一种隧道-滑坡体-抗滑桩体系稳定性耦合分析方法

本发明涉及一种隧道-滑坡体-抗滑桩体系稳定性耦合分析方法，属于岩土工程和分析方法领域。

背景技术：

滑坡是指斜坡上的岩体由于某种原因在重力的作用下沿着一定的软弱面或软弱带整体向下滑动的现象，滑坡的演化是一个多场耦合的复杂作用过程，不同的演化阶段具有不同的变形破坏特征。滑坡形成是受到降雨、人类活动等外部因素控制，内部受到所在地质环境因素(地层岩性、地质构造、地形地貌等)的控制，在内外因素的作用下呈现出不同的蠕滑变形演化特征，对于处于滑坡影响范围内的隧道在滑坡体不同的演化阶段受到的影响是不同的，呈现不同的受力模式和变形特征。对于隧道穿越滑坡等地质病害地段，工程建设和运营过程中的变形加固理论长期以来没有一个公认为良好的解决方案，在实际工程中，往往只在病害出现之时才慌忙采取应急措施，缺乏对于该类变形机理问题的深层次探讨，大家各持己见，仅对于表面变形区段加以治理，常常出现“治理后又变形，变形了再加固”的恶性循环。由于缺乏系统的计算模型和受力变形模式相关的计算理论，因此，弄清滑坡与隧道的相互作用模式，建立力学模型，发展计算理论是解决隧道-滑坡工程病害的关键问题。隧道穿越滑坡体施工过程是一个复杂多变的过程，采用单一的滑坡治理方案或加固方案都不可能全面地掌握和控制施工中的变形和施工风险，只有把隧道、滑坡和抗滑桩视为一个隧道-滑坡体-抗滑桩体系的分析方法可以较全面的分析和掌握隧道穿越滑坡体施工过程中的总体应力和位移变化情况，控制隧道施工风险，针对性的提出合理的加固措施。

技术实现要素：

在隧道、滑坡体和抗滑桩相互作用和相互影响的情况下，为了快速、准确地分析结构的应力和应变，确定其稳定性，本发明一种隧道-滑坡体-抗滑桩体系耦合分析方法是建立隧道-滑坡体-抗滑桩体系和物理模型和分析方法，提出耦合分析方法，从体系整体协调和工程安全性角度采用数值分析的方法分析整体受力和变形情况，既考虑隧道、滑坡体和抗滑桩各自的受力和变形发展特征，揭示隧道结构、滑坡体和抗滑桩的工程安全性与失稳模式，判断预加固结构的内在作用机制，以结构应力和结构变形为控制依据，保证体系的整体安全，指导设计和施工。

一种隧道-滑坡体-抗滑桩体系耦合分析方法，其特征在于，包括体系的物理模型(1)、力学模型(2)和评估方法(3)；具体包括以下步骤：

第一步：建立隧道-滑坡体-抗滑桩体系物理模型(1)，把隧道、滑坡体和抗滑桩作为一个结构的整体，既考虑他们结构本身的特点，又考虑相互之间的共同作用和相互影响；

第二步：根据力学模型(2)对单独的隧道本构进行隧道结构力学分析和计算(2.1)，确定隧道结构的内力和变形；

第三步：根据力学模型(2)，对单独的滑坡体本构进行滑坡体结构力学分析和计算(2.2)，确定滑坡体结构的滑坡推力；

第四步：根据力学模型(2)，对单独的抗滑桩本构进行抗滑桩结构力学分析和计算(2.3)，确定抗滑桩结构的内力和变形；

第五步：根据力学模型(2)，对隧道-滑坡体组合体系进行隧道-滑坡体系有限元耦合分析(2.4)，得到隧道-滑坡体系模型体系的总应力云图、总位移分析云图、剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等；

第六步：根据力学模型(2)，对隧道-抗滑桩系进行隧道-抗滑桩组合体系有限元耦合分析和计算(2.5)，得到隧道-抗滑桩系模型体系的总应力云图、总位移分析云图、剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等；

第七步：根据力学模型(2)，对隧道-滑坡体-抗滑桩组合体系进行隧道-滑坡体-抗滑桩系有限元耦合分析和计算(2.6)，得到隧道-滑坡体-抗滑桩系模型体系的总应力云图，总位移分析云图、剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等；

第八步：对隧道-滑坡体-抗滑桩系稳定性评估方法(3)，是在隧道-滑坡体-抗滑桩体系物理模型中以变形控制为基准，按第二步至第七步不同的组合体系结构中最不利条件进行组合原则，在不同组合条件下，得到最不利的因素条件下的最大(最点背)的变形为安全风险控制标准，做到万无一失。

