CN108733942A - 隧道围岩可靠性的评估方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种隧道围岩可靠性的评估方法及装置，涉及岩土工程监测领域。所述方法包括：将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析后，根据动力学反应分析结果，提取N个应力场；再设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围；基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列；然后基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。为隧道围岩可靠性分析提供了有效的新途径。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程监测领域，具体而言，涉及一种隧道围岩可靠性的评估方法及装置。
背景技术
现有技术评估泥石流冲击力对隧道的影响大多采用确定性的方法，也就是以稳定系数为核心的评价体系，而采用更先进的不确定性分析方法，也就是涉及可靠性理论的技术方法还未有文献报道。在力学内涵上，隧道围岩的可靠性分析和稳定性分析是同源的；在技术方法上，可靠性分析来源于稳定性分析，又高于稳定性分析，是稳定性分析的深入发展。目前没有具体的实施方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道围岩可靠性的评估方法及装置，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种隧道围岩可靠性的评估方法，所述方法包括：将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析；根据动力学反应分析结果，提取N个应力场；设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围；基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列；基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。
第二方面，本发明实施例提供了一种隧道围岩可靠性的评估装置，所述装置包括：动力学反应单元、提取单元、设置单元、序列获得单元和可靠性参数获得单元。动力学反应单元，用于将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析。提取单元，用于根据动力学反应分析结果，提取N个应力场。设置单元，用于设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围。序列获得单元，用于基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列。可靠性参数获得单元，用于基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。
本发明实施例提供了一种隧道围岩可靠性的评估方法及装置，所述方法包括：将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析后，根据动力学反应分析结果，提取N个应力场；再设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围以及基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列；然后基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。为隧道围岩可靠性分析提供了有效的新途径。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为可应用于本发明实施例提供的电子设备的结构框图；
图2为本发明实施例提供的隧道围岩可靠性的评估方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的隧道围岩可靠性的评估方法中某泥石流冲击荷载重力加速度附加系数k(t)随时间变化波形；
图4为本发明实施例提供的隧道围岩可靠性的评估方法中泥石流冲击荷载下某公路隧道围岩瞬时稳定系数fosi,j云图(取t＝5.0秒)；
图5为本发明实施例提供的隧道围岩可靠性的评估方法中泥石流冲击荷载下某公路隧道围岩最小瞬时稳定系数fosi时程曲线；
图6为本发明实施例提供的隧道围岩可靠性的评估装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1示出了一种可应用于本发明实施例中的电子设备100的结构框图。如图1所示，电子设备100可以包括存储器102、存储控制器104、一个或多个(图1中仅示出一个)处理器106、外设接口108、输入输出模块110、音频模块112、显示模块114、射频模块116和隧道围岩可靠性的评估装置。
