渗流作用下的隧道围岩应力计算方法与流程

本发明涉及一种隧道围岩应力计算领域，尤其涉及一种渗流作用下的隧道围岩应力计算方法。

背景技术：

1、由于地下水渗流的影响，隧道在地下水位以下开挖时隧道的横截面上会出现渗流力，对隧道的稳定性产生较大影响。因此，对水下隧道荷载的设计和分析计算方面，有别于一般隧道所使用的荷载计算方法。

2、纵观前人的研究成果，围岩塑性区范围及应力表达式大多没有考虑渗流作用，而实际情况受到了渗流场的影响，渗透压力及侧压力系数极大的影响了围岩的稳定性，随着隧道工程逐渐向深部地层发展，地层深部开挖后围岩受高地应力、高地温、高承压水作用，不能忽略地下水对围岩的影响。对于渗流作用下的非均匀应力场的隧道，在研究时通常采用数值模拟等方法对相关问题进行求解，复杂边界条件下的求解一般无较好的理论解析公式。

3、因此，为解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出的一种渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，得到了渗流力作用下的隧道围岩应力解析公式，该解析公式考虑了渗透力对围岩稳定性的影响，能够促进渗流作用下的隧道载荷取值更加科学合理；

2、本发明提供的一种渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，包括以下步骤：

3、s1.构建隧道围岩有限元仿真模型；

4、s2.计算隧道围岩有限元仿真模型中的有限元单元的水力梯度值，将水力梯度值相等的有限元单元连接，得到水力梯度分布云图；

5、s3.根据水力梯度确定渗流力在隧道围岩上的作用范围；

6、s4.根据水力梯度计算作用范围内的渗流力fj；

7、s5.计算渗流力fj作用下的隧道围岩应力值。

8、进一步，步骤s2中，通过如下公式计算水力梯度：

9、

10、其中，i表示水力梯度，f表示摩擦系数，j表示单元格序号，v表示水流速度，g表示重力加速度。

11、进一步，步骤s3中，从隧道拱顶到水力梯度等于1的边界为渗流力的作用范围。

12、进一步，步骤s4中，渗流力通过如下公式计算：

13、fj＝ijγw

14、其中，fj表示第j个单元格的渗流力大小，i表示水力梯度，j表示单元格序号，γw表示水的重度。

15、进一步，步骤s5中，隧道内半径与隧道围岩横断面的塑性区边界之间的围岩应力大小通过如下公式计算：

16、

17、其中，表示隧道内半径与隧道围岩横断面的塑性区边界之间第j个单元格的围岩应力，pa表示支护结构提供的阻力，c表示岩土体的内聚力，表示岩土体的内摩擦角，rj表示第j个单元格与隧道中心点的径向距离，r0表示隧道内半径，r0表示隧道中心点到塑性区边界的半径，fj表示第j个单元格的渗流力大小。

18、进一步，步骤s5中，塑性区边界上的围岩应力大小通过如下公式计算：

19、

20、其中，表示塑性区边界上的围岩应力，σz表示竖向初始地应力。

21、进一步，隧道中心点到塑性区边界的半径r0通过如下公式计算：

22、

23、将岩土体的内摩擦角隧道内半径r0、竖向初始地应力σz、岩土体的内聚力c、第j个单元格的渗流力大小fj、水的重度γw、隧道中心点到水力梯度等于1的边界的距离r1和支护结构提供的阻力pa代入计算r0的公式中，得到r0的值。

24、进一步，步骤s5中，塑性区边界与水力梯度等于1的边界之间的围岩应力通过如下公式计算：

25、

26、其中，表示塑性区边界与水力梯度等于1的边界之间第j个单元格的围岩应力，表示弹性区和塑性区边界上的径向应力，r1表示隧道中心点到水力梯度等于1的边界的距离。

27、有益效果：本发明考虑了推导了渗流作用下的解析公式，能够直接计算相应工况下的隧道围岩应力解析解，并且解析公式考虑了渗流力对围岩稳定性的影响，能够使渗流作用下的隧道荷载取值更加科学合理，为隧道结构设计提供参考，保障结构设计的安全性。

技术特征：

1.一种渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，其特征在于：步骤s2中，通过如下公式计算水力梯度：

3.根据权利要求2所述的一种渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，其特征在于：步骤s3中，从隧道拱顶到水力梯度等于1的边界为渗流力的作用范围。

4.根据权利要求3所述的一种渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，其特征在于：步骤s4中，渗流力通过如下公式计算：

5.根据权利要求4所述渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，其特征在于：步骤s5中，隧道内半径与隧道围岩横断面的塑性区边界之间的围岩应力大小通过如下公式计算：

6.根据权利要求5所述渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，其特征在于：步骤s5中，塑性区边界上的围岩应力大小通过如下公式计算：

7.根据权利要求6所述渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，其特征在于：隧道中心点到塑性区边界的半径r0通过如下公式计算：

8.根据权利要求7所述渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，其特征在于：步骤s5中，塑性区边界与水力梯度等于1的边界之间的围岩应力通过如下公式计算：

技术总结
本发明提供的一种渗流作用下的隧道围岩应力计算方法，包括以下步骤：S1.构建隧道围岩有限元仿真模型；S2.计算隧道围岩有限元仿真模型中的有限元单元的水力梯度值，将水力梯度值相等的有限元单元连接，得到水力梯度分布云图；S3.根据水力梯度确定渗流力在隧道围岩上的作用范围；S4.根据水力梯度计算作用范围内的渗流力F<subgt;j</subgt;；S5.计算渗流力F<subgt;j</subgt;作用下的隧道围岩应力大小。通过上述方法，使渗流作用下的隧道荷载取值更加科学合理，为隧道结构设计提供了参考，保障了结构设计的安全性。

技术研发人员：李科,郑晓卿,徐凯,丁浩,胡学兵,江星宏,刘东星,陈礼明
受保护的技术使用者：招商局重庆交通科研设计院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8