隧道流固耦合稳定性分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明实施例涉及数字处理分析领域，尤其涉及一种隧道流固耦合稳定性分析方 法。
【背景技术】
[0002] 富水区隧道开挖是一个复杂的流固耦合过程，一直以来，地下隧道围岩的稳定性 分析并没有十分科学合理的方法，很多停留在以某点位移、塑性区大小的经验值或者整体 的安全系数作为判断稳定性的依据。然而这样的判别不能完全反映出岩石在实际复杂应力 状态下的危险性。
[0003] 富水区盾构隧道围岩的整个的渐进破坏过程包含了弹性、屈服、破坏各阶段，其中 伴随着复杂的渗流-应力耦合作用。应力、损伤及破坏的不同单元状态会对渗透性产生不 同的影响，而传统流固耦合分析忽略不同单元状态渗透性的变化，因此带来很大误差。
【发明内容】
[0004] 本发明实施例提供一种隧道流固耦合稳定性分析方法，以克服现有技术中流固耦 合分析存在误差，准确率低的问题。
[0005] 本发明的技术方案，包括：
[0006] 根据材料单元实际的应力状态点计算所述材料单元弹性阶段的状态指标，所述弹 性阶段的状态指标包括剪切状态和拉伸状态；
[0007] 根据所述材料单元的破坏临界点的等效塑性应变值确定所述材料单元的屈服阶 段和破坏阶段的状态指标；
[0008] 根据所述弹性阶段的状态指标、所述屈服阶段以及破坏阶段的状态指标确定所述 材料单元耦合过程中渗透系数的变化值；
[0009] 根据所述渗透系数进行隧道的流固耦合稳定性分析。
[0010] 进一步地，所述根据材料单元实际的应力状态点计算所述材料单元弹性阶段的状 态指标，包括：
[0011] 将所述应力状态点进行受力分析；
[0012] 根据应力状态下的所述应力状态点处于同一平面上的最稳定参考点沿罗德角方 向到屈服面的距离与所述应力状态点沿相同罗德角方向到屈服面的距离确定所述状态指 标为
[0013]
(13
[0014] 其中，所述ZSI为状态指标，所述(V B为空间应力状态点相应的最稳定参考点沿 最不利路径到屈服面的距离，所述(V P为该点在相同罗德角方向上到屈服面的距离，所述 1'"为子午面GBO'面上B点纵坐标，所述τ "为子午面GBO'面上P点纵坐标，所述I1S 应力张量第一不变量，所述供为内摩擦角，所述Θ。为应力罗德角，所述J 2为偏应力张量第 二不变量，所述c为粘聚力。
[0015] 进一步地，所述根据所述材料单元的破坏临界点的等效塑性应变值确定所述材料 单元的屈服阶段和破坏阶段的状态指标，包括：
[0016] 根据等效塑性剪切应变和极限等效塑性剪切应变确定所述材料单元在剪切屈服 段内距离破坏段的接近程度；
[0017] 根据所述接近程度确定屈服阶段和破坏阶段的状态指标为
[0018]
(2)
[0019] 其中，所述ε ps为等效塑性剪切应变，所述为极限等效塑性剪切应变，所述ε pt 为等效塑性拉伸应变，所述为极限等效塑性拉伸应变。
[0020] 进一步地，所述渗透系数的变化值为
[0021]
〇)
[0022] 其中，所述k为当前的渗透系数，所述k。为初始渗透系数，所述ε 体应变，所述 η。为初始孔隙度，所述ξ为屈服阶段突跳系数，所述ξ'为破坏阶段突跳系数。
[0023] 本发明在H-M耦合过程中通过针对岩石弹性、屈服、破坏全阶段整体的、统一的安 全性或危险性量化评价的指标建立岩土材料从弹性到破坏全阶段的定量评价方法，以单元 状态指标ZSI值表征岩体单元的安全或危险程度。并通过值域能够直接明确岩石所处状态 的评价方法，使用负值进行破坏阶段的评价，以便统一流固耦合体评价体系，提高了流固耦 合分析的准确率。
【附图说明】
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0025] 图1为本发明隧道流固耦合稳定性分析方法流程图；
[0026] 图2为本发明应力空间上应力点状态示意图；
[0027] 图3为本发明H-M耦合模拟仿真流程图；
