【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及巖土工程應用，尤其涉及一種基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法及系統。
技術介紹
1、隧道作為地下工程的重要組成部分，扮演著極其重要的交通和運輸通道的角色。然而，在隧道使用的過程中，隧道襯砌的變形問題是一個關鍵的技術難題。隧道襯砌的變形包括內力變化和位移變化，隧道襯砌的變形可能會導致隧道襯砌的失穩、開裂、沉降等問題，從而對隧道的安全性和正常運營帶來威脅。
技術實現思路
1、針對現有技術的不足和實際應用的需求，本專利技術提供了一種基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法及系統，旨在實現隧道襯砌位移的精準計算。
2、第一方面，本專利技術所提供的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，包括如下步驟：獲取垂直于隧道開挖方向的隧道截面，并基于所述隧道截面擬合隧道放出橢球和隧道松動橢球，所述隧道截面的面積與所述隧道放出橢球垂直于隧道開挖方向的放出橢球截面的截面面積相同，所述隧道放出橢球的一長軸端點與所述隧道截面的底邊中點重合，所述隧道松動橢球的一長軸端點與所述底邊中點重合；在所述隧道松動橢球垂直于隧道開挖方向的松動橢球截面內，根據土層在豎直方向上的受力平衡微分方程，獲得土層在豎直方向上的平均應力，并基于所述平均應力結合隧道截面頂部在水平方向一位置處的土體深度，獲得隧道截面頂部在對應位置處的上覆土壓力；基于隧道襯砌構建正交曲面坐標系，并基于所述正交曲面坐標系獲得所述隧道襯砌的殼體模型，并基于所述殼體模型獲取所述隧道襯砌在豎直方向的位移控制微分方程，并通過所述位移控制微分方程結合殼體
3、本專利技術所提供的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其增益在于：本專利技術首先基于橢球體理論獲得隧道截面頂部的上覆土壓力，再就隧道內施作完成的隧道襯砌，基于殼體模型結合隧道截面頂部的上覆土壓力，獲得隧道襯砌在豎直方向的位移。本專利技術通過受力及位移兩方面分析，實現了對隧道襯砌變形的準確預測，能夠為隧道工程的設計、施工和安全管理提供可靠的技術支持。
4、可選地，基于所述隧道截面擬合的隧道放出橢球和隧道松動橢球，其長半軸和短半軸分別滿足如下等式：，，，，其中，表示隧道放出橢球的長半軸，表示隧道放出橢球的短半軸，表示隧道松動橢球的長半軸，表示隧道松動橢球的短半軸，表示隧道截面底邊中點與隧道截面頂邊頂點之間的豎向距離，表示隧道截面底邊長度的1/2，表示擬合橢球的扁平度，表示擬合橢球的松動系數。本專利技術通過合理設定隧道放出橢球和隧道松動橢球的相關參數，能夠更加精確可靠地模擬隧道內的土體變形情況，從而提高了位移計算的精確性和可靠性。
5、進一步可選地，所述擬合橢球的扁平度的取值范圍包括；所述擬合橢球的松動系數的取值范圍包括。本專利技術所提供的擬合橢球的扁平度取值范圍、擬合橢球的松動系數取值范圍，能夠使得隧道內的土體變形擬合更加精準。
6、可選地，所述在所述隧道松動橢球垂直于隧道開挖方向的松動橢球截面內，根據土層在豎直方向上的受力平衡微分方程，獲得土層在豎直方向上的平均應力，并基于所述平均應力結合隧道截面頂部在水平方向一位置處的土體深度，獲得隧道截面頂部在對應位置處的上覆土壓力，包括如下步驟：在所述隧道松動橢球垂直于隧道開挖方向的松動橢球截面內，獲取所述隧道截面在所述隧道松動橢球內對應的松動區域，所述松動區域為通過所述隧道截面的頂點切線與所述松動橢球截面的兩交點，以及兩交點關于隧道松動橢球中心點對稱的兩交點，在松動橢球截面內形成的矩形區域；在所述松動區域內，擬合與隧道截面底邊平行土層的莫爾應力圓，并基于所述莫爾應力圓，獲得所述土層在水平方向上一位置點處的豎向莫爾應力，所述豎向莫爾應力滿足如下等式：，其中，表示土層在水平方向上一位置點處的豎向莫爾應力，表示土層在水平方向上一位置點，在莫爾應力圓上對應點處的大主應力與水平方向的夾角，，表示土體的內摩擦角，表示土層在水平方向上一位置點，在莫爾應力圓上對應點處的主動土壓力系數，表示土層在水平方向上一位置點，在莫爾應力圓上對應點處的豎向應力；基于所述松動區域在水平方向上的寬度，獲得所述土層在水平方向上任一位置點處的第一平均莫爾應力，所述第一平均莫爾應力滿足如下等式：，其中，表示第一平均莫爾應力；基于所述第一平均莫爾應力構建土層在豎直方向上的受力平衡微分方程，并結合土層在松動區域的邊界條件，獲得所述土層在水平方向上任一位置點處的第二平均莫爾應力，所述第二平均莫爾應力滿足如下等式：，，其中，表示第二平均莫爾應力，表示松動區域的半寬，表示土層的重度，表示土體粘聚力，表示土層在水平方向上一位置點，在莫爾應力圓上對應點處的側向土壓力系數，表示土層在水平方向上一位置點的土體深度；基于所述豎向莫爾應力與上覆土壓力的轉換關系，通過第一平均莫爾應力和第二平均莫爾應力，獲得隧道截面頂部在水平方向上一位置點處的豎向應力，所述豎向應力滿足如下等式：，表示隧道截面頂部在水平方向上一位置點處的豎向應力。本專利技術通過精確地分析隧道截面頂部的土體受力情況以獲得可靠的上覆土壓力，為隧道襯砌的位移計算提供了可靠的基礎，并能夠有效應對不同地質條件和工程情況下的隧道襯砌位移計算需求，為隧道工程設計和施工提供重要的技術支持。
