[发明专利]水-力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法

权利要求书

1.水-力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01、获取隧道断面尺寸、支护结构类型及尺寸、地下水位面高度和岩层倾斜角，建立隧道模型，并将所述隧道模型划分为六面体单元网格，随后依次将围岩、支护结构和开挖岩体划分为不同的组；

S02、定义所述隧道模型的边界条件，并设置围岩应力，所述边界条件为位移边界条件，即：上表面设置为自由边界，其余各表面均约束法向方向位移，使得所述其余各表面不会随应力的改变发生移动；所述围岩应力与隧道实际受到的地应力一致，所述隧道实际受到的地应力包括第一主应力、第二主应力和第三主应力，通过工程现场地应力测量获得；

S03、定义隧道模型渗流条件，所述渗流条件包括渗透系数、水的密度、水的抗拉强度和水的体积模量，所述渗透系数通过三轴渗透试验获取，所述三轴渗透试验过程为：将岩样围压设置成第三主应力大小，所述岩样为圆柱体，通过纯净水在岩样上下两端分别施加大小不同的孔隙水压力，形成渗透压力差，使得纯净水从压力高的一端向压力低的一端渗透，当渗透压力差达到稳定状态后，记录一定时间内水流入岩样的体积，根据达西定律计算出岩样的渗透系数K，其中μ₁为水的动力粘滞系数，L为岩样高度，V为Δt时间段内水流入的体积，Δt为时间段，ΔP为渗透压力差，S为岩样的横截面面积；

S04、对隧道模型赋予初始本构模型，并设置模型参数，所述初始本构模型为Mohr-Coulomb模型，所述模型参数包括岩体密度ρ、体积模量K_B、剪切模量G、黏聚力C和内摩擦角所述岩体密度ρ采用多个岩样密度的平均值，岩样的密度通过岩样的质量除以岩样的体积获得，所述体积模量所述剪切模量其中E为弹性模量，μ为泊松比；所述弹性模量E、泊松比μ、黏聚力C和内摩擦角通过岩样的三轴压缩试验获得；

S05、对隧道模型求解，获得初始应力平衡的模型状态；

S06、再对隧道模型赋予蠕变本构模型，并设置蠕变本构模型参数，所述蠕变本构模型为Burgers-Mohr模型，所述Burgers-Mohr模型由Burgers模型与Mohr-Coulomb模型组合而成，所述Burgers模型由Maxwell模型与Kelvin模型串联而成，所述蠕变本构模型参数包括体积模量K_B、黏聚力C、内摩擦角Maxwell元件的弹性模量E₁和黏滞系数η₁以及Kelvin元件的弹性模量E₂和黏滞系数η₂，所述Maxwell元件的弹性模量E₁和黏滞系数η₁以及Kelvin元件的弹性模量E₂和黏滞系数η₂通过三轴蠕变试验获得；

S07、然后对开挖岩体分组赋予null模型，对支护结构分组赋予elastic模型，并设定elastic模型参数；

S08、设定多个时间点，通过隧道模型计算，获得所述多个时间点对应的云图。

2.根据权利要求1所述的水-力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，步骤S05中，如果未能获得初始应力平衡的模型状态，则返回第一步，重新划分网格。

3.根据权利要求1或2所述的水-力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，步骤S05中，所述初始应力平衡的模型状态为模型最大不平衡力值低于默认标准值，所述标准值为1×10^-5。

4.根据权利要求1所述的水-力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，所述支护结构包括锚杆、初衬和二衬；所述elastic模型参数包括支护结构的体积模量和剪切模量；即锚杆的体积模量K_m和剪切模量G_m、初衬的体积模量K_c和剪切模量G_c以及二衬的体积模量K_e和剪切模量G_e。

5.根据权利要求1所述的水-力作用下隧道大变形滞后时效性数值模拟方法，其特征在于，所述云图包括孔隙水压力云图、围岩位移云图、围岩应力云图、锚杆位移云图、锚杆应力云图、初衬位移云图、初衬应力云图、二衬位移云图和二衬应力云图。