存储器102、存储控制器104、处理器106、外设接口108、输入输出模块110、音频模块112、显示模块114、射频模块116各元件之间直接或间接地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或信号总线实现电连接。隧道围岩可靠性的评估方法分别包括至少一个可以以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器102中的软件功能模块，例如所述隧道围岩可靠性的评估装置包括的软件功能模块或计算机程序。
存储器102可以存储各种软件程序以及模块，如本申请实施例提供的隧道围岩可靠性的评估方法及装置对应的程序指令/模块。处理器106通过运行存储在存储器102中的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本申请实施例中的隧道围岩可靠性的评估方法。
存储器102可以包括但不限于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。
处理器106可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述外设接口108将各种输入/输出装置耦合至处理器106以及存储器102。在一些实施例中，外设接口108、处理器106以及存储控制器104可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。
输入输出模块110用于提供给用户输入数据实现用户与电子设备100的交互。所述输入输出模块110可以是，但不限于，鼠标和键盘等。
音频模块112向用户提供音频接口，其可包括一个或多个麦克风、一个或者多个扬声器以及音频电路。
显示模块114在电子设备100与用户之间提供一个交互界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。在本实施例中，所述显示模块114可以是液晶显示器或触控显示器。若为触控显示器，其可为支持单点和多点触控操作的电容式触控屏或电阻式触控屏等。支持单点和多点触控操作是指触控显示器能感应到来自该触控显示器上一个或多个位置处同时产生的触控操作，并将该感应到的触控操作交由处理器106进行计算和处理。
射频模块116用于接收以及发送电磁波，实现电磁波与电信号的相互转换，从而与通信网络或者其他设备进行通信。
可以理解，图1所示的结构仅为示意，电子设备100还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
于本发明实施例中，电子设备100可以作为用户终端，或者作为服务器。用户终端可以为PC(personal computer)电脑、平板电脑、手机、笔记本电脑、智能电视、机顶盒、车载终端等终端设备。
请参阅图2，本发明实施例提供了一种隧道围岩可靠性的评估方法，所述方法包括：
步骤S200：将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析。
在本实施例中，在步骤S200之前，所述方法还可以包括：
生成泥石流冲击荷载函数；
建立数值分析模型。
生成泥石流冲击荷载函数，包括：
确定待测对象对应的潜在泥石流冲击荷载振幅峰值到达时间，并根据预设的第一参数计算规则，获得潜在泥石流冲击荷载的第一参数、第二参数；
确定潜在泥石流冲击荷载的最大振幅，并基于所述第一参数、所述第二参数及预设的第二参数计算规则，获得所述潜在泥石流冲击荷载的第三参数、第四参数；
获取所述潜在泥石流冲击荷载的第五参数；
基于所述第一参数、所述第二参数、所述第三参数、所述第四参数、所述第五参数及预设的重力加速度附加系数计算规则，获得所述潜在泥石流冲击荷载的重力加速度附加系数；
获取所述潜在泥石流冲击荷载的持续时间及覆盖深度；
基于所述重力加速度附加系数、所述持续时间、所述覆盖深度及预设的冲击荷载计算规则，生成所述潜在泥石流冲击荷载函数。
在本实施例中，泥石流冲击荷载的施加对象可以为泥石流与周围岩土体的接触面。所述潜在泥石流冲击荷载振幅峰值到达时间是指冲击荷载从零逐步增大，至达到峰值所需的时间，记为tAmax。具体地，tAmax可以根据实际情况而设置，对于某一特定的泥石流冲击全过程，泥石流冲击的全过程可能持续数十秒到数百秒不等，而达到峰值的时间为数秒到数十秒不等。tAmax具体取值需要根据实际情况确定。
进一步地，将tAmax分解为第一参数与第二参数的比值的形式，如(1)式所示：
其中，α为所述第一参数，γ为所述第二参数，均取正值。所述预设的第一参数计算规则可以为公式(2)，即任选某一正值作为所述第一参数，然后将所述冲击荷载振幅峰值到达时间与所述第一参数的乘积作为第二参数，如(2)式所示：
γ＝αtAmax (2)
所述最大振幅的物理含义是：按照一维流体来考虑，泥石流带来的冲击力最大可以相当于泥石流体在该深度位置静态压力的倍数，记为Amax。根据以往的文献研究成果，所述最大振幅可以取2.8～4.4之间，也可以取到2.8～5之间、或者2.7～7.5。在本实施例中，Amax可以在2.8～8.0之间取值，具体数值可以根据所考察的泥石流对象具体的特性来给出。
