專利名稱：一種任意開(kāi)挖斷面隧洞的圍巖應(yīng)力分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧洞圍巖穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)領(lǐng)域里圍巖應(yīng)力分布的確定方法，它用來(lái)在隧洞開(kāi)挖后的圍巖穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)過(guò)程中快捷方便高效地確定圍巖應(yīng)力的分布和開(kāi)展圍巖應(yīng)力分析。
背景技術(shù)：
通常的，地下隧道圍巖應(yīng)力分析的方法有以下四種。一種是數(shù)值計(jì)算法，需要對(duì)地下隧洞圍巖進(jìn)行彈塑性力學(xué)分析，確定具體邊界條件下的圍巖位移場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)，然后根據(jù)求得的結(jié)果進(jìn)行圍巖應(yīng)力分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以確定地下隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和施工方案的合理性。具體計(jì)算確定方法有有限元法、邊界元法和離散元法等。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是針對(duì)相類似的工程分析結(jié)果往往差異較大，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況之間也存在著一定的差距，這與計(jì)算時(shí)材料模型選取、計(jì)算參數(shù)取值、計(jì)算模式確定及對(duì)問(wèn)題的簡(jiǎn)化程度等方面是有關(guān)的，因此對(duì)于數(shù)值模擬當(dāng)前采取的是“定量分析，定性應(yīng)用”一種理念；其次是效率低，特別是當(dāng)邊界條件發(fā)生變化時(shí)(荷載及材料屬性等)，需要針對(duì)每一種邊界條件重新建模計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)或位移場(chǎng)。對(duì)于工程問(wèn)題，每次有限元法或邊界元法計(jì)算的工作量都較大，所以總效率很低；第二種方法是模型試驗(yàn)，該方法能把工程結(jié)構(gòu)與圍巖作為統(tǒng)一體考慮，較好地反映了巖體特性且能模擬復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)與地質(zhì)環(huán)境。只要能滿足一定的相似關(guān)系，不必建立復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系或進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)算分析，可直接通過(guò)測(cè)試得出結(jié)果，省去了數(shù)學(xué)、力學(xué)上的麻煩。但模型試驗(yàn)也存在尺寸效應(yīng)、試驗(yàn)難度大以及費(fèi)用高等不足。第三種方法是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，通過(guò)該方法可動(dòng)態(tài)地掌握圍巖應(yīng)力、變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。通過(guò)該方法獲取的具體位移和應(yīng)力信息就工程本身實(shí)踐來(lái)講意義是重大的，但無(wú)法對(duì)同類問(wèn)題做規(guī)律性研究。第四種方法是解析法，該方法采用數(shù)學(xué)力學(xué)的計(jì)算取得圍巖應(yīng)力和位移的閉合解。利用解析方法討論隧道圍巖穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)在于所獲得的是精確解，對(duì)計(jì)算所涉及到的各參數(shù)討論比較方便并容易得到規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。然而，受制于數(shù)學(xué)計(jì)算方法研究的缺失，單洞隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)解析解的研究成果更多地集中在圓形隧道方面，而對(duì)于任意開(kāi)挖斷面的隧洞圍巖應(yīng)力分析成果尚未成熟?，F(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)是(I)運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行任意開(kāi)挖斷面隧洞圍巖應(yīng)力分析時(shí)，針對(duì)相類似的工程分析結(jié)果往往差異較大，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況之間也存在著一定的差距，對(duì)實(shí)際工程分析時(shí)的效率也較低；當(dāng)前對(duì)該方法的使用是基于一種“定量分析，定性應(yīng)用”的理念。