高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法技术

本发明专利技术涉及一种高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法，包括1）通过现场勘探、测试与分析，获得施工现场软岩的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数以及体积模量；2）计算弹性与塑性区域交界处径向应力；3）确定围岩塑性区域半径；4）计算得到洞壁处围岩位移；5）针对不同支护压力和软岩流变过程中的不同时刻，根据计算围岩塑性区域范围与洞壁处软岩位移，明确高应力洞室流变性软岩稳定性，进行相应工程支护设计。本发明专利技术提供了一种能够快速得到理论结果、过程较为简单、可在工程中具备更广泛的适用性以及可确保计算结果的正确性的高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法。

【技术实现步骤摘要】
高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法
本专利技术属于矿山建设
，涉及一种软岩稳定性分析的解析计算方法，尤其涉及一种高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法。
技术介绍
当前，在地下空间深部开挖软岩时，岩体容易发生大变形现象，从而造成岩体坍塌、支护破坏与人员伤亡。一般地，高应力与流变特性这两种因素都能致使软岩发生大变形现象，软岩所处的高应力条件致使其塑性范围增大，且很多软岩自身所具备的流变特性也使得其变形随着时间增大。在实际工程中，当处在高应力深埋条件下开挖流变性软岩时，从设计角度上来讲，应准确预测软岩随时间变化的岩体流变变形以及岩体塑性区域范围，明确软岩稳定性情况。这可为支护设计提供理论指导，也为人员安全提供保障。既有的方法主要是数值模拟方法，即利用数值软件对高应力软岩隧道掘进进行建模计算，根据模拟结果，对支护安全性与围岩稳定性进行分析。然而，这种方法虽然能够准确模拟开挖工序，但是操作过程复杂，工程人员较难使用。另外，也有一些研究者提出了高应力软岩流变变形数值或解析计算方法，但是有的将岩土材料视为弹性材料，然而实际情况下高应力软岩塑性区域较大，弹性假定可能会大大低估围岩变形；还有一些研究给出的岩体弹黏性本构关系本身即存在问题，无法反应软岩真实流变特性，且未与数值模拟或者现场实测获取的结果进行验证，准确性并不强。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种能够快速得到理论结果、过程较为简单、可在工程中具备更广泛的适用性以及可确保计算结果的正确性的高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法，其特征在于：所述高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法包括以下步骤：1)通过现场勘探、测试与分析，获得施工现场软岩的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数以及体积模量；2)根据步骤1)中获得的软岩强度参量以及初始地应力计算弹性与塑性区域交界处径向应力；3)根据步骤1)中获取得到的隧道半径、软岩强度参量、支护压力以及步骤2)中计算得到的弹性与塑性区域交界处径向应力确定围岩塑性区域半径；4)根据步骤1)中获取得到的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数、体积模量、步骤2)计算得到的弹性与塑性区域交界处径向应力以及步骤3)确定的围岩塑性区域半径计算得到洞壁处围岩位移；5)针对不同支护压力和软岩流变过程中的不同时刻，根据步骤3)以及步骤4)分别计算围岩塑性区域范围与洞壁处软岩位移，明确高应力洞室流变性软岩稳定性，进行相应工程支护设计。作为优选，本专利技术在步骤1)中的软岩强度参量的具体获取方式是：其中：Y与α分别是两种软岩强度参量，单位为无量纲；c是软岩粘聚力，单位是MPa；是软岩摩擦角，单位是°；所述软岩流变参量的具体获取方式是：其中：Gk是软岩Kelvin体剪切模量，单位是MPa；ηK是软岩Kelvin体黏滞系数，单位是MPa/d；GM是软岩Maxwell体剪切模量，单位是MPa；ηM是软岩Maxwell体黏滞系数，单位是MPa/d；G(t)是软岩流变参量，单位是MPa；作为优选，本专利技术在步骤2)的具体实现方式是：其中：σr,cri为弹性与塑性区域交界处径向应力；σ0是软岩所处位置的初始地应力，单位是MPa；Y与α分别是两种软岩强度参量，单位是无量纲；作为优选，本专利技术在步骤3)的具体实现方式是：其中：Rp是围岩塑性区域半径，单位是m；R0是隧道半径，单位m；Y与α分别是两种软岩强度参量，单位是无量纲；pi是洞壁处软岩受到的支护压力，单位是MPa；σr,cri为弹性与塑性区域交界处径向应力；作为优选，本专利技术在步骤4)的具体实现方式是：所述计算参量A、B、C的具体表达式是：其中：u0是洞壁处围岩位移；R0是隧道半径，单位m；Kψ为软岩的剪胀系数，单位是无量纲；ψ是软岩的剪胀角，单位是°；Rp是围岩塑性区域半径；Y与α分别是两种软岩强度参量，单位是无量纲；pi是洞壁处软岩受到的支护压力，单位是MPa；G(t)是软岩流变参量，单位是MPa；t是时间，单位是天；K是软岩体积模量，单位MPa；σ0是软岩所处位置的初始地应力，单位是MPa；σr,cri为弹性与塑性区域交界处径向应力。专利技术的优点是：本专利技术提供了一种高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法，包括1)通过现场勘探、测试与分析，获得施工现场软岩的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数以及体积模量；2)根据步骤1)中获得的软岩强度参量以及初始地应力计算弹性与塑性区域交界处径向应力；3)根据步骤1)中获取得到的隧道半径、软岩强度参量、支护压力以及步骤2)中计算得到的弹性与塑性区域交界处径向应力确定围岩塑性区域半径；4)根据步骤1)中获取得到的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数、体积模量、步骤2)计算得到的弹性与塑性区域交界处径向应力以及步骤3)确定的围岩塑性区域半径计算得到洞壁处围岩位移；5)针对不同支护压力和软岩流变过程中的不同时刻，根据步骤3)以及步骤4)分别计算围岩塑性区域范围与洞壁处软岩位移，明确高应力洞室流变性软岩稳定性，进行相应工程支护设计。本专利技术所涉及的步骤均基于最新的研究成果，改进了计算软岩流变变形存在的一些不足，在工程中具备更广泛的适用性，也可确保计算结果的正确性；此外，与既有的较为繁琐的数值模拟方法相比，本专利技术所公开的解析方法只须输入相关参数即可实现求解，能够快速得到理论结果，过程较为简单。附图说明图1是本专利技术实施例涉及的高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法的流程图；图2是本专利技术实施例涉及的高应力条件下软岩受力示意图；图3是本专利技术实施例涉及的不同流变时刻下洞壁围岩位移随支护压力变化曲线；图4是本专利技术实施例涉及的洞壁围岩位移随支护压力变化曲线。具体实施方式以下结合附图对本专利技术涉及的高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法的具体实施方案进行详细地说明。本专利技术提供了一种高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法，包括以下步骤：1)通过现场勘探、测试与分析，获得施工现场软岩的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数以及体积模量；软岩强度参量的具体获取方式是：其中：Y与α分别是两种软岩强度参量，单位是无量纲；c是软岩粘聚力，单位是MPa；是软岩摩擦角，单位是°；软岩流变参量的具体获取方式是：其中：Gk是软岩Kelvin体剪切模量，单位是MPa；ηK是软岩Kelvin体黏滞系数，单位是MPa/d；GM是软岩Maxwell体剪切模量，单位是MPa；ηM是软岩Maxwell体黏滞系数，单位是MPa/d；G(t)是软岩流变参量，单位是MPa。2)根据步骤1)中获得的软岩强度参量以及初始地应力计算弹性与塑性区域交界处径向应力，具体实现方式是：其中：σr，cri为弹性与塑性区域交界处径向应力；σ0是初始地应力，单位是MPa；σr,cri为弹性与塑性区域交界处径向应力；σ0是软岩所处位置的初始地应力，单位是MPa；Y与α分别是两种软岩强度参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法，其特征在于：所述高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法包括以下步骤：1)通过现场勘探、测试与分析，获得施工现场软岩的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数以及体积模量；2)根据步骤1)中获得的软岩强度参量以及初始地应力计算弹性与塑性区域交界处径向应力；3)根据步骤1)中获取得到的隧道半径、软岩强度参量、支护压力以及步骤2)中计算得到的弹性与塑性区域交界处径向应力确定围岩塑性区域半径；4)根据步骤1)中获取得到的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数、体积模量、步骤2)计算得到的弹性与塑性区域交界处径向应力以及步骤3)确定的围岩塑性区域半径计算得到洞壁处围岩位移；5)针对不同支护压力和软岩流变过程中的不同时刻，根据步骤3)以及步骤4)分别计算围岩塑性区域范围与洞壁处软岩位移，明确高应力洞室流变性软岩稳定性，进行相应工程支护设计。

