一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法及装置，其中方法包括：进行压力水作用下的膨胀试验，获得吸水率与水压的一阶导函数；将一阶导函数引用渗流微分方程中，建立渗流场中吸水‑膨胀演化模型；建立热分析模型与渗流场中吸水‑膨胀演化模型的对应关系，利用比水容、岩石相对于水的相对密度、膨胀应力、材料的弹性模量和硬石膏岩的膨胀模量以及热分析模型中的膨胀系数和硬石膏岩实际的膨胀系数，换算热分析模型中的导热系数、边界处温度或热通量的具体值，以及比热容、热膨胀系数表达式；建立通用计算流程，利用通用计算流程，模拟渗流和吸水‑膨胀演化作用下围岩变形与支护受力随时间变化的过程，并输出模拟结果。

A simulation method and device of anhydrite tunnel considering expansion evolution

【技术实现步骤摘要】
一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法及装置
本专利技术涉及隧道模拟
，尤其涉及一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法及装置。
技术介绍
渗流运动对膨胀岩隧道的稳定性及变形特点影响显著。相比于其它膨胀岩，渗流过程对硬石膏岩隧道的影响更为明显，体现在硬石膏岩隧道的两个典型特征：膨胀时间漫长(包括渗流时间与吸水时间)和没有明显稳定的膨胀压力(渗流作用导致吸水量随时间变化)。工程中，常通过室内试验获得一个岩石试件的膨胀力，把它作为一个固定的输入参数，用于模拟膨胀岩隧道的变形特征。然而现有工程中，常通过室内试验获得一个岩石试件的膨胀力，把它作为一个输入参数，用于模拟膨胀岩隧道的变形特征，并不能体现渗流对膨胀岩的影响，更不能反映出隧道硬石膏围岩膨胀的演化及空间分布特征。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种克服上述问题之一或者至少部分地解决上述任一问题的考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法及装置。为达到上述目的，本专利技术的技术方案具体是这样实现的：本专利技术的一个方面提供了一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法，包括：进行压力水作用下的膨胀试验，获得吸水率与水压的一阶导函数；将一阶导函数引用渗流微分方程中，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型；建立热分析模型与渗流场中吸水-膨胀演化模型的对应关系，利用比水容、岩石相对于水的相对密度、膨胀应力、材料的弹性模量和硬石膏岩的膨胀模量以及热分析模型中的膨胀系数和硬石膏岩实际的膨胀系数，换算热分析模型中的导热系数、边界处温度或热通量的具体值，以及比热容、热膨胀系数表达式；建立通用计算流程，利用通用计算流程，模拟渗流和吸水-膨胀演化作用下围岩变形与支护受力随时间变化的过程，并输出模拟结果。其中，进行压力水作用下的膨胀试验，获得吸水率与水压的一阶导函数包括：进行不同水压条件下硬石膏岩的膨胀测试，拟合出水压与吸水率之间的关系；根据水压与吸水率之间的关系，确定压力水头与含水率之间的关系；根据压力水头与含水率之间的关系，获得吸水率与水压的一阶导函数。其中，将一阶导函数引用渗流微分方程中，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型包括：根据吸水率与水压的一阶导函数确定岩石比水容的取值；根据岩石比水容的取值，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型。其中，通用计算流程包括：建立几何模型划分网络；对几何模型进行赋参数与施加边界条件及热荷载；进行热传导稳态计算获得初始状态；进行热传导瞬态计算，得到瞬时状态；提取膨胀围岩单元的温度；更新材料的比热容及热膨胀系数；存储热膨胀系数与初始温度；判断是否达到终止时间，如果不是则增加时间返回执行进行热传导瞬态计算，得到瞬时状态的步骤；如果是则保存计算结果进入结构分析流程，其中，结构分析流程包括：模拟地应力，模拟开挖及支护，提取热膨胀系数赋予单元，把温度转换为荷载施加于围岩，模拟围岩的膨胀效应。