一种考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法技术

本发明专利技术提出一种考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，包括：S1.对隧道围岩区域离散化，构建隧道

【技术实现步骤摘要】
一种考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法


[0001]本专利技术属于隧道围岩稳定性评价
，尤其涉及一种考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法。

技术介绍

[0002]在高应力作用下，由于岩体自身的蠕变特性，山岭隧道围岩运营期可能会发生较大的变形，造成隧道破坏。岩体由岩石和结构面组成，结构面的蠕变将显著影响岩体的变形和破坏，尤其在裂隙发育岩层中。因此，结构面的蠕变研究尤为重要。
[0003]目前大量的研究集中在岩石蠕变特性上，成果也较为丰富。早在1939年，Griggs(Griggs D.Creep of rocks.J Geol[M].1939:225
‑
251)就已经对砂岩、石灰岩、页岩试件以及云母等矿物晶体进行大量蠕变试验，并提出了相应的蠕变本构模型。后来，国内外学者不断丰富了岩石蠕变模型。并将岩石蠕变本构模型写成有限元或者有限差分格式，方便开展隧道等岩石工程的数值评价。例如现有的商业软件，ANSYS，ABAQUS，FLAC3D等软件都有岩石蠕变计算模块。关于结构面蠕变本构模型近些年的研究越来越多，但相应的数值模拟的实现目前仍然是空白。例如，
[0004]CN202111150288.7公开了一种岩石非线性蠕变模型建立方法，包括进行室内岩石单轴压缩试验，获取岩石的平均压缩强度；采用分级加载方式进行室内岩石蠕变试验；绘制室内岩石蠕变试验获得的岩石全应变
‑
时间曲线和岩石在不同应力水平下的分级应变
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时间曲线分类；进行蠕变模型的元件种类识别，构建初始蠕变模型；拟合岩石加速蠕变阶段蠕变速率与对应的蠕变时间历程之间的非线性关系；最终获得岩石非线性蠕变模型的本构方程和蠕变方程。然而该方法未能实现岩石蠕变的数值仿真。
[0005]CN201910628858.5公开了一种改进Burgers岩石剪切蠕变模型的方法，包括以下步骤：S1、针对蠕变状态下岩石抗剪强度的时间差异性，构建一个由一个塑性元件和一个粘性元件并联而成描述岩石加速蠕变阶段力学特性的非线性元件；S2、采用广泛适用于流变领域的Kachanov定律，描述岩石加速蠕变阶段时效损伤函数D(t)；S3、基于时效损伤函数D(t)，确定抗剪强度τd的具体表达式τd(t)；S4、将残余强度τr引入抗剪强度函数τd(t)，构建考虑残余强度的修正抗剪强度函数τd(t)；S5、将修正抗剪强度函数τd(t)代入步骤S1的非线性元件中，确定元件本构方程γ(t)；S6、将元件本构方程γ(t)引入经典Burgers模型本构方程，获得精准反映全蠕变过程力学行为的改进Burgers模型本构方程γB(t)。该方法同样未能实现岩石蠕变的数值仿真。
[0006]CN202210179692.5公开了一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法及系统，包括根据应力
–
应变曲线对压缩劈裂模型进行反演得到合理接触面和合理块体的参数值；根据岩石蠕变曲线对根据参数值建立的第一单轴蠕变数值模型进行反演得到合理块体蠕变参数值；根据岩石蠕变曲线对根据合理接触面和合理块体蠕变的参数值构建的第二单轴蠕变数值模型进行反演得到合理块体蠕变参数退化方程；对基于合理块体蠕变参数退化方程构建的仿真模型进行网格划分；对划分后的仿真模型进行模拟得到各网格的累计张拉裂隙长
度和累计剪切裂隙长度；基于累计张拉裂隙长度和累计剪切裂隙长度确定待模拟巷道围岩蠕变失稳的范围。然而这种方法无法精确分析巷道或隧道的应力
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变形情况，具有一定的局限性。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，基于西原蠕变模型，采用有限差分方法，实现了含结构面的隧道围岩蠕变应力
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变形模拟，通过观察变形量值，分析隧道围岩稳定性；该方法能够模拟和评价岩质隧道等工程长期变形特征，为工程稳定性评价提供了重要思路。
[0008]为实现上述目的本专利技术提出了一种考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，包括：
[0009]S1.对隧道围岩区域离散化，构建隧道
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围岩结构的数值模型；
[0010]S2.初始化所述数值模型；