【技术特征摘要】
1.一种高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法，其特征在于：所述高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法包括以下步骤：1)通过现场勘探、测试与分析，获得施工现场软岩的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数以及体积模量；2)根据步骤1)中获得的软岩强度参量以及初始地应力计算弹性与塑性区域交界处径向应力；3)根据步骤1)中获取得到的隧道半径、软岩强度参量、支护压力以及步骤2)中计算得到的弹性与塑性区域交界处径向应力确定围岩塑性区域半径；4)根据步骤1)中获取得到的初始地应力、支护压力、隧道半径、软岩流变参量、软岩强度参量、剪胀系数、体积模量、步骤2)计算得到的弹性与塑性区域交界处径向应力以及步骤3)确定的围岩塑性区域半径计算得到洞壁处围岩位移；5)针对不同支护压力和软岩流变过程中的不同时刻，根据步骤3)以及步骤4)分别计算围岩塑性区域范围与洞壁处软岩位移，明确高应力洞室流变性软岩稳定性，进行相应工程支护设计。2.根据权利要求1所述的高应力地下洞室流变性软岩稳定性分析的解析计算方法，其特征在于：所述软岩强度参量的具体获取方式是：其中：Y与α分别是两种软岩强度参量，单位是无量纲；c是软岩粘聚力，单位是MPa；是软岩摩擦角，单位是°；所述软岩流变参量的具体获取方式是：其中：Gk是软岩Kelvin体剪切模量，单位是MPa；ηK是软岩Kelvin体黏滞系数，单位是MPa/d；GM是软岩...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔岚，潘雨，盛谦，沈强，崔博，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42