基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法
【专利摘要】本发明涉及基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法，包括以下步骤：(1)土体的控制：采集衬砌的内径、外径和厚度值，根据粘弹性理论，得出土体在动力载荷作用下的位移与土体的径向应力关系式；(2)衬砌的控制：探测衬砌的径向和环向应力，以及衬砌的径向位移，衬砌的材料密度，通过分数阶导数模型计算衬砌的应力与位移关系式；(3)边界条件的控制：设定衬砌和土体完全紧密接触，即满足位移和应力连续，结合步骤(1)和步骤(2)所得位移应力关系式，得到粘弹性土体和衬砌的应力和位移关系式，通过对土体阻尼、衬砌厚度和材料的控制实现对盾构隧道衬砌的控制。与现有技术相比，本发明具有计算量小、抑制干扰能力强、调节稳定、调节精度高等优点。
【专利说明】基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法。
【背景技术】
[0002]衬砌内动荷载作用引起土体的变形问题是岩土领域备受关注的热点之一，它在地下铁道、石油管道、海底隧道等工程中得到广泛的运用。现有的控制方法包括:1.将衬砌视为弹性薄壁壳体结构，采用加权残值法并借助拉普拉斯变换技术和位移势函数，研究了无限弹性介质中圆柱形孔洞的瞬态响应解答，讨论了瞬时、平移和最小叶三种模式条件下的数值结果。2.利用边界单元法研究了无限多孔弹性饱和土中弹性混凝土衬砌结构的动力响应，比较了单相土和饱和土两种情况下衬砌结构振动的差异。3.采用傅立叶变换和积分微分法，研究了具有弹性块状曲梁衬砌结构的圆柱形孔洞饱和土动力响应。4.将土体和衬砌分别视为无限弹性介质和弹性壳体，利用势函数和Laplace变换技术，得到了 Heaviside突加荷载作用下壳体衬砌振动响应的解析解，并分析了土体和衬砌各参数对动力响应的影响。5研究爆炸荷载作用下具有圆形壳体衬砌的饱和土动力响应，通过将荷载等效为三角形逐渐突加荷载，得到了饱和土的时域解，并讨论了饱和土参数和相对刚度对响应幅值的影响。然而，混凝土衬砌材料具有粘弹性性质，选择合适的粘弹性本构模型来刻画其粘性很重要。6建立比较系统的分数导数本构以来，在航空、岩土等领域得到广泛运用和深入研究。
[0003]但是现有的检测和控制方法都不能精确控制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制效果好、适用范围广的基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007](I) 土体的控制:采集衬砌的内径、外径和厚度值，根据粘弹性理论，得出土体在动力载荷作用下的位移与土体的径向应力关系式；
[0008](2)衬砌的控制:探测衬砌的径向和环向应力，以及衬砌的径向位移,衬砌的材料密度，通过分数阶导数模型计算衬砌的应力与位移关系式；
[0009](3)边界条件的控制:设定衬砌和土体完全紧密接触，即满足位移和应力连续，结合步骤(I)和步骤(2)所得位移应力关系式，得到粘弹性土体和衬砌的应力和位移关系式，通过对土体阻尼、衬砌厚度和材料的控制实现对盾构隧道衬砌的控制。
[0010]所述的土体在动力载荷作用下的位移与应力通过以下方法计算:
[0011]无限粘弹性土中有无限长的深埋圆形隧洞，衬砌内径和外径分别为R1和R9，衬砌
厚度为d = R 2 — R 1:衬砌内边界作用一圆频率为ω的径向均布轴对称简谐荷载 W \
i= I为虚数单位；由几何和物理特征可知，将其视为轴对称平面应变问题；[0012]根据粘弹性理论，土体在动力荷载作用下的运动方程为:
【权利要求】
1.基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)土体的控制:采集衬砌的内径、外径和厚度值，根据粘弹性理论，得出土体在动力载荷作用下的位移与土体的径向应力关系式； (2)衬砌的控制:探测衬砌的径向和环向应力，以及衬砌的径向位移，衬砌的材料密度，通过分数阶导数模型计算衬砌的应力与位移关系式: (3)边界条件的控制:设定衬砌和土体完全紧密接触，即满足位移和应力连续，结合步骤(I)和步骤(2)所得位移应力关系式，得到粘弹性土体和衬砌的应力和位移关系式，通过对土体阻尼、衬砌厚度和材料的控制实现对盾构隧道衬砌的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法，其特征在于，所述的土体在动力载荷作用下的位移与应力通过以下方法计算: 无限粘弹性土中有无限长的深埋圆形隧洞，衬砌内径和外径分别为R1和R2，衬砌厚度为d = R2-R1 ;衬砌内边界作用一圆频率为ω的径向均布轴对称简谐荷载制,
3.根据权利要求1所述的一种基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法，其特征在于，所述的衬砌的控制具体为: 根据弹性理论，在极坐标下衬砌的运动方程为
4.根据权利要求2或3所述的一种基于盾构隧道衬砌粘弹性分数阶导数模型的结构控制方法，其特征在于，所述的边界条件的控制具体为: 设定衬砌和土体完全紧密接触，即满足位移和应力连续，首先，在衬砌内边界上(r =R1),外荷载(qQeiut)等于衬砌的径向应力，则
【文档编号】E21D11/00GK103437778SQ201310365451
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】张斌, 张亮, 肖俊晔, 欧阳煜 申请人:国家电网公司, 国网上海市电力公司, 上海市区供电设计有限公司