中，为主应力大小一致性指标；为主应力方向一致性指标；为应力张量分量一致性指标；为深度变化趋势一致性指标；、、、为权重系数。

30、在一些实施例中，所述根据所述多测点相似性矩阵和所述测点间一致性指标，确定多测点之间的信息共享权重，包括：

31、对于任意两个测点和测点，根据两个测点的空间-地质相似性以及两个测点的初始地应力结果在主应力大小、主应力方向、应力张量分量和深度变化趋势，确定两个测点之间的信息共享权重；

32、对每个测点的信息共享权重进行归一化处理，使每个测点从其他测点获得的信息共享强度保持在预设范围内；

33、其中，测点和测点之间的信息共享权重的表达式为：；其中，为测点和测点之间的信息共享权重；为测点间相似性指标；为测点间一致性指标；为防止分母为零的极小正数；

34、根据测点和测点之间的信息共享权重，确定多测点信息共享权重矩阵为：，其中，表示参与联合解译的测点数量。

35、在一些实施例中，所述将各测点地应力状态作为待估计随机变量，并将所述待估计随机变量分解为区域背景地应力和测点局部偏差，建立多测点联合解译模型，包括：

36、对于第个测点，计算区域背景地应力与该测点局部偏差之和，得到地应力状态；

37、计算第个测点的应变释放数据与该测点地应力状态之间的观测关系；

38、根据第个测点的观测误差协方差矩阵，计算该测点应变释放数据对区域背景地应力和测点局部偏差的观测约束；

39、根据多个测点的应变释放数据共同形成多测点观测约束项；

40、将信息共享权重矩阵引入测点局部偏差的先验分布，用于调节不同测点之间共享区域地应力信息的强度；

41、根据测点局部偏差的先验分布，确定由信息共享权重矩阵控制的测点局部偏差约束；

42、对区域背景地应力设置先验约束，最终构建得到多测点联合解译模型。

43、在一些实施例中，所述根据所述联合后验分布，输出工程区域或地质统计单元的区域地应力参数、各测点联合修正结果、测点局部偏差和不一致测点标识，进而确定地应力参数的工程应用方式，包括：

44、结合各测点应变释放数据、应变-应力响应矩阵、信息共享权重矩阵、区域背景地应力先验分布、测点局部偏差先验分布，采用马尔可夫链蒙特卡洛方法、变分推断方法、拉普拉斯近似方法或后验最大化方法计算所述联合后验分布；

45、对于第个后验样本，由区域背景地应力后验样本和测点局部偏差后验样本相加得到第个测点的地应力状态；

46、根据多个后验样本，计算区域背景地应力、各测点局部偏差以及各测点联合修正地应力结果的后验均值、后验标准差和后验可信区间；

47、对于第个测点，由区域背景地应力后验结果和该测点局部偏差后验结果共同确定联合修正后的地应力结果；

48、对每个后验样本中的地应力张量进行特征值和特征向量分解，得到区域背景地应力以及各测点联合修正地应力对应的最大主应力、中间主应力、最小主应力及主应力方向的后验分布；

49、根据所述后验分布，计算主应力大小可信区间、主应力方向可信范围和主应力排序稳定性；

50、当采用后验最大化方法求解所述多测点联合解译模型时，将联合后验分布的负对数形式转换为目标函数进行求解，进而同步获得区域背景地应力参数、各测点联合修正后的地应力结果以及各测点相对于区域背景地应力的局部偏差；

51、根据所述联合后验分布，输出工程区域或地质统计单元的区域地应力参数、各测点联合修正结果、测点局部偏差和不一致测点标识。

52、本技术实施例的另一方面还提供了一种应力解除法地应力测试的多测点联合解译装置，包括：

53、第一模块，用于获取工程区域内多个应力解除法地应力测试测点的初始数据集，构建多测点测试数据档案；

54、第二模块，用于对所述多测点测试数据档案的数据进行统一化处理，并对各测点进行单测点初步解译，得到各测点的初始地应力结果；

55、第三模块，用于根据所述多测点测试数据档案，确定各个测点间的相似性关系，得到多测点相似性矩阵；

56、第四模块，用于根据各测点的所述初始地应力结果，计算测点间一致性指标，以确定两个相似测点的地应力结果的协调关系；

57、第五模块，用于根据所述多测点相似性矩阵和所述测点间一致性指标，确定多测点之间的信息共享权重；

58、第六模块，用于将各测点地应力状态作为待估计随机变量，并将所述待估计随机变量分解为区域背景地应力和测点局部偏差，建立多测点联合解译模型；

59、第七模块，用于根据所述多测点测试数据档案、所述多测点相似性矩阵、所述信息共享权重以及所述多测点联合解译模型，计算区域背景地应力、各测点局部偏差和各测点地应力状态的联合后验分布；

60、第八模块，用于根据所述联合后验分布，输出工程区域或地质统计单元的区域地应力参数、各测点联合修正结果、测点局部偏差和不一致测点标识，进而确定地应力参数的工程应用方式。

61、为实现上述目的，本技术实施例的另一方面提出了一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前面所述的方法。

62、为实现上述目的，本技术实施例的另一方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前面所述的方法。

63、本技术实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。

64、本技术实施例至少包括以下有益效果：本技术提供一种应力解除法地应力测试的多测点联合解译方法及相关设备，该方案通过获取工程区域内多个应力解除法地应力测试测点的初始数据集，构建多测点测试数据档案；对所述多测点测试数据档案的数据进行统一化处理，并对各测点进行单测点初步解译，得到各测点的初始地应力结果；根据所述多测点测试数据档案，确定各个测点间的相似性关系，得到多测点相似性矩阵；根据各测点的所述初始地应力结果，计算测点间一致性指标，以确定两个相似测点的地应力结果的协调关系；根据所述多测点相似性矩阵和所述测点间一致性指标，确定多测点之间的信息共享权重；将各测点地应力状态作为待估计随机变量，并将所述待估计随机变量分解为区域背景地应力和测点局部偏差，建立多测点联合解译模型；根据所述多测点测试数据档案、所述多测点相似性矩阵、所述信息共享权重以及所述多测点联合解译模型，计算区域背景地应力、各测点局部偏差和各测点地应力状态的联合后验分布；根据所述联合后验分布，输出工程区域或地质统计单元的区域地应力参数、各测点联合修正结果、测点局部偏差和不一致测点标识，进而确定地应力参数的工程应用方式。本技术实施例能够提高多测点地应力结果的稳定性、解释合理性和工程适用性。