【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道建设，具体涉及一种隧道围岩小应变求解方法、计算机存储介质和设备。
技术介绍
1、在隧道的建设和运营过程中，隧道围岩会受到地应力等荷载的影响而发生微小的变形。这些微小变形可能导致围岩产生裂缝和松动等问题，从而影响隧道的安全性和稳定性。因此，在掘进过程中准确评估围岩的变形对于隧道的设计和施工至关重要。
2、现有隧道围岩变形的评估方法包括理论解析、数值模拟和缩尺模型试验。其中，缩尺模型试验是根据隧道实际工况，按照一定比例进行缩尺试验，进而评估隧道围岩的变形情况，该方法通常存在耗时长和成本高的问题；另外，缩尺模型试验在设计相似比和研制材料方面存在一定的困难，有时甚至难以找到符合要求的材料，进而难以正确反映足尺工况；而数值模拟是利用数值模拟软件对隧道围岩的受力情况进行模拟计算，预测围岩的变形和稳定性，其存在计算成本偏高，且在计算过程中往往难以收敛的问题。与这两种方法相比，理论解析基于理论方法进行围岩变形评估，能够在保证相同精度的情况下更为简便。
3、在理论解析研究中，评估隧道围岩变形的关键在于岩石力学行为的准确掌握。随着围岩远离隧道洞壁，径向应力逐渐增大，围岩呈现出明显的非线性行为。然而，现有理论解析方法往往忽略了岩石的非线性行为，岩石的非线性行为包括应变硬化、应变软化和剪胀等现象。特别对于硬岩隧道而言，围岩开挖后通常产生的变形在初始开挖半径的10％以内，属于小应变分析范畴。这种小应变情况涵盖了弹性变形、塑性变形、剪切变形和蠕变变形等变形机制。然而，现有理论解析未能全面考虑岩石非线性行为对围岩小应
4、因此，为了获得更具实用性的理论计算模型，用于为硬岩隧道支护结构体系的设计提供可靠的理论指导，有必要提出一种综合考虑岩石非线性行为的隧道围岩小应变求解方法、计算机存储介质和设备。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供一种隧道围岩小应变求解方法、计算机存储介质和设备，具体技术方案如下：
2、在第一方面，本专利技术提供了一种隧道围岩小应变求解方法，包括：
3、步骤s1、获取隧道围岩工况参数；
4、步骤s2、采用隧道围岩工况参数求解得到塑性区临界支撑压力σrp，进而确定围岩塑性区；
5、步骤s3、将围岩塑性区按照由隧道径向内端至径向外端的方向等分成n环，并令i＝n，确定第i-1环的塑性环向应变εpθ(i-1)和第i-1环的塑性径向应变εpr(i-1)；其中，n为大于等于2且小于等于106之间的任一自然数；i为大于等于0且小于等于n之间的任一自然数；
6、步骤s4、更新εpθ(i-1)和εpr(i-1)；
7、步骤s5、在matlab中将步骤s2-s4进行循环迭代求解，且每循环迭代一次结束后令i＝i-1以便进行下一次循环迭代，直至i＝0时停止循环迭代，得到围岩塑性区的塑性环向应变分布情况、塑性径向应变分布情况和径向位移分布情况。
8、可选的，在步骤s2中，联立围岩初始屈服面方程(1)、塑性区边界处的径向应力σr表达式(2)和塑性区边界处的环向应力σθ表达式(3)求解得塑性区临界支撑压力σrp；
9、
10、σr＝σrp (2)；
11、σθ＝2p0-σrp(3)；
12、
13、其中，p0为地应力；σc为单轴抗压强度；mb0为初始屈服面上岩石硬度参数；s0为初始屈服面上岩石破碎参数；
14、当隧道支护力pi<σrp时，将隧道围岩确定为围岩塑性区。
15、可选的，在步骤s3中，确定εpθ(i-1)和εpr(i-1)的过程包括：
16、步骤s3.1、确定第i环上峰值强度面的临界塑性剪切应变γp[1](i)和第i环上残值强度面的临界塑性剪切应变γp[2](i)；
17、采用式(4)表示γp[1](i)和γp[2](i)：
18、其中，b[1]为应变硬化围压效应系数，c[1]为单轴压缩试验所得峰值强度面上的临界塑性剪切应变，b[2]为应变软化围压效应系数，c[2]为单轴压缩试验所得残值强度面上的临界塑性剪切应变；σr(i)为第i环的径向应力；
19、当第i环的塑性剪切应变γp(i)<γp[1](i)时，隧道围岩处于应变硬化阶段，第i环的岩石硬度参数mb(i)和岩石破碎参数s(i)采用式(5)表示：
20、
21、其中，k1为岩石硬化参数，mb1为峰值强度面上岩石硬度参数，s1为峰值强度面上岩石破碎参数；
22、当γp[1](i)≤γp(i)<γp[2](i)时，隧道围岩处于应变软化阶段，第i环的mb(i)和s(i)采用式(6)表示：
23、其中，k2为岩石软化参数，mb2为残值强度面上岩石硬度参数，s2为残值强度面上岩石破碎参数；
24、步骤s3.2、由式(4)-(6)和第i-1环的径向应力σr(i-1)求解得到第i-1环围岩满足的屈服方程f(σr(i-1),γp(i))；f(σr(i-1),γp(i))采用式(7)表示：
25、
26、其中，σθ(i-1)为第i-1环的环向应力；σr(i-1)＝δσr+σr(i)；δσr为塑性区径向应力逐环释放量；σr(0)为第0环的径向应力；σr(n)为第n环的径向应力；
27、由式(7)求得σθ(i-1)＝f(σr(i-1),γp(i))+σr(i-1)(8)；
28、步骤s3.3、在围岩塑性区的第i-1环弹性环向应变εeθ(i-1)和第i-1环弹性径向应变εer(i-1)采用式(9)表示：
29、其中，r0为隧道初始开挖半径；v为岩石泊松比；e为岩石弹性模量；
30、将无量纲半径、式(9)获得的εeθ(i-1)和εer(i-1)代入式(10)得到第i-1环的塑性环向应变εpθ(i-1)；
31、
