CN105160111B - 一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，包括：1）在隧道开挖掌子面位置处进行现场取样，并进行相关物理指标测试；2）对取样进行三轴压缩试验，分析并得到黄土结构性参数，建立黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系；3）运用有限差分软件FLAC3D建立隧道模型，将黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系引入到隧道模型中；4）选定待监控隧道的待监测段，对待检测段的拱顶位移以及拱腰应力进行监测，得到监测数据；6）根据监测数据对隧道模型进行标定。本发明能更好的反映因围岩土体发生结构破坏而导致的一系列隧道病害，可动态反映土体的含水率、强度变化规律，为设计施工决策提供一定的指导，具有一定的科研价值。

Description

一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法。

背景技术

随着我国国民经济的迅速提高，我国的交通事业飞速发展，自上世纪六十年代至今，我国在黄土地区已经成功修建了多条铁路、公路以及引水工程，通过这些工程我国在黄土隧道的设计和施工技术上取得了一系列突破性进展，总结了大量宝贵的设计施工经验。随着“十三五”规划的到来，我国还将在黄土地区修建大量的高速公路和成千上万座黄土隧道。

虽然以往在隧道设计和施工方面的研究经验较多，也取得了一些成果。但不难发现，在黄土地区修建黄土隧道时，无论是设计还是施工，均忽略了黄土结构性，其后果势必会严重影响隧道在设计以及施工的安全性。

通过文献调研发现以往对于结构性的研究工作大多是从理论角度进行分析，很少涉及工程实践方面。因此，将黄土结构性引入到实际工程实际，充分挖掘黄土特性将是下一步广大科研工作者急需开展的工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的隧道计算时未能考虑围岩结构特性对其整体稳定性的影响，对于黄土隧道，围岩结构所占的权值较大，基于此提出一种安全程度高的考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法。

实现本发明的技术方案如下：

一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，其特征在于：所述考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法包括以下步骤：

1)调研依托工程，在隧道开挖掌子面位置处进行现场取样，并对现场取样进行相关物理指标测试；所述相关物理指标包括但不限于含水率、围压、应变、黏聚力以及摩擦角；

2)对现场取样进行三轴压缩试验，分析并得到黄土结构性参数，同时建立黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系；

3)根据依托工程的设计图纸，运用有限差分软件FLAC3D建立隧道模型，借助fish语言将步骤2)所得到的黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系引入到隧道模型中；

4)根据依托工程的设计图纸选定待监控隧道的待监测段，对待检测段的拱顶位移以及拱腰应力进行监测，得到监测数据；

6)根据监测数据对步骤3)所建立的隧道模型进行标定。

作为优选，本发明所提供的考虑围岩结构特性的黄土隧道监控方法在步骤4)和步骤6)之间还包括：

5)判断监测数据是否存在奇异点数据，若是，剔除奇异点数据；若否，则直接进行步骤6)。

作为优选，本发明所采用的现场取样的方式是扰动相对较小的人工取样，所述现场取样得到的土样要密封保存，且应标明土样的上下、左右和前后表面。

作为优选，本发明所采用的三轴压缩试验进行不少于4个含水率以及3个围压状态下的原状土、重塑土以及饱和原状土的试验。

作为优选，本发明所采用的隧道模型包括但不限于模型外形、土体参数以及开挖进尺；所述隧道模型的模型外形包括纵向长度；所述隧道模型的纵向长度与依托工程的设计图纸中的隧道的实际长度呈比例。

本发明的优点是：

本发明提供了一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，该方法包括1)调研依托工程，在隧道开挖掌子面位置处进行现场取样，并对现场取样进行相关物理指标测试；相关物理指标包括但不限于含水率、围压、应变、黏聚力以及摩擦角；2)对现场取样进行三轴压缩试验，分析并得到黄土结构性参数，同时建立黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系；3)根据依托工程的设计图纸，运用有限差分软件FLAC3D建立隧道模型，借助fish语言将步骤2)所得到的结构性参数与相关物理指标的数学关系引入到隧道模型中；4)根据依托工程的设计图纸选定待监控隧道的待监测段，对待检测段的拱顶位移以及拱腰应力进行监测，得到监测数据；5)判断监测数据是否存在奇异点数据，若是，剔除奇异点数据；若否，则直接进行步骤6)；6)根据监测数据对步骤3)所建立的隧道模型进行标定。本发明的理论基础是，黄土隧道开挖卸荷过程是应力状态改变和变形发展的过程，围岩结构性将显著降低；降雨和地下水运移引起的增湿也会降低围岩结构性，因此引入结构性参数不仅可以反映开挖过程中围岩的结构性变化特征，而且可以考虑隧道运营后增湿作用对围岩结构性的破坏。同时结构性是黄土区别于其他正常固结土的重要力学性质。结构性的存在使得黄土力学性能增强。因此将结构性引入隧道设计施工当中具有重要的现实意义。本发明所提供的监控方法将模型的计算结果与实际工程联系紧密，能更好的反映因围岩土体发生结构破坏而导致的一系列隧道病害，可动态反映土体的含水率、强度变化规律，为设计施工决策提供一定的指导，具有一定的科研价值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的方法做进一步详细说明：

实施例1：

本发明提供了一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，第一，进行现场取样，并进行相关物理指标测试；第二，制定试验方案，进行三轴压缩试验，分析黄土结构性参数的演化规律，建立结构性参数与含水率、围压、应变、黏聚力和摩擦角的数学关系；第三，根据依托工程并结合有限差分软件FLAC3D建立隧道数值模型，借助fish语言，将结构性参数与含水率、围压、应变、黏聚力和摩擦角的关系引入到隧道计算中，实现在黄土隧道开挖计算时考虑围岩结构特性的影响；第四，对依托工程选定断面的拱顶位移、拱腰应力进行监测，标定数值计算结果，验证其合理性与可靠性。