进一步地，所述预设的第二参数计算规则可以为公式(3)和(4)：
基于(3)式获得所述潜在泥石流冲击荷载的第三参数、基于(4)式获得所述潜在泥石流冲击荷载的第四参数。其中，β1为所述第三参数，β2为所述第四参数，Amax为所述最大振幅，α为所述第一参数，γ为所述第二参数，e为自然对数的底数。
所述潜在泥石流冲击荷载的第五参数是脉动频率，也就是动力荷载的基准频率。该脉动频率的选择与地震动场地特征和泥石流固有特性有关。一般认为，岩土体的卓越频率较低，分布在2-10Hz左右。也可参考《中国地震反应谱特征周期区划图》等资料，对特征周期(卓越周期)取倒数即可得到卓越频率，并将此卓越频率作为泥石流动力荷载的基准频率。鉴于高频能量的衰减更快，而低频震荡的危害更大，因此在作不利分析的情况下可以取低频，即所述潜在泥石流冲击荷载的脉动频率可以在2-10Hz左右中取值。
进一步地，所述预设的重力加速度附加系数计算规则可以为公式(5)和(6)：
基于(5)～(6)式，获得所述重力加速度附加系数。其中，k(t)为所述重力加速度附加系数，w(t)为正弦波形函数，e为自然对数的底数，π为圆周率，α为所述第一参数，γ为所述第二参数，β1为所述第三参数，β2为所述第四参数，f为所述第五参数。
具体地，所述重力加速度附加系数k(t)有三个特征。第一特征：k(t)由所述第一参数、第二参数、第三参数和第五参数，共计四个独立参数确定，而所述第四参数为非独立参数，由所述第一参数、第二参数和第三参数根据(4)式确定。第二特征：w(t)为负数时，k(t)为零值，以满足泥石流与岩土体边界接触面只施加压力，不施加拉力的限制条件。第三特征：随着时间的推移，k(t)经历由零逐步增大，至最大值后再逐渐减小，最后尖灭至1.0，这一变化过程符合泥石流冲击荷载的总体演化规律。
进一步地，对w(t)的振幅和极值特性进行说明。根据波形函数w(t)的表达式即(5)～(6)式可知，其是一个以f为频率的正弦波，波形函数w(t)的振幅随时间变化，且当时间时，波形函数w(t)的振幅达到最大，设为Amax。Amax的值由(7)式给出。
当时，正弦波形函数w(t)的振幅由零逐渐增大，当时达到最大振幅Amax；当时，随着时间的增长，波形函数w(t)的振幅逐渐减小，再基于(5)～(6)式，重力加速度附加系数k(t)收敛于1.0。
由于相位差的存在，当时，正弦函数sin(2πft)并不一定恰好取得极大值，因此精确地说，w(t)应在附近的邻域内取得极大值。通过令正弦函数sin(2πft)求导并令导数为零构造方程，并以为中心，寻求正负1/4波长范围内，即范围内的实数解，可以得到使w(t)取得最大值的时间tmid如下：
(8)式中，k是自然数，且由下列(9)式确定：
再将计算得到的tmid值代入w(t)的表达式，即可精确求得w(t)的最大值即w(t)max，可知，该w(t)max数值趋近但不会超过最大振幅，即有(10)式成立：
为便于理解，举例说明如下。例如图3所示，第一参数α＝1.2，所述第二参数γ＝6.0，所述第三参数β1＝1.652，所述第四参数f＝5.0Hz时的重力加速度附加系数k(t)的关于时间t的曲线。并且，由(1)～(10)式可知，该曲线的最大振幅Amax＝8.0，对应的冲击荷载振幅峰值到达时间tAmax＝5.0秒。冲击荷载的极大值是k(t)max＝7.998，对应取得极大值的时间是tmid＝5.05秒，分别与Amax、tAmax十分接近。
基于以上，获得重力加速度附加系数。重力加速度附加系数的特征是随着时间的推移，尾部逐渐尖灭至1.0。虽然在冲击时间的选取上，理论上可以选择0～无穷大，但在实际动力分析计算中，既会耗时，也无必要。可以获得k(t)图形，当函数尾部明显收拢至1.0位置，取该处时间进行截断即可，记为Td。例如可取持续时间Td＝20秒。
所述覆盖深度是指泥石流顶板到所述泥石流冲击荷载计算点位的铅垂向距离。随着计算点位高程的变化，所述覆盖深度也随之变化。
进一步地，所述预设的冲击荷载计算规则可以为：
P(t,h)＝k(t)ρgh (11)
基于P(t,h)＝k(t)ρgh，生成所述潜在泥石流冲击荷载函数。其中，P(t,h)为所述潜在泥石流冲击荷载，k(t)为所述重力加速度附加系数，h∈[0,hmax]，h为所述覆盖深度，hmax为最大覆盖深度。t∈[0,Td]，Td为所述持续时间，ρ为泥石流密度，g为重力加速度。
基于(11)式，P(t,h)表示泥石流冲击荷载是一个随时间t和深度位置h变化的函数，即在不同的时刻，在不同的泥石流覆盖的深度位置处，有不同的冲击力。k(t)随时间t变化的波形示例如图3所示，灰度区域表示泥石流填充，并对其接触面产生动压力荷载，h为当前位置下泥石流覆盖的深度，ρ为泥石流密度，g为重力加速度，泥石流淤积顶板高程作为基准水平线，任意一点A到距顶板的深度即hA，以及泥石流淤积底板距顶板的深度即最大覆盖深度hmax。泥石流的密度和含水量有关，可根据具体对象来判定。例如，块石密度可取2650kg/m3，水密度取1000kg/m3，泥石流密度可按照70％块石和30％水考虑，则泥石流密度ρ可以为2155kg/m3。重力加速度g可以取9.8m/s2。