其中，更新材料的比热容及热膨胀系数包括：当某一单元的温度小于其上一步的温度时，设置热膨胀系数为零；当硬石膏岩达到理论最大膨胀量，定义达到最大膨胀量的单元为最大膨胀单元，定义此时压力水头对应的温度为最大膨胀温度，当某一单元温度大于最大膨胀温度时，按最大膨胀温度与某一单元温度的比值设置热膨胀系数；当某一单元的温度大于等于上一步的温度且小于最大膨胀温度的单元，利用比水容与比热容的换算关系，设置热膨胀系数。本专利技术另一方面提供了一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟装置，包括：计算模块，用于进行压力水作用下的膨胀试验，获得吸水率与水压的一阶导函数；建立模块，用于将一阶导函数引用渗流微分方程中，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型；换算模块，用于建立热分析模型与渗流场中吸水-膨胀演化模型的对应关系，利用比水容、岩石相对于水的相对密度、膨胀应力、材料的弹性模量和硬石膏岩的膨胀模量以及热分析模型中的膨胀系数和硬石膏岩实际的膨胀系数，换算热分析模型中的导热系数、边界处温度或热通量的具体值，以及比热容、热膨胀系数表达式；模拟模块，用于建立通用计算流程，利用通用计算流程，模拟渗流和吸水-膨胀演化作用下围岩变形与支护受力随时间变化的过程，并输出模拟结果。其中，计算模块通过如下方式进行压力水作用下的膨胀试验，获得吸水率与水压的一阶导函数：计算模块，具体用于进行不同水压条件下硬石膏岩的膨胀测试，拟合出水压与吸水率之间的关系；根据水压与吸水率之间的关系，确定压力水头与含水率之间的关系；根据压力水头与含水率之间的关系，获得吸水率与水压的一阶导函数。其中，建立模块通过如下方式将一阶导函数引用渗流微分方程中，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型：建立模块，具体用于根据吸水率与水压的一阶导函数确定岩石比水容的取值；根据岩石比水容的取值，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型。其中，模拟模块通过如下方式建立通用计算流程：模拟模块，具体用于建立几何模型划分网络；对几何模型进行赋参数与施加边界条件及热荷载；进行热传导稳态计算获得初始状态；进行热传导瞬态计算，得到瞬时状态；提取膨胀围岩单元的温度；更新材料的比热容及热膨胀系数；存储热膨胀系数与初始温度；判断是否达到终止时间，如果不是则增加时间返回执行进行热传导瞬态计算，得到瞬时状态的步骤；如果是则保存计算结果进入结构分析流程，其中，结构分析流程包括：模拟地应力，模拟开挖及支护，提取热膨胀系数赋予单元，把温度转换为荷载施加于围岩，模拟围岩的膨胀效应。其中，模拟模块通过如下方式更新材料的比热容及热膨胀系数：模拟模块，具体用于当某一单元的温度小于其上一步的温度时，设置热膨胀系数为零；当硬石膏岩达到理论最大膨胀量，定义达到最大膨胀量的单元为最大膨胀单元，定义此时压力水头对应的温度为最大膨胀温度，当某一单元温度大于最大膨胀温度时，按最大膨胀温度与某一单元温度的比值设置热膨胀系数；当某一单元的温度大于等于上一步的温度且小于最大膨胀温度的单元，利用比水容与比热容的换算关系，设置热膨胀系数。由此可见，本专利技术实施例提供的考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法及装置，基于压力水作用下的膨胀试验，从唯象学的角度，获得吸水率对水压的一阶导函数。把该导函数引入渗流微分方程中，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型。基于此模型与热分析模型在数学表达式上的一致性，借助ANSYS热分析模型，建立通用计算流程，模拟渗流和吸水-膨胀演化作用下围岩变形与支护受力随时间变化的过程。采用渗流场中吸水-膨胀演模型，能够实现模拟硬石膏岩吸水-膨胀演化的目的，即能模拟出水的渗流、岩石吸水以及岩石膨胀随时间的动态变化，这使得模拟结果与真实情况更接近；采用渗流场中吸水-膨胀演化模型与ANSYS热分析模型间的参数对应关系，能够简单、便捷的获得模拟结果，用于分析膨胀演化对隧道的影响。