CN112182703A - 一种基于离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分析方法 - Google Patents

一种基于离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及类岩堆体围岩中隧道结构设计和安全施工领域。一种基于离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分析方法，其特征在于，首先确定类岩堆体隧道围岩的结构特征和粒径尺寸，然后根据工程实际建立离散元YADE程序数值模型，计算类岩堆体隧道结构围岩压力，最后将离散元程序数值模型计算的类岩堆体隧道结构围岩压力结果以荷载的形式施加到类岩堆体隧道荷载结构模型中，进行类岩堆体隧道结构的内力计算与稳定性分析。可为“岩石+土体”类岩堆体隧道结构工程问题稳定性分析提供一种新的解决途径。

Description

一种基于离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分 析方法
技术领域
本发明涉及类岩堆体围岩中隧道结构设计和安全施工领域。
背景技术
隧道结构分析和计算事关隧道设计和施工的安全与稳定，具有十分重要的意义。基于连续介质力学的有限元法等方法在隧道工程方面的应用已经十分成熟，但对于类岩堆体这种典型的“岩石+土体”非连续介质地层特征的隧道围岩来说，连续介质力学方法的适用性受到明显的限制，在隧道围岩压力与荷载确定方面，存在着较强的不确定性。
针对非连续介质发展起来的离散单元法在处理岩体非连续性方面具有较强优势，得到了越来越多的重视和应用，能够较为真实地反映岩体的非连续地层特征，同时能够获得较为真实的离散体围岩压力分布形式。然而，在“岩石+土体”类岩堆体隧道围岩结构分析计算方面，基于离散单元法尚无能够较为精确全面地计算出结构的受力响应与稳定性特征的方法。
因此，为了获得“岩石+土体”类岩堆体地层中隧道结构的受力状态，进而有效判断隧道的稳定性，需要提出一种能够同时满足“岩石+土体”类岩堆体地层围岩压力荷载确定和结构安全性分析的新方法。
发明内容
本发明的目的就是针对“岩石+土体”典型特征类型的类岩堆体隧道结构，采用离散单元法联合荷载结构法，首先提出一种采用离散单元法确定“岩石+土体”类岩堆体隧道围岩压力计算方法，然后将获得的围岩压力非均匀分布形式作为已知荷载施加到荷载结构法有限元模型中，最终分析类岩堆体隧道结构受力响应特征，从而建立“岩石+土体”类岩堆体地层围岩压力荷载确定和结构安全性分析的新方法。
需要保护技术方案：
概括的，一种基于离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分析方法，其特征在于，首先通过现场调查、分析试验与图像处理等方法确定类岩堆体隧道围岩的结构特征和粒径尺寸，然后根据工程实际建立离散元YADE程序数值模型，计算“岩石+土体”典型特征构成的类岩堆体隧道结构围岩压力，最后将离散元程序数值模型计算的“岩石+土体”类岩堆体隧道结构围岩压力结果以荷载的形式施加到类岩堆体隧道荷载结构模型中，进行类岩堆体隧道结构的内力计算与稳定性分析。
具体的，一种基于离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分析方法，其特征在于，
步骤1：获得类岩堆体围岩构成的几何特征和分布特征，再获取类岩堆体(岩石+土体)在力作用下的变形特征；
具体包括：
步骤1.1对现场进行图像采集，确定现场类岩堆体中岩石的粒径尺寸与空间分布结构参数，以获得粒径尺寸与结构特征数据；
步骤1.2采用现场取样并通过试验获取大试样类岩堆体的应力应变关系曲线，即获得在真实力作用下类岩堆体的变形特征；
步骤2：根据实际工程概况，采用基于离散单元法的程序YADE(“软件一”)建立类岩堆体隧道围岩与结构的离散元计算模型(“模型一”)；