[0028] 图4为本发明开挖面附近孔隙水压、渗透系数等值线图与渗流矢量示意图；
[0029] 图5为本发明与中心点不同距离单元ZSI和渗透系数变化曲线；
[0030] 图6a和图6b为本发明数值模拟结果与实测值对比示意图；
[0031] 图7a、图7b以及图7c为本发明开挖面的横纵断面ZSI等值线图；
[0032] 图8为本发明开挖面破坏率变化曲线图；
[0033] 图9为本发明支护压力比对开挖面破坏率的影响。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035] 图1为本发明隧道流固耦合稳定性分析方法流程图，如图1所示，本实施例方法， 包括：
[0036] 步骤101、根据材料单元实际的应力状态点计算所述材料单元弹性阶段的状态指 标，所述弹性阶段的状态指标包括剪切状态和拉伸状态；
[0037] 步骤102、根据所述材料单元的破坏临界点的等效塑性应变值确定所述材料单元 的屈服阶段和破坏阶段的状态指标；
[0038] 步骤103、根据所述弹性阶段的状态指标、所述屈服阶段以及破坏阶段的状态指标 确定所述材料单元耦合过程中渗透系数的变化值；
[0039] 步骤104、根据所述渗透系数进行隧道的流固耦合稳定性分析。
[0040] 进一步地，所述根据材料单元实际的应力状态点计算所述材料单元弹性阶段的状 态指标，包括：
[0041] 将所述应力状态点进行受力分析；
[0042] 根据应力状态下的所述应力状态点处于同一平面上的最稳定参考点沿罗德角方 向到屈服面的距离与所述应力状态点沿相同罗德角方向到屈服面的距离确定所述状态指 标为
[0043]
⑴：
[0044] 其中，所述ZSI为状态指标，所述(V B为空间应力状态点相应的最稳定参考点沿 最不利路径到屈服面的距离，所述(V P为该点在相同罗德角方向上到屈服面的距离，所述 τ' "为子午面GBO'面上B点纵坐标，所述τ "为子午面GBO'面上P点纵坐标，所述I1S 应力张量第一不变量，所述为内摩擦角，所述Θ。为应力罗德角，所述12为偏应力张量第 二不变量，所述c为粘聚力。
[0045] 具体来说，岩土工程通常针对整体的安全性，根据安全系数进行评价。然而，岩土 体的整体失稳往往是由于局部范围内岩体的失稳开始的，因此，定量评价局部岩土体单元 的安全性与危险性对于分析整体稳定性有重要的参考价值。材料单元在弹性阶段单元的塑 性应变为0,如图2所示，材料单元实际的应力状态点P计算状态指标。当 〇1<0时，由于没 有拉应力存在，按照单元处于弹性剪切状态来考虑。Mohr-Coulomb准则屈服面在主应力空 间中是一个不规则的六角形截面的角锥体表面，在JT平面内投影为不等角六边形屈服面。 I1为应力张量第一不变量，J 2为偏应力张量第二不变量。点状线为偏平面上0 V轴的垂 线，与。2'轴的夹角等于应力罗德角Θ。。〇'点为等倾线上的点，亦为相对最安全的参考 点，连接CV P并延长交EFG平面于Β，在GB(V面上0点坐标为（0,0)，(V点坐标为（〇π， 〇)，σ "为π平面上的正应力分量。P点的坐标为（σ π，τ π)。B点坐标为（σ π，τ / )。 此时ZSI可表述为：空间应力状态点相应的最稳定参考点沿最不利路径到屈服面的距离与 该点在相同罗德角方向上沿到屈服面的距离之比。
[0046] 此时ZSI可表述为：空间应力状态点相应的最稳定参考点沿最不利路径到屈服面 的距离与该点在相同罗德角方向上沿到屈服面的距离之比，因此，
[0047]
[0048]
[0049]
[0050] 根据公式（2)、公式（3)以及公式（4)得到该材料单元弹性阶段的状态指标。
[0051] 所述弹性阶段的状态指标包括剪切状态和拉伸状态：当应力点在屈服面上时，ZSI =1，应力点在等倾线上时ZSI = + °°，表示单元在该阶段所能达到的最安全状态。需要说 明的是，ZSI = + 0并不是指单元无限的安全，而是在弹性剪切阶段处于相对最安全的状 态。O1SO,对应剪切状态，σ，〇,对应与拉