申请/专利权人：河海大学

申请日：2023-12-27

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN117763914B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G01V9/00;G06F30/20;G06F30/13;G06F111/10;G06F119/14;G06F111/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2024.04.12#实质审查的生效;2024.03.26#公开

摘要：本发明涉及一种近断层的隧洞应力场和地震动力响应的数值分析方法、终端及介质，属于地震分析技术领域，基于有限差分数值平台，将数值模型参数与室内试验参数进行匹配和标定，建立近断层隧洞模型和断层接触面模型，模拟隧洞开挖后近断层隧洞模型的次生应力场并计算应力集中系数；根据地震动加速度反应谱合成设计地震动加速度时程，并进行滤波和基线校正，得到符合计算要求的人工地震波加速度反应时程；根据设计反应谱生成的人工地震波作为动力边界条件，计算地震作用下近断层隧洞围岩应力场和地震动力响应。本发明充分考虑隧洞受断层影响下的围岩力学行为，通过对应力场和动力响应的分析，提高对隧洞围岩稳定性及结构抗震设计的效率。

主权项：1.一种近断层的隧洞应力场和地震动力响应的数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：通过预构建不含结构面的完整岩石试样的数值模型和含结构面的岩石试样的数值模型，所述含结构面的岩石试样的数值模型包括结构面，通过对比所述不含结构面的完整岩石试样的数值模型和含结构面的岩石试样的数值模型得到结构面的变形参数，根据所述结构面的变形参数，施加速度边界条件，计算结构面的法向刚度和剪切刚度参数，由模型库得出断层接触面模型，对所述断层接触面模型标定所述结构面的法向刚度和结构面的剪切刚度；S2：根据所述结构面的法向刚度和结构面的剪切刚度，构建地质力学模型，包括若干单元，每个所述单元包括若干个节点和若干个面单元；对所述地质力学模型赋予所述结构面的变形参数，根据所述地质力学模型的边界坐标施加法向约束条件和地应力边界条件，对所述地质力学模型进行模拟计算，并将所述地质力学模型的节点的位移和速度设置为零，为下一步模型的计算提供初始环境；S3：以所述初始环境为基础，构建近断层隧洞模型并进行开挖隧洞；模拟隧洞开挖后所述近断层隧洞模型的次生应力场并计算应力集中系数；S4：根据地震动加速度反应谱合成设计人工地震动加速度时程，并进行滤波和基线校正，得到满足设计规范要求的人工地震波；S5：以次生应力场的应力集中系数的计算结果为基础，对所述地质力学模型施加黏弹性人工边界和阻尼系数，对地质力学模型边界施加所述人工地震波作为地震动力边界条件，在反应过程中记录所述单元的峰值加速度和峰值应力集中系数，分析地质力学模型动力响应，得到近断层隧洞模型的峰值应力集中系数分布应力场图以及水平加速度反应时程；其中，所述步骤S1具体包括：S1.1：采用软件生成不含结构面的完整岩石试样的数值模型和含结构面的岩石试样的数值模型，并将所述不含结构面的完整岩石试样的数值模型和所述含结构面的岩石试样的数值模型的高度与直径之比设置为2：0；S1.2：对比不含结构面的完整岩石试样的数值模型和含结构面的岩石试样的数值模型得到结构面的变形参数，不含结构面的完整岩石试样的数值模型的法向变形始终小于含结构面的岩石试样的数值模型，不含结构面的完整岩石试样的数值模型的中的应力-变形曲线的斜率大于含结构面的岩石试样的数值模型，根据含结构面的岩石试样的数值模型的边界坐标向所述含结构面的岩石试样的数值模型的边界施加法向约束条件；S1.3：模拟单轴压缩试验的加载速率，分别对不含结构面的完整岩石试样的数值模型和含结构面的岩石试样的数值模型施加速度边界条件，以坐标轴为旋转轴，圆平面位于坐标平面，生成上部边界和下部边界，向所述上部边界和下部边界施加速率为的速度边界条件；采用编程语言实现模拟单轴压缩试验，包括以下步骤：S1.3.1：生成全局映射变量；S1.3.2：所述不含结构面的完整岩石试样的数值模型和含结构面的岩石试样的数值模型包括节点体，遍历所述节点体，如果某节点体位于所述上部边界，则将该节点体保存至；S1.3.3：向全局映射变量中施加的速度边界条件，模拟单轴压缩试验的加载速率；S1.3.4：遍历所述节点体，用最大不平衡力的函数记录全局映射变量上方向不平衡力，保存至变量；S1.3.5：计算法向应力；式中表示法向应力；表示方向不平衡力；表示不含结构面的完整岩石试样的数值模型以及含结构面的岩石试样的数值模型的半径；表示圆周率；S1.3.6：设置人工收敛条件，即软件进行计算时认为达到计算结束的条件，当所述不含结构面的完整岩石试样的数值模型和含结构面的岩石试样的数值模型的位移达到终止应变时，计算结束；获取完整岩石试样的变形以及含结构面的岩石试样的变形，计算结构面的法向闭合变形： （1）式中表示完整岩石试样的变形；表示含结构面的岩石试样的变形；表示结构面的法向闭合变形；S1.4：用如下方程拟合应力-变形关系曲线： （2）式中表示结构面的最大法向闭合变形，为应力-变形关系曲线的渐近线；表示法向应力；表示由该方程拟合的结构面的法向刚度；S1.5：根据式2拟合的方程，求解渐近线方程在原点处的切线斜率，即结构面的初始法向刚度： （3）S1.6：根据含结构面的岩石试样参数，标定在所述法向应力作用下，断层接触面模型的结构面的法向刚度和结构面的剪切刚度： （4） （5）式中为断层的倾向长度；JRC为断层结构面的粗糙度系数；JCS为结构面的壁岩强度；为断层结构面的残余摩擦角；为结构面的法向刚度；为结构面的剪切刚度；所述步骤S3采用编程语言实现隧洞开挖后近断层隧洞模型的次生应力场的模拟，具体包括：S3.1：使用编程语言实现遍历近断层隧洞模型，提取每个单元体的应力状态： （6）式中为数值计算模型中单元体的水平应力；为数值计算模型中单元体的垂直应力；为数值计算模型中单元体的剪应力；为每个单元体的指针变量；为单元体的方向的应力，为单元体的方向的应力，为单元体的剪应力；是单元体的函数；是单元体的应力函数；S3.2：计算每个所述单元体的中心到所述隧洞的几何中心点的距离： （7）式中为单元体的位置坐标矢量；S3.3：不失一般性，以直墙半圆拱为例，根据所述隧洞的断面形状，使用编程语言实现计算每个所述单元体的中心到坐标原点连线的正弦和余弦：S3.3.1：单元体位于圆弧拱部位，即，则 （8）S3.3.2：单元体位于直墙部位，即，则 （9）S3.3.3：单元体位于墙脚部位，即，且，则 （10）S3.3.4：单元体位于底板部位，即，且，则 （11）S3.4：根据转轴公式计算所述隧洞的周边围岩的径向应力和环向应力： （12）S3.5：定义应力集中系数为环向应力和垂直地应力之比，求解所述围岩的单元体的： （13）将计算结果保存至变量中。

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