[发明专利]一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法

说明书

本发明涉及地下工程设计建造工艺技术领域。其旨在提出一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法，兼顾围岩卸荷后变形动态发展过程，同时考虑卸荷导致围岩强度和变形模量衰减效应，从而提高模拟分析的准确性，对实际工程具有较好的适应性和参考价值。模拟过程中，考虑围岩卸荷后变形动态发展过程以及卸荷导致围岩强度和变形模量衰减，计算围岩卸荷引起支护结构的附加应力；所述考虑围岩卸荷后变形动态发展过程包括：将围岩卸荷后的变形分为瞬时变形和蠕变变形，采用幂函数关系描述围岩卸荷后变形随时间的发展过程。

技术领域

本发明涉及一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法，属于地下工程设计建造工艺技术领域。

背景技术

在地下工程中，洞室围岩因开挖而产生卸荷，洞室跨度越大围岩的这种卸荷效应越显著。在常规的弹塑性结构分析中，围岩的卸荷在开挖瞬发生并完成。但在工程实践中发现，围岩的开挖卸荷变形是随时间动态发展的过程，变形具有一定的时空特性。此外，由于卸荷松弛，在卸荷影响范围内围岩强度和变形模量会发生一定衰减，围岩强度和变形模量的衰减产生围岩的附加变形无疑会增加支护结构的受力。

由于常规的弹塑性结构分析中，围岩卸荷瞬时完成，此时计算的支护结构受力很小，围岩卸荷对支护结构受力影响的模拟是失真的，将此分析结果应用在实际工程时，支护结构偏危险。

在一些大型商业软件的Creep分析模块中，也可采用程序提供的丰富元件模型来模拟围岩卸荷后的长期变形；但元件模型需要严格的物理力学关系，这在复杂的工程环境下是难以准确构建的，因此其应用具有自身的局限性。

此外，有学者提出利用经验模型的手段分析围岩卸荷的长期变形，但未结合围岩的空间和应力状态形成系统的、明确的计算方法；而对于卸荷对围岩强度应力的影响目前还未有系统认识。

因此，结合工程实际的空间状态，基于工程实践认知和监测成果定量构建计算方法模拟围岩卸荷变形对于确定支护的结构受力具有重要参考价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法，兼顾围岩卸荷后变形动态发展过程，同时考虑卸荷导致围岩强度和变形模量衰减效应，从而提高模拟分析的准确性，对实际工程具有较好的适应性和参考价值。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法，包括：

模拟过程中，考虑围岩卸荷后变形动态发展过程以及卸荷导致围岩强度和变形模量衰减，计算围岩卸荷引起支护结构的附加应力；所述考虑围岩卸荷后变形动态发展过程包括：将围岩卸荷后的变形分为瞬时变形和蠕变变形，采用幂函数关系描述围岩卸荷后变形随时间的发展过程。

作为进一步优化，所述采用幂函数关系描述围岩卸荷后变形随时间的发展过程，包括：

ε_t＝ε_i+ε_f(1-T^-λ)

式中，ε_i为卸荷瞬时变形，即假定开挖卸荷后1h内发生的变形；ε_f为卸荷所产生的蠕变变形，即假定开挖卸荷后1h后发生的变形；T为卸荷真实时步，与工程实际对应开挖过程一致，λ为变形衰减系数，与围岩物理力学属性、空间位置等有关。

作为进一步优化，所述卸荷瞬时变形ε_i采用常规弹塑性本构模型(例如摩尔-库伦模型)计算。

作为进一步优化，所述卸荷所产生的蠕变变形ε_f按照下式计算：