基于能量原理的多参数非等比例折减的安全系数计算方法与流程

[0001]
本发明属于岩土工程、隧道与地下工程领域，尤其涉及一种基于能量原理的多参数非等比例折减的安全系数计算方法。


背景技术：

[0002]
目前常用于岩土工程、隧道与地下工程稳定性分析的方法主要有极限分析法(上限法和下限法)、极限平衡法和强度折减法。强度折减法相比极限分析法和极限平衡法具有以下优势：一方面，不用事先假定破裂面形态及位置、不必假定条块间的内力、可以监测观察整个破坏过程；另一方面，可以计算诸如有地震力、孔隙水压力和支护结构等的复杂情况。随着计算机性能的提高和数值计算软件的发展，此后被众多研究者广泛应用于岩土工程、隧道与地下工程的稳定性分析。
[0003]
传统的强度折减法通常基于摩尔-库仑强度准则和强度储备概念，采用等比例折减的方式，即强度参数粘聚力c和内摩擦角采用相同的折减系数，得到新的粘聚力和内摩擦角，随后通过逐渐增大折减系数使得岩土结构达到极限状态，并将此时的折减系数定义为安全系数(fos)。事实上，已有大量试验表明，岩土材料在劣化时强度参数的劣化速率和程度是不同的，岩土结构在失稳过程中强度参数对维持岩土结构稳定性的贡献是不同且动态变化的。此外，对于岩土工程，往往涉及多种岩土材料或支护结构，不同岩土材料间、岩土材料与支护材料间力学参数的衰减速率和程度也不尽相同。因此，研究同种材料不同力学参数间、不同材料间的多参数非等比例折减具有重要意义，其中折减参数的数量可以是两个或者多个，这要取决于所选择的强度准则，以及折减材料的数目。
[0004]
对于双参数的非等比例折减法(也被称为双折减法)的研究，主要针对均质材料的岩土工程结构，目前主要有数学均值法、强度折减路径法、极限平衡法和参照岩土结构法等。现有的非等比例折减法，通常是预先设定好折减比随后按折减比k将一个稳定岩土结构一次折减至极限状态，然后计算岩土结构当前状态相对于极限状态的安全系数，反映的是岩土结构当前状态相对于极限状态的安全储备，而很少去关注安全系数随折减路径的全过程演化计算问题。事实上，岩土体及支护材料在外界环境的作用下，其力学参数通常会发生不同程度的、且动态变化的劣化过程，岩土结构的破坏演化过程是客观存在的。对应到参数折减上，一方面，参数劣化的过程即参数折减的过程；另一方面，参数折减过程中不同参数折减的路径是可变的，即不一定是线性的，不同参数在折减全过程中对岩土结构稳定性的贡献是不同且动态变化的，岩土结构从初始状态折减至极限状态的过程中，安全系数随折减路径是动态演化的。此外，对于工程技术人员来说，他们不仅需要关心现阶段岩土结构的安全系数大小，也需要知道岩土结构折减全过程的安全系数演变规律，这样就可以选择合适的时机进行针对性的加固。


