本发明涉及一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法，属于地下工程设计建造工艺技术领域。
背景技术：
在地下工程中，洞室围岩因开挖而产生卸荷，洞室跨度越大围岩的这种卸荷效应越显著。在常规的弹塑性结构分析中，围岩的卸荷在开挖瞬发生并完成。但在工程实践中发现，围岩的开挖卸荷变形是随时间动态发展的过程，变形具有一定的时空特性。此外，由于卸荷松弛，在卸荷影响范围内围岩强度和变形模量会发生一定衰减，围岩强度和变形模量的衰减产生围岩的附加变形无疑会增加支护结构的受力。
由于常规的弹塑性结构分析中，围岩卸荷瞬时完成，此时计算的支护结构受力很小，围岩卸荷对支护结构受力影响的模拟是失真的，将此分析结果应用在实际工程时，支护结构偏危险。
在一些大型商业软件的creep分析模块中，也可采用程序提供的丰富元件模型来模拟围岩卸荷后的长期变形；但元件模型需要严格的物理力学关系，这在复杂的工程环境下是难以准确构建的，因此其应用具有自身的局限性。
此外，有学者提出利用经验模型的手段分析围岩卸荷的长期变形，但未结合围岩的空间和应力状态形成系统的、明确的计算方法；而对于卸荷对围岩强度应力的影响目前还未有系统认识。
因此，结合工程实际的空间状态，基于工程实践认知和监测成果定量构建计算方法模拟围岩卸荷变形对于确定支护的结构受力具有重要参考价值。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提出一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法，兼顾围岩卸荷后变形动态发展过程，同时考虑卸荷导致围岩强度和变形模量衰减效应，从而提高模拟分析的准确性，对实际工程具有较好的适应性和参考价值。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法，包括：
模拟过程中，考虑围岩卸荷后变形动态发展过程以及卸荷导致围岩强度和变形模量衰减，计算围岩卸荷引起支护结构的附加应力；所述考虑围岩卸荷后变形动态发展过程包括：将围岩卸荷后的变形分为瞬时变形和蠕变变形，采用幂函数关系描述围岩卸荷后变形随时间的发展过程。
作为进一步优化，所述采用幂函数关系描述围岩卸荷后变形随时间的发展过程，包括：
εt＝εi+εf(1-t-λ)
式中，εi为卸荷瞬时变形，即假定开挖卸荷后1h内发生的变形；εf为卸荷所产生的蠕变变形，即假定开挖卸荷后1h后发生的变形；t为卸荷真实时步，与工程实际对应开挖过程一致，λ为变形衰减系数，与围岩物理力学属性、空间位置等有关。
作为进一步优化，所述卸荷瞬时变形εi采用常规弹塑性本构模型(例如摩尔-库伦模型)计算。
作为进一步优化，所述卸荷所产生的蠕变变形εf按照下式计算：
其中，σm为单元的球应力；σs为单元的广义剪应力；sl为单元的应力水平；pa为大气压力；b、c、d为经验参数，可通过监测数据反分析得到，i为单位张量；{s}为偏应力张量；εfv、εfs分别为体积蠕变量和剪切蠕变量。
作为进一步优化，所述考虑卸荷导致围岩强度和变形模量衰减具体包括：
将卸荷应力分成n等分，每一等分看做一个应力增量dσij，分别按照卸荷前和卸荷衰减后的模型参数计算相应的应变，然后累计成总的应变，卸荷前总的应变与卸荷衰减后总的应变之差，就是围岩在相同应力状态下卸荷衰减引起的应变增量。
作为进一步优化，所述计算围岩卸荷引起支护结构的附加应力包括：按广义胡克定律计算支护结构因围岩卸荷变形影响产生的附加应力。
本发明的有益效果是：
该方法操作简单，可操作性强，宏观认知直观，能兼顾围岩卸荷后变形动态发展过程，同时考虑卸荷导致围岩强度和变形模量衰减效应，从而提高模拟分析的准确性；方法能密切结合工程实际，能利用软件开展模拟计算，效率高，模拟结果具有较好的工程参考价值。
具体实施方式
本发明旨在提出一种模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法，模拟方法兼顾围岩卸荷后变形动态发展过程和卸荷导致围岩强度和变形模量衰减，计算围岩卸荷引起支护结构的附加应力和变形。模拟中，将围岩卸荷后的变形分为瞬时变形和蠕变变形，假定1h内发生的变形为卸荷瞬时变形；1h后发生的变形为卸荷蠕变变形。瞬时变形采用理想的弹塑性本构模型，蠕变变形采用经验蠕变本构模型，其中，经验蠕变本构模型采用幂函数衰减函数，参数通过设置监测动态反演更新。对于卸荷对围岩物理力学性能的影响，通过综合考虑卸荷前后围岩应力水平变化和拉应力变化比例，对围岩强度和变形模量进行折减来实现。
经过研究，围岩卸荷对支护结构应力变形有两方面的影响：(1)卸荷影响范围内围岩除产生卸荷瞬时变形外，还会产生随时间和空间位置变化的长期变形，在一定支护时机下部分变形会直接导致支护结构产生附加应力变形；(2)卸荷影响范围内围岩强度和变形模量发生衰减，围岩的应力状态不变时将产生附加应变，从而引起围岩支护结构的应力调整变化。
当施工开挖开始时，围岩卸荷即发生，将卸荷过程划分为若干真实时步△t，真实时步与工程实际对应开挖过程一致，将每个真实时步1h内的时段划分为若干虚拟时步△t，虚拟时步是真实时步内围岩应力变化调整达到应力平衡的计算时步。通过下式来描述围岩卸荷后变形随时间的发展过程：
εt＝εi+εf(1-t-λ)
其中，εi为卸荷瞬时变形，假定开挖卸荷后1h内发生的变形；εf为卸荷所产生的蠕变变形；t—卸荷真实时步；λ—变形衰减系数，与围岩物理力学属性、空间位置等有关。
上式中的卸荷瞬时变形量εi可采用常规弹塑性本构模型(例如摩尔-库伦模型)计算；
另外，采用考虑围岩的空间应力状态及卸荷应力水平的蠕变本构模型计算式中的蠕变变形量εf：
其中，σm为单元的球应力；σs为单元的广义剪应力；sl为单元的应力水平；pa为大气压力；b、c、d为经验参数，可通过监测数据反分析得到，i为单位张量；{s}为偏应力张量；εfv、εfs分别为体积蠕变量和剪切蠕变量。
考虑卸荷引起围岩强度参数和变形参数的变化，将卸荷应力分成n等分，每一等分看做一个应力增量dσij，分别按照卸荷前和卸荷衰减后的模型参数，计算相应的应变，然后累计成总的应变，后者与前者总的应变之差，就是围岩在相同应力状态下卸荷衰减引起的应变增量△ε。
以开挖卸荷初始时刻为0时刻，开挖卸荷后在一定的支护时机进行支护，除掉支护之前已发生的变形，余下的变形εr即为支护结构需与围岩协调的变形，按下式计算：
εr＝εi+εf-εt-△t
由于支护结构通常可按弹性考虑，按广义胡克定律计算支护结构的因围岩卸荷变形影响产生的附加应力。
基于本发明提出的上述模拟围岩卸荷对大跨度洞室支护结构受力影响的方法理论，在具体应用时，可以采用商用平台或进行开发程序二次开发或自编程序实施具体计算，对实际工程具有较好的适应性和参考价值。