其中，所述隧道-滑坡体-抗滑桩体系物理模型(1)是把隧道、滑坡体和抗滑桩分别作为一个独立的结构物，按几何关系组合成一个整体的几何模型，如图5所示。

所述力学模型(2)是指体系内结构和结构间相互作用的应力和应变关系；按照不同结构的本构关系及组合模型进行理论计算和分析，其中包括：隧道结构力学分析和计算(2.1)、滑坡体结构力学分析和计算(2.2)、抗滑桩结构力学分析和计算(2.3)、隧道-滑坡体系有限元耦合分析(2.4)、隧道-抗滑桩组合体系有限元耦合分析和计算(2.5)和隧道-滑坡体-抗滑桩系有限元耦合分析和计算(2.6)。

所述力学模型(2)(包括2.1-2.6)是假定以下的屈服准则和边界条件：(a)岩土体(围岩和滑坡体)受力和变形均为弹塑性的，即在荷载作用下材料的总应变ε^s分为能够恢复的弹性应变ε^e和不能够恢复的塑性应变ε^p这两部分，即：ε^s＝ε^p+ε^e；(b)材料力学性质遵循mohr-coulomb屈服准则；(c)钢筋和混凝土结构为弹性体，服从于虎克定律，即在应力低于比例极限的情况下，固体材料中的应力σ与应变ε成正比，即σ＝εε，式中e为弹性模量；(d)隧道土体和围岩为各向同性、连续、匀质；(e)衬砌材料均视为弹性体，初期喷射混凝土与二次衬砌按板单元考虑；(f)岩体的初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力作用；(g)不考虑地下水与岩体的水理作用；(h)不考虑岩体随着时间的变形。

所述隧道结构力学分析和计算(2.1)是根据隧道围岩的性质和隧道的结构形式进行力学分析；由于隧道围岩性质和洞周压力大小是隧道开挖引起周围围岩扰动和发展的主要原因，隧道开挖后将引起洞周一定范围内围岩应力调整，即围岩应力重分布。洞室周围形成围岩松动区、塑性区和弹性区，由于松动区和塑性区的出现将使隧道处于不稳定状态，围岩条件越差，压力越大，扰动范围越大，需要提供较大的支护反力以维持应力的平衡，直到支护应力与隧道的围岩压力保持稳定为止。

所述隧道结构的应力分析和计算(2.1)以圆形隧道为例，如图2所示，设隧道围岩和衬砌结构为弹性介质，地层中的原始垂直应力为p，侧压力系数为λ，隧道内径为r0，隧道衬砌的内径为r1，设衬砌结构上承受的压应力和剪切应力分别为σcr和ιcrθ，设围岩中任意点的径向应力为σr,切向应力为σθ，剪应力为ιrθ，围岩中任意点的位移为ur，总位移为ucr，任意点到隧道中心的距离记为r，任意点到隧道中心线与水平轴的夹角为θ，当假定隧道衬砌和洞室同时完成时，则作用在隧道衬砌上的压力为弹性压力，由于隧道围岩和衬砌结构的相互作用，假定围岩与衬砌光滑接触，不考虑作用于衬砌外缘上的切向应力，只考虑径向应力，则当r＝r1，则σcr＝ιcrθ＝0；当r＝r0，则σr＝σcr，ur＝ucr,ιrθ＝ιcrθ＝0；当r＝∞，则,

所述滑坡体的推力分析和计算(2.2)是采用传递系数法，如图3所示，设滑块剩余下滑力(滑坡推力)为e，滑块下滑力为t，滑块的抗滑力为r，传递系数为ψ，则任意滑块i剩余下滑力为：ei＝ti-ri+ri-1ψi-1，ti为任意滑块i的下滑力，ri为任意滑块i的抗滑力，ri-1为滑块i相邻滑块即上一滑块i-1的抗滑力，ψi-1为滑块i相邻滑块即上一滑块i-1的传递系数；

所述抗滑桩结构应力分析(2.3)是采用压力法，如图4所示，假定滑坡推力传递到两侧抗滑桩上，过程无能量损耗，并以正压力方式全部转化为桩侧摩阻力，并假定桩侧摩阻力承担全部滑坡推力，设相邻桩间距为s，滑坡推力为e，被动土压力为ep，抗滑力为r，则桩所受有效推力re为：re＝0.5s(e-ep-r)；

所述隧道-滑坡体系的有限元耦合分析(2.4)是采用有限元数值分析方法，得到隧道-滑坡组合体系的总应力云图、总位移分析云图、剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等。

所述隧道-抗滑桩体系的有限元耦合分析(2.5)是采用有限元数值分析方法，得到隧道-抗滑桩组合体系的总应力云图、总位移分析云图、剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等。

所述隧道-滑坡体-抗滑桩体系的耦合分析(2.6)是采用有限元数值分析方法，得到模隧道-滑坡体-抗滑桩组合体系的总应力云图、总位移分析云图、剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等。

