基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法技术

本发明专利技术公开一种基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法，包括：获取主要结构面的产状分布特征及隧址区的地应力分布

【技术实现步骤摘要】
基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，具体涉及一种基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法
。

技术介绍

[0002]修建隧道时经常遇到层状软岩及断层破碎带等地质恶劣情况
。
随着新奥法在隧道建设中的发展应用，收敛
‑
约束原理在支护设计理论中应用广泛，其核心思想是要发挥围岩的自稳能力，这不仅仅可以保证围岩稳定，并且可以降低支护成本，从而达到安全
、
经济
、
绿色的施工理念，但过早过晚的进行初期支护的施作都不能达到此效果，找到合理的围岩稳定时间是新奥法施工理念的关键
。
[0003]通过现场对隧道围岩变形的监测与分析，得出了围岩变形随时间的演变规律，获得围岩的稳性时效性
。
这是最为直观的方式方法，但受到现场作业环境及监测设备的限制，并且人为选取的主观性较大
。
现有的理论计算方法比较多样，随着岩石理论及数值模拟方法的发展，隧洞开挖正越来越多地运用数值模拟进行研究分析
。
通过对模拟单元的围岩强度折减法及隧道应力逐步释放等方法获得围岩变形特征曲线，确定围岩的应力及变形规律
。
然而目前这些研究还存在着以下不足：
[0004]1.
现有研究主要集中在得出应力释放比与支护时机的关系，但实际现场操作过程中判断围岩的应力释放比非常困难，该参数在实际工程无法使用
。
[0005]2.
现有研究大多集中在完整岩体中，但实际岩体并不是完整的，往往受到节理
、
断层
、
断裂等地质构造的影响，由各种各样的结构面相切割
。
此类隧道围岩的失稳主要是沿各种结构面剪切滑移破坏导致的，应考虑结构面的稳定时效性
。
[0006]3.
以往的围岩稳定性判定是依靠围岩变形特征曲线判断围岩应力释放比例，但对于复杂节理岩体中，对于关键位置的位移监测点的确定较为困难，以往的监测点设置在拱顶
、
拱肩及拱腰等特定位置，但由于结构面的影响，实际最大变形可能未在监测位置，两者存在一定的差异
。
[0007]4.
采用三维数值模拟计算时间长，不适合快速判断围岩稳定时效性
。