[0011]S3.预设蠕变时间，基于初始化后的所述数值模型，获取结构面节点的法向力；
[0012]S4.基于所述法向力，获取岩体区域单元不平衡力；
[0013]S5.判断所述岩体区域单元不平衡力，完成隧道围岩稳定性评价。
[0014]可选地，对隧道围岩区域离散化包括：
[0015]采用四边形单元对岩体区域离散，一维线单元对结构面离散，结构面单元的节点与岩体单元的节点共用。
[0016]可选地，初始化所述数值模型包括：
[0017]设置参数和边界条件，初始化所述数值模型的位移场和应力场；其中，所述参数包括：结构面弹性模量、和黏性系数、塑性极限、岩体的弹性模量和泊松比；所述边界条件包括：位移边界和力学边界；所述位移场包括：结构面上的位移和岩体的位移；所述应力场包括：结构面上的应力和岩体的应力。
[0018]可选地，获取岩体区域单元不平衡力包括：
[0019]基于所述法向力，获取结构面节点的切向力；
[0020]基于所述法向力和切向力，获取岩体单元节点的节点力；
[0021]基于所述节点力，获取所述岩体区域单元不平衡力。
[0022]可选地，所述法向力为：
[0023]F
n
＝
‑
k
n
×
u
n
[0024]其中，F
n
为法向力，k
n
为法向刚度，u
n
为法向位移。
[0025]可选地，获取结构面节点的切向力包括：
[0026]判断所述法向力是否超过最大塑性应力，如果超过，则按第一预设方程，计算所述切向力，否则，按第二预设方程，计算所述切向力；
[0027]所述第一预设方程为：
[0028][0029]其中，F
′
为切向力，X和Y按照下式计算：
[0030][0031][0032]u
′
为蠕变位移，u0为初始位移，F0为初始剪切力，k为弹簧元件弹性模量，Δt为蠕变时间，η为蠕变变形速率；
[0033]所述第二预设方程为：
[0034][0035]其中，X
′
和Y
′
按照下式计算：
[0036][0037][0038]F
s
为塑性元件受到的力。
[0039]可选地，获取岩体单元节点的节点力包括：将结构面节点的法向力和切向力添加到数值模型中相应的岩体单元节点上，获取新的所述节点力。
[0040]可选地，获取岩体区域单元不平衡力包括：
[0041]基于所述节点力，获取岩体区域节点速度；
[0042]基于所述节点速度，获取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，包括：S1.对隧道围岩区域离散化，构建隧道
‑
围岩结构的数值模型；S2.初始化所述数值模型；S3.预设蠕变时间，基于初始化后的所述数值模型，获取结构面节点的法向力；S4.基于所述法向力，获取岩体区域单元不平衡力；S5.判断所述岩体区域单元不平衡力，完成隧道围岩稳定性评价。2.根据权利要求1所述的考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，对隧道围岩区域离散化包括：采用四边形单元对岩体区域离散，一维线单元对结构面离散，结构面单元的节点与岩体单元的节点共用。3.根据权利要求1所述的考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，初始化所述数值模型包括：设置参数和边界条件，初始化所述数值模型的位移场和应力场；其中，所述参数包括：结构面弹性模量、和黏性系数、塑性极限、岩体的弹性模量和泊松比；所述边界条件包括：位移边界和力学边界；所述位移场包括：结构面上的位移和岩体的位移；所述应力场包括：结构面上的应力和岩体的应力。4.根据权利要求1所述的考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，获取岩体区域单元不平衡力包括：基于所述法向力，获取结构面节点的切向力；基于所述法向力和切向力，获取岩体单元节点的节点力；基于所述节点力，获取所述岩体区域单元不平衡力。5.根据权利要求1所述的考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述法向力为：F
n
＝
‑
k
n
×
u
n
其中，F
n
为法向力，k
n
为法向刚度，u
n
为法向位移。6.根据权利要求4所述的考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，获取结构面节点的切向力包括：判断所述法向力是否超过最大塑性应力，如果超过，则按第一预设方程，计算所述切向力，否则，按第二预设方程，计算所述切向力；所述第一预设方程为：其中，F
′
为切向力，X和Y按照下式计算：
u
′
为蠕变位移，u0为初始位移，F0为初始剪切力，k为弹簧元件弹性模量，Δt为蠕变时间，η为蠕变变形速率；所述第二预设方程为：其中，X
′
和Y
′
按照下式计算：按照下式计算：F
s
为塑性元件受到的力。7.根据权利要求4所述的考虑结构面蠕变特性的隧道围岩稳定性评价方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭汝涛，莫小兵，晏雄成，王先甲，高增奎，付志强，张国华，
申请(专利权)人：中铁七局集团武汉工程有限公司，
类型：发明
国别省市：