32、其中，εθ(i)为第i环的环向应变；εpr(i)为第i环的塑性径向应变；εpθ(i)为第i环的塑性环向应变；ρ(i)为第i环无量纲半径；ρ(i-1)为第i-1环的无量纲半径；f(σr(i),γp(i))为第i环围岩满足的屈服方程；
33、步骤s3.4、根据非关联法则式(11)采用包括εpθ(i-1)和第i-1环的剪胀系数hψ(i-1)确定第i-1环的塑性径向应变εpr(i-1)；
34、
35、其中，hψ(i-1)为第i-1环的剪胀系数；hψ(i-1)采用式(12)表示：
36、
37、其中，hψ,peak(i-1)为第i-1环的峰值剪胀系数；为第i-1环的剪胀角峰值；为岩石内摩擦角的峰值。
38、可选的，采用式(13)将围岩塑性区的半径无量纲化处理；
39、
40、其中，rp为塑性区半径；r(i)为第i环的计算半径；r(i-1)为第i-1环的计算本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤S2中，联立围岩初始屈服面方程(1)、塑性区边界处的径向应力σr表达式(2)和塑性区边界处的环向应力σθ表达式(3)求解得塑性区临界支撑压力σrp；
3.根据权利要求2所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤S3中，确定εpθ(i-1)和εpr(i-1)的过程包括：
4.根据权利要求3所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，采用式(13)将围岩塑性区的半径无量纲化处理；
5.根据权利要求4所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，采用式(15)确定第i-1环的塑性剪切应变γp(i-1)；
6.根据权利要求5所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤S4中，将γp(i-1)替换步骤S3中的γp(i)得到第i-1环上峰值强度面的临界塑性剪切应变γp[1](i-1)和第i-1环上残值强度面的临界塑性剪切应变γp[2](i-1)；将γp[1](i-1)和γp[2](i-1)带入式(4)得到式(16
7.根据权利要求6所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤S5中，经循环迭代求解得到围岩塑性区每一环的εpθ(i)和εpr(i)，进而得到围岩塑性区的塑性环向应变和塑性径向应变分布情况；
8.根据权利要求1-7任一项所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤S1中，所述隧道围岩工况参数包括初始屈服面上岩石硬度参数mb0、初始屈服面上岩石破碎参数s0、峰值强度面上岩石硬度参数mb1、峰值强度面上岩石破碎参数s1、残值强度面上岩石硬度参数mb2、残值强度面上岩石破碎参数s2、单轴抗压强度σc、隧道初始开挖半径R0、隧道支护力pi、地应力p0、岩石泊松比v、岩石弹性模量E、应变硬化围压效应系数b[1]、单轴压缩试验所得峰值强度面上的临界塑性剪切应变c[1]、应变软化围压效应系数b[2]、单轴压缩试验所得残值强度面上的临界塑性剪切应变c[2]、岩石硬化参数k1、岩石软化参数k2、岩石内摩擦角的峰值
9.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求8所述的隧道围岩小应变求解方法。
10.一种设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求8所述的隧道围岩小应变求解方法。
...【技术特征摘要】
1.一种隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤s2中，联立围岩初始屈服面方程(1)、塑性区边界处的径向应力σr表达式(2)和塑性区边界处的环向应力σθ表达式(3)求解得塑性区临界支撑压力σrp；
3.根据权利要求2所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤s3中，确定εpθ(i-1)和εpr(i-1)的过程包括：
4.根据权利要求3所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，采用式(13)将围岩塑性区的半径无量纲化处理；
5.根据权利要求4所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，采用式(15)确定第i-1环的塑性剪切应变γp(i-1)；
6.根据权利要求5所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤s4中，将γp(i-1)替换步骤s3中的γp(i)得到第i-1环上峰值强度面的临界塑性剪切应变γp[1](i-1)和第i-1环上残值强度面的临界塑性剪切应变γp[2](i-1)；将γp[1](i-1)和γp[2](i-1)带入式(4)得到式(16)；
7.根据权利要求6所述的隧道围岩小应变求解方法，其特征在于，在步骤s5中，经循环迭代求...
【专利技术属性】
技术研发人员：李亮，张太忠，陈嘉骏，彭琦，赵炼恒，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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