CN117172032B - 一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法及相关设备，基于多拱模型，通过计算出小主应力轨迹和大主应力轨迹的相关参数、上部小主应力区域和下部大主应力轨迹区域的平均侧压力系数和应力分布系数，将所述上部小主应力区域和下部大主应力区域进行土体微元划分，计算出隧道上覆平均竖向应力，根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力；本发明引入了主应力轨迹下的应力分布系数的修正系数，使计算结果更加精确、更加符合实际，能够准确地计算矩形隧道上浮引起的上覆土压力的分布，使得矩形隧道全寿命周期的安全性与可靠性得到保障。
Description
技术领域
本发明涉及城市地下工程技术领域，尤其涉及一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法及相关设备。
背景技术
随着经济的快速发展，近年来城市地铁轨道交通取得了快速发展。与其他结构形式相比，圆形隧道存在断面空间利用率低，在相同覆土情况下对周围环境变化敏感等劣势，而矩形隧道因其空间利用率高、结构整体性好等优点逐渐被广泛应用于地铁轨道交通网络的建设中。
目前的大部分矩形隧道建设通常采用矩形顶管机进行施工，采用该工法施工的矩形隧道具有埋深浅、断面大的特点。掘进施工中，由于隧道断面过大、隧道轴线埋深浅等原因，极易因隧道管片上浮造成地表隆起，甚至是被动失稳破坏，进而对整条隧道造成毁灭性的破坏。我国目前对于矩形盾构隧道建设仍处于发展阶段，有关管片上浮的理论研究及控制措施仍然存在着许多不足，而研究隧道上浮问题最重要的是研究隧道上部的土压力分布。
但是，目前的现有技术中不能预测矩形隧道上浮引起上覆土压力不均匀分布的问题，隧道全寿命周期的安全性与可靠性无法得到保障。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法、系统、终端及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术中无法准确地计算矩形隧道上浮引起上覆土压力的分布，隧道全寿命周期的安全性与可靠性无法得到保障的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法包括如下步骤：
确定目标隧道周围范围内的土体物理力学参数和所述目标隧道的上方两侧滑移面之间的距离，根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数；
根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度；
将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力；
将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，其中，所述第三高度=第一高度+第二高度；
根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
可选地，所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，其中，所述土体物理力学参数包括：隧道直径、隧道埋深、土体内摩擦角、土体粘聚力和土体平均重度；
所述目标隧道的上方两侧滑移面为竖直滑移面，所述上方两侧滑移面之间的距离与所述隧道直径相等。
可选地，所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，其中，所述根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数，具体包括：
根据公式计算得到大主应力偏转角，其中，为主动侧压力系数，，为土体内摩擦角；
根据公式和分别计算得到小主应力轨迹的圆弧半径和大主应力轨迹的圆弧半径，其中B为上方两侧滑移面之间的距离，B等于隧道直径D；
根据公式和分别计算得到小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数和大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数；
根据公式和分别计算得到所述第一应力分布系数和原始第二应力分布系数，其中，代表隧道水平方向上任意一点与隧道中心线的水平距离，且；
根据所述原始第二应力分布系数，通过公式进行应力分布系数修正，得到目标应力分布系数，其中，为修正系数，由数值模拟反推演得到；
其中，小主应力轨迹的相关参数包括：小主应力轨迹的圆弧半径和小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数，大主应力轨迹的相关参数包括：大主应力偏转角、大主应力轨迹的圆弧半径和大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数。
可选地，所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，其中，所述根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度，具体包括：
根据所述多拱模型、隧道直径D、隧道埋深C和土体内摩擦角，通过数值模拟或者插值法确定上部小主应力区域的高度和下部大主应力区域的高度；
其中，上部小主应力区域的高度为所述目标隧道的上方两侧滑移面内靠近地表的小主应力偏转区域的高度，为所述目标隧道的上方两侧滑移面内靠近隧道顶部的大主应力偏转区域的高度。
可选地，所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，其中，所述将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力，具体包括：
通过对所述上部小主应力区域进行土体微元划分，得到微分方程，其中，为滑移面处的切应力；为扰动区薄层单元表面的平均竖向应力，z为埋深，为土体平均重度；
