[发明专利]一种隧道软弱围岩力学参数的非线性反演分析方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道及地下建筑工程领域，具体涉及一种隧道软弱围岩力学参数非线性反演分析方法。

背景技术

几十年来，新奥地利隧道工法(NATM)信息化设计施工在国内外隧道及各类地下建筑工程中已得到了广泛应用，然而，基于隧道施工期实测数据对具有一定“未确知、未确定性”的围岩诸力学参数进行非线性位移反演分析，在其解答的非唯一性问题、而无法收敛于围岩诸力学参数的全局最优解方面，当前业界仍迄未有很好解决。

软弱岩土体其时已进入弹塑性变形阶段，其应力-应变关系表现为材料/物理非线性，致使采用一般的围岩力学参数非线性反演程序的计算结果得不到唯一的真实值，即无法收敛于围岩力学参数的全局最优解。此外，待反演参数的个数多少对反演效率及反演结果的精度也有重要影响：待反演参数的个数越多、其反演计算效率和反演精度将越低。故此，按现时采用通用方法作非线性反演计算时、待反演参数的个数一般局限于2个，最多不能超过3个。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种隧道软弱围岩(Ⅴ级及以下)力学参数非线性反演分析方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

隧道软弱围岩力学参数非线性反演分析方法，其步骤如下：

S1：针对目标隧道在ABAQUS软件中建立有限元模型，并按预设模型初始设定模型参数，按照该隧道的实际开挖施工工序进行模拟；

S2：根据目标隧道待反演断面处围岩位移增量的非线性表达式，在UCODE软件内建立该断面处围岩参数的反演目标函数，并将待反演力学参数的初始值分别读入UCODE软件和ABAQUS软件中，待反演力学参数包括隧道围岩弹性参数(弹性模量E、泊松比ν)和塑性参数(粘聚力/内聚力c、内摩擦角φ)；

S3：调用ABAQUS软件进行对待反演断面监测点的位移作模拟计算，模拟计算完成后将位移模拟计算结果读入UCODE软件，UCODE软件同时读入待反演断面处监测点实测位移的变化值，并使其与所述的位移模拟计算结果进行比较，通过迭代优化，获得一组使所述的目标函数值达到最小的待反演力学参数的解；

S4：根据预设的收敛条件，判断待反演力学参数的解是否达到最优值；若已达到最优值，则终止下一轮迭代，并调用ABAQUS软件进行最后一次有限元计算；若反演参数仍未达到最优值，则更新待反演力学参数的初始值后，重新返回S3进行下一轮迭代计算。

从先行小跨导洞收敛量测各相应监测点的变形位移，采用按本发明作上述非线性反演得到的隧道围岩参数诸收敛量测的各个等代值，对大跨主隧洞洞室再作正演，就能得到主洞围岩在初期支护前分别已释放了的、真实的变形收敛值。

作为优选，在ABAQUS软件和UCODE软件之间设置接口程序，使两者的结果数据能够被相互调用。

作为优选，所述的S1具体为：

S101：在ABAQUS软件中，建立目标隧道待反演断面的有限元模型，并依据该隧道断面处围岩变形位移实际监测点的布设位置，在模型中对应位置设置模拟监测点；

S102：在ABAQUS软件内设置包括模型的材料属性、边界条件、开挖工序在内的参数，其中材料属性中的相关力学参数设置为围岩待反演参数的初始值，模型边界条件为底部限制x、y两方向位移，两侧限制x方向位移；开挖工序为先挖上台阶，再挖下台阶。

作为优选，所述的S2具体为：

S201：建立待反演断面处围岩位移增量的非线性表达式，形式如式(1)所示：

Y＝f(a,b)+e(1)

式中，Y为隧道围岩位移实测真实值增量；a为模型的已知参数向量；b为模型的待反演参数向量；e为误差向量；f(a,b)为数值模拟计算得到围岩各测点的位移增量，为关于a、b的非线性函数；

S202：基于式(1)，在UCODE软件内建立待反演断面处围岩参数的反演目标函数s(b)，形式如式(2)所示：

s(b)＝(Y-f(a,b))^Tω(Y-f(a,b))(2)

式中，ω为各监测点对应的权重矩阵；

S203：将待反演断面处围岩的待反演力学参数E、v、c、的初始值读入UCODE软件，并通过接口程序将各参数的初始值读入有限元模型，供ABAQUS软件调用。

作为优选，所述的S3具体为：

S301：调用ABAQUS软件进行对待反演断面监测点的位移作模拟计算，计算完成后再次通过接口程序，将计算结果读入UCODE软件中；