其中，现场取样，要求在取样时尽量采取扰动较小的人工取样方法，同时应注意取出土样的密封保存处理，且应标明土样的上下、左右和前后表面。

三轴压缩试验，进行5个含水率(5％、10％、15％、18％和22％)、4个围压(50kPa、100kPa、200kPa和30kPa)状态下的原状土、重塑土和饱和原状土试验。

隧道数值计算，建立的模型应尽量符合实体工程情况，主要包括模型外形、土体参数、开挖进尺等，选取的隧道模型纵向长度应依赖于实体工程。

现场监测，应主要注重施工期隧道的监测，对监测数据进行深入分析，确定为奇异点的应剔除。

作为优选方式，本发明还提供了如下技术方案：

A、调研依托工程，在隧道开挖掌子面位置处取大块土若干，取下后标明上下、左右和前后方向，并用黑色塑料袋包裹，胶带密封。运输时尽量用软体材料做缓冲物，避免土体发生较大扰动；

B、对取回的土体进行物理指标测试，如含水率、液塑限、密度、比重、颗粒级配等指标，并制定黄土结构性试验方案；

C、根据试验方案，进行5个含水率(5％、10％、15％、18％和22％)、4个围压(50kPa、100kPa、200kPa和30kPa)状态下的原状土、重塑土和饱和原状土试验。整理试验数据，分析黄土结构性演化规律，建立结构性参数与含水率、围压、应变、黏聚力和摩擦角的数学关系；这里所记载的分析是指根据室内三轴压缩试验结果，结合结构性参数表达式，计算出各应变对应的结构性参数值，最终绘制结构性参数与应变的关系曲线；这里所记载的建立是通过相关数据的转换方法，两两建立相关关系，最终建立结构性参数与应变、含水率、围压、强度指标之间的函数关系；

D、根据依托工程设计图纸，运用有限差分软件FLAC3D建立隧道模型，借助fish语言，将结构性参数与含水率、围压、应变、黏聚力和摩擦角的数学关系引入到隧道计算中，实现了在隧道计算中考虑围岩结构特性的影响；

E、制定监测方案，对依托隧道监测段的拱顶变形、拱腰应力进行监测。深入整理分析监测数据，对确认为奇异点的数据进行剔除。分析关键点的位移和应力变化规律；这里所记载的剔除主要是通过绘制一定时间内监测数据的变化规律曲线，一般情况下监测数据的曲线波动性较大，但基本规律还是可以反映出来，由于现场情况较为复杂，所以往往会出现严重偏离曲线位置的一些点，即突变点(但如果同一位置处的突变点数量大于3个则不能剔除)；

F、提取数值计算结果，分析隧道拱顶位移变化规律和拱腰应力分布规律。用监测数据对数值计算结果进行标定，验证数值模拟的合理性和可靠性。标定意思等同于验证，差异一般是指数值上的，保证差异值不大于计算值的5％，规律大致相似即可说明计算结果合理可靠。

Claims (5)

1.一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，其特征在于：所述考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法包括以下步骤：

1）调研依托工程，在隧道开挖掌子面位置处进行现场取样，并对现场取样进行相关物理指标测试；所述相关物理指标包括但不限于含水率、围压、应变、黏聚力以及摩擦角；

2）对现场取样进行三轴压缩试验，分析并得到黄土结构性参数，同时建立黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系；所述分析是根据三轴压缩试验结果，结合结构性参数表达式，计算出各应变对应的结构性参数值，最终绘制结构性参数与应变的关系曲线；所述建立是通过相关数据的转换方法，两两建立相关关系，最终建立结构性参数与应变、含水率、围压、强度指标之间的函数关系；

3）根据依托工程的设计图纸，运用有限差分软件FLAC3D建立隧道模型，借助fish语言将步骤2）所得到的黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系引入到隧道模型中；

4）根据依托工程的设计图纸选定待监控隧道的待监测段，对待检测段的拱顶位移以及拱腰应力进行监测，得到监测数据，对监测数据进行深入分析，剔除确定的奇异点；所述奇异点是通过绘制一定时间内监测数据的变化规律曲线，监测数据的曲线波动性较大，严重偏离曲线位置的一些点，所述奇异点的剔除原则是若同一位置处的奇异点的数量大于3个则不能剔除；

6）根据步骤4）所得到的监测数据对步骤3）所建立的隧道模型进行标定；所述标定等同于验证；所述标定的条件是差异值不大于计算值的5%，则说明计算结果合理可靠。

2.根据权利要求1所述的考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，其特征在于：所述步骤4）和步骤6）之间还包括：

5）判断监测数据是否存在奇异点数据，若是，剔除奇异点数据；若否，则直接进行步骤6）。

3.根据权利要求1或2所述的考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，其特征在于：所述现场取样的方式是扰动相对较小的人工取样，所述现场取样得到的土样要密封保存，且应标明土样的上下、左右和前后表面。

4.根据权利要求3所述的考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，其特征在于：所述三轴压缩试验进行不少于4个含水率以及3个围压状态下的原状土、重塑土以及饱和原状土的试验。

5.根据权利要求4所述的考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，其特征在于：所述隧道模型包括但不限于模型外形、土体参数以及开挖进尺；所述隧道模型的模型外形包括纵向长度；所述隧道模型的纵向长度与依托工程的设计图纸中的隧道的实际长度呈比例。