步骤2.1在“软件一”中设置圆曲线为隧道结构的开挖边界，输入步骤1.1确定的类岩堆体粒径尺寸与结构特征数据，其中块石采用圆形颗粒块簇(clump)形成的块石形状和尺寸来模拟，块石之间空隙采用土体填充，土体采用对应粒径尺寸的圆形颗粒(ball)来模拟，设定土-石阈值dS/T＝0.05Lc，Lc为类岩堆体工程特征尺度，对隧道而言，Lc可取为隧道最大直径；
以上信息输入现有工具“软件一”以初步构建“模型一”；
2.2选择和设计本发明的微观离散元计算参数，结合块石粒径参数和几何拓扑特征，采用相互重叠的圆粒填充块体形状区域生成块簇，输入“软件一”进行类岩堆体的块石和土体数值试验，采用由个体到整体的标定方式，先由个体块体试验标定块簇组成颗粒的参数，再由土体三轴力学试验标定土体颗粒参数，最后基于步骤1.2得到的土石混合体应力应变关系曲线来标定土石界面参数，从而确定出能够反映实际岩石和土体特征的微观离散 元计算参数，完成对“模型一”的参数标定；
2.3采用标定好的“模型一”，依托YADE程序即可计算类岩堆体隧道附近的围岩压力，并分别提取出隧道顶部、底部的竖向及侧向围岩压力分布值，即q1作为隧道顶部竖向压力，e1为隧道顶部两侧水平压力，e2为隧道底部两侧水平压力，连接e1和e2构成两侧水平梯形分布压力，q2作为隧道底部围岩反力；
步骤3：利用步骤2提取出的隧道围岩压力分布值，基于已有的“软件二”建立类岩堆体隧道的衬砌结构荷载结构法有限元模型(“模型二”)，获得类岩堆体隧道结构的响应特征与变形状态，从而确定类岩堆体隧道结构的安全与稳定情况。
步骤1中，所述工程特征尺度表示隧道断面内的几何尺寸最大值，对于圆形或矩形，工程特征尺度就是圆形的直径或者矩形边长；实际工程中隧道往往是不规则的“类圆形”，本发明采用隧道最大外切圆直径表征隧道断面的最大尺寸。
步骤2中，结合本发明选择和设计的微观离散元计算参数，以及所述由个体到整体的标定方式，具体包括如下：
2.2.1基于单个岩块的单轴压缩破裂试验，根据峰值强度、起裂时间、裂缝产状，采用Weibull(韦伯)分布生成块簇颗粒物理力学性质随机场模拟岩块内部不均质性，动态调整反映块石特征的颗粒块簇(block clump)参数：颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr，颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr，直至模拟结果与试验结果一致。首先通过改变颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr匹配模拟和试验的峰值强度；接着通过调整颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr匹配模拟和试验的弹性模量和泊松比；最后再微调颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr补偿颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr参数调整引起的模拟强度变化。
2.2.2基于类岩堆土体部分三轴压缩试验，根据峰值强度、弹性模量、泊松比等参数，动态调整反映土体特征的圆形颗粒(ball)参数：颗粒法向刚度kns，切向刚度kss，颗粒摩擦系数μs，直至模拟结果与试验结果一致。首先通过改变颗粒摩擦系数μs匹配数值模拟和试验峰值强度；再通过调整法向刚度kns，切向刚度kss匹配数值模拟和试验获得的弹性模量和泊松比；最后通过微调上述参数补偿参数改变引起的强度、弹性模量及泊松比变化。
2.2.3.固定步骤2.2.1和步骤2.2.2中的块簇颗粒及土体颗粒参数，基于步骤1.2得到的土石混合体应力应变关系曲线动态调整反映土-石二元结构的土石界面接触参数：法向刚度knrs，切向刚度ksrs，法向粘结强度Fn，切向粘结强度Fs，直至模拟结果与试验结果一致。首先改变法向粘结强度Fn，切向粘结强度Fs匹配数值模拟和试验的峰值强度；接着通过调整法向刚度knrs和切向刚度ksrs匹配数值模拟和试验的弹性模量和泊松比；最后通过微调上述参数补偿参数改变引起的强度、弹性模量及泊松比变化。
2.2.4将步骤2.2.1-步骤2.2.3各个参数进行标定记录，获得最终的隧道开挖前的离散元计算模型(模型一)。
步骤3中，具体包括如下步骤:
3.1采用荷载结构法有限元程序(以下简称：“软件二”)建立类岩堆体隧道的衬砌结构荷载结构法有限元模型(以下简称：“模型二”)，其中：隧道衬砌结构采用梁单元；基于平面应变假设，隧道结构沿纵向取单位长度(是隧道工程分析常用的一种力学简化方法)；梁单元弹性模量E和泊松比ν以及梁横截面厚度H采用实际隧道衬砌结构参数进行取值。
3.2将步骤2.3计算提取到的围岩压力分布，以结构荷载的形式施加到荷载结构法有限元模型(“模型二”)中，q1分布形式作为隧道顶部竖向压力，e1分布形式为隧道顶部两侧水平压力，e2分布形式为隧道底部两侧水平压力，连接e1和e2构成两侧水平向分布压力形式，q2分布形式作为隧道底部围岩反力。基于荷载结构法有限元程序(即“软件二”)即可输出隧道结构荷载结构法有限元模型(“模型二”)类岩堆体的应力和应变计算结果：隧道衬砌结构的弯矩M、轴力N、剪力F以及位移U。
3.3根据步骤3.2输出的计算结果与设计参数或现场监测结果进行对比分析，用于评估类岩堆体隧道结构的安全与稳定性，可为类岩堆体隧道结构的安全与稳定分析提供建议。
离散单元法在计算“岩石+土体”构成的类岩堆体隧道围岩压力方面有较强的优势，荷载结构法计算隧道结构响应特征具有快速准确的特点，将提出的“岩石+土体”类岩堆体离散单元法计算的非均匀围岩压力分布结果作为荷载结构法模型的荷载边界条件，进行“岩石+土体”类岩堆体隧道结构的稳定性分析，可为“岩石+土体”类岩堆体隧道结构工程问题稳定性分析提供一种新的解决途径。
附图说明
图1本发明方法流程示意图
图2离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分析方法
具体实施方式
已有软件和理论介绍。
YADE是一款采用C++和Python编写，在linux下运行的颗粒流开源程序，主要用于研究散粒体或可简化为散粒体的系统的分析，用户可根据自己需要增加或修改内置算法或模型。目前有二维和三维两种模块，该软件属于离散元(DEM)范畴。
与连续介质力学方法不同的是，离散单元法试图从宏微观结构角度研究介质的力学特性和行为。简单地说，介质的基本构成为颗粒(particle)，可以增加、也可以不增加“水泥”粘结，介质的宏观力学特性如本构决定于颗粒和粘结的几何和力学特性。形象地，这与国内80年代岩石力学界比较流行的实验室“地质力学模型”试验很相似，该试验中往往是用砂(颗粒)和石膏(粘结剂)混合、按照相似理论来模拟岩体的力学特性。
YADE中的颗粒为刚性颗粒，但在力学关系上允许重叠，以模拟颗粒之间的接触力。颗粒之间的力学关系非常简单，即牛顿第二定律。颗粒之间的接触破坏可以为剪切和张开两种形式，当介质中颗粒间的接触关系(如断开)发生变化时，介质的宏观力学特性可以经历从峰前线性到峰后非线性的转化，即介质内颗粒接触状态的变化决定了介质的本构关系。因此，在YADE计算中不需要给材料定义宏观本构关系和对应的参数，这些传统的力学特性和参数通过程序自动获得，而定义它们的是颗粒和水泥的几何和力学参数，如颗粒级配、刚度、摩擦力、粘结介质强度等微观力学参数。
本发明技术方案依托的“软件一”平台，即采用YADE的二维模块。参见https:// yade-dem.org/doc/index.html。
本发明方法的实施，需基于YADE二维模块来实现。
基于已有的离散单元法计算程序(软件一)设计和实施本发明方法技术方案，发明人创造性地视“岩石+土体”类岩堆体中的土体是由具有一定变刚度的颗粒组成，其中的岩体是由具有变刚度的圆形颗粒块簇构成；对每个颗粒或颗粒块簇设定尺寸、密度、摩擦系数、接触形式等参数,整体达到平衡后,在开挖卸荷作用下,土体颗粒和岩体颗粒块簇之间将产生位移,引起应力的变化。在这个过程中,对每个颗粒或颗粒块簇应用牛顿第二定律,而在颗粒或颗粒块簇接触处应用力——位移定律。牛顿第二定律确定每个颗粒或颗粒块簇由于接触力引起的颗粒或颗粒块簇运动,而力——位移定律用来更新接触力,接触力是随着接触处产生相对运动而时刻变化的。这两个定律在计算过程中交替使用,直至整体达到新的平衡，进而确定类岩堆体隧道围岩土石混合结构地层围岩压力，用于后续准确可靠的计算与分析该类地层中隧道结构的稳定性。