技术实现思路

[0008]为解决上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法，该方法提供的针对节理隧道稳定性的评价更为具体化
、
科学化及定量化
。
[0009]为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0010]一种基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法，主要步骤包括：
[0011]S1、
通过现场勘察获取主要结构面的产状分布特征及隧址区的地应力分布，通过室内试验获取围岩参数及结构面的力学特性参数；
[0012]S2、
根据
S1
中获取的围岩参数及结构面的产状分布特征及力学特性参数建立离散
元二维数值模型，在不考虑围岩及结构面蠕变效应下，选取合理的本构关系，进行数值模拟计算；获得节理剪切破坏区面积随应力释放比的变化曲线和隧道的最大塑性区半径；
[0013]S3、
基于
S2
中获得的计算数据，根据纵向围岩反应曲线解析获得应力释放比随考察断面距掌子面距离的变化规律，选取合理的围岩及结构面的蠕变本构关系；
[0014]S4、
基于
S1
～
S3
获得的计算模拟数据，根据考察断面与掌子面的距离获得围岩应力释放比，根据应力释放比确定虚拟支撑力，进行蠕变计算模拟，每一个循环计算得到节理剪切破坏区面积，根据剪切破坏区面积获得新的应力释放比，重新确定虚拟支撑力，进行下一个循环的蠕变计算；直到计算得到最大剪切破坏区面积，确定开挖影响范围内的围岩的稳定时间
。
[0015]进一步地，在
S1
中，所述主要结构面的产状分布特征包括结构面的倾向
、
倾角
、
裂隙长度
、
间距以及节理的分布规律，所述隧址区的地应力分布包括地应力的大小及方向
。
[0016]进一步地，在
S1
中，所述围岩参数包括岩体的密度
、
弹性模量
、
泊松比
、
内摩擦角
、
内聚力，所述结构面的力学特性参数包括密度
、
内摩擦角
、
内聚力
、
抗拉强度
。
[0017]优选的，在
S2
中，采用
3dec
模拟软件进行建模计算；采用
Mohr
‑
Coulomb
模型进行数值模拟计算
。
[0018]进一步地，在步骤
S3
中，所述纵向围岩反应曲线采用公式
(1)
计算：
[0019][0020]式中：
λ
为归一化位移，视为应力释放比，
R
*
为最大塑性区半径与隧道洞径的比值，
X
*
为考察断面距掌子面的距离与隧道直径的比值
。
[0021]进一步地，在步骤
S3
中，围岩蠕变本构关系选择
Burger
‑
mohr
模型，结构面蠕变本构关系
Power
模型
。
[0022]进一步地，
S4
具体包含以下子步骤：
[0023]S4.1
确定准备支护的断面与掌子面之间的距离；
[0024]S4.2
根据
S4.1
中获得的距离，通过纵向围岩反应曲线获得此处对应的应力释放比；
[0025]S4.3
根据
S1
中的围岩参数
、
结构面的产状分布特征及力学特性参数以及地应力分布参数建立离散元二维数值模型；
[0026]S4.4
调用
S4.3
所建模型，进行模型的地应力平衡计算；
[0027]S4.5
调用
S4.4
中平衡后的数值模型，将隧道区域开挖，获得计算模型最大不平衡力，根据应力释放比在隧道周围施加反向虚拟支护力，进行蠕变计算一个时长；
[0028]S4.6
调用
S4.5
中计算得到的数值模型，结构面剪切变形大于阈值则认为其存在剪切破坏的风险，此处为剪切滑移区，计算结构面的剪切破坏区面积；
[0029]S4.7
根据
S4.6
中计算得到的剪切破坏区面积，代入
S2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法，其特征在于：主要步骤包括：
S1、
通过现场勘察获取主要结构面的产状分布特征及隧址区的地应力分布，通过室内试验获取围岩参数及结构面的力学特性参数；
S2、
根据
S1
中获取的围岩参数及结构面的产状分布特征及力学特性参数建立离散元二维数值模型，在不考虑围岩及结构面蠕变效应下，选取合理的本构关系，进行数值模拟计算；获得节理剪切破坏区面积随应力释放比的变化曲线和隧道的最大塑性区半径；
S3、
基于
S2
中获得的计算数据，根据纵向围岩反应曲线解析获得应力释放比随考察断面距掌子面距离的变化规律，选取合理的围岩及结构面的蠕变本构关系；
S4、
基于
S1
～
S3
获得的计算模拟数据，根据考察断面与掌子面的距离获得围岩应力释放比，根据应力释放比确定虚拟支撑力，进行蠕变计算模拟，每一个循环计算得到节理剪切破坏区面积，根据剪切破坏区面积获得新的应力释放比，重新确定虚拟支撑力，进行下一个循环的蠕变计算；直到计算得到最大剪切破坏区面积，确定开挖影响范围内的围岩的稳定时间
。2.
根据权利要求1所述的基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法，其特征在于：在
S1
中，所述主要结构面的产状分布特征包括结构面的倾向
、
倾角
、
裂隙长度
、
间距以及节理的分布规律，所述隧址区的地应力分布包括地应力的大小及方向
。3.
根据权利要求2所述的基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法，其特征在于：在
S1
中，所述围岩参数包括岩体的密度
、
弹性模量
、
泊松比
、
内摩擦角
、
内聚力，所述结构面的力学特性参数包括密度
、
内摩擦角
、
内聚力
、
抗拉强度
。4.
根据权利要求1所述的基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法，其特征在于：在
S2
中，采用
3dec
模拟软件进行建模计算；采用
Mohr
‑
Coulomb
模型进行数值模拟计算
。5.
根据权利要求1所述的基于节理剪切破坏区范围的复杂围岩时效稳定性分析方法，其特征在于：在步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈旭，何川，徐国文，汪波，马述起，许广春，刘伟，
申请(专利权)人：川藏铁路有限公司中国国家铁路集团有限公司京昆高速铁路西昆有限公司，
类型：发明
国别省市：