(2)模型試驗(yàn)存在尺寸效應(yīng)、試驗(yàn)難度大以及費(fèi)用高等不足。(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)僅能獲取具體工程的位移和應(yīng)力信息，由于實(shí)際工程的邊界條件千差萬(wàn)另O，該方法對(duì)同類問(wèn)題無(wú)法做規(guī)律性研究。(4)受制于數(shù)學(xué)計(jì)算方法研究的缺失，任意開(kāi)挖斷面隧洞的圍巖應(yīng)力解析解的研究成果主要集中在圓形和橢圓形隧洞方面，對(duì)其它任意開(kāi)挖斷面的研究成果不成熟，且未給出解析解顯式，通用性差，利用現(xiàn)有成果無(wú)法對(duì)任意開(kāi)挖斷面的隧洞圍巖應(yīng)力進(jìn)行彈塑性解析分析。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有的地下隧道任意開(kāi)挖斷面圍巖應(yīng)力分析方法的不足，彌補(bǔ)由于數(shù)學(xué)力學(xué)方法研究的缺失而造成的任意開(kāi)挖斷面隧洞圍巖應(yīng)力解析分析的不成熟，填補(bǔ)任意開(kāi)挖斷面圍巖應(yīng)力尚未有解析解通式的空白，本發(fā)明提供一種獨(dú)特的地下隧洞圍巖應(yīng)力解析分析方法，能高精度和高效率地解決任意開(kāi)挖斷面圍巖應(yīng)力的求解問(wèn)題，快捷地進(jìn)行圍巖應(yīng)力分析，使進(jìn)行任意開(kāi)挖斷面隧洞的圍巖應(yīng)力彈塑性解析分析成為可能。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種任意開(kāi)挖斷面隧洞的圍巖應(yīng)力分析方法，包括下述步驟(I)建立力學(xué)模型設(shè)圍巖容重為Y、側(cè)壓力系數(shù)為λ、隧道埋深為H及開(kāi)挖跨度為D，當(dāng)隧道埋深H與開(kāi)挖跨度D滿足H > IOD時(shí)，隧道原始地應(yīng)力場(chǎng)簡(jiǎn)化為無(wú)窮遠(yuǎn)處均布的豎向應(yīng)力
< 二辦、7Κ平應(yīng)力σ: = λΗγ，剪應(yīng)力=0 ；(2)建立任意開(kāi)挖斷面與變量ζ的映射函數(shù)對(duì)隧洞的任意開(kāi)挖斷面，將任意開(kāi)挖斷面看成由ζ平面上的單位圓映射而得，從而將單位圓外域映射到任意斷面隧洞外域，
權(quán)利要求
1.一種任意開(kāi)挖斷面隧洞的圍巖應(yīng)力分析方法，其特征在于包括下述步驟 (1)建立力學(xué)模型 設(shè)圍巖容重為Y、側(cè)壓力系數(shù)為X、埋深為H和開(kāi)挖跨度為D，當(dāng)隧道埋深H與開(kāi)挖跨度D滿足H彡IOD時(shí)，隧道原始地應(yīng)力場(chǎng)簡(jiǎn)化為無(wú)窮遠(yuǎn)處均布的豎向應(yīng)力= 水平應(yīng)力，剪應(yīng)力t:=0 ； (2)建立任意開(kāi)挖斷面與變量(的映射函數(shù) 對(duì)隧洞的任意開(kāi)挖斷面，將任意開(kāi)挖斷面看成由(平面上的單位圓映射而得，從而將單位圓外域映射到任意斷面隧洞外域，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的任意開(kāi)挖斷面隧洞的圍巖應(yīng)力分析方法，其特征在于所述的開(kāi)挖斷面形狀為圓形，式(I)中m=l，z= U)=R(，R為實(shí)際隧洞開(kāi)挖斷面半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的任意開(kāi)挖斷面隧洞的圍巖應(yīng)力分析方法，其特征在于式(I)中cn=An+iBn，An、Bn按三角插值法求解而得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隧洞圍巖穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)領(lǐng)域里圍巖應(yīng)力分布的確定方法，包括下述步驟(1)建立力學(xué)模型設(shè)圍巖容重為γ、側(cè)壓力系數(shù)為λ、隧道埋深為H及開(kāi)挖跨度為D當(dāng)隧道埋深H與開(kāi)挖跨度D滿足H≥10D時(shí),隧道原始地應(yīng)力場(chǎng)簡(jiǎn)化為無(wú)窮遠(yuǎn)處均布的豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力，剪應(yīng)力；(2)建立任意開(kāi)挖斷面與變量ζ的映射函數(shù)；(3)以ζ及ω表示的解析函數(shù)和ψ(z)；(4)按下列復(fù)變函數(shù)計(jì)算而得隧洞開(kāi)挖后的圍巖應(yīng)力；(5)對(duì)計(jì)算后的圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析。本發(fā)明填補(bǔ)了地下隧洞圍巖應(yīng)力解析解分析的空白，具有較高的精度和較高的工程可靠度。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102982247SQ20121052528
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者祝江鴻, 李明友, 王淵, 朱鵬 申請(qǐng)人:浙江科技學(xué)院