水-力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法技术

本发明专利技术水

【技术实现步骤摘要】
水
‑
力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及隧道
，特别涉及水
‑
力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法。

技术介绍

[0002]在隧道建设、养护、运营的长期过程中，隧道大变形一直是众多隧道与地下工程面临的突出和棘手的挑战之一，经前人学者研究发现，引起隧道发生大变形的因素主要有围岩强度、地应力大小、地下水发育情况、支护结构强度以及时效性作用，其中，时效性是指在实际隧道工程中，大变形的发生具有滞后时效性，即隧道开挖施工时不会立即发生大变形，而在二衬施作完成后几个月、甚至几年里，围岩应力重新分布，在时间效应的作用下围岩和支护结构持续发生变形导致坍塌、侵限等灾害发生。
[0003]此外，围岩具有非均质、非线性、非连续等特点，在隧道开挖过程中频繁受到加、卸荷的作用，同时承受着复杂的边界条件，致使多场耦合下的隧道力学问题无法用简单的理想化模型求解。
[0004]现有的隧道大变形数值模拟研究中，大多数集中在隧道开挖瞬时围岩及支护结构的应力、位移变化情况，没有考虑大变形的滞后时效性。此外，在数值模拟参数选取上，多依据经验取值或参数试算，模拟结果与现场实际工程情况有较大出入。
[0005]通过上述分析，现有技术在隧道大变形数值模拟中存在的问题及缺陷主要为：
[0006](1)现有的隧道大变形数值模拟通常会忽略隧道支护结构施作完成后时效性对隧道的影响，不能反映出水
‑
力作用下隧道的变形与应力随时间变化的规律。r/>[0007](2)现有的隧道大变形数值模拟中参数取值多依据经验取值或参数试算，与实际情况有出入，导致数值模拟结果与真实大变形情况偏差大。