所述两个定律为牛顿第二定律、力位移定律。牛顿第二定律F＝m*a，其中F为合力，m为颗粒或团簇质量，a为颗粒或团簇的加速度。力位移定律f＝k*deta，其中f为接触力，k为接触刚度，deta为接触位移。牛顿第二定律、力位移定律为“软件一”已有算法的根本，贯穿整个标定和模拟过程。
荷载结构法“软件二”在计算隧道结构响应结果与稳定性状态时具有简单快速的特点，可快速获取隧道结构在围岩压力作用下的力学响应特征，为隧道结构施工运营状态提供参考。
本发明方法实用快速，结果准确合理，可形成一种用于“岩石+土体”类岩堆体隧道结构的围岩压力和内力分析的计算方法，可在实际工程中用于快速确定类岩堆体地层结构内力，并在隧道施工过程中准确进行隧道结构受力及响应分析，实现施工过程中地层与隧道结构状态的可预见性，及时发现问题并提出相应处置措施。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1、图2所示：
一种基于离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分析方法，其特征在于，
步骤1：获得类岩堆体围岩构成的几何特征和分布特征，再获取类岩堆体(岩石+土体)在力作用下的变形特征；
具体包括：
步骤1.1对现场进行图像采集，确定现场类岩堆体中岩石的粒径尺寸与空间分布结构参数，以获得粒径尺寸与结构特征数据；提供给步骤2.1即输入步骤2“软件一”中。如何实现现场类岩堆体中岩石的粒径尺寸与空间分布不是关键技术，可以通过现有的计算机图像识别技术来实现，甚至通过人工识别和手绘标记来完成。
步骤1.2采用现场取样并通过试验获取大试样类岩堆体(岩石和土体)的应力应变关系曲线，即获得在真实力作用下类岩堆体的变形特征，用于标定步骤2“软件一”中的计算模型参数。所述试验可采用单轴或三轴试验方法，为本领域已知的，常规试验方法，本发明省略其方法过程。
步骤2：根据实际工程概况，采用基于离散单元法的程序YADE(“软件一”)建立类岩堆体隧道围岩与结构的离散元计算模型(简称：模型一)。为本发明核心创新之处。
步骤2.1在“软件一”中设置圆曲线为隧道结构的开挖边界，输入步骤1.1确定的类岩堆体粒径尺寸与结构特征数据，其中块石采用圆形颗粒块簇(clump)形成的块石形状和尺寸来模拟，块石之间空隙采用土体填充，土体采用对应粒径尺寸的圆形颗粒(ball)来模拟，设定土-石阈值dS/T＝0.05Lc，Lc为类岩堆体工程特征尺度，对隧道而言，Lc可取为隧道最大直径；
以上信息输入现有工具即“软件一”以初步构建所述离散元计算模型(模型一)。
进一步说明，所述工程特征尺度表示隧道断面内的几何尺寸最大值，对于圆形或矩形，工程特征尺度就是圆形的直径或者矩形边长；实际工程中隧道往往是不规则的“类圆形”，本发明采用隧道最大外切圆直径表征隧道断面的最大尺寸。
2.2选择和设计本发明的微观离散元计算参数，结合块石粒径参数和几何拓扑特征，采用相互重叠的圆粒填充块体形状区域生成块簇，输入离散元程序YADE(软件一)进行类岩堆体的块石和土体数值试验，采用由个体到整体的标定方式，先由个体块体试验标定块簇组成颗粒的参数，再由土体三轴力学试验标定土体颗粒参数，最后基于步骤1.2得到的土石混合体应力应变关系曲线来标定土石界面参数，从而确定出能够反映实际岩石和土体特征的微观离散元计算参数，完成对离散元计算模型(模型一)的参数标定。
这里的个体指的是组成岩堆体的块石和土体颗粒，整体指的是整个岩堆体体系，传统的标定方式是针对整个模型进行一次标定，这样所有颗粒的输入参数均相同，而由于岩块和土体物理力学性质差异较大，本发明方法采用先根据纯岩块和纯土体自身的力学响应曲线标定好各自的参数，再通过二者混合体即岩堆体体系的力学响应曲线标定岩块和土体颗粒的接触参数。
结合本发明选择和设计的微观离散元计算参数，以及所述由个体到整体的标定方式，具体包括如下：
