一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，定义了非线性黏壶元件，提出一种将节理与蠕变相结合的非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型，描述节理发生屈服后岩质体强度参数软化程度；推导出该模型ZSI

【技术实现步骤摘要】
一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法


[0001]本专利技术涉及大跨度暗挖隧道施工领域，尤其涉及一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法。

技术介绍

[0002]在大跨度隧道施工过程中，隧道结构两侧岩体的变形不仅仅与空间效应相关，往往与时间也有关系，所谓时间效应就是岩体在外力、水力、温度、地质特征及施工扰动等各种环境、地质与工程因素作用下，岩土材料及岩体结构与时间相隔的力学行为、本构关系、失稳与破坏规律。如隧道主体结构开挖初期变形并不明显，但随着时间的增长，隧道的变形越来越严重，甚至出现了失稳破坏。因此，系统地研究岩土体在特定环境和条件下的流变理论的工程应用、更加有效地评价岩体工程的长期稳定性和运营安全，具有重要的理论价值和工程意义。
[0003]现阶段，隧道穿越不良岩质体(节理面、断层、夹层)是不可避免的技术难题，但对于不良岩质体(节理面、断层、夹层)隧道尚未形成成熟的工程经验，目前的研究方法中无法模拟岩质体加速蠕变阶段的特点，不能充分反应节理岩体的特性。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，以克服目前的研究方法中无法模拟岩质体加速蠕变阶段的特点，不能充分反应节理岩体特性的技术问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0006]一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，包括如下步骤：
[0007]S1：定义具有非线性黏滞系数η2(t)的非线性黏壶元件，所述非线性黏壶元件用以表征岩质体的在加速蠕变阶段的特性；
[0008]S2：提出一种非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型，将围岩节理与蠕变参数相结合，以描述节理发生屈服后，岩质体的黏聚力c和内摩擦角φ所代表的岩质体软化的程度；
[0009]S3：推导出所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的改进单元安全度分段函数，以定量评价岩质体材料从弹性到屈服最后破坏的安全程度。
[0010]进一步的，所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型包括串联的Hooke弹簧、黏弹性Kelvin体、黏塑性Binham体和应变软化塑性元件；所述黏塑性Binham体包括并联的非线性黏壶元件和塑性元件；所述黏弹性Kelvin体包括并联的第二弹性元件和第二黏壶元件。
[0011]进一步的，所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的建立过程为：
[0012]假设所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型中的非线性黏滞系数η2(t)的衰减趋势呈指数型关系，因此：
[0013][0014]式中：t
c
为进入加速蠕变阶段的起始时间；α为调节时间量纲的系数；ε
ps
是岩质体进入加速蠕变阶段的对应剪切等效塑性应变；ε
pt
是岩质体进入加速蠕变阶段的拉伸等效塑性应变；是岩质体开始进入加速蠕变阶段的等效塑性剪切应变阈值；是岩质体开始进入加速蠕变阶段的等效拉伸塑性应变阈值；
[0015]则加速蠕变阶段非线性黏塑性Binham体蠕变速率为：
[0016][0017]将公式(2)两端进行积分，得非线性黏塑性体的蠕变方程为：
[0018][0019]则所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的方程为：
[0020][0021]式中：σ
s
是长期屈服应力；E0是Hooke弹簧的弹性模量；E1黏弹性Kelvin体中弹簧的弹性模量；η1是黏弹性Kelvin体中黏壶的黏滞系数；当σ≤σ
s
时，岩质体材料只发生衰减蠕变，即岩质体处于弹性阶段；当σ＞σ
s，
t≤t
c
时，岩质体材料只发生等速蠕变，即岩质体处于屈服阶段；当σ＞σ
s，
t＞t
c
时，岩质体材料发生加速蠕变，即岩质体处于破坏阶段；
[0022]由于岩质体的长期强度是衡量岩质体工程耐久性和长期稳定性的重要指标，因此在三维空间中，考虑岩质体的长期强度条件下的非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的方程为：
[0023][0024]式中：G0是Hooke弹簧的剪切模量；G1是黏弹性Kelvin体剪切模量；S
ij
是应力偏张量；S
s
是岩质体的长期强度；当S
ij
≤S
s
时，所述考虑岩质体的长期强度条件下的非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型中的黏塑性Binham体不发挥作用，岩质体产生衰减蠕变，即岩质体处于弹性阶段；当S
ij
＞S
s，
t≤t
c
时，黏塑性Binham体发挥作用，岩质体产生等速蠕变阶段，即岩质体处于屈服阶段；当S
