深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法技术

本发明专利技术属于岩土工程技术领域，公开了一种深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法，分别建立热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型和冷却降温作用下的地下洞室模型；将热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型冷却降温条件下的岩石及地下洞室模型结合，得到冷却降温作用下的围岩时效变形演化模型；再对地下洞室模型下的岩石蠕变本构模型进行求解，得到冷却降温作用下的围岩时效变形演化过程

【技术实现步骤摘要】
深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法


[0001]本专利技术属于岩土工程
，涉及围岩时效变形演化，尤其涉及基于深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法
。

技术介绍

[0002]高地应力与高地温的耦合作用将对水电
、
交通地下工程的施工进展和运营安全构成前所未有的重大挑战
。
例如，川藏铁路施工建设中，沿线实测地应力量级最高可达
76MPa
，同时铁路自东向西穿越川西地热异常带和藏东地热温泉带，造成约
15
个隧洞存在不同程度的高温热害问题，局部开挖面揭露的最高岩石温度可达
89℃。
[0003]高地应力条件下的地下洞室开挖打破了围岩原有的三向应力平衡状态，岩体在开挖过程中将由初始高围压状态向低围压
、
高应力差的力学环境急剧转变，加之开挖卸荷扰动引起的岩体力学性质损伤劣化，深部围岩将通常呈现出较浅部岩体更为显著的时效变形特征
。
另一方面，高地温问题产生的严重热害将造成衬砌结构强度劣化并降低施工人员和机械设备的工作效率
。
为减轻热害并提高劳动效率，高温岩体开挖后一般需采用人工通风等方式将冷空气导入地下巷道以降低工作环境温度
。
然而，冷空气与高温岩体的热量交换将导致围岩温度重分布并造成二次应力状态的不断劣化，从而进一步加剧围岩时效变形，最终对地下工程的长期稳定性构成极大威胁
。
因此，实现对冷却降温作用下的高温围岩时效变形的演化，对于提升复杂地质环境条件下的地下工程建设运营安全，进而促进艰险山区的基础设施建设以及深部资源的开发利用具有至关重要的理论和工程意义
。
[0004]在解析计算方面，
Cheng
等
(
参见
Cheng Q,Lu A,Yin C.Analytical stress solutions for a deep buried circular tunnel under an unsteady temperature field[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2021,54(3):1355
‑
1368)
采用
Laplace
变换和
Airy
应力函数法推导了无限大圆形高温隧洞在冷却降温作用下的围岩位移分布解析解
。
但该方法仅基于弹性理论建立，因而无法反映冷却降温造成的围岩非弹性时效变形
。
[0005]在数值模拟方面，
Zhou
等
(
参见
Zhou H,Jia Y,Shao J F.A unified elastic
‑
plastic and viscoplastic damage model for quasi
‑
brittle rocks[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008,45(8):1237
‑
1251)
和
Xu
等
(
参见
Xu T,Zhou G L,Heap M J,et al.The influence of temperature on time
‑
dependent deformation and failure in granite:a mesoscale modeling approach[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2017,50:2345
‑
2364)
建立了热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型，进而有效捕捉了不同温度环境下的岩石三阶段蠕变破坏特征
。
但是这两种方法未考虑人工降温造成的围岩温度重分布和二次应力状态劣化对围岩蠕变发展的影响效应，因此无法准确捕捉极端地质环境条件下的围岩时效变形演化规律
。
[0006]在原位监测方面，专利申请
CN202210516879.X
公开了一种以靶标和棱镜作为观测目标，利用影像测量机器人和工控机等自动化监测单元对隧洞位移进行周期性监测的方法，但一方面该方法所需的目标监测点布置较为繁琐，监测过程耗费时间长，人力物力消耗
大；另一方面，原位监测法仅能获取特定工况下的围岩位移数据，而不能反映围岩时效变形的内在力学机制，同时也无法合理预测隧洞位移的长期发展趋势
