CN108959758B - 一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法 - Google Patents

一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，包括以下步骤：划分岩体单元；建立数学模型，设置边界条件，根据实际地质情况赋予模型参数与渗流参数，初始化开挖步与计算时步；对当前开挖步的当前计算时步进行蠕变‑H‑M耦合计算；计算扩展屈服接近度指标GYAI；基于每个单元的GYAI计算渗透系数k；若达到终止条件，则结束计算，输出包括不同开挖步的隧道围岩各单元的扩展屈服接近度指标GYAI、渗透系数及评价信息的结果文件，否则循环计算。本方法考虑了隧道围岩蠕变，将岩体划分为单元，计算出扩展屈服接近度指标GYAI作为综合评价指标，定量评价岩土材料从弹性到破坏全过程的安全状态，能较准确地评价隧道蠕变过程中的弹性、屈服及破坏三种状态。

Description

一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法
技术领域
本发明涉及隧道围岩安全评价技术领域，尤其涉及一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法。
背景技术
目前常用的围岩安全性分析方法有围岩极限位移、围岩破损区范围、围岩安全系数和强度折减法，上述指标主要针对整体岩体稳定性，尚无法反映围岩安全度空间分布的情况。单元安全系数法可以进行岩体局部安全性评价，但目前的评价方法较少反映出单元进入屈服乃至破坏后的状态，也不能反映出岩石的蠕变效应。
发明内容
本发明提供一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，包括以下步骤：
S1：对岩体进行单元划分；
S2：建立数学模型，设置计算所需边界条件，根据实际地质情况赋予模型参数与渗流参数，初始化开挖步与计算时步；
S3：对当前开挖步的当前计算时步进行蠕变-H-M耦合计算；
S4：计算当前时步的扩展屈服接近度指标GYAI；
S5：基于每个单元扩展屈服接近度指标GYAI计算每个单元的渗透系数k，并赋值给每个单元；
S6：判断开挖步是否达到终止条件，若是，则结束计算，输出包括不同开挖步的隧道围岩各单元的扩展屈服接近度指标GYAI、渗透系数及评价信息的结果文件；
判断计算时步是否达到终止要求，若否，则返回S3进行下一个计算时步的计算工作，若是，则返回S3进行下一个开挖步的初始计算时步的计算工作。
进一步地，所述步骤S3中蠕变-H-M耦合计算采用的蠕变本构模型为西原模型的改进模型，所述改进模型在西原模型的基础上将黏塑性体上线性黏壶元件替换为非线性黏壶元件η2(t)，并串联一个基于Mohr-Coulomb准则的应变软化塑性元件，将一维推广至三维的蠕变方程如式(1)，
Figure BDA0001710989690000021
当Sij≤Ss时，进入蠕变第1阶段，即衰减蠕变；当Sij>Ss，t≤tc时，应力水平超过长期强度，黏塑性体发挥作用，变形进入稳定蠕变阶段；当Sij>Ss，t>tc时，应力水平超过长期强度，进入加速蠕变阶段，材料变形迅速增大，发生破坏。
进一步地，所述S2中所需边界条件包括力学边界条件与渗流边界条件，所述力学边界条件包括底部三向约束、四周法向单向约束及顶面自由边界，所述渗流边界条件包括底部固定孔隙水压力透水边界、四周为透水边界、作用梯度水压力及自由水面处压力为零。
进一步地，所述步骤S3的具体计算过程为：首先进行力学计算，进行应力平衡，然后关闭力学计算，打开渗流开关，进行渗流计算；
力学计算的计算公式如式(2)所示，
Figure BDA0001710989690000022
式中：σij为总应力张量，σ′ij为有效应力张量，P为流体渗透压力，α为比奥系数，δij为Kronecker系数，Dijkl弹塑性矩阵，εkl全应变张量增量，
Figure BDA0001710989690000024