所述稳定性评估方法(3)，是在隧道-滑坡体-抗滑桩体系中以变形控制基准，按不同的组合体系中最不利条件进行组合原则，全面的分析不同组合边界条件，分析最不利的因素，然后选用最大(最点背)的变形进行安全风险控制，做到万无一失。

本发明的优点：

本发明一种隧道-滑坡体-抗滑桩体系耦合分析方法优点是把隧道、滑坡体和抗滑桩作为一个耦合的综合体系，从体系整体协调和工程安全性角度采用数值分析的方法分析整体受力和变形情况，既考虑隧道、滑坡体和抗滑桩各自的受力和变形发展特征，又考虑之间的相互作用，揭示隧道结构、滑坡体和抗滑桩的工程安全性与失稳模式，判断预加固结构的内在作用机制，以结构应力和结构变形为控制依据，保证体系的整体安全，指导设计和施工。

一种隧道-滑坡体-抗滑桩体系的耦合分析方法理论基础可靠，具有实用性和应用价值，具有可复制性和可推广性。

附图说明

图1隧道-滑坡体-抗滑桩体系耦合分析方法框图

图2隧道弹性理论分析图

图3滑坡推力计算分析图

图4抗滑桩及桩间土受力分析图

图5隧道-滑坡-抗滑桩耦合体系的物理模型

图6隧道-滑坡体系有限元耦合分析云图

图7隧道-抗滑桩体系有限元耦合分析云图

图8隧道-滑坡-抗滑桩体系有限元耦合分析矢量图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

一是建立考虑隧道、滑坡体和抗滑桩各自的变形演化特征的分析模型，二是提出考虑隧道-滑坡体-抗桩滑耦合效应的计算方法，分析隧道、滑坡体和抗滑桩的力学特性和相互之间的作用机理，对抗滑桩加固-滑坡变形停止-隧道开挖-围岩松动(冒顶、塌方)-坡体削弱支撑蠕滑变形(衬砌外荷载增大)-隧道变形开裂(衬砌结构应力释放)-隧道加固-滑坡体持续蠕滑变形(衬砌外荷载累聚)-隧道再次开裂(衬砌结构应力释放)进行过程分析，揭示隧道掌子面围岩、滑坡体和抗滑桩体系的工程安全性与失稳模式，形成基于最不利组合原则提出隧道-滑坡体-抗桩滑体系的变形控制技术，指导预加固工程的设计、施工和效果评估。

实施例1

在充分进行勘察和地质调查，以及现场探测和分析的基础上，按下列步骤进行分析和计算。

首先，第一步根据勘察设计资料建立隧道-滑坡体-抗滑桩体系的物理模型(1)，把隧道、滑坡体和抗滑桩作为一个结构的整体，既考虑他们结构本身的特点，又考虑相互之间的共同作用和相互影响。

第二步：根据力学模型(2)对隧道进行结构进行力学分析和计算(2.1)，确定结构的内力和变形。

第三步：根据力学模型(2)，对滑坡体进行力学分析和计算(2.2)，确定滑坡推力。

第四步：根据力学模型(2)，对抗滑桩进行力学分析和计算(2.3)，确定结构的内力和变形。

第五步：根据力学模型(2)，对隧道-滑坡体系进行有限元耦合分析(2.4)，得到模型体系的总应力云图，总位移分析云图，剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等。

第六步：根据力学模型(2)，对隧道-抗滑桩系进行有限元耦合分析进行(2.5)，得到模型体系的总应力云图，总位移分析云图，剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等。

第七步：根据力学模型(2)，对隧道-滑坡体-抗滑桩系进行有限元耦合分析(2.6)，得到模型体系的总应力云图，总位移分析云图，剪应力分析云图和不同方向的位移与应力云图等。

最后，根据计算和分析结果，在隧道-滑坡体-抗滑桩体系中以变形控制基准，按不同的组合体系中最不利条件进行组合原则，在不同组合条件下，得到最不利的因素条件下的最大(最点背)的变形为安全风险控制标准，做到万无一失。

有益的工程应用：

考虑到隧道穿越滑坡体这一特殊的结构形式和各结构间的相互作用，把滑坡体、抗滑桩和隧道结构作为一个隧道滑坡体组合体系进行研究，对天然状态下和抗滑桩加固后的隧道滑坡体系进行数值分析，得到了隧道滑坡体系的稳定系数，推力位置，滑裂面位置和应力应变场等，为隧道施工安全和施工方法的确定提供了可靠的技术保障。

研究表明：隧道出口边坡在抗滑桩加固后为稳定边坡，边坡稳定系数为1.33，在隧道开挖及暴雨等不利条件下，山坡坡体最大总应力达2500kn，山坡的最大沉降量76mm，洞口的最大水平位移26mm,隧道拱顶沉降量最大值40mm,桩顶最大沉降量6mm，桩身最大剪力270kn/m,桩侧抗力最大值965kn，边坡及桩身均处于安全状态，计算结果与隧道施工监控量测结果十分吻合。