2.2.1基于单个岩块的单轴压缩破裂试验，根据峰值强度、起裂时间、裂缝产状，采用Weibull(韦伯)分布生成块簇颗粒物理力学性质随机场模拟岩块内部不均质性，动态调整反映块石特征的颗粒块簇(block clump)参数：颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr，颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr，直至模拟结果与试验结果一致。首先通过改变颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr匹配模拟和试验的峰值强度；接着通过调整颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr匹配模拟和试验的弹性模量和泊松比；最后再微调颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr补偿颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr参数调整引起的模拟强度变化。
2.2.2基于类岩堆土体部分三轴压缩试验，根据峰值强度、弹性模量、泊松比等参数，动态调整反映土体特征的圆形颗粒(ball)参数：颗粒法向刚度kns，切向刚度kss，颗粒摩擦系数μs，直至模拟结果与试验结果一致。首先通过改变颗粒摩擦系数μs匹配数值模拟和试验峰值强度；再通过调整法向刚度kns，切向刚度kss匹配数值模拟和试验获得的弹性模量和泊松比；最后通过微调上述参数补偿参数改变引起的强度、弹性模量及泊松比变化。
2.2.3.固定步骤2.2.1和步骤2.2.2中的块簇颗粒及土体颗粒参数，基于步骤1.2得到的土石混合体应力应变关系曲线动态调整反映土-石二元结构的土石界面接触参数：法向刚度knrs，切向刚度ksrs，法向粘结强度Fn，切向粘结强度Fs，直至模拟结果与试验结果一致。首先改变法向粘结强度Fn，切向粘结强度Fs匹配数值模拟和试验的峰值强度；接着通过调整法向刚度knrs和切向刚度ksrs匹配数值模拟和试验的弹性模量和泊松比；最后通过微调上述参数补偿参数改变引起的强度、弹性模量及泊松比变化。
2.2.4将步骤2.2.1-步骤2.2.3各个参数进行标定记录，获得最终的隧道开挖前的离散元计算模型(模型一)。
“岩石+土体”型类岩堆体中岩块和土体颗粒间的相互作用是确定土石二元体力学行为和失稳模式的关键，上述标定方法以岩块和土体各自力学性质为出发点，从局部到整体，突破了传统标定方法中颗粒或块体间接触参数与颗粒或块体自身参数需要关联的局限，能够更为真实地反映土石二元体间的真实作用机制。
所述“个体”指的是组成岩堆体的块石和土体颗粒，“整体”指的是整个岩堆体体系，传统的标定方式是针对整个模型进行一次标定，这样所有颗粒的输入参数均相同，而颗粒间接触参数直接通过颗粒的弹性模量和泊松比计算得到，而由于岩块和土体物理力学性质差异较大，无法适用于“岩土堆体”这类特殊对象。本发明采用方法是先根据纯岩块和纯土体自身的力学响应曲线标定好各自的参数，再通过二者混合体即岩堆体体系的力学响应曲线标定岩块和土体颗粒的接触参数。
2.3采用步骤2.2.4标定好的离散元计算模型(模型一)，依托YADE程序即可计算类岩堆体隧道附近的围岩压力，并分别提取出隧道顶部、底部的竖向及侧向围岩压力分布值，即q1作为隧道顶部竖向压力，e1为隧道顶部两侧水平压力，e2为隧道底部两侧水平压力，连接e1和e2构成两侧水平梯形分布压力，q2作为隧道底部围岩反力。这部分算法和功能是由现有YADE程序支持，属于成熟的现有技术。将提取的这些压力值进行标注、记录和储存，为步骤3.2中荷载结构法分析隧道结构提供荷载输入参数。
需要说明的是，工程特征尺寸决定了“软件一”所模拟的模型的大小，隧道尺寸确定了开挖区域范围，块石形状、尺寸以及土-石粒径比阈值确定了模型中块石/土体颗粒的数量，“软件一”再根据本发明选择和设计的微观离散元计算参数，基于两个定律并利用离散单元法可以确定出块体/颗粒的质量和接触刚度，这部分算法和功能是由现有YADE程序支持的。
步骤3：利用步骤2提取出的隧道围岩压力分布值，基于已有的软件二建立类岩堆体隧道的衬砌结构荷载结构法有限元模型(模型二)，获得类岩堆体隧道结构的响应特征与变形状态，从而确定类岩堆体隧道结构的安全与稳定情况。
具体包括如下步骤:
3.1采用荷载结构法有限元程序(以下简称：软件二)建立类岩堆体隧道的衬砌结构荷载结构法有限元模型(以下简称：模型二)，其中：隧道衬砌结构采用梁单元；基于平面应变假设，隧道结构沿纵向取单位长度(是隧道工程分析常用的一种力学简化方法)；梁单元弹性模量E和泊松比ν以及梁横截面厚度H采用实际隧道衬砌结构参数进行取值。这部分属于本领域通用技术。
3.1采用荷载结构法有限元程序(以下简称：“软件二”)建立类岩堆体隧道的衬砌结构荷载结构法有限元模型(以下简称：“模型二”)，其中：隧道衬砌结构采用梁单元；基于平面应变假设，隧道结构沿纵向取单位长度；梁单元弹性模量E和泊松比ν以及梁横截面厚度H采用实际隧道衬砌结构参数进行取值。
3.2将步骤2.3计算提取到的围岩压力分布，以结构荷载的形式施加到荷载结构法有限元模型(模型二)中，q1分布形式作为隧道顶部竖向压力，e1分布形式为隧道顶部两侧水平压力，e2分布形式为隧道底部两侧水平压力，连接e1和e2构成两侧水平向分布压力形式，q2分布形式作为隧道底部围岩反力。基于荷载结构法有限元程序(即软件二)即可输出隧道结构荷载结构法有限元模型(模型二)类岩堆体的应力和应变计算结果，可分别得到类岩堆体隧道结构的响应特征与变形状态(或：稳定性状态)，主要包括：隧道衬砌结构的弯矩M、轴力N、剪力F以及位移U。所述“软件二”这类基于荷载结构法有限元程序可采用ABAQUS或同济曙光等已有软件支持其功能和算法，非本发明独创。
3.3根据步骤3.2输出的计算结果与设计参数或现场监测结果进行对比分析，可为类岩堆体隧道结构的安全与稳定分析提供建议。这部分属于本领域公知和通用技术。

Claims (5)

1.一种基于离散单元法联合荷载结构法的类岩堆体隧道结构分析方法，其特征在于，首先确定类岩堆体隧道围岩的结构特征和粒径尺寸，然后根据工程实际建立离散元YADE程序数值模型，计算类岩堆体隧道结构围岩压力，最后将离散元程序数值模型计算的类岩堆体隧道结构围岩压力结果以荷载的形式施加到类岩堆体隧道荷载结构模型中，进行类岩堆体隧道结构的内力计算与稳定性分析。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括
步骤1：获得类岩堆体围岩构成的几何特征和分布特征，再获取类岩堆体(岩石+土体)在力作用下的变形特征；
具体包括：
步骤1.1对现场进行图像采集，确定现场类岩堆体中岩石的粒径尺寸与空间分布结构参数，以获得粒径尺寸与结构特征数据；
步骤1.2采用现场取样并通过试验获取大试样类岩堆体的应力应变关系曲线，即获得在真实力作用下类岩堆体的变形特征；
步骤2：根据实际工程概况，采用基于离散单元法的程序YADE(“软件一”)建立类岩堆体隧道围岩与结构的离散元计算模型(“模型一”)；
步骤2.1在“软件一”中设置圆曲线为隧道结构的开挖边界，输入步骤1.1确定的类岩堆体粒径尺寸与结构特征数据，其中块石采用圆形颗粒块簇(clump)形成的块石形状和尺寸来模拟，块石之间空隙采用土体填充，土体采用对应粒径尺寸的圆形颗粒(ball)来模拟，设定土-石阈值dS/T＝0.05Lc，Lc为类岩堆体工程特征尺度，对隧道而言，Lc可取为隧道最大直径；
以上信息输入现有工具“软件一”以初步构建“模型一”；
2.2选择和设计本发明的微观离散元计算参数，结合块石粒径参数和几何拓扑特征，采用相互重叠的圆粒填充块体形状区域生成块簇，输入“软件一”进行类岩堆体的块石和土体数值试验，采用由个体到整体的标定方式，先由个体块体试验标定块簇组成颗粒的参数，再由土体三轴力学试验标定土体颗粒参数，最后基于步骤1.2得到的土石混合体应力应变关系曲线来标定土石界面参数，从而确定出能够反映实际岩石和土体特征的微观离散元计算参数，完成对“模型一”的参数标定；
2.3采用标定好的“模型一”，依托YADE程序即可计算类岩堆体隧道附近的围岩压力，并分别提取出隧道顶部、底部的竖向及侧向围岩压力分布值，即q1作为隧道顶部竖向压力，e1为隧道顶部两侧水平压力，e2为隧道底部两侧水平压力，连接e1和e2构成两侧水平梯形分布压力，q2作为隧道底部围岩反力；