若，则将和代入公式中得到，计算得到小主应力区域在所述第一高度的微元上方的平均竖向应力，其中，为土体粘聚力。
可选地，所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，其中，所述将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，具体包括：
通过对所述下部大主应力区域进行土体微元划分，得到微分方程，其中，，表示所述上部小主应力区域向下传递后作用在所述下部大主应力区域顶部的力；
若，则将和代入公式中得到，计算得到大主应力区域在所述第三高度+的微元上方的隧道上覆平均竖向应力。
可选地，所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，其中，所述根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述目标应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力，具体包括：
将所述隧道上覆平均竖向应力和所述目标应力分布系数代入公式中，计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算系统，其中，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算系统包括：
相关参数获取模块，用于确定目标隧道周围的土体物理力学参数和所述目标隧道的上方两侧滑移面之间的距离，根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数；
埋深高度划分模块，用于根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度；
第一应力计算模块，用于将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力；
第二应力计算模块，用于将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，其中，所述第三高度=第一高度+第二高度；
目标应力计算模块，用于根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种终端，其中，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序被所述处理器执行时实现如上所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序被处理器执行时实现如上所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法的步骤。
本发明中，基于多拱模型，通过计算出小主应力轨迹和大主应力轨迹的相关参数、上部小主应力区域和下部大主应力轨迹区域的平均侧压力系数和应力分布系数，将所述上部小主应力区域和下部大主应力区域进行土体微元划分，计算出隧道上覆平均竖向应力，根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力；本发明还引入了主应力轨迹下的应力分布系数的修正系数，使计算结果更加精确、更加符合实际，能够准确地计算矩形隧道上浮引起上覆土压力的分布，使得隧道全寿命周期的安全性与可靠性得到保障。
附图说明
图1是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法的较佳实施例的流程图；
图2是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法中的多拱模型示意图；
图3是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法中的修正系数方程图；
图4是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法中的小主应力轨迹示意图；
图5是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法中的大主应力轨迹示意图；
图6是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法中的大主应力区域高度插值法函数示意图；
图7是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法中的微元分析计算示意图；
图8是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法中数值模型计算结果与理论计算结果的对比图；
图9是本发明基于隧道上浮的覆土压力分布计算系统的较佳实施例的原理图；
图10为本发明终端的较佳实施例的运行环境图。
具体实施方式
本申请提供一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法及相关设备，为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明较佳实施例所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，如图1所示，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法包括以下步骤：
S100、确定目标隧道周围范围内的土体物理力学参数和所述目标隧道的上方两侧滑移面之间的距离，根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数。
如图2所示，本发明通过分析目标隧道负土拱效应的应力转移机制，提出多拱模型将矩形隧道上部土体划分为两部分区域，即靠近地表的小主应力区域和靠近隧道顶部的大主应力区域，假设大主应力区域和小主应力区域的主应力轨迹为圆弧形。
