[发明专利]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

说明书

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。

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d_S/T＝0.05L_c，L_c为类岩堆体工程特征尺度，对隧道而言，L_c可取为隧道最大直径；