为黏弹塑性流变应变张量增量；
渗流计算的计算公式如式(3)所示，
Figure BDA0001710989690000023
式中，h是水头函数；x、z是空间坐标；t是时间坐标；kx、kz是以x、z轴为主轴方向的渗透系数；Ss是单位贮水量；
进一步地，所述步骤S4中的所述单元扩展屈服接近度指标GYAI的计算公式如式(4)、式(5)、式(6)或式(7)，
当塑性剪切应变εps和塑性拉伸应变εpt均等于0，GYAI的计算公式如式(4)，
Figure BDA0001710989690000031
式(4)中，I1为应力张量第一不变量，J2为偏应力张量第二不变量，θσ为应力罗德角，σt为抗拉强度，φ为内摩擦角。
当塑性剪切应变εps>0，且塑性拉伸应变εpt<0时，GYAI的计算公式如式(5)，
Figure BDA0001710989690000032
式(5)中，εps为塑性剪切应变。
当塑性剪切应变εps<0，且塑性拉伸应变εpt>0时，GYAI的计算公式如式(6)，
Figure BDA0001710989690000033
式(6)中，εpt为塑性拉伸应变。
当塑性剪切应变εps>0，且塑性拉伸应变εpt>0时，GYAI的计算公式如式(7)，
Figure BDA0001710989690000034
式(7)中，εps为塑性剪切应变，εpt为塑性拉伸应变。
进一步地，所述渗透系数k的计算公式如式(8)，
Figure BDA0001710989690000041
进一步地，所述蠕变-H-M耦合计算采用FLAC3Dfish语言实现。
本发明提供的一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，考虑了隧道围岩蠕变，将岩体划分为单元，计算出扩展屈服接近度指标GYAI作为综合评价指标，定量评价岩土材料从弹性到破坏全过程的安全状态，能较准确地评价隧道蠕变过程中的弹性、屈服及破坏三种状态，为隧道围岩长期稳定性的分析提供有效的手段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明蠕变-H-M耦合计算采用的蠕变本构模型；
图3为本发明涉及的应力状态点在应力空间的对应关系。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1所示，一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，包括以下步骤：
S1：对岩体进行单元划分；
S2：建立数学模型，设置计算所需边界条件，根据实际地质情况赋予模型参数与渗流参数，初始化开挖步与计算时步；
S3：对当前开挖步的当前计算时步进行蠕变-H-M耦合计算；
S4：计算当前时步的扩展屈服接近度指标GYAI；
S5：基于每个单元扩展屈服接近度指标GYAI计算每个单元的渗透系数k，并赋值给每个单元；
S6：判断开挖步是否达到终止条件，若是，则结束计算，输出包括不同开挖步的隧道围岩各单元的扩展屈服接近度指标GYAI、渗透系数及评价信息的结果文件；
判断计算时步是否达到终止要求，若否，则返回S3进行下一个计算时步的计算工作，若是，则返回S3进行下一个开挖步的初始计算时步的计算工作。
本发明提供的一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，考虑了隧道围岩蠕变，将岩体划分为单元，计算出扩展屈服接近度指标GYAI作为综合评价指标，定量评价岩土材料从弹性到破坏全过程的安全状态，能较准确地评价隧道蠕变过程中的弹性、屈服及破坏三种状态，为隧道围岩长期稳定性的分析提供有效的手段。
进一步地，如图2所示，所述步骤S3中蠕变-H-M耦合计算采用的蠕变本构模型为西原模型的改进模型，所述改进模型在西原模型的基础上将黏塑性体上线性黏壶元件替换为非线性黏壶元件η2(t)，并串联一个基于Mohr-Coulomb准则的应变软化塑性元件，将一维推广至三维的蠕变方程如式(1)，