ij
＞S
s，
t＞t
c
时，岩质体进入加速阶段，即破坏阶段。
[0025]进一步的，所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的改进单元安全度的推导过程如下：
[0026]S21：在弹性阶段时，岩质体的塑性剪切应变ε
ps
＝0，ε
pt
＝0；
[0027]则推导岩质体主应力表示形式下的岩质体单元安全度ZSI
mc
为：
[0028][0029]则
[0030]式中：σ1是最大岩质体主应力；σ3是最小岩质体主应力；c是黏聚力；φ是内摩擦角；
[0031]对于节理面，岩质体主应力表示形式下的节理面单元安全度ZSI
u
推导公式为：
[0032][0033]则
[0034]式中：C
j
为黏聚力；φ
j
为节理内摩擦角；β为节理面倾角；
[0035]得出弹性阶段的岩质体单元安全度ZSI
mc
为：
[0036][0037]是岩质体开始进入加速蠕变阶段的塑性剪切应变阈值；
[0038]弹性阶段的节理面单元安全度ZSI
u
为：
[0039][0040]S22：在屈服阶段时，能够表示岩质体材料在剪切屈服段距离破坏段的接近程度，即
[0041][0042]在拉伸屈服阶段时，
[0043][0044]当时，岩质体材料处于屈服阶段，ZSI取上述两个阶段的最小值；
[0045]其中：是岩质体材料的极限塑性剪切应变；是岩质体材料的极限塑性拉伸应变；
[0046]则
[0047]则可以得出：
[0048]在屈服阶段岩质体单元安全度ZSI
mc
为：
[0049][0050]在屈服阶段的节理面单元安全度ZSI
u
为：
[0051][0052]S23：在破坏阶段时，ZSI的计算过程如所述S22；
[0053]当时，岩质体单元发生剪切破坏，当时，岩质体单元发生拉伸破坏；此时，ZSI∈(
‑
∞，0)，其值越小，破坏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：定义具有非线性黏滞系数η2(t)的非线性黏壶元件，所述非线性黏壶元件用以表征岩质体的在加速蠕变阶段的特性；S2：提出一种非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型，将围岩节理与蠕变参数相结合，以描述节理发生屈服后，岩质体的黏聚力c和内摩擦角φ所代表的岩质体软化的程度；S3：推导出所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的改进单元安全度分段函数，以定量评价岩质体材料从弹性到屈服最后破坏的安全程度。2.根据权利要求1所述的一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，其特征在于，所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型包括串联的Hooke弹簧、黏弹性Kelvin体、黏塑性Binham体和应变软化塑性元件；所述黏塑性Binham体包括并联的非线性黏壶元件和塑性元件；所述黏弹性Kelvin体包括并联的第二弹性元件和第二黏壶元件。3.根据权利要求1所述的一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，其特征在于，所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的建立过程为：所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型中的非线性黏滞系数η2(t)的衰减趋势呈指数型关系，因此：式中：t
c
为进入加速蠕变阶段的起始时间；α为调节时间量纲的系数；ε
ps
是岩质体进入加速蠕变阶段的对应剪切等效塑性应变；ε
pt
是岩质体进入加速蠕变阶段的拉伸等效塑性应变；是岩质体开始进入加速蠕变阶段的等效塑性剪切应变阈值；是岩质体开始进入加速蠕变阶段的等效拉伸塑性应变阈值；则加速蠕变阶段非线性黏塑性Binham体蠕变速率为：将公式(2)两端进行积分，得非线性黏塑性体的蠕变方程为：则所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的方程为：式中：σ
s
是长期屈服应力；E0是Hooke弹簧的弹性模量；E1黏弹性Kelvin体中弹簧的弹性模量；η1是黏弹性Kelvin体中黏壶的黏滞系数；当σ≤σ
s
时，岩质体材料只发生衰减蠕变，即岩质体处于弹性阶段；当σ＞σ
s
，t≤t
c
时，岩质体材料只发生等速蠕变，即岩质体处于屈服阶
段；当σ＞σ
s
，t＞t
c
时，岩质体材料发生加速蠕变，即岩质体处于破坏阶段；由于岩质体的长期强度是衡量岩质体工程耐久性和长期稳定性的重要指标，因此在三维空间中，考虑岩质体的长期强度条件下的非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的方程为：式中：G0是Hooke弹簧的剪切模量；G1是黏弹性Kelvin体剪切模量；S
ij
是应力偏张量；S
s
是岩质体的长期强度；当S
ij
≤S
s
时，所述考虑岩质体的长期强度条件下的非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型中的黏塑性Binham体不发挥作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜谙男，虢新平，李兴盛，于海，孙喜军，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：