通过上述步骤，实现了以(11)式表示的泥石流动荷载加载模式，是一个随时间t和深度z变化的函数，即在不同的时刻，在不同的泥石流覆盖厚度处，有不同的冲击力。根据分析案例的实际要求，选取恰当的波形控制参数和泥石流动荷载频率，代入公式系统，生成泥石流冲击荷载波形。
建立数值分析模型包括根据数值方法对所述待测对象进行几何建模和网格剖分，获得初始计算模型；基于设置的多个数值计算监测点、获取到的多个岩石物理力学参数值及所述初始计算模型，获得所述数值计算模型。
具体地，所述数值方法可以包括但不限于有限元或者有限差分数值方法。采用有限元或者有限差分等数值方法为理论依据，选取支持动力反应分析的软件，将待测对象即泥石流冲击荷载所危害的对象实体(岩土体或结构体)作为研究对象，进行几何建模和网格剖分，获得初始计算模型。进一步地，依据待测对象的实际特征和力学分析需要，选取模型的若干关键部位布置位移、加速度、速度等指标的数值计算监测点。位移、加速度、速度是动力反应分析中广为接受的、核心的量化评价指标。输入岩土物理力学参数。选取适当的岩土力学本构模型、屈服准则等，将岩土体的各项物理力学指标(例如岩土体的密度、粘聚力、内摩擦角、泊松比、抗拉强度、弹性模量等)按照岩性分组输入到所述初始计算模型中，获得所述数值计算模型。
在本实施例中，支持岩土和结构体动力分析的软件可以包括但不限于ANSYS(有限元法)、ABAQUS(有限元法)、ADINA(有限元法)、FLAC/FLAC3D(有限差分法)等。
步骤S210：根据动力学反应分析结果，提取N个应力场。
步骤S210可以包括：
按照预设间隔提取N个应力场。
例如，取一定的时间间隔tΔ，按tΔ等间隔提取N个应力场，记为StressField(i),其中i＝1,…,N。每一个应力场中包含每个单元的最大主应力、最小主应力和中间主应力等数据。
步骤S220：设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围。
考虑到远离隧道的山体，其围岩破坏与否并非是工程设计所关注的重点，因此在力学分析中有时无需对整个建模区域内的隧道围岩进行评估，通常只需要划定范围，对靠近隧道一定范围内的围岩进行评估，而忽略那些远离隧道的围岩，该范围即为统计窗。
步骤S230：基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列。
当前所述统计窗包括M个单元，所述N个应力场中每个应力场包括所述M个单元中至少一个单元的最大主应力和最小主应力，
步骤S230可以包括：
基于预设的稳定系数计算规则及所述M个单元中至少一个单元的最大主应力值和最小主应力值，计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数；
搜索第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数中的最小值，以将所述最小值作为第i个应力场的稳定系数，进而获得所述N个应力场的稳定系数序列。
所述预设的稳定性系数计算规则为基于预设的稳定系数计算规则及所述M个单元中至少一个单元的最大主应力值和最小主应力值，计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，包括：
基于计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，fosi,j为所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，[σ1]ij和[σ3]ij分别是所述N个应力场中第i个应力场条件下第j个单元的最大主应力值和最小主应力值，cj和φj分别为预先获取到的第j个单元的的粘聚力和内摩擦角。
根据Mohr-Coulomb屈服准则，按下式计算：
[σ1]ij和[σ3]ij分别是所述N个应力场中第i个应力场条件下第j个单元的最大主应力值和最小主应力值，cj和φj分别为预先获取到的第j个单元的的粘聚力和内摩擦角。
搜索第i个应力场条件下各个单元的最小瞬时稳定系数，作为第i个应力场的稳定系数(即表征第i个应力场条件下围岩整体的稳定程度)，记为fosi。
fosi＝min{fosi,1,fosi,2,…,fosi,M}i＝1,2,…,Nj＝1,2,…,M (13)
对于每一个应力场，基于公式(12)和(13)，获得所述N个应力场的稳定系数序列{fosi}，i＝1,2,…,N。
步骤S240：基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。
所述可靠性参数包括失效概率，所述预设的可靠性计算规则包括及步骤S240可以包括：
基于及获取所述隧道围岩的失效概率，fosi为所述稳定系数序列中的第i个应力场的稳定系数，KT为不小于1的阈值，Si为所述N个应力场中第i个应力场条件下隧道围岩是否失稳的指针，Pf为所述失效概率。