Figure BDA0001710989690000051
当Sij≤Ss时，进入蠕变第1阶段，即衰减蠕变；当Sij>Ss，t≤tc时，应力水平超过长期强度，黏塑性体发挥作用，变形进入稳定蠕变阶段；当Sij>Ss，t>tc时，应力水平超过长期强度，进入加速蠕变阶段，材料变形迅速增大，发生破坏。
西原模型虽然可以较为全面描述黏塑性特征，但由于其基本元件将均为线性元件，仍然不能反映材料的加速蠕变阶段，同时，蠕变的过程中伴随着应变的增加出现内部损伤，一般认为，损伤是材料在加载条件下其黏聚力呈渐进性减弱，进而导致其体积元裂化和破坏的现象，影响岩体的有效抗剪强度参数，这是岩体的软化现象，而在西原模型中同样无法描述该特性。由于原有的西原模型并不能描述加速蠕变的特性，如果将模型中η2采用与时间有关的非线性黏性参数η2(t)则可以很好地解决这一问题。通过增加应变软化塑性元件则根据材料在蠕变过程中等效塑性应变的变化，使岩土材料的抗剪强度参数发生衰减，同时对应力进行修正的作用。
进一步地，所述S2中所需边界条件包括力学边界条件与渗流边界条件，所述力学边界条件包括底部三向约束、四周法向单向约束及顶面自由边界，所述渗流边界条件包括底部固定孔隙水压力透水边界、四周为透水边界、作用梯度水压力及自由水面处压力为零。
进一步地，所述步骤S3的具体计算过程为：首先进行力学计算，进行应力平衡，然后关闭力学计算，打开渗流开关，进行渗流计算；
力学计算的计算公式如式(2)所示，
Figure BDA0001710989690000061
式中：σij为总应力张量，σ′ij为有效应力张量，P为流体渗透压力，α为比奥系数，δij为Kronecker系数，Dijkl弹塑性矩阵，εkl全应变张量增量，
Figure BDA0001710989690000062
为黏弹塑性流变应变张量增量；
渗流计算的计算公式如式(3)所示，
Figure BDA0001710989690000063
式中，h是水头函数；x、z是空间坐标；t是时间坐标；kx、kz是以x、z轴为主轴方向的渗透系数；Ss是单位贮水量；
进一步地，所述步骤S4中的所述单元扩展屈服接近度指标GYAI的计算公式如式(4)、式(5)、式(6)或式(7)，
当塑性剪切应变εps和塑性拉伸应变εpt均等于0，GYAI的计算公式如式(4)，
Figure BDA0001710989690000071
式(4)中，I1为应力张量第一不变量，J2为偏应力张量第二不变量，θσ为应力罗德角，σt为抗拉强度，φ为内摩擦角。
当塑性剪切应变εps>0，且塑性拉伸应变εpt<0时，GYAI的计算公式如式(5)，
Figure BDA0001710989690000072
式(5)中，εps为塑性剪切应变，
当塑性剪切应变εps<0，且塑性拉伸应变εpt>0时，GYAI的计算公式如式(6)，
Figure BDA0001710989690000073
式(6)中，εpt为塑性拉伸应变，
当塑性剪切应变εps>0，且塑性拉伸应变εpt>0时，GYAI的计算公式如式(7)，
Figure BDA0001710989690000074
式(7)中，εps为塑性剪切应变，εpt为塑性拉伸应变。
当GYAI＝0时，应力点在屈服面上，岩土单元发生屈服；当0<GYAI<1时，岩土单元安全；当GYAI＝1时，表示在等倾线上，岩土单元安全状态最好；当GYAI在[-1,0)之间时，代表岩土单元屈服但未破坏；当GYAI<-1时，则代表岩土单元已经破坏，破坏状态统一取-1。式(4)中的剪切屈服接近度表示为空间应力状态下一点沿最不利应力路径到屈服面的距离与相应的最稳定参考点在相同罗德角方向上沿最不利应力路径到屈服面的距离之比即PB/O'B。其应力状态点在应力空间的对应关系如图3所示，图中GO为等倾线，GAB为偏平面。以上式(4)至式(7)可以求出一个在[-1,1]内的扩展屈服接近度指标GYAI，可以量化地表达岩土单元的安全、屈服和破坏状态。
进一步地，所述渗透系数k的计算公式如式(8)，
