[發明專利]基于圍巖-支護演化模型的硬石膏隧道初期支護穩定性分析方法

在審

• 申請號: 201910217640.0
• 申請日: 2019-03-21
• 公開（公告）號: CN110263357A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 孫中光;郭江濤;吳建勛;劉亞輝;李遠清;張金豪;張加易;邵嚴;胡宇;胡英杰;周代勇;張海鵬;鄭芳菲
• 申請（專利權）人: 中煤科工集團重慶研究院有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 呂小琴

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

S1：根據濕度應力場理論構建本構方程，并在所述本構方程中引入硬石膏吸水率與時間的關系，獲得圍巖的彈-膨脹演化解析解；

S2：根據各支護單元的力學方程計算復合支護的極限支護力P_com,lim，根據所述復合支護的極限支護力確定得出其支護抗力P_com,lim與其變形地關系的特征函數，再結合隧洞縱向變形規律函數確定隧道支護起始位置；

S3：根據圍巖的彈-膨脹演化解析解繪制不同膨脹時間的圍巖響應曲線，結合參數復合支護結構極限支護力P_com,lim、復合支護結構的整體剛度D和隧道支護起始位置u_sd繪制支護特征曲線，聯立所述圍巖響應曲線和支護特征曲線，確定各交點的坐標即為平衡時的臨空面位移u_eq和支護力P_eq；

S4：定義圍巖的極限位移u_cv與隧道支護起始位置u_sd之比得到無支護狀態下的安全系數F_s1，定義支護結構極限支護力P_com,lim與當臨空面處圍巖次生徑向應力與支護結構抗力相等達到平衡時支護結構所承受的荷載P_eq之比到支護條件下的安全系數F_s2，取F_s1和F_s2中的最小值作為實際安全系數F_s，根據F_s判斷隧道穩定性。

2.根據權利要求1所述的基于圍巖-支護演化模型的硬石膏隧道初期支護穩定性分析方法，其特征在于，所述步驟S1具體包括：

S11：根據濕度應力場理論構建本構方程，所述本構方程為：

其中，E_s為膨脹階段的應力應變關系，E_e為彈性模量，ν為泊松比，α是線膨脹系數，Δw是濕度變化量；

S12：根據濕度應力場理論以及硬石膏的膨脹實驗，得到硬石膏吸水率和時間關系如下：

A_t＝A_max(1-e^-at) (2)

其中，A_t為t時刻的吸水率；A_max為膨脹終止時刻的吸水率；a為吸水系數；

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

S14：聯立平衡微分方程、幾何方程和所述含時間效應的彈-膨脹本構方程(3)，計算得到圍巖應力通解表達式如下：

其中，C1、C2為通解參數；

所述平衡微分方程如下：

幾何方程如下：

ε_r和εθ分別為徑向和環向應變，u_r為徑向位移。

S15：根據式(4)、式(5)、式(3)和式(9)，計算得到

所述式(4)、式(5)和式(10)即構成圍巖的彈-膨脹演化解析解。