技术实现思路

[0008]本专利技术所解决的技术问题：提供一种水
‑
力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，解决现有技术中不能重现水
‑
力作用下隧道大变形滞后时效性现象，进而不能反映水
‑
力作用下隧道的变形与应力在支护结构施作完成后随时间变化的规律的问题。
[0009]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案：水
‑
力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，包括以下步骤：
[0010]S01、获取隧道断面尺寸、支护结构类型及尺寸、地下水位面高度和岩层倾斜角，建立隧道模型，并将所述隧道模型划分为六面体单元网格，随后依次将围岩、支护结构和开挖岩体划分为不同的组；
[0011]S02、定义所述隧道模型的边界条件，并设置围岩应力；
[0012]S03、定义隧道模型渗流条件；
[0013]S04、对隧道模型赋予初始本构模型，并设置模型参数；
[0014]S05、对隧道模型求解，获得初始应力平衡的模型状态；
[0015]S06、再对隧道模型赋予蠕变本构模型，并设置蠕变本构模型参数；
[0016]S07、然后对开挖岩体分组赋予null模型，对支护结构分组赋予elastic模型，并设定elastic模型参数；
[0017]S08、设定多个时间点，通过隧道模型计算，获得所述多个时间点对应的云图。
[0018]进一步的，步骤S05中，如果未能获得初始应力平衡的模型状态，则返回第一步，重新划分网格。
[0019]进一步的，步骤S05中，所述初始应力平衡的模型状态为模型最大不平衡力值低于默认标准值，所述标准值为1
×
10
‑5。
[0020]进一步的，步骤S02中，所述边界条件为位移边界条件，即：上表面设置为自由边界，其余各表面均约束法向方向位移，使得所述其余各表面不会随应力的改变发生移动；所述围岩应力与隧道实际受到的地应力一致，所述隧道实际受到的地应力包括第一主应力、第二主应力和第三主应力，通过工程现场地应力测量获得。
[0021]进一步的，步骤S03中，所述渗流条件包括渗透系数、水的密度、水的抗拉强度和水的体积模量，所述渗透系数通过三轴渗透试验获取，所述三轴渗透试验过程为：将岩样围压设置成第三主应力大小，所述岩样为圆柱体，通过纯净水在岩样上下两端分别施加大小不同的孔隙水压力，形成渗透压力差，使得纯净水从压力高的一端向压力低的一端渗透，当渗透压力差达到稳定状态后，记录一定时间内水流入岩样的体积，根据达西定律计算出岩样的渗透系数K，其中μ1为水的动力粘滞系数，L为岩样高度，V为Δt时间段内水流入的体积，Δt为时间段，ΔP为渗透压力差，S为岩样的横截面面积。
[0022]进一步的，步骤S04中，所述初始本构模型为Mohr
‑
Coulomb模型，所述模型参数包括岩体密度ρ、体积模量K
B
、剪切模量G、黏聚力C和内摩擦角所述岩体密度ρ采用多个岩样密度的平均值，岩样的密度通过岩样的质量除以岩样的体积获得，所述体积模量所述剪切模量其中E为弹性模量，μ为泊松比；所述弹性模量E、泊松比μ、黏聚力C和内摩擦角通过岩样的三轴压缩试验获得。
[0023]进一步的，步骤S06中，所述蠕变本构模型为Burgers
‑
Mohr模型，所述Burgers
‑
Mohr模型由Burgers模型与Mohr
‑
Coulomb模型组合而成，所述Burgers模型由Maxwell模型与Kelvin模型串联而成，所述蠕变本构模型参数包括体积模量K
B
、黏聚力C、内摩擦角、Maxwell元件的弹性模量E1和黏滞系数η1以及Kelvin元件的弹性模量E2和黏滞系数η2。
[0024]进一步的，所述Maxwell元件的弹性模量E1和黏滞系数η1以及Kelvin元件的弹性模量E2和黏滞系数η2通过三轴蠕变试验获得。
[0025]进一步的，所述支护结构包括锚杆、初衬和二衬；所述elastic模型参数包括支护结构的体积模量和剪切模量；即锚杆的体积模量K
m
和剪切模量G
m
、初衬的体积模量K
c
和剪切模量G
c
以及二衬的体积模量K
e
和剪切模量G
e
。
[0026]进一步的，所述云图包括孔隙水压力云图、围岩位移云图、围岩应力云图、锚杆位移云图、锚杆应力云图、初衬位移云图、初衬应力云图、二衬位移云图和二衬应力云图。
[0027]本专利技术的有益效果：本专利技术水
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力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，利用在隧道中采集的岩样开展三轴渗透试验、三轴压缩试验和三轴蠕变试验并计算数值模拟
所需参数，在FLAC3D中建立隧道模型，定义所述隧道模型的边界条件，并设置围岩应力，然后定义隧道模型渗流条件，并依次对隧道模型赋予初始本构模型和蠕变本构模型，随即进行隧道开挖与支护结构施作，再设定多个时间点进行数值模拟计算，获得不同时间点对应的云图，通过相应的云图获得水
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力作用下时效性对隧道大变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水
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力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S01、获取隧道断面尺寸、支护结构类型及尺寸、地下水位面高度和岩层倾斜角，建立隧道模型，并将所述隧道模型划分为六面体单元网格，随后依次将围岩、支护结构和开挖岩体划分为不同的组；S02、定义所述隧道模型的边界条件，并设置围岩应力；S03、定义隧道模型渗流条件；S04、对隧道模型赋予初始本构模型，并设置模型参数；S05、对隧道模型求解，获得初始应力平衡的模型状态；S06、再对隧道模型赋予蠕变本构模型，并设置蠕变本构模型参数；S07、然后对开挖岩体分组赋予null模型，对支护结构分组赋予elastic模型，并设定elastic模型参数；S08、设定多个时间点，通过隧道模型计算，获得所述多个时间点对应的云图。2.根据权利要求1所述的水
‑
力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，步骤S05中，如果未能获得初始应力平衡的模型状态，则返回第一步，重新划分网格。3.根据权利要求1或2所述的水
‑
力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，步骤S05中，所述初始应力平衡的模型状态为模型最大不平衡力值低于默认标准值，所述标准值为1
×
10
‑5。4.根据权利要求3所述的水
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力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，步骤S02中，所述边界条件为位移边界条件，即：上表面设置为自由边界，其余各表面均约束法向方向位移，使得所述其余各表面不会随应力的改变发生移动；所述围岩应力与隧道实际受到的地应力一致，所述隧道实际受到的地应力包括第一主应力、第二主应力和第三主应力，通过工程现场地应力测量获得。5.根据权利要求4所述的水
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力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，步骤S03中，所述渗流条件包括渗透系数、水的密度、水的抗拉强度和水的体积模量，所述渗透系数通过三轴渗透试验获取，所述三轴渗透试验过程为：将岩样围压设置成第三主应力大小，所述岩样为圆柱体，通过纯净水在岩样上下两端分别施加大小不同的孔隙水压力，形成渗透压力差，使得纯净水从压力高的一端向压力低的一端渗透，当渗透压力差达到稳定状态后，记录一定时间内水流入岩样的体积，根据达西定律计算出岩样的渗透系数K，其中μ1为水的动力粘滞系数，L为岩样高度，V为Δt时间段内水流入的体积，Δt为时间段，...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈小七，蔡云，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：