[发明专利]一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法

说明书

本发明公开了一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，定义了非线性黏壶元件，提出一种将节理与蠕变相结合的非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型，描述节理发生屈服后岩质体强度参数软化程度；推导出该模型ZSI_su分段函数。本发明通过引入的非线性黏壶元件建立了非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型，弥补了传统模型中无法模拟节理岩体加速蠕变阶段的特点，且将节理与蠕变相结合，充分反应出节理岩体的特性，同时考虑节理、岩质体属性，能更好地反映岩质体节理特征及工程实际。同时结合单元状态指标，推导出该模型的ZSI_su分段函数，在大跨度暗挖隧道施工过程中，实现隧道开挖各个阶段的量化控制，有效指导施工的安全进行。

技术领域

本发明涉及大跨度暗挖隧道施工领域，尤其涉及一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法。

背景技术

在大跨度隧道施工过程中，隧道结构两侧岩体的变形不仅仅与空间效应相关，往往与时间也有关系，所谓时间效应就是岩体在外力、水力、温度、地质特征及施工扰动等各种环境、地质与工程因素作用下，岩土材料及岩体结构与时间相隔的力学行为、本构关系、失稳与破坏规律。如隧道主体结构开挖初期变形并不明显，但随着时间的增长，隧道的变形越来越严重，甚至出现了失稳破坏。因此，系统地研究岩土体在特定环境和条件下的流变理论的工程应用、更加有效地评价岩体工程的长期稳定性和运营安全，具有重要的理论价值和工程意义。

现阶段，隧道穿越不良岩质体(节理面、断层、夹层)是不可避免的技术难题，但对于不良岩质体(节理面、断层、夹层)隧道尚未形成成熟的工程经验，目前的研究方法中无法模拟岩质体加速蠕变阶段的特点，不能充分反应节理岩体的特性。

发明内容

本发明提供一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，以克服目前的研究方法中无法模拟岩质体加速蠕变阶段的特点，不能充分反应节理岩体特性的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种考虑节理蠕变的大跨度隧道围岩时效安全度分析方法，包括如下步骤：

S1：定义具有非线性黏滞系数η₂(t)的非线性黏壶元件，所述非线性黏壶元件用以表征岩质体的在加速蠕变阶段的特性；

S2：提出一种非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型，将围岩节理与蠕变参数相结合，以描述节理发生屈服后，岩质体的黏聚力c和内摩擦角φ所代表的岩质体软化的程度；

S3：推导出所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的改进单元安全度分段函数，以定量评价岩质体材料从弹性到屈服最后破坏的安全程度。

进一步的，所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型包括串联的Hooke弹簧、黏弹性Kelvin体、黏塑性Binham体和应变软化塑性元件；所述黏塑性Binham体包括并联的非线性黏壶元件和塑性元件；所述黏弹性Kelvin体包括并联的第二弹性元件和第二黏壶元件。

进一步的，所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型的建立过程为：

假设所述非线性西原遍布节理应变软化蠕变模型中的非线性黏滞系数η₂(t)的衰减趋势呈指数型关系，因此：

式中：t_c为进入加速蠕变阶段的起始时间；α为调节时间量纲的系数；ε^ps是岩质体进入加速蠕变阶段的对应剪切等效塑性应变；ε^pt是岩质体进入加速蠕变阶段的拉伸等效塑性应变；是岩质体开始进入加速蠕变阶段的等效塑性剪切应变阈值；是岩质体开始进入加速蠕变阶段的等效拉伸塑性应变阈值；

则加速蠕变阶段非线性黏塑性Binham体蠕变速率为：