[發明專利]一種基于離散單元法聯合荷載結構法的類巖堆體隧道結構分析方法

有效

• 申請號: 202011030386.2
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112182703B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 艾祖斌;張子新;張少強;黃昕;歐陽汛;江傳彬;李小昌
• 申請（專利權）人: 中電建路橋集團有限公司;同濟大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

1.一種基于離散單元法聯合荷載結構法的類巖堆體隧道結構分析方法，其特征在于，首先確定類巖堆體隧道圍巖的結構特征和粒徑尺寸，然后根據工程實際建立離散元YADE程序數值模型，計算類巖堆體隧道結構圍巖壓力，最后將離散元程序數值模型計算的類巖堆體隧道結構圍巖壓力結果以荷載的形式施加到類巖堆體隧道荷載結構模型中，進行類巖堆體隧道結構的內力計算與穩定性分析；

包括：

步驟1：獲得類巖堆體圍巖構成的幾何特征和分布特征，再獲取類巖堆體在力作用下的變形特征；具體包括：

步驟1.1對現場進行圖像采集，確定現場類巖堆體中巖石的粒徑尺寸與空間分布結構參數，以獲得粒徑尺寸與結構特征數據；

步驟1.2采用現場取樣并通過試驗獲取大試樣類巖堆體的應力應變關系曲線，即獲得在真實力作用下類巖堆體的變形特征；

步驟2：根據實際工程概況，采用基于“軟件一”建立類巖堆體隧道圍巖與結構的“模型一”，所述“軟件一”為離散單元法的程序YADE，所述“模型一”為離散元計算模型；

步驟2.1在“軟件一”中設置圓曲線為隧道結構的開挖邊界，輸入步驟1.1確定的類巖堆體粒徑尺寸與結構特征數據，其中塊石采用圓形顆粒塊簇形成的塊石形狀和尺寸來模擬，塊石之間空隙采用土體填充，土體采用對應粒徑尺寸的圓形顆粒來模擬，設定土-石閾值d_S/T＝0.05L_c，L_c為類巖堆體工程特征尺度，對隧道而言，L_c可取為隧道最大直徑；

以上信息輸入現有工具“軟件一”以初步構建“模型一”；

2.2選擇和設計微觀離散元計算參數，結合塊石粒徑參數和幾何拓撲特征，采用相互重疊的圓粒填充塊體形狀區域生成塊簇，輸入“軟件一”進行類巖堆體的塊石和土體數值試驗，采用由個體到整體的標定方式，先由個體塊體試驗標定塊簇組成顆粒的參數，再由土體三軸力學試驗標定土體顆粒參數，最后基于步驟1.2得到的土石混合體應力應變關系曲線來標定土石界面參數，從而確定出能夠反映實際巖石和土體特征的微觀離散元計算參數，完成對“模型一”的參數標定；

2.3采用標定好的“模型一”，依托YADE程序即可計算類巖堆體隧道附近的圍巖壓力，并分別提取出隧道頂部、底部的豎向及側向圍巖壓力分布值，即q₁作為隧道頂部豎向壓力，e₁為隧道頂部兩側水平壓力，e₂為隧道底部兩側水平壓力，連接e₁和e₂構成兩側水平梯形分布壓力，q₂作為隧道底部圍巖反力；

步驟3：利用步驟2提取出的隧道圍巖壓力分布值，基于已有的“軟件二”建立類巖堆體隧道的“模型二”，獲得類巖堆體隧道結構的響應特征與變形狀態，從而確定類巖堆體隧道結構的安全與穩定情況，所述“軟件二”為荷載結構法有限元程序，所述“模型二”為襯砌結構荷載結構法有限元模型；

3.1采用荷載結構法有限元程序建立類巖堆體隧道的襯砌結構荷載結構法有限元模型，其中：隧道襯砌結構采用梁單元；基于平面應變方法，隧道結構沿縱向取單位長度；梁單元彈性模量E和泊松比ν以及梁橫截面厚度H采用實際隧道襯砌結構參數進行取值；

3.2將步驟2.3計算提取到的圍巖壓力分布，以結構荷載的形式施加到襯砌結構荷載結構法有限元模型中，q₁分布形式作為隧道頂部豎向壓力，e₁分布形式為隧道頂部兩側水平壓力，e₂分布形式為隧道底部兩側水平壓力，連接e₁和e₂構成兩側水平向分布壓力形式，q₂分布形式作為隧道底部圍巖反力；輸出類巖堆體的應力和應變計算結果：隧道襯砌結構的彎矩M、軸力N、剪力F以及位移U；

3.3根據步驟3.2輸出的計算結果與設計參數或現場監測結果進行對比分析，用于評估類巖堆體隧道結構的安全與穩定性；

其中，步驟2中，結合選擇和設計的微觀離散元計算參數，以及所述由個體到整體的標定方式，具體包括如下：

2.2.1基于單個巖塊的單軸壓縮破裂試驗，根據峰值強度、起裂時間、裂縫產狀，采用Weibull分布生成塊簇顆粒物理力學性質隨機場模擬巖塊內部不均質性，動態調整反映塊石特征的顆粒塊簇參數：顆粒法向剛度k_nr，切向剛度k_sr，顆粒法向黏結強度b_nr，切向黏結強度b_ns，顆粒摩擦系數μ_r，直至模擬結果與試驗結果一致；首先通過改變顆粒法向黏結強度b_nr，切向黏結強度b_ns，顆粒摩擦系數μ_r匹配模擬和試驗的峰值強度；接著通過調整顆粒法向剛度k_nr，切向剛度k_sr匹配模擬和試驗的彈性模量和泊松比；最后再微調顆粒法向黏結強度b_nr，切向黏結強度b_ns，顆粒摩擦系數μ_r補償顆粒法向剛度k_nr，切向剛度k_sr參數調整引起的模擬強度變化；

2.2.2基于類巖堆土體部分三軸壓縮試驗，根據峰值強度、彈性模量、泊松比等參數，動態調整反映土體特征的圓形顆粒參數：顆粒法向剛度k_ns，切向剛度k_ss，顆粒摩擦系數μ_s，直至模擬結果與試驗結果一致；首先通過改變顆粒摩擦系數μ_s匹配數值模擬和試驗峰值強度；再通過調整法向剛度k_ns，切向剛度k_ss匹配數值模擬和試驗獲得的彈性模量和泊松比；最后通過微調上述參數補償參數改變引起的強度、彈性模量及泊松比變化；

2.2.3.固定步驟2.2.1和步驟2.2.2中的塊簇顆粒及土體顆粒參數，基于步驟1.2得到的土石混合體應力應變關系曲線動態調整反映土-石二元結構的土石界面接觸參數：法向剛度k_nrs，切向剛度k_srs，法向粘結強度F_n，切向粘結強度F_s，直至模擬結果與試驗結果一致；首先改變法向粘結強度F_n，切向粘結強度F_s匹配數值模擬和試驗的峰值強度；接著通過調整法向剛度k_nrs和切向剛度k_srs匹配數值模擬和試驗的彈性模量和泊松比；最后通過微調上述參數補償參數改變引起的強度、彈性模量及泊松比變化；

2.2.4將步驟2.2.1-步驟2.2.3各個參數進行標定記錄，獲得最終的隧道開挖前的離散元計算模型。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1中，所述工程特征尺度表示隧道斷面內的幾何尺寸最大值，對于圓形或矩形，工程特征尺度就是圓形的直徑或者矩形邊長；實際工程中隧道往往是不規則的“類圓形”，采用隧道最大外切圓直徑表征隧道斷面的最大尺寸。