[發(fā)明專利]基于圍巖-支護(hù)演化模型的硬石膏隧道初期支護(hù)穩(wěn)定性分析方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910217640.0
• 申請(qǐng)日: 2019-03-21
• 公開（公告）號(hào): CN110263357A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫中光;郭江濤;吳建勛;劉亞輝;李遠(yuǎn)清;張金豪;張加易;邵嚴(yán);胡宇;胡英杰;周代勇;張海鵬;鄭芳菲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京海虹嘉誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 呂小琴

1.一種基于圍巖-支護(hù)演化模型的硬石膏隧道初期支護(hù)穩(wěn)定性分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：根據(jù)濕度應(yīng)力場(chǎng)理論構(gòu)建本構(gòu)方程，并在所述本構(gòu)方程中引入硬石膏吸水率與時(shí)間的關(guān)系，獲得圍巖的彈-膨脹演化解析解；

S2：根據(jù)各支護(hù)單元的力學(xué)方程計(jì)算復(fù)合支護(hù)的極限支護(hù)力P_com,lim，根據(jù)所述復(fù)合支護(hù)的極限支護(hù)力確定得出其支護(hù)抗力P_com,lim與其變形地關(guān)系的特征函數(shù)，再結(jié)合隧洞縱向變形規(guī)律函數(shù)確定隧道支護(hù)起始位置；

S3：根據(jù)圍巖的彈-膨脹演化解析解繪制不同膨脹時(shí)間的圍巖響應(yīng)曲線，結(jié)合參數(shù)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)極限支護(hù)力P_com,lim、復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度D和隧道支護(hù)起始位置u_sd繪制支護(hù)特征曲線，聯(lián)立所述圍巖響應(yīng)曲線和支護(hù)特征曲線，確定各交點(diǎn)的坐標(biāo)即為平衡時(shí)的臨空面位移u_eq和支護(hù)力P_eq；

S4：定義圍巖的極限位移u_cv與隧道支護(hù)起始位置u_sd之比得到無支護(hù)狀態(tài)下的安全系數(shù)F_s1，定義支護(hù)結(jié)構(gòu)極限支護(hù)力P_com,lim與當(dāng)臨空面處圍巖次生徑向應(yīng)力與支護(hù)結(jié)構(gòu)抗力相等達(dá)到平衡時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載P_eq之比到支護(hù)條件下的安全系數(shù)F_s2，取F_s1和F_s2中的最小值作為實(shí)際安全系數(shù)F_s，根據(jù)F_s判斷隧道穩(wěn)定性。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圍巖-支護(hù)演化模型的硬石膏隧道初期支護(hù)穩(wěn)定性分析方法，其特征在于，所述步驟S1具體包括：

S11：根據(jù)濕度應(yīng)力場(chǎng)理論構(gòu)建本構(gòu)方程，所述本構(gòu)方程為：

其中，E_s為膨脹階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，E_e為彈性模量，ν為泊松比，α是線膨脹系數(shù)，Δw是濕度變化量；

S12：根據(jù)濕度應(yīng)力場(chǎng)理論以及硬石膏的膨脹實(shí)驗(yàn)，得到硬石膏吸水率和時(shí)間關(guān)系如下：

A_t＝A_max(1-e^-at) (2)

其中，A_t為t時(shí)刻的吸水率；A_max為膨脹終止時(shí)刻的吸水率；a為吸水系數(shù)；

S13：在所述本構(gòu)方程中引入硬石膏吸水率與時(shí)間的關(guān)系即將，使式(2)中的A_t替換式(1)中的Δw；同時(shí)在不考慮水壓對(duì)吸水-膨脹的影響的情況下，膨脹終止時(shí)巖石單元周邊的水可被完全吸收，使圍巖各點(diǎn)的初始濕度分布函數(shù)W替換式(2)中的A_max，可得到含時(shí)間效應(yīng)的彈-膨脹本構(gòu)方程如下：

S14：聯(lián)立平衡微分方程、幾何方程和所述含時(shí)間效應(yīng)的彈-膨脹本構(gòu)方程(3)，計(jì)算得到圍巖應(yīng)力通解表達(dá)式如下：

其中，C1、C2為通解參數(shù)；

所述平衡微分方程如下：

幾何方程如下：

ε_r和εθ分別為徑向和環(huán)向應(yīng)變，u_r為徑向位移。

S15：根據(jù)式(4)、式(5)、式(3)和式(9)，計(jì)算得到

所述式(4)、式(5)和式(10)即構(gòu)成圍巖的彈-膨脹演化解析解。