一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土木工程领域，涉及一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法。
【背景技术】
[0002]随着我国国民经济的迅速提高，我国的交通事业飞速发展，自上世纪六十年代至今，我国在黄土地区已经成功修建了多条铁路、公路以及引水工程，通过这些工程我国在黄土隧道的设计和施工技术上取得了一系列突破性进展，总结了大量宝贵的设计施工经验。随着“十三五”规划的到来，我国还将在黄土地区修建大量的高速公路和成千上万座黄土隧道。
[0003]虽然以往在隧道设计和施工方面的研究经验较多，也取得了一些成果。但不难发现，在黄土地区修建黄土隧道时，无论是设计还是施工，均忽略了黄土结构性，其后果势必会严重影响隧道在设计以及施工的安全性。
[0004]通过文献调研发现以往对于结构性的研究工作大多是从理论角度进行分析，很少涉及工程实践方面。因此，将黄土结构性引入到实际工程实际，充分挖掘黄土特性将是下一步广大科研工作者急需开展的工作。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有的隧道计算时未能考虑围岩结构特性对其整体稳定性的影响，对于黄土隧道，围岩结构所占的权值较大，基于此提出一种安全程度高的考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法。
[0006]实现本发明的技术方案如下:
[0007]—种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，其特征在于:所述考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法包括以下步骤:
[0008]I)调研依托工程，在隧道开挖掌子面位置处进行现场取样，并对现场取样进行相关物理指标测试；所述相关物理指标包括但不限于含水率、围压、应变、黏聚力以及摩擦角；
[0009]2)对现场取样进行三轴压缩试验，分析并得到黄土结构性参数，同时建立黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系；
[0010]3)根据依托工程的设计图纸，运用有限差分软件FLAC3D建立隧道模型，借助fish语言将步骤2)所得到的黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系引入到隧道模型中；
[0011]4)根据依托工程的设计图纸选定待监控隧道的待监测段，对待检测段的拱顶位移以及拱腰应力进行监测，得到监测数据；
[0012]6)根据监测数据对步骤3)所建立的隧道模型进行标定。
[0013]作为优选，本发明所提供的考虑围岩结构特性的黄土隧道监控方法在步骤4)和步骤6)之间还包括:
[0014]5)判断监测数据是否存在奇异点数据，若是，剔除奇异点数据；若否，则直接进行步骤6)。
[0015]作为优选，本发明所采用的现场取样的方式是扰动相对较小的人工取样，所述现场取样得到的土样要密封保存，且应标明土样的上下、左右和前后表面。
[0016]作为优选，本发明所采用的三轴压缩试验进行不少于4个含水率以及3个围压状态下的原状土、重塑土以及饱和原状土的试验。
[0017]作为优选，本发明所采用的隧道模型包括但不限于模型外形、土体参数以及开挖进尺；所述隧道模型的模型外形包括纵向长度；所述隧道模型的纵向长度与依托工程的设计图纸中的隧道的实际长度呈比例。
[0018]本发明的优点是:
[0019]本发明提供了一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，该方法包括I)调研依托工程，在隧道开挖掌子面位置处进行现场取样，并对现场取样进行相关物理指标测试；相关物理指标包括但不限于含水率、围压、应变、黏聚力以及摩擦角；2)对现场取样进行三轴压缩试验，分析并得到黄土结构性参数，同时建立黄土结构性参数与相关物理指标的数学关系；3)根据依托工程的设计图纸，运用有限差分软件FLAC3D建立隧道模型，借助fish语言将步骤2)所得到的结构性参数与相关物理指标的数学关系引入到隧道模型中；4)根据依托工程的设计图纸选定待监控隧道的待监测段，对待检测段的拱顶位移以及拱腰应力进行监测，得到监测数据；5)判断监测数据是否存在奇异点数据，若是，剔除奇异点数据；若否，则直接进行步骤6) ;6)根据监测数据对步骤3)所建立的隧道模型进行标定。本发明的理论基础是，黄土隧道开挖卸荷过程是应力状态改变和变形发展的过程，围岩结构性将显著降低；降雨和地下水运移引起的增湿也会降低围岩结构性，因此引入结构性参数不仅可以反映开挖过程中围岩的结构性变化特征，而且可以考虑隧道运营后增湿作用对围岩结构性的破坏。同时结构性是黄土区别于其他正常固结土的重要力学性质。结构性的存在使得黄土力学性能增强。因此将结构性引入隧道设计施工当中具有重要的现实意义。本发明所提供的监控方法将模型的计算结果与实际工程联系紧密，能更好的反映因围岩土体发生结构破坏而导致的一系列隧道病害，可动态反映土体的含水率、强度变化规律，为设计施工决策提供一定的指导，具有一定的科研价值。
【具体实施方式】
[0020]下面结合具体实施例对本发明的方法做进一步详细说明:
[0021]实施例1:
[0022]本发明提供了一种考虑围岩结构特性的黄土隧道数值模型的仿真方法，第一，进行现场取样，并进行相关物理指标测试；第二，制定试验方案，进行三轴压缩试验，分析黄土结构性参数的演化规律，建立结构性参数与含水率、围压、应变、黏聚力和摩擦角的数学关系；第三，根据依托工程并结合有限差分软件FLAC3D建立隧道数值模型，借助fish语言，将结构性参数与含水率、围压、应变、黏聚力和摩擦角的关系引入到隧道计算中，实现在黄土隧道开挖计算时考虑围岩结构特性的影响；第四，对依托工程选定断面的拱顶位移、拱腰应力进行监测，标定数值计算结果，验证其合理性与可靠性。
[0023]其中，现场取样，要求在取样时尽量采取扰动较小的人工取样方法，