一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法技术

一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法，包括以下步骤：步骤1：求解围岩在弹塑性边界处的应力

【技术实现步骤摘要】
一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法


[0001]本专利技术涉及软岩隧道的围岩与让压支护间相互作用的
，具体涉及了一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法
。

技术介绍

[0002]目前国内外在深部高地应力软岩中修建的公路
、
铁路隧道工程迅速增长，大多隧道在修建时出现了严重的挤压大变形问题
。
高地应力软岩隧道大变形有“抗”和“让”两种控制对策，“抗”是指增强支护使其能提供较大的支护抗力来平衡围岩压力，而“让”是指在支护施加之前或之中让围岩发生一定的变形以发挥围岩自承能力，待变形达到预定的值后再由支护抗力来平衡剩余围岩压力
。
但“让”的前提是围岩压力会随变形发展而下降，在高地应力条件下围岩因应变软化其强度会下降
。
因此，控制高地应力软岩隧道的变形需要“让抗结合
、
刚柔并济”，即既保证支护有一定的刚度从而提供足够的抗力，又允许支护结构有一定的变形量
。
因此，工程上往往采用“抗”和“让”主被动联合支护措施来控制隧道的大变形
。
其机理是通过将围岩内部的部分能量通过变形能的形式释放，进而降低作用在支护上的围岩压力
。“让抗联合支护”技术已成为目前控制高地应力软岩隧道大变形的关键技术
。
然而，由于让压支护与围岩间相互作用机制复杂，目前让压支护在设计上仍然采用经验法或工程类比法，缺乏一种能够计算让压支护与围岩相互作用的理论和方法
。
[0003]围岩本构模型和强度准则是描述围岩力学特性的关键力学指标
。
在构建高地应力软岩的本构方面，众多学者采用应变软化模型，因为该模型可以较好地描述岩体在达到峰值应变后强度随塑性应变而降低的过程
。
大量研究也表明应变软化对隧道围岩变形影响较显著，是导致围岩发生塑性大变形的关键因素之一，在高地应力条件下软岩隧道发生大变形破坏与岩体的应变软化特性紧密相关
。
因此，采用软岩应变软化强度准则是十分必要的
。
在强度准则方面，
Mohr
‑
Coulomb
准则和
Hoek
‑
Brown
准则是最常用的模型
。
前者表达式简单，计算方便，而后者可以通过反映岩体而非岩块的力学性质
。
近年来，国际岩石力学学会推荐的广义章
‑
朱强度准则
(GZZ
准则
)
在岩体工程中得到了广泛的应用
。
该准则是在传统的
Hoek
‑
Brown
强度准则基础上发展的三维强度准则，继承了
Hoek
‑
Brown
强度准则的优点，同时可以考虑中间主应力的影响，充分反映围岩的自承载能力
。
既有研究已经验证，采用
GZZ
准则分析岩体三维力学问题是可靠的
。
既有研究基于
GZZ
准则提出了考虑应变软化的隧道开挖弹塑性解，但该解假定支护反力为常数，不能反映围岩与支护间的相互作用
。
实际上在让压过程中，围岩与支护之间相互作用，即作用在支护上的支护力，及支护作用在围岩上的支护反力并非是一个常数
。
其他研究者提出的隧道开挖围岩支护相互作用的计算方法中无法考虑围岩应变软化
。
由于塑性区围岩力学参数与支护结构的变形相耦合，应变软化围岩与让压支护间的相互作用问题变得复杂
。
为此，需要一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法，以指导高地应力软岩隧道支护结构的设计
。