步骤3：利用步骤2提取出的隧道围岩压力分布值，基于已有的“软件二”建立类岩堆体隧道的衬砌结构荷载结构法有限元模型(“模型二”)，获得类岩堆体隧道结构的响应特征与变形状态，从而确定类岩堆体隧道结构的安全与稳定情况。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述工程特征尺度表示隧道断面内的几何尺寸最大值，对于圆形或矩形，工程特征尺度就是圆形的直径或者矩形边长；实际工程中隧道往往是不规则的“类圆形”，本发明采用隧道最大外切圆直径表征隧道断面的最大尺寸。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，结合本发明选择和设计的微观离散元计算参数，以及所述由个体到整体的标定方式，具体包括如下：
2.2.1基于单个岩块的单轴压缩破裂试验，根据峰值强度、起裂时间、裂缝产状，采用Weibull(韦伯)分布生成块簇颗粒物理力学性质随机场模拟岩块内部不均质性，动态调整反映块石特征的颗粒块簇(block clump)参数：颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr，颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr，直至模拟结果与试验结果一致。首先通过改变颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr匹配模拟和试验的峰值强度；接着通过调整颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr匹配模拟和试验的弹性模量和泊松比；最后再微调颗粒法向黏结强度bnr，切向黏结强度bns，颗粒摩擦系数μr补偿颗粒法向刚度knr，切向刚度ksr参数调整引起的模拟强度变化；
2.2.2基于类岩堆土体部分三轴压缩试验，根据峰值强度、弹性模量、泊松比等参数，动态调整反映土体特征的圆形颗粒(ball)参数：颗粒法向刚度kns，切向刚度kss，颗粒摩擦系数μs，直至模拟结果与试验结果一致；首先通过改变颗粒摩擦系数μs匹配数值模拟和试验峰值强度；再通过调整法向刚度kns，切向刚度kss匹配数值模拟和试验获得的弹性模量和泊松比；最后通过微调上述参数补偿参数改变引起的强度、弹性模量及泊松比变化；
2.2.3.固定步骤2.2.1和步骤2.2.2中的块簇颗粒及土体颗粒参数，基于步骤1.2得到的土石混合体应力应变关系曲线动态调整反映土-石二元结构的土石界面接触参数：法向刚度knrs，切向刚度ksrs，法向粘结强度Fn，切向粘结强度Fs，直至模拟结果与试验结果一致；首先改变法向粘结强度Fn，切向粘结强度Fs匹配数值模拟和试验的峰值强度；接着通过调整法向刚度knrs和切向刚度ksrs匹配数值模拟和试验的弹性模量和泊松比；最后通过微调上述参数补偿参数改变引起的强度、弹性模量及泊松比变化；
2.2.4将步骤2.2.1-步骤2.2.3各个参数进行标定记录，获得最终的隧道开挖前的离散元计算模型(模型一)。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中，具体包括如下步骤:
3.1采用荷载结构法有限元程序(“软件二”)建立类岩堆体隧道的衬砌结构荷载结构法有限元模型(“模型二”)，其中：隧道衬砌结构采用梁单元；基于平面应变方法，隧道结构沿纵向取单位长度；梁单元弹性模量E和泊松比ν以及梁横截面厚度H采用实际隧道衬砌结构参数进行取值；
3.2将步骤2.3计算提取到的围岩压力分布，以结构荷载的形式施加到荷载结构法有限元模型(“模型二”)中，q1分布形式作为隧道顶部竖向压力，e1分布形式为隧道顶部两侧水平压力，e2分布形式为隧道底部两侧水平压力，连接e1和e2构成两侧水平向分布压力形式，q2分布形式作为隧道底部围岩反力；输出类岩堆体的应力和应变计算结果：隧道衬砌结构的弯矩M、轴力N、剪力F以及位移U；
3.3根据步骤3.2输出的计算结果与设计参数或现场监测结果进行对比分析，用于评估类岩堆体隧道结构的安全与稳定性。
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