其中，Si的值为1时表示失稳，为0时表示稳定。KT一般可以取1.0～1.2，取值越高，评估越偏向危险。
所述可靠性参数还包括可靠性指标，步骤S240还包括：
基于β＝-Φ-1(Pf)，获取所述隧道围岩的可靠性参数，Pf为所述失效概率，β为所述可靠性指标，Φ-1为标准正态分布累计分布函数的反函数。
为了进一步地阐述本发明的有益效果，特以某穿越泥石流多发区的山岭隧道断面为例，进行泥石流冲击荷载下动力反应分析，评估泥石流对公路隧道的影响。潜在的泥石流危害为从西侧向东运动，对山岭隧道外侧造成冲击，通过前期对泥石流爆发规模及空间展布评估，预计其淤积高程将达到1225m，距谷底最低高程1140高出85m，现对泥石流对公路隧道的潜在危害进行评估。根据《中国地震反应谱特征周期区划图》等相关资料，已知本区域地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度，地震动反应谱特征值为0.35s。泥石流的密度取2155kg/m3。设定这样一种极端工况：在暴雨的触发下，泥石流奔流而下，龙头翻越阻石坝，横穿干坝乡道，将从谷底1160米高程向南爬坡至隧道所在山体的1225米高程。并且整个过程速度极快，只耗费数十秒。数值分析过程如下：
生成泥石流冲击荷载波形。根据分析案例的实际情况，结合工程经验选取如下参数：
(1)选取泥石流冲击荷载达到峰值的时间为5秒，选取γ＝6，α＝1.2。泥石流冲击荷载到达峰值的时间越短，冲击力越强劲，选择较短的峰值到达时间，倾向于作不利工况下的动力分析。
(2)确定动力波形最大振幅Amax＝8，即最大冲击荷载为8倍的重力加速度所产生的力，比Lichtenhalhn(1973)，Armanini(1997)和Scotton and Deganutti(1997)所建议的上限值7.5稍大，在此基础上所进行的力学分析结果将偏于安全。
(3)根据公式(3)和公式(4)确定波形函数参数β1和β2。
(4)确定泥石流冲击荷载的脉动频率，由于本区地震动反应谱特征值为0.35s，其倒数即为对应频率2.85714Hz。因此，该动力基准频率选择2.857Hz符合场地特征，也合乎抗震规范要求。
(5)确定泥石流冲击荷载的持续时间为20秒。根据现有文献对已知泥石流案例的观测记载，典型的泥石流的动态冲击过程一般持续几十秒到数百秒不等。结合上述(1)～(4)项所确定的参数，重力加速度附加系数波形在t＝20秒时，为1.04，已明显向1.0收敛，因此选取动力分析时间为20秒符合收敛要求。20秒的动荷载持续时间在宏观时间上也符合高速泥石流掩埋特征。一般认为，泥石流速度越快，峰值冲击力越大。本研究按照20秒以从1160米高程掩埋至1225米高程，泥石流龙头在20秒之内爬高65米，这个速度是相当之快的，实际上一般达不到这一速度。因此，按20秒取值倾向于按极端不利工况考虑，有利于考核隧洞的实际承灾能力。
(6)确定泥石流的密度、重力加速度、深度z变化的范围。由已知条件，泥石流的密度ρ为2155kg/m3。重力加速度取9.8m/s2。泥石流掩埋深度z变化的范围为0-85m。
至此，冲击载波波形完全确定下来。泥石流冲击荷载方程的参数见表1，其对应的相关技术指标见表2。冲击荷载重力加速度附加系数k(t)随时间变化波形见图3。
表1某泥石流冲击荷载方程参数
表2某泥石流冲击荷载方程的相关技术指标
建立动力分析数值模型。采用FLAC3D作为力学计算软件，进行实体建模和网格剖分。选取弹塑性本构和Mohr-Coulomb屈服准则，将表3所示的各项岩土物理力学参数输入数值计算模型，总体取值原则是倾向于按照围岩不利的情况考虑，以测试隧道在极端情况下的承灾能力。泥石流冲击动力分析所采用的网格密度、边界条件、滤波类型和阻尼参数见表4。
根据分析案例的实际情况，结合工程经验选取如下参数：
表3某公路隧道断面岩体物理力学指标计算取值
表4泥石流冲击动力分析所采用的网格密度、边界条件、滤波类型和阻尼参数
注:软件平台:FLAC3D4.0；硬件平台:DELL R410Server(Intel Xeon 5620 2.4G双CPU 16核心64GB内存)
根据步骤S200，将预先生成的泥石流冲击荷载波形，输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力反应分析。根据步骤S210，取时间间隔tΔ＝0.125秒，0～20秒时程内共计提取N＝161个应力场，每个应力场记为StressField(i),其中i＝1,2,…,161。每一个应力场中包含每个单元的最大主应力、最小主应力和中间主应力等数据。步骤S220，设置统计窗。为了方便演示，本案例展示了当统计窗取为全体围岩和仅为隧道内壁圈层时的两种极端情况。紧接着按照步骤S230，分别计算第i个应力场条件下第j个单元的瞬时稳定系数。图4云图展示了当统计窗取为全体围岩，且i＝41(即t＝5秒)时fosi,j在空间分布的情况，图中颜色越深的区域，稳定系数越小。如图4，在隧道内壁圈层的右上角和左下角出现了低稳定区。搜索第i个应力场条件下各个单元的瞬时稳定系数的最小值，将最小值作为第i个应力场的稳定系数fosi。图5展示了0～20秒内fosi的曲线，并且分别给出了统计窗为全体围岩和仅为隧道表面时的情况，总体上两条曲线呈现震荡趋势，在0～9秒区间内接近1.0，并在尾端重合良好，说明围岩瞬时稳定系数的最小值多发生在隧道表面。基于步骤S240，取阈值KT为1.01～1.15之间，计算Si，Pf，和β。表5展示了统计窗为全体围岩时，不同阈值下的失效概率和可靠度指标计算结果。失效概率和可靠度指标是可靠性分析的标志性成果。至此，完整地实现了泥石流冲击作用下隧道围岩可靠性的评估。