技术实现要素：

[0005]
本发明针对现有技术的不足，提出基于能量原理的多参数非等比例折减的安全系
数计算方法。
[0006]
本发明的基于能量原理的多参数非等比例折减的安全系数计算方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤1：确定岩土结构计算模型的边界范围、几何参数和材料分布特征；
[0008]
步骤2：建立数值计算模型，进行网格划分，确定材料本构模型；
[0009]
步骤3：采用力学试验，确定涉及材料的初始关键力学参数及其劣化函数；
[0010]
步骤4：确定力学参数的折减时机，根据步骤3得到的劣化函数确定力学参数的折减比例与折减步长；
[0011]
步骤5：定义岩土结构的极限状态，确定其失稳判据；
[0012]
步骤6：执行参数折减，将岩土结构折减至极限状态；
[0013]
步骤7：以不同力学参数在折减过程中为维持岩土结构稳定的贡献度作为力学参数折减系数的权重值；
[0014]
步骤8：根据步骤7中的权重值，通过理论推导，得到岩土结构多参数非等比例折减的安全系数计算方法；
[0015]
步骤9：根据步骤8中的安全系数计算方法，求解得到岩土结构考虑参数折减过程相关性的安全系数折减全过程演变曲线。
[0016]
进一步的，岩土结构为边坡或隧道与地下工程。
[0017]
进一步的，岩土结构为无支护岩土工程或有支护岩土工程结构。
[0018]
进一步的，步骤3中，涉及材料包括岩土体、混凝土和钢材；初始关键力学参数指的是变形参数和强度参数；变形参数为弹性模量、泊松比；强度参数为粘聚力、内摩擦角。
[0019]
进一步的，步骤4具体为：确定同种强度材料不同力学参数的折减时机和不同强度材料的折减时机；根据力学参数劣化函数的形式或劣化速率，确定不同参数间的折减比例和每个参数的折减步长。
[0020]
进一步的，步骤5中选取塑性区贯通、应变贯通、位移突变和能量突变作为失稳判据。
[0021]
进一步的，步骤7中，以不同力学参数在折减过程中为维持岩土结构稳定的贡献度作为力学参数折减的权重值的方法为：
[0022][0023][0024]
式中，为第i种材料的第j个力学参数折减对岩土结构体系耗散能变化贡献的权重；为某一次折减过程中第i种材料第j个力学参数折减后岩土结构体系的耗散能增量；δe
d
为某一次折减过程中所有材料的所有力学参数折减后岩土结构体系的耗散能增量；σ为应力张量，ε
e
为弹性应变张量，u
total
＝∫σ：dε，为总应变能；v为折减单元的体积。
[0025]
进一步的，步骤8中，岩土结构多参数非等比例折减的安全系数计算方法为：
[0026]
[0027][0028]
式中：fos(k-1)是岩土结构在状态k-1时的综合安全系数；srf
ij
是第i种材料的第j个力学参数的折减系数；n为折减次数，l为材料数量，m为力学参数数量；fos(n)为折减n次后岩土结构的剩余安全系数，fos(n)≥1.0；f(srf
ij
)为折减系数的调和平均值，表征非等比例折减时折减系数共同作用部分，反映折减参数在共同折减时非线性、相关性对综合安全系数的影响。
[0029]
本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
[0030]
第一、对于岩土工程，材料在劣化时不同力学参数的劣化速率和程度是不同的，在失稳过程中不同力学参数对维持岩土结构稳定性的贡献是不同且动态变化的。并且，岩土工程往往涉及多种岩土材料或支护结构，不同岩土材料间、岩土材料与支护材料间力学参数的衰减速率和程度也不尽相同。本发明的计算方法可以考虑同种材料不同参数间、不同强度材料间的多参数非等比例折减，并具有明确的物理意义。
[0031]
第二、现有的非等比例折减法，通常是预先设定好强度参数折减比，随后按折减比将一个稳定岩土结构一次折减至极限状态，然后计算岩土结构初始状态相对于极限状态的安全系数，反映的是初始状态相对于极限状态的安全储备，而很少去关注安全系数随折减路径的全过程演化计算问题。本发明的计算方法考虑参数折减的过程相关性，可以求得安全系数随折减路径的全过程演变规律，以及力学参数在折减全过程中对维持岩土结构稳定性贡献的权重。将劣化函数与时间建立联系，还可以预测岩土结构服役过程中的剩余寿命。
[0032]
第三、本发明求解方法得到的隧道寿命全过程的安全系数经时衰变曲线，可以有效的为运营隧道维修加固时机的确定、维修加固方案的制定和选择提供依据。
[0033]
第四、本发明提出的求解方法方便易行，积极推动了隧道与地下工程领域关于安全性定量评价技术的进步。
附图说明
[0034]
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
[0036]
本发明的基于能量原理的多参数非等比例折减的安全系数计算方法如图1所示，包括以下步骤：
[0037]
步骤1：确定岩土结构计算模型的边界范围、几何参数和材料分布特征；
[0038]
步骤2：建立数值计算模型，进行网格划分，确定材料本构模型；
[0039]
步骤3：采用力学试验，确定涉及材料的初始关键力学参数及其劣化函数；
[0040]
步骤4：确定力学参数的折减时机，根据步骤3得到的劣化函数确定力学参数的折减比例与折减步长；
[0041]
步骤5：定义岩土结构的极限状态，确定其失稳判据；
[0042]
步骤6：执行参数折减，将岩土结构折减至极限状态；
[0043]
步骤7：以不同力学参数在折减过程中为维持岩土结构稳定的贡献度作为力学参
数折减系数的权重值；
[0044]
步骤8：根据步骤7中的权重值，通过理论推导，得到岩土结构多参数非等比例折减的安全系数计算方法；
[0045]
步骤9：根据步骤8中的安全系数计算方法，求解得到岩土结构考虑参数折减过程相关性的安全系数折减全过程演变曲线。
[0046]
进一步的，岩土结构为边坡或隧道与地下工程。
[0047]
进一步的，岩土结构为无支护岩土工程或有支护岩土工程结构。
[0048]
进一步的，步骤3中，涉及材料包括岩土体、混凝土和钢材；初始关键力学参数指的是变形参数和强度参数；变形参数为弹性模量、泊松比；强度参数为粘聚力、内摩擦角。
[0049]
进一步的，步骤4具体为：确定同种强度材料不同力学参数的折减时机和不同强度材料的折减时机；根据力学参数劣化函数的形式或劣化速率，确定不同参数间的折减比例和每个参数的折减步长。
[0050]
进一步的，步骤5中选取塑性区贯通、应变贯通、位移突变和能量突变作为失稳判据。
[0051]
进一步的，步骤7中，以不同力学参数在折减过程中为维持岩土结构稳定的贡献度作为力学参数折减的权重值的方法为：
[0052][0053][0054]
式中，为第i种材料的第j个力学参数折减对岩土结构体系耗散能变化贡献的权重；为某一次折减过程中第i种材料第j个力学参数折减后岩土结构体系的耗散能增量；δe
d
为某一次折减过程中所有材料的所有力学参数折减后岩土结构体系的耗散能增量；σ为应力张量，ε
e
为弹性应变张量，u
total
＝∫σ：dε，为总应变能；v为折减单元的体积。
[0055]
进一步的，步骤8中，岩土结构多参数非等比例折减的安全系数计算方法为：
[0056][0057][0058]
式中：fos(k-1)是岩土结构在状态k-1时的综合安全系数；srf
ij
是第i种材料的第j个力学参数的折减系数；n为折减次数，l为材料数量，m为力学参数数量；fos(n)为折减n次后岩土结构的剩余安全系数，fos(n)≥1.0；f(srf
ij
)为折减系数的调和平均值，表征非等比例折减时折减系数共同作用部分，反映折减参数在共同折减时非线性、相关性对综合安全系数的影响。
[0059]
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。