技术实现思路

[0004]为了克服已有技术的不足，本专利技术提供一种基于
GZZ
准则的软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法，可为研究高地应力隧道软弱围岩与各类让压支护间的相互作用提供新的思路与方法
。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：求解围岩在弹塑性边界处的应力
、
应变和位移，过程如下：
[0008]设
σ
r0
为围岩弹塑性边界处的径向应力，根据经典弹性力学解可知围岩弹塑性边界处的径向
、
环向和纵向围岩轴向应力分别为
σ
r0
、p0和
2vp0，将其带入
GZZ
强度准则，求得弹塑性临界状态时的支护反力
σ
r0
，将
σ
r0
作为虚拟支护力
p
i
的初始值，将
p
i
代入塑性区围岩力学响应计算模块求解塑性区围岩的应力
、
应变
、
位移；
[0009]步骤2：将让压支护结构的力学模型简化为两阶段的模型，过程如下：
[0010]第一阶段为让压阶段，当支护结构变形小于
Δ
u0时，让压结构可以提供稳定的近乎恒定的反力；第二阶段为强支护阶段，该阶段支护变形增量与荷载增量近似成正比；
[0011]步骤3：通过迭代求解支护反力和洞壁处围岩位移，过程如下：
[0012]计算更新第
i
步的虚拟支护力
p
i(i)
和实际支护力
p
s(i)
的值并比较其大小，若
p
i(i)
＜
p
s(i)
，求得支护反力最终值
p
iu
；若
p
i(i)
≥p
s(i)
，将
p
i(i)
回代步骤2，并返回洞壁处围岩位移
u
r(i,n)
的值；
[0013]步骤4：求解围岩应力
、
应变
、
位移
、
塑性区半径和各节点的坐标，过程如下：
[0014]将
p
iu
代入塑性区围岩力学响应计算模块计算并返回围岩应力
、
应变
、
位移
、
塑性区半径
、
节点坐标的最终值
。
[0015]进一步，所述步骤1中，通过有限差分的思想将塑性区围岩分割成
n
个圆环，首先通过联立强度准则和平衡方程并结合弹
‑
塑性边界处的连续性条件求解塑性区围岩的应力分布；然后，结合本构方程
、
相容方程以及塑性流动法则求得塑性区围岩的应变；最后，基于几何方程通过迭代的方法求解塑性区围岩的位移和塑性区半径
。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：求解围岩在弹塑性边界处的应力
、
应变和位移，过程如下：设
σ
r0
为围岩弹塑性边界处的径向应力，根据经典弹性力学解可知围岩弹塑性边界处的径向
、
环向和纵向围岩轴向应力分别为
σ
r0
、p0和
2vp0，将其带入
GZZ
强度准则，求得弹塑性临界状态时的支护反力
σ
r0
，将
σ
r0
作为虚拟支护力
p
i
的初始值，将
p
i
代入塑性区围岩力学响应计算模块求解塑性区围岩的应力
、
应变
、
位移；步骤2：将让压支护结构的力学模型简化为两阶段的模型，过程如下：第一阶段为让压阶段，当支护结构变形小于
Δ
u0时，让压结构可以提供稳定的近乎恒定的反力；第二阶段为强支护阶段，该阶段支护变形增量与荷载增量近似成正比；步骤3：通过迭代求解支护反力和洞壁处围岩位移，过程如下：计算更新第
i
步的虚拟支护力
p
i(i)
和实际支护力
p
s(i)
的值并比较其大小，若
p
i(i)
＜
p
s(i)
，求得支护反力最终值
p
iu
；若
p
i(i)
≥p
s(i)
，将
p
i(i)
回代步骤1，并返回洞壁处围岩位移
u
r(i,n)
的值；步骤4：求解围岩应力
、
应变
、
位移
、
塑性区半径和各节点的坐标，过程如下：将
p
iu
代入塑性区围岩力学响应计算模块计算并返回围岩应力
、
应变
、
位移
、
塑性区半径
、
节点坐标的最终值
。2.
如权利要求1所述的一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，通过有限差分的思想将塑性区围岩分割成
n
个圆环，首先通过联立强度准则和平衡方程并结合弹
‑
塑性边界处的连续性条件求解塑性区围岩的应力分布；然后，结合本构方程
、
相容方程以及塑性流动法则求得塑性区围岩的应变；最后，基于几何方程通过迭代的方法求解塑性区围岩的位移和塑性区半径
。3.
如权利要求2所述的一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，对围岩塑性区半径及塑性区的解析解是通过有限差分法给出的近似解；所述步骤1中，虚拟支护力
σ
r0
是由以下方法计算得到的，通过公式一：公式一中：
σ
r
，
σ
θ
和
σ
z
分别为径向
、
环向和纵向围岩应力；
p0为初始地应力；
σ
r0
为弹
‑
塑性边界处围岩的径向应力；
R
p
为塑性区半径；
v
为围岩的泊松比，将
r
＝
R
p
代入公式一得
σ
r
＝
σ
r0
，
σ
θ
＝
2p0‑
σ
r0
，
σ
z
＝
2vp0；将
σ
r
，
σ
θ
，
σ
z
代入
GZZ
强度准则中，通过公式二：公式二中：
σ
c
为岩石单轴抗压强度；
m
b
、s、a
为
Hoek
‑
Brown
强度准则力学参数，取值与地质强度指标
GSI
有关；
τ
oc
τ
为八面体的剪应力；
σ
m,2
为最大和最小主应力的均值；
τ
oc
τ
、
σ
m
，2通过
公式三
、
公式四表示：公式四表示：公式三
、
公式四中：
σ1＝
σ
θ
，
σ2＝
σ
z
，
σ3＝
σ
r
。4.
如权利要求3所述的一种软岩隧道让压支护与围岩相互作用的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，塑性区围岩的应力
、
应变
、
位移是由以下方法计算得到的，弹塑性区界面处，围岩的应力
、
应变分量为公式五：根据平衡方程，围岩环向应力的差分表达式，通过公式六：公式六中：
σ
r(i,j)
和
σ
θ
(i,j)
分别为第
i
个卸载计算步中塑性区第
j
个节点的径向和环向应，
ρ
(i
，
j)
和
ρ
(i
，
j﹣1)
分别为第
i
个卸载计算步中第
j
个圆环的内外边界的半径；对于第
j
个圆环来说，其应变分量等于第
(j﹣1)
个圆环的应变分量值加上相应的应变增量值，通过公式七：公式七中：和表示第
i
个卸载计算步中塑性区第

【专利技术属性】
技术研发人员：张格诚，鲁青云，王升，徐晨，夏才初，卢辉，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：