具体地，获取目标隧道（一种浅埋矩形隧道）周围预设范围内的土体物理力学参数，其中，所述土体物理力学参数包括：隧道直径、隧道埋深、土体内摩擦角（土或岩石的抗剪强度指标之一，反映土或岩石内部各颗粒之间内摩擦力的大小，内摩擦角愈大，强度愈高）、土体粘聚力和土体平均重度；而所述目标隧道的上方两侧滑移面之间的距离与所述隧道直径相等；可以理解的是，为了方便计算，本发明的假定理论推导基础中，所述目标隧道的上方两侧滑移面为竖直滑移面，所述上方两侧滑移面之间的距离与所述隧道直径相等。
进一步地，所述根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数，具体包括：
根据公式计算得到大主应力偏转角，其中，为主动侧压力系数，，为土体内摩擦角。
主动土压力系数，是计算主动土压力强度和总土压力的必备参数，其数值的大小和正确性是隧道设计的成败和是否经济可靠的重要因素，用朗肯土压力理论或库仑土压力理论计算主动土压力公式中的系数。
根据公式和分别计算得到小主应力轨迹的圆弧半径和大主应力轨迹的圆弧半径，其中B为上方两侧滑移面之间的距离，B等于隧道直径D。
根据公式和分别计算得到小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数和大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数。
根据公式和分别计算得到所述第一应力分布系数和原始第二应力分布系数，其中，代表隧道水平方向上任意一点与隧道中心线的水平距离，且。
根据所述原始第二应力分布系数，通过公式进行应力分布系数修正，得到目标应力分布系数，其中，为修正系数，由数值模拟反推演得到；
需要说明的是，第一应力分布系数和第二应力分布系数分别对应的是小主应力分布系数和大主应力分布系数。
如图3所示，进行数值模拟反推演，经过多次数值模拟，拟合了在不同的埋深比情况（C/D=1.0，1.5）下修正系数随着内摩擦角的变化方程，根据所述变化方程求得所述修正系数，根据所述修正系数对所求出的原始第二应力分布系数进行系数修正，使其更加符合实际。
其中，小主应力轨迹的相关参数包括：小主应力轨迹的圆弧半径和小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数，大主应力轨迹的相关参数包括：大主应力偏转角、大主应力轨迹的圆弧半径和大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数。
如图4和图5所示，给出了小主应力轨迹和大主应力轨迹的示意图，其中，A1表示左侧竖直滑移面与小主应力轨线的交点，A2表示左侧竖直滑移面与大主应力轨线的交点，B1表示小主应力轨迹上的任意一点，B2表示大主应力轨迹上的任意一点，表示在A1上的水平应力，表示在A1上的切应力，表示在A2上的水平应力，表示在A2上的切应力。
根据所述小主应力轨迹示意图和所述大主应力轨迹的示意图中的角度位置关系，可以根据公式计算得到大主应力偏转角。
可以理解的是，由图4和图5可知，小主应力偏转角与大主应力偏转角互余，因此根据公式可以计算得到小主应力偏转角，本发明中为了减少计算量，将公式中的小主应力偏转角全部用大主应力偏转角来表示。
S200、根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度。
如图2所示的多拱模型，根据所述多拱模型、隧道直径D、隧道埋深C和土体内摩擦角，通过数值模拟或者插值法确定上部小主应力区域的高度和下部大主应力区域的高度，其中，表示大主应力，表示小主应力。
具体地，确定上部小主应力区域的高度和下部大主应力区域的高度时，对是否采用摩擦角和覆盖比的情况进行判断，若采用摩擦角和覆盖比的情况，则通过数值模拟或者插值法确定上部小主应力区域的高度和下部大主应力区域的高度。
若未采用摩擦角和覆盖比的情况，则说明对于没有经过数值计算的情况，可通过插值法计算出上部小主应力区域的高度和下部大主应力区域的高度；如图6所示，采用数值模拟的方法确定在三种埋深（C/D=0.5，1.0，1.5）情况下大主应力区域的高度与内摩擦角之间的函数关系；进一步地，得到所述大主应力区域的高度后，由于多拱模型将矩形隧道上部土体划分为两部分区域，即靠近地表的小主应力区域和靠近隧道顶部的大主应力区域，小主应力区域的高度即可通过减去得到。
其中，上部小主应力区域的高度为所述目标隧道的上方两侧滑移面内靠近地表的小主应力偏转区域的高度，为所述目标隧道的上方两侧滑移面内靠近隧道顶部的大主应力偏转区域的高度。
S300、将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力。
如图7中的（a）所示，其中，表示水平应力，可以理解的是，对图7中的（a）中的上部小主应力区域进行微元分析得到微分方程。
具体地，通过对所述上部小主应力区域进行土体微元划分，得到微分方程，其中，为滑移面处的切应力；为扰动区薄层单元表面的平均竖向应力，z为埋深，为土体平均重度。
若，则将和代入公式中得到，计算得到小主应力区域在所述第一高度的微元上方的平均竖向应力，其中，为土体粘聚力。
可以理解的是，本实施例中，先根据多拱模型将埋深区域C划分成两个区域高度和（通过数值模拟给出的计算公式），再通过微分方程求得在埋深z的情况下任意深度处的水平薄层单元上的竖向应力，由于上部小主应力区域的高度已知，因此令，此时求得的力为小主应力区域在所述第一高度的微元上方的平均竖向应力。
如图7中的（b）所示，对图7中的（b）中的下部大主应力区域进行微元分析，得到微分方程。
具体地，通过对所述下部大主应力区域进行土体微元划分，得到微分方程，其中，，表示所述上部小主应力区域向下传递后作用在所述下部大主应力区域顶部的力。
若，则将和代入公式中得到，计算得到大主应力区域在所述第三高度+的微元上方的隧道上覆平均竖向应力。
可以理解的是，本实施例中，先求得的应力为上部小主应力区域在所述第一高度的微元上方的平均竖向应力，所述第一高度的微元上方的平均竖向应力在下部大主应力区域中表示所述上部小主应力区域向下传递后作用在所述下部大主应力区域顶部的力，即确定了小主应力区域和大主应力区域交界处的竖向应力；确定小主应力区域和大主应力区域交界处的竖向应力后，再对于大主应力区域进行微元划分，求得大主应力区域在所述第三高度+的微元上方的隧道上覆平均竖向应力。
