一种黏质黄土隧道开挖模拟参数赋值方法与流程

本发明涉及隧道工程及岩土工程计算机辅助设计技术领域，具体为一种黏质黄土隧道开挖模拟参数赋值方法。

背景技术：

我国西北和华北地区被大面积黄土地层覆盖，随着近年来交通基础设施建设的迅速发展，黄土地区兴建了大量公路、铁路隧道。黄土具有湿陷性、垂直节理、大孔隙等特点，导致在黄土地层开挖隧道时，黄土易发生遇水软化，产生湿陷性或膨胀性，隧道开挖后往往会出现围岩大变形、初期支护破坏甚至隧道塌方等现象。

目前新建黄土隧道的方法都是采用工程类比法和经验法，然而通过施工实践进行验证，理论研究总落后于工程实践。面对以后越来越多的黄土隧道的修建，黄土隧道坍塌、大变形等灾害对人民生命财产安全构成重大威胁，因此正确预测隧道变形，构建合理的黄土隧道变形预测模型，对于分析隧道开挖变形规律，指导现场施工，确保隧道稳定性和施工安全性具有十分重要的现实工程意义、社会意义。

数值计算是在预测隧道开挖后土体变形和沉降规律上广泛应用的一种分析方法。进行数值计算时，除了选择合适的计算软件和本构模型，选取合适的岩土体材料特性参数对数值分析结果的准确性也尤为重要。然而，目前从岩土勘察报告中获取的岩土材料参数一般是一个平均意义上的数值，不能反应地表埋深、应力水平的影响，采用常规本构模型进行隧道开挖模拟时，用户希望材料的模量能够反应小主应力的影响，即建立材料模量与应力水平的函数关系。通过采用适宜的更接近土体实际的模量参数可以更有效的模拟实际工况，保证隧道施工安全，节省工程造价。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够实现较为准确的岩土体数值模拟计算的考虑应力水平对弹模影响的黏质黄土隧道开挖模拟参数赋值方法。技术方案如下：

一种黏质黄土隧道开挖模拟参数赋值方法，包括以下步骤：

步骤1：基于室内固结试验，计算不同垂直压力p下垂直压应变ε值，利用对数函数拟合εi-pi试验数据，拟合曲线斜率的倒数即压缩模量es；利用经验公式计算弹性模量e，构建e与压力p的函数表达式；

步骤2：对比分析隧道开挖现场监测数据和数值模拟结果，对上步得到的e-p函数表达式系数项进行试算，确定较为准确的系数值；

步骤3：进行材料参数赋值。

进一步的，所述步骤1具体包括：

步骤11：对固结试验得到的εi-pi数据点进行拟合，下标i表示第i个数据点；拟合曲线包括线性拟合段和非线性拟合段，拟合公式为：

压力范围内为0～400kpa的线性拟合段：ε＝a1+b1p

压力范围内为大于400kpa的非线性拟合段：ε＝a2+b2lnp

式中，p为垂直压力，ε为垂直应变值，a1、a2、b1和b2为拟合系数；

步骤12：定义压缩模量es＝pi/εi，即上述拟合曲线斜率的倒数：

压力范围内为0～400kpa的线性拟合段：

压力范围内为大于400kpa的非线性拟合段：

步骤13：采用经验公式计算弹性模量e：

e＝kes

式中，k为比例系数，k＝2.0～5.0，通过多次试算确定；

步骤14：得到弹性模量与压力的函数表达式：

压力范围内为0～400kpa的线性拟合段：

压力范围内为大于400kpa的非线性拟合段：

更进一步的，所述步骤2具体包括：

步骤21：收集隧道不同埋深段开挖后洞内实际监测数据，分析不同埋深压力下的各变形量值，绘制现场变形曲线

步骤22：建立不同埋深隧道的数值计算模型，由下式计算隧道顶部竖向应力：

σhi＝γhi

式中，σhi为隧道顶部竖向应力；γ为围岩重度；hi为隧道埋深；

输入不同的比例系数k分别对模型赋材料参数，提取各埋深下隧道开挖后的洞内变形数据，绘制数值模拟变形曲线

步骤23：将现场变形曲线和数值模拟变形曲线进行比较分析，确定合适的比例参数k。

更进一步的，所述步骤3中，采用校核后的比例系数k，根据下式计算出新的弹性模量：

压力范围内为0～400kpa的线性拟合段：

压力范围内为大于400kpa的非线性拟合段：

然后使用flac数值软件中fish语言的z_prop函数对所有单元进行参数赋值。

本发明的有益效果是：本发明考虑了岩土工程数值模拟计算中应力水平对材料模量的影响，建立了材料模量与应力水平的函数表达式，并采用现场实际监测数据和数值结果对比分析加以校核，通过fish语言的z_prop函数对所有单元进行参数赋值，实现了较为准确的岩土体数值模拟计算。

附图说明

图1是本发明黏质黄土隧道开挖模拟参数赋值方法的流程图。

图2是基于室内固结试验绘制的εi-pi试验数据点及拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种考虑应力水平对弹模影响的黏质黄土隧道开挖模拟参数赋值方法的实施步骤如下：

1.从不同埋深隧道的掌子面处采集土样，基于固结试验绘制εi-pi试验数据点，对数据点进行拟合得到εi-pi函数表达式，定义拟合曲线斜率的倒数为压缩模量es(图2)，利用经验公式计算得到弹性模量e，建立e与压力p的函数表达式。

1.1对固结试验得到的εi-pi数据点进行拟合，包括线性拟合段和非线性拟合段，拟合公式为：

ε＝a1+b1p(较小压力范围内)

ε＝a2+b2lnp(较大压力段)

式中，p为垂直压力，ε为垂直应变，a1、a2、b1和b2为拟合系数。

1.2定义压缩模量es＝pi/εi，即上述拟合曲线斜率的倒数：

(较小压力范围内)

(较大压力段)

1.3采用经验公式计算弹性模量e:

e＝kes，其中k＝2.0～5.0

采用该公式需要通过多次试算确定合理的比例系数k，同按照弹性理论推导出的弹性模量与压缩模量的计算公式e＝es[1-2v²/(1-v)]相比，经验公式适用范围更广，符合实际情况。

1.4进一步，弹性模量与压力的函数表达式为：

(较小压力范围内)

(较大压力段)

2.收集隧道开挖现场监测数据，并分别对开挖隧道进行数值建模计算，对比分析隧道开挖现场监测数据和数值模拟结果，对上述得到的e-p函数表达式系数项k进行试算，确定较为准确的系数值。具体内容如下：

2.1收集隧道不同埋深段开挖后洞内实际监测数据，分析不同埋深压力下的各变形量值，绘制现场变形曲线

2.2建立不同埋深隧道的数值计算模型，由公式σhi＝γhi计算隧道顶部竖向应力，输入不同的比例系数k分别对模型赋材料参数，提取各埋深下隧道开挖后的洞内变形数据，绘制数值模拟变形曲线

2.3将现场变形曲线和数值模拟变形曲线进行比较分析，确定合适的比例参数k。

3.采用校核后的比例系数k，根据公式1.4计算出新的弹性模量，使用flac数值软件中fish语言的z_prop函数对所有单元进行参数赋值。只需对材料参数弹性模量进行修改，其他参数如体积模量和剪切模量由flac3d程序自动计算。