表5不同阈值KT下隧道围岩失效概率(Pf)和可靠度指标(β)计算结果(统计窗为全体围岩)
本发明实施例提供了一种隧道围岩可靠性的评估方法，所述方法包括：将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析后，根据动力学反应分析结果，提取N个应力场；再设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围以及基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列，然后基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。为隧道围岩可靠性分析提供了有效的新途径。
请参阅图6，本发明实施例提供了一种隧道围岩可靠性的评估装置600，所述装置600可以包括：动力学反应单元610、提取单元620、设置单元630、序列获得单元640、可靠性参数获得单元650。
动力学反应单元610，用于将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析。
提取单元620，用于根据动力学反应分析结果，提取N个应力场。
所述提取单元620，用于按照预设间隔提取N个应力场。
设置单元630，用于设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围。
序列获得单元640，用于基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列。
当前所述统计窗包括M个单元，所述N个应力场中每个应力场包括所述M个单元中至少一个单元的最大主应力和最小主应力，所述序列获得单元640，用于：基于预设的稳定系数计算规则及所述M个单元中至少一个单元的最大主应力值和最小主应力值，计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数；搜索第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数中的最小值，以将所述最小值作为第i个应力场的稳定系数，进而获得所述N个应力场的稳定系数序列。
所述预设的稳定性系数计算规则为所述序列获得单元640，用于基于计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，fosi,j为所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，[σ1]ij和[σ3]ij分别是所述N个应力场中第i个应力场条件下第j个单元的最大主应力值和最小主应力值，cj和φj分别为预先获取到的第j个单元的的粘聚力和内摩擦角。
可靠性参数获得单元650，用于基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。
所述可靠性参数包括失效概率，所述预设的可靠性计算规则包括及可靠性参数获得单元650，用于基于及获取所述隧道围岩的失效概率，fosi为所述稳定系数序列中的第i个应力场的稳定系数，KT为不小于1的阈值，Si为所述N个应力场中第i个应力场条件下隧道围岩是否失稳的指针，Pf为所述失效概率。
所述可靠性参数还包括可靠性指标，所述预设的可靠性计算规则还包括β＝-Φ-1(Pf)，可靠性参数获得单元650用于基于β＝-Φ-1(Pf)，获取所述隧道围岩的可靠性参数，Pf为所述失效概率，β为所述可靠性指标，Φ-1为标准正态分布累计分布函数的反函数。
以上各单元可以是由软件代码实现，此时，上述的各单元可存储于存储器102内。以上各单元同样可以由硬件例如集成电路芯片实现。
本发明实施例提供的隧道围岩可靠性的评估装置600，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种隧道围岩可靠性的评估方法，其特征在于，所述方法包括：
将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析；
根据动力学反应分析结果，提取N个应力场；
设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围；
基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列；
基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提取N个应力场，包括：