S500、根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
具体地，将所述隧道上覆平均竖向应力和所述目标应力分布系数代入公式中，计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
由此得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力，根据沿隧道水平方向任意一点的竖向应力能够确认隧道上覆土压力分布的大小及分布情况，解决了现有技术中不能预测矩形隧道上浮引起上覆土压力不均匀分布的问题，能够准确地计算矩形隧道上浮引起上覆土压力的分布，对于隧道管片结构设计有重要的参考价值，同时有利于解决隧道全寿命周期的安全性与可靠性问题。
进一步地，本实例通过具体的数值模拟试验对实施例中所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法进行进一步说明。
取土体物理力学参数：隧道直径D=6m、隧道埋深C=9m、粘聚力c=1kPa、内摩擦角=30°、土体重度=20kN/m3。
大主应力偏转角：
；
小主应力轨迹的半径：
；
小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数：
；
大主应力轨迹半径为：
；
大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数为：
；
根据图6可知，采用图中方程式可以得出在埋深比C/D=1.5的情况下的大主应力区域的高度为2.16m，小主应力区域高度为6.84m。
对大主应力区域进行微元分析时，边界条件（即所述上部小主应力区域向下传递后作用在所述下部大主应力区域顶部的力）如下：
；
矩形隧道上覆平均竖向应力为：
；
再对所述原始第二应力分布系数进行系数修正，使其更加符合实际：
；
根据图3中所示的修正系数方程，可知在埋深比C/D=1.5，内摩擦角=30°时的情况下，修正系数n 1=1.65。
最后将数值模型计算结果与理论计算结果对比，对比结果如图8所示，由图8可知，数值模型试验的结果曲线与理论预测结果曲线基本重合，即经过实验数据的验证，本发明提出的一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，简便且合理，可用于土拱效应下的浅埋矩形隧道上浮土压力分布的计算中。
进一步地，如图9所示，基于上述基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，本发明还相应提供了一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算系统，其中，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算系统包括：
相关参数获取模块51，用于确定目标隧道周围范围内的土体物理力学参数和所述目标隧道的上方两侧滑移面之间的距离，根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数；
埋深高度划分模块52，用于根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度；
第一应力计算模块53，用于将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力；
第二应力计算模块54，用于将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，其中，所述第三高度=第一高度+第二高度；
目标应力计算模块55，用于根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
进一步地，如图10所示，基于上述基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法和系统，本发明还相应提供了一种终端，所述终端包括处理器10、存储器20及显示器30。图10仅示出了终端的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
所述存储器20在一些实施例中可以是所述终端的内部存储单元，例如终端的硬盘或内存。所述存储器20在另一些实施例中也可以是所述终端的外部存储设备，例如所述终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card，SMC），安全数字（SecureDigital， SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，所述存储器20还可以既包括所述终端的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器20用于存储安装于所述终端的应用软件及各类数据，例如所述安装终端的程序代码等。所述存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序40，该基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序40可被处理器10所执行，从而实现本申请中基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法。
所述处理器10在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit，CPU），微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法等。
所述显示器30在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。所述显示器30用于显示在所述终端的信息以及用于显示可视化的用户界面。所述终端的部件10-30通过系统总线相互通信。
在一实施例中，当处理器10执行所述存储器20中基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序40时实现以下步骤：