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法，其特征在于，包括：/n进行压力水作用下的膨胀试验，获得吸水率与水压的一阶导函数；/n将所述一阶导函数引用渗流微分方程中，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型；/n建立热分析模型与所述渗流场中吸水-膨胀演化模型的对应关系，利用比水容、岩石相对于水的相对密度、膨胀应力、材料的弹性模量和硬石膏岩的膨胀模量以及热分析模型中的膨胀系数和硬石膏岩实际的膨胀系数，换算所述热分析模型中的导热系数、边界处温度或热通量的具体值，以及比热容、热膨胀系数表达式；/n建立通用计算流程，利用所述通用计算流程，模拟渗流和吸水-膨胀演化作用下围岩变形与支护受力随时间变化的过程，并输出模拟结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟方法，其特征在于，包括：
进行压力水作用下的膨胀试验，获得吸水率与水压的一阶导函数；
将所述一阶导函数引用渗流微分方程中，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型；
建立热分析模型与所述渗流场中吸水-膨胀演化模型的对应关系，利用比水容、岩石相对于水的相对密度、膨胀应力、材料的弹性模量和硬石膏岩的膨胀模量以及热分析模型中的膨胀系数和硬石膏岩实际的膨胀系数，换算所述热分析模型中的导热系数、边界处温度或热通量的具体值，以及比热容、热膨胀系数表达式；
建立通用计算流程，利用所述通用计算流程，模拟渗流和吸水-膨胀演化作用下围岩变形与支护受力随时间变化的过程，并输出模拟结果。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行压力水作用下的膨胀试验，获得吸水率与水压的一阶导函数包括：
进行不同水压条件下硬石膏岩的膨胀测试，拟合出水压与吸水率之间的关系；
根据所述水压与所述吸水率之间的关系，确定压力水头与含水率之间的关系；
根据所述压力水头与所述含水率之间的关系，获得吸水率与水压的一阶导函数。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述将所述一阶导函数引用渗流微分方程中，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型包括：
根据所述吸水率与水压的一阶导函数确定岩石比水容的取值；
根据所述岩石比水容的取值，建立渗流场中吸水-膨胀演化模型。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通用计算流程包括：
建立几何模型划分网络；
对所述几何模型进行赋参数与施加边界条件及热荷载；
进行热传导稳态计算获得初始状态；
进行热传导瞬态计算，得到瞬时状态；
提取膨胀围岩单元的温度；
更新材料的比热容及热膨胀系数；
存储热膨胀系数与初始温度；
判断是否达到终止时间，如果不是则增加时间返回执行进行热传导瞬态计算，得到瞬时状态的步骤；如果是则保存计算结果进入结构分析流程，其中，所述结构分析流程包括：模拟地应力，模拟开挖及支护，提取热膨胀系数赋予单元，把温度转换为荷载施加于围岩，模拟围岩的膨胀效应。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述更新材料的比热容及热膨胀系数包括：
当某一单元的温度小于其上一步的温度时，设置所述热膨胀系数为零；
当硬石膏岩达到理论最大膨胀量，定义达到最大膨胀量的单元为最大膨胀单元，定义此时压力水头对应的温度为最大膨胀温度，当某一单元温度大于最大膨胀温度时，按最大膨胀温度与某一单元温度的比值设置所述热膨胀系数；
当某一单元的温度大于等于上一步的温度且小于最大膨胀温度的单元，利用比水容与比热容的换算关系，设置所述热膨胀系数。


6.一种考虑膨胀演化的硬石膏岩隧道模拟装置，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建勋，王庶懋，
申请(专利权)人：中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31