。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的旨在针对上述现有技术中存在的问题，构建热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型，提供一种深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法，可准确计算不同地质条件和冷却降温工况下的围岩位移发展演化规律，克服了传统解析计算
、
数值模拟和原位监测方法中对冷却降温效应考虑不充分，耗费人力物力较大，且无法揭示围岩蠕变响应机理等局限
。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采取以下技术方案来实现
。
[0009]本专利技术提供的深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法，包括以下步骤：
[0010]S1
建立热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型；
[0011]S2
建立冷却降温作用下的地下洞室模型；
[0012]S3
将热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型与步骤
S2
建立的冷却降温条件下的地下洞室模型结合，得到冷却降温作用下的围岩时效变形演化模型；
[0013]S4
对地下洞室模型下的岩石蠕变本构模型进行求解，得到冷却降温作用下的围岩时效变形演化过程
。
[0014]上述步骤
S1
中，将基于化学反应动力原理的
Arrhenius
定律嵌入粘塑性流动计算准则，同时考虑损伤变量和特征强度面的温度敏感性，进而建立热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型
(
简称为
BS
‑
TVPD
模型
)。
[0015]非等温条件下的热传导方程可写为：
[0016][0017]式中，
T
为岩石温度，
t
为时间，
ρ
r
、C
T
和
κ
T
分别表示岩石的密度
、
比热和热传导系数
。
[0018]假设非等温条件下的总应变率可拆分为弹性应变率与粘塑性应变率之和：
[0019][0020]式中，和分别为应力和温度变化诱发的弹性应变，可测量得到
。
[0021]应变张量
ε
ij
和围岩位移
u
的转化关系可写为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
建立热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型；
S2
建立冷却降温作用下的地下洞室模型；
S3
将热力耦合条件下的岩石蠕变本构模型与步骤
S2
建立的冷却降温条件下的地下洞室模型结合，得到冷却降温作用下的围岩时效变形演化模型；
S4
对地下洞室模型下的岩石蠕变本构模型进行求解，得到冷却降温作用下的围岩时效变形演化过程
。2.
根据权利要求1所述的深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法，其特征在于，步骤
S1
包括以下分步骤：
S11
依据非等温条件下的岩石损伤演化关系，确定损伤岩石应力
σ
ij
；
S12
依据不同温度条件下的岩石边界面随温度的演化趋势，确定岩石边界面与当前应力点所在隐式加载面的相似系数
b
；
S13
依据不同温度条件下的岩石屈服面随温度的演化趋势，确定岩石边界面与屈服面的相似系数
b0；
S14
按照以下公式确定粘塑性乘子按照以下公式确定粘塑性乘子式中，
A
vp
(T)
为不同温度条件下的粘塑性流动系数；
S15
按照以下公式确定非等温条件下的粘塑性应变率按照以下公式确定非等温条件下的粘塑性应变率式中，
g
vp
表示非等温粘塑性势函数
。3.
根据权利要求2所述的深埋高温地下洞室围岩时效损伤行为分析方法，其特征在于，步骤
S11
中，式中，
d
表示非等温条件下的岩石损伤演化关系；
β
T
为线性热膨胀系数；
T
ref
为参考温度；均表示弹性应变；为材料的四阶弹性刚度矩阵，表示为：式中，
E
和
ν
分别为材料的弹性模量和泊松比，
δ
ij
、
δ
kl
、
δ
ik
、
δ
jl
、
δ
il
、
δ
jk
为克罗内克符号；非等温条件下的岩石损伤演化关系如下：式中，
p
a
为归一化应力参量；
ω
用于表征围压
σ3对岩石损伤演化速率的影响，写为：
式中，
ω1和
ω2为控制岩石损伤演化的速率参数；
<>
表示
Macaulay
括号，定义为
<x>
＝
(x
‑
|x|)/2。4.
根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建锋，鲁功达，陶剑，谢良甫，杨建雄，姜海波，王璐，王春萍，冉莉娜，蔡友刚，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：