确定目标隧道周围预设范围内的土体物理力学参数和所述目标隧道的上方两侧滑移面之间的距离，根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数；
根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度；
将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力；
将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，其中，所述第三高度=第一高度+第二高度；
根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
其中，所述土体物理力学参数包括：隧道直径、隧道埋深、土体内摩擦角、土体粘聚力和土体平均重度；
所述目标隧道的上方两侧滑移面为竖直滑移面，所述上方两侧滑移面之间的距离与所述隧道直径相等。
其中，所述根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数，具体包括：
根据公式计算得到大主应力偏转角，其中，为主动侧压力系数，，为土体内摩擦角；
根据公式和分别计算得到小主应力轨迹的圆弧半径和大主应力轨迹的圆弧半径，其中B为上方两侧滑移面之间的距离，B等于隧道直径D；
根据公式和分别计算得到小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数和大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数；
根据公式和分别计算得到所述第一应力分布系数和原始第二应力分布系数，其中，代表隧道水平方向上任意一点与隧道中心线的水平距离，且；
根据所述原始第二应力分布系数，通过公式进行应力分布系数修正，得到目标应力分布系数，其中，为修正系数，由数值模拟反推演得到；
其中，小主应力轨迹的相关参数包括：小主应力轨迹的圆弧半径和小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数，大主应力轨迹的相关参数包括：大主应力偏转角、大主应力轨迹的圆弧半径和大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数。
其中，所述根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度，具体包括：
根据所述多拱模型、隧道直径D、隧道埋深C和土体内摩擦角，通过数值模拟或者插值法确定上部小主应力区域的高度和下部大主应力区域的高度；
其中，上部小主应力区域的高度为所述目标隧道的上方两侧滑移面内靠近地表的小主应力偏转区域的高度，为所述目标隧道的上方两侧滑移面内靠近隧道顶部的大主应力偏转区域的高度。
其中，所述将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力，具体包括：
通过对所述上部小主应力区域进行土体微元划分，得到微分方程，其中，为滑移面处的切应力；为扰动区薄层单元表面的平均竖向应力，z为埋深，为土体平均重度；
若，则将和代入公式中得到，计算得到小主应力区域在所述第一高度的微元上方的平均竖向应力，其中，为土体粘聚力。
其中，所述将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，具体包括：
通过对所述下部大主应力区域进行土体微元划分，得到微分方程，其中，，表示所述上部小主应力区域向下传递后作用在所述下部大主应力区域顶部的力；
若，则将和代入公式中得到，计算得到大主应力区域在所述第三高度+的微元上方的隧道上覆平均竖向应力。
其中，所述根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述目标应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力，具体包括：
将所述隧道上覆平均竖向应力和所述目标应力分布系数代入公式中，计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序被处理器执行时实现如上所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法的步骤。
综上所述，本发明公开了一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法及相关设备，基于多拱模型，通过计算出小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数，下部大主应力轨迹区域的平均侧压力系数和应力分布系数，将所述上部小主应力区域和下部大主应力区域进行土体微元划分，计算出隧道上覆平均竖向应力，根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力；本发明还引入了主应力轨迹下的应力分布系数的修正系数，使计算结果更加精确、更加符合实际，能够准确地计算矩形隧道上浮引起上覆土压力的分布，使得隧道全寿命周期的安全性与可靠性得到保障。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者终端不仅包括那些要素，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、物品或者终端所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者终端中还存在另外的相同要素。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink）DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法，其特征在于，所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法包括：