按照预设间隔提取N个应力场。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当前所述统计窗包括M个单元，所述N个应力场中每个应力场包括所述M个单元中至少一个单元的最大主应力和最小主应力，基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列，包括：
基于预设的稳定系数计算规则及所述M个单元中至少一个单元的最大主应力值和最小主应力值，计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数；
搜索第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数中的最小值，以将所述最小值作为第i个应力场的稳定系数，进而获得所述N个应力场的稳定系数序列。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设的稳定性系数计算规则为基于预设的稳定系数计算规则及所述M个单元中至少一个单元的最大主应力值和最小主应力值，计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，包括：
基于计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，fosi,j为所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，[σ1]ij和[σ3]ij分别是所述N个应力场中第i个应力场条件下第j个单元的最大主应力值和最小主应力值，cj和φj分别为预先获取到的第j个单元的粘聚力和内摩擦角。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可靠性参数包括失效概率，所述预设的可靠性计算规则包括及基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，包括：
基于及获取所述隧道围岩的失效概率，fosi为所述稳定系数序列中的第i个应力场的稳定系数，KT为不小于1的阈值，Si为所述N个应力场中第i个应力场条件下隧道围岩是否失稳的指针，Pf为所述失效概率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可靠性参数还包括可靠性指标，所述预设的可靠性计算规则还包括β＝-Φ-1(Pf)，基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，包括：
基于β＝-Φ-1(Pf)，获取所述隧道围岩的可靠性参数，Pf为所述失效概率，β为所述可靠性指标，Φ-1为标准正态分布累计分布函数的反函数。
7.一种隧道围岩可靠性的评估装置，其特征在于，所述装置包括：
动力学反应单元，用于将预先生成的泥石流冲击荷载函数输入到预先建立的数值分析模型中，进行岩土动力学反应分析；
提取单元，用于根据动力学反应分析结果，提取N个应力场；
设置单元，用于设置统计窗，所述统计窗表征待评估的隧道围岩在空间分布的范围；
序列获得单元，用于基于所述统计窗及所述N个应力场，获得所述N个应力场的稳定系数序列；
可靠性参数获得单元，用于基于所述稳定系数序列及预设的可靠性计算规则，获取所述隧道围岩的可靠性参数，所述可靠性参数表征所述隧道围岩的评估结果。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述提取单元，用于按照预设间隔提取N个应力场。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，当前所述统计窗包括M个单元，所述N个应力场中每个应力场包括所述M个单元中至少一个单元的最大主应力和最小主应力，所述序列获得单元，用于：基于预设的稳定系数计算规则及所述M个单元中至少一个单元的最大主应力值和最小主应力值，计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数；搜索第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数中的最小值，以将所述最小值作为第i个应力场的稳定系数，进而获得所述N个应力场的稳定系数序列。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述预设的稳定性系数计算规则为所述序列获得单元，用于基于计算并获得所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，fosi,j为所述N个应力场中第i个应力场条件下每个单元的瞬时稳定系数，[σ1]ij和[σ3]ij分别是所述N个应力场中第i个应力场条件下第j个单元的最大主应力值和最小主应力值，cj和φj分别为预先获取到的第j个单元的的粘聚力和内摩擦角。
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