Figure BDA0001710989690000081
进一步地，所述蠕变-H-M耦合计算采用FLAC3Dfish语言实现。
FISH语言是FLAC3D内嵌的程序语言，极大方便了用户对模型的复杂操作，作为FISH程序的编写，尽量先编写函数再调用，由少到多，由简单到复杂。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对岩体进行单元划分；
S2：建立数学模型，设置计算所需边界条件，根据实际地质情况赋予模型参数与渗流参数，初始化开挖步与计算时步；
S3：对当前开挖步的当前计算时步进行蠕变-H-M耦合计算；
S4：计算当前时步的扩展屈服接近度指标GYAI；
S5：基于每个单元扩展屈服接近度指标GYAI计算每个单元的渗透系数k，并赋值给每个单元；
S6：判断开挖步是否达到终止条件，若是，则结束计算，输出包括不同开挖步的隧道围岩各单元的扩展屈服接近度指标GYAI、渗透系数及评价信息的结果文件；
判断计算时步是否达到终止要求，若否，则返回S3进行下一个计算时步的计算工作，若是，则返回S3进行下一个开挖步的初始计算时步的计算工作；其中，所述S2中所需边界条件包括力学边界条件与渗流边界条件，所述力学边界条件包括底部三向约束、四周法向单向约束及顶面自由边界，所述渗流边界条件包括底部固定孔隙水压力透水边界、四周为透水边界、作用梯度水压力及自由水面处压力为零；
所述S3的具体计算过程为：首先进行力学计算，进行应力平衡，然后关闭力学计算，打开渗流开关，进行渗流计算；
力学计算的计算公式如式(2)所示，
式中：σij为总应力张量，σ′ij为有效应力张量，P为流体渗透压力，α为比奥系数，δij为Kronecker系数，Dijkl为弹塑性矩阵，εkl为全应变张量增量，为黏弹塑性流变应变张量增量；
渗流计算的计算公式如式(3)所示，
式中，h是水头函数；x、z是空间坐标；t是时间坐标；kx、kz是以x、z轴为主轴方向的渗透系数；Ss是单位贮水量；
所述步骤S4中的所述单元扩展屈服接近度指标GYAI的计算公式如式(4)、式(5)、式(6)或式(7)，
当塑性剪切应变εps和塑性拉伸应变εpt均等于0，GYAI的计算公式如式(4)，
式(4)中，I1为应力张量第一不变量，J2为偏应力张量第二不
变量，θσ为应力罗德角，σt为抗拉强度，为内摩擦角；
当塑性剪切应变εps>0，且塑性拉伸应变εpt<0时，GYAI的计算公式如式(5)，
式(5)中，εps为塑性剪切应变；
当塑性剪切应变εps<0，且塑性拉伸应变εpt>0时，GYAI的计算公式如式(6)，
式(6)中，εpt为塑性拉伸应变；
当塑性剪切应变εps>0，且塑性拉伸应变εpt>0时，GYAI的计算公式如式(7)，
式(7)中，εps为塑性剪切应变，εpt为塑性拉伸应变。
2.根据权利要求1所述的一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，其特征在于，所述步骤S3中蠕变-H-M耦合计算采用的蠕变本构模型为西原模型的改进模型，所述改进模型在西原模型的基础上将黏塑性体上线性黏壶元件替换为非线性黏壶元件η2(t)，并串联一个基于Mohr-Coulomb准则的应变软化塑性元件，将一维推广至三维的蠕变方程如式(1)，
当Sij≤Ss时，进入蠕变第1阶段，即衰减蠕变；当Sij>Ss，t≤tc时，应力水平超过长期强度，黏塑性体发挥作用，变形进入稳定蠕变阶段；当Sij>Ss，t>tc时，应力水平超过长期强度，进入加速蠕变阶段，材料变形迅速增大，发生破坏。
3.根据权利要求1所述的一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，其特征在于，所述渗透系数k的计算公式如式(8)，
4.根据权利要求3所述的一种考虑渗流蠕变的隧道局部安全性分析方法，其特征在于，所述蠕变-H-M耦合计算采用FLAC3Dfish语言实现。
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