确定目标隧道周围范围内的土体物理力学参数和所述目标隧道的上方两侧滑移面之间的距离，根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数；
所述土体物理力学参数包括：隧道直径、隧道埋深、土体内摩擦角、土体粘聚力和土体平均重度；
所述目标隧道的上方两侧滑移面为竖直滑移面，所述上方两侧滑移面之间的距离与所述隧道直径相等；
所述根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数，具体包括：
根据公式计算得到大主应力偏转角，其中，为主动侧压力系数，，为土体内摩擦角；
根据公式和分别计算得到小主应力轨迹的圆弧半径和大主应力轨迹的圆弧半径，其中为上方两侧滑移面之间的距离，等于隧道直径；
根据公式和分别计算得到小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数和大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数；
根据公式和分别计算得到所述第一应力分布系数和原始第二应力分布系数，其中，代表隧道水平方向上任意一点与隧道中心线的水平距离，且；
根据所述原始第二应力分布系数，通过公式进行应力分布系数修正，得到目标应力分布系数，其中，为修正系数，由数值模拟反推演得到；
其中，小主应力轨迹的相关参数包括：小主应力轨迹的圆弧半径和小主应力圆弧迹线的平均侧压力系数，大主应力轨迹的相关参数包括：大主应力偏转角、大主应力轨迹的圆弧半径和大主应力圆弧迹线的平均侧压力系数；
根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度；
所述根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度，具体包括：
根据所述多拱模型、隧道直径、隧道埋深和土体内摩擦角，通过数值模拟或者插值法确定上部小主应力区域的高度和下部大主应力区域的高度；
其中，上部小主应力区域的高度为所述目标隧道的上方两侧滑移面内靠近地表的小主应力偏转区域的高度，为所述目标隧道的上方两侧滑移面内靠近隧道顶部的大主应力偏转区域的高度；
将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力；
所述将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力，具体包括：
通过对所述上部小主应力区域进行土体微元划分，得到微分方程，其中，为滑移面处的切应力；为扰动区薄层单元表面的平均竖向应力，为埋深，为土体平均重度；
若，则将和代入公式中得到，计算得到小主应力区域在所述第一高度的微元上方的平均竖向应力，其中，为土体粘聚力；
将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，其中，所述第三高度=第一高度+第二高度；
所述将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，具体包括：
通过对所述下部大主应力区域进行土体微元划分，得到微分方程，其中，，表示所述上部小主应力区域向下传递后作用在所述下部大主应力区域顶部的力；
若，则将和代入公式中得到，计算得到大主应力区域在所述第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力；
根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力；
所述根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述目标应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力，具体包括：
将所述隧道上覆平均竖向应力和所述目标应力分布系数代入公式中，计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
2.一种应用权利要求1的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法的基于隧道上浮的覆土压力分布计算系统，其特征在于，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算系统包括：
相关参数获取模块，用于确定目标隧道周围的土体物理力学参数和所述目标隧道的上方两侧滑移面之间的距离，根据所述土体物理力学参数和所述上方两侧滑移面之间的距离计算得到小主应力轨迹的相关参数、大主应力轨迹的相关参数、第一应力分布系数和第二应力分布系数；
埋深高度划分模块，用于根据多拱模型确定所述目标隧道的上部小主应力区域的第一高度和下部大主应力区域的第二高度；
第一应力计算模块，用于将所述上部小主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数计算出所述上部小主应力区域在第一高度的微元上方的平均竖向应力；
第二应力计算模块，用于将所述下部大主应力区域进行土体微元划分，根据所述小主应力轨迹的相关参数、所述大主应力轨迹的相关参数、所述第一应力分布系数和所述平均竖向应力计算出所述下部大主应力区域在第三高度的微元上方的隧道上覆平均竖向应力，其中，所述第三高度=第一高度+第二高度；
目标应力计算模块，用于根据所述隧道上覆平均竖向应力和所述第二应力分布系数计算得到沿隧道水平方向任意一点的竖向应力。
3.一种终端，其特征在于，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序被所述处理器执行时实现如权利要求1所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序，所述基于隧道上浮的覆土压力分布计算程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的基于隧道上浮的覆土压力分布计算方法的步骤。
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