7、進一步可選地，所述松動區域在水平方向上的半寬，滿足如下等式：，其中，表示松動區域的半寬，表示擬合橢球的扁平度，表示隧道松動橢球的長半軸，表示隧道截面底邊中點與隧道截面頂邊頂點之間的豎向距離，表示隧道截面底邊長度的1/2。本專利技術通過控制擬合橢球的扁平度和松動系數，能夠靈活調節松動區域的形狀和大小，從而更好地適應不同地質條件和工程要求。
8、可選地，所述正交曲面坐標系包括軸、軸和軸，其中，軸的方向與隧道開挖方向相同，軸的方向與隧道截面周向相同，軸的方向與隧道襯砌厚度的中面法線相同。本專利技術所構建的坐標系，可以更加有效地建立隧道襯砌的殼體模型，并進一步獲取位移控制微分方程，從而更加精確地預測和控制隧道襯砌的變形情況，進而為隧道工程的設計和施工提供更可靠的技術支持，有助于提高隧道工程的安全性和穩定性。
9、可選地，基于隧道襯砌的殼體模型，獲取的隧道襯砌在豎直方向的位移控制微分方程，滿足如下模型：，其中，表示隧道襯砌在方向上的中面位移，表示隧道襯砌的彈性模量，表示隧道襯砌的厚度，表示隧道襯砌的泊松比，，r表示隧道襯砌的中面主曲率半徑，表示隧道襯砌的上覆土壓力。本專利技術所提供的位移控制微分方程，可以準確地表征控制隧道襯砌的豎向位移情況。
10、進一步可選地，所述邊界條件包括在方向上隧道襯砌兩端的豎向位移為0以及轉角為0。本專利技術所提供的邊界條件，使得計算結果更加符合實際工程情況，有助于工程設計者和施工人員更好地理解和評估隧道襯砌的行為。
11、進一步可選地，通過所述位移控制微分方程結合殼體模型的邊界條件，獲得的隧道襯砌在豎直方向的位移，滿足如下等式：，，其中，表示距離隧道襯砌中心截面起始中心點長度為處的隧道襯砌在豎直方向的位移，表示隧道襯砌一截面中心點與隧道襯砌中心截面起始中心點之間的距離，表示隧道襯砌的厚度，表本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，基于所述隧道截面擬合的隧道放出橢球和隧道松動橢球，其長半軸和短半軸分別滿足如下等式：，，，，其中，表示隧道放出橢球的長半軸，表示隧道放出橢球的短半軸，表示隧道松動橢球的長半軸，表示隧道松動橢球的短半軸，表示隧道截面底邊中點與隧道截面頂邊頂點之間的豎向距離，表示隧道截面底邊長度的1/2，表示擬合橢球的扁平度，表示擬合橢球的松動系數。
3.根據權利要求2所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于：
4.根據權利要求1所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，所述在所述隧道松動橢球垂直于隧道開挖方向的松動橢球截面內，根據土層在豎直方向上的受力平衡微分方程，獲得土層在豎直方向上的平均應力，并基于所述平均應力結合隧道截面頂部在水平方向一位置處的土體深度，獲得隧道截面頂部在對應位置處的上覆土壓力，包括如下步驟：
5.根據權利要求4所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于
6.根據權利要求1所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，所述正交曲面坐標系包括軸、軸和軸，其中，軸的方向與隧道開挖方向相同，軸的方向與隧道截面周向相同，軸的方向與隧道襯砌厚度的中面法線相同。
7.根據權利要求6所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，基于隧道襯砌的殼體模型，獲取的隧道襯砌在豎直方向的位移控制微分方程，滿足如下模型：，其中，表示隧道襯砌在方向上的中面位移，表示隧道襯砌的彈性模量，表示隧道襯砌的厚度，表示隧道襯砌的泊松比，，R表示隧道襯砌的中面主曲率半徑，表示隧道襯砌的上覆土壓力。
8.根據權利要求6所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，所述邊界條件包括在方向上隧道襯砌兩端的豎向位移為0以及轉角為0。
9.根據權利要求8所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，通過所述位移控制微分方程結合殼體模型的邊界條件，獲得的隧道襯砌在豎直方向的位移，滿足如下等式：，，其中，表示距離隧道襯砌中心截面起始中心點長度為處的隧道襯砌在豎直方向的位移，表示隧道襯砌一截面中心點與隧道襯砌中心截面起始中心點之間的距離，表示隧道襯砌的厚度，表示隧道襯砌的泊松比，R表示隧道襯砌的中面主曲率半徑，表示隧道襯砌的上覆土壓力，表示隧道襯砌在方向上長度的一半。
10.一種基于殼體模型的隧道襯砌位移計算系統，其特征在于，包括輸入設備、處理器、存儲器和輸出設備，所述輸入設備、所述處理器、所述存儲器和所述輸出設備相互連接，其中，所述存儲器用于存儲計算機程序，所述計算機程序包括程序指令，所述處理器被配置用于調用所述程序指令，執行如權利要求1至9任一項所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法。
...【技術特征摘要】
1.一種基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，基于所述隧道截面擬合的隧道放出橢球和隧道松動橢球，其長半軸和短半軸分別滿足如下等式：，，，，其中，表示隧道放出橢球的長半軸，表示隧道放出橢球的短半軸，表示隧道松動橢球的長半軸，表示隧道松動橢球的短半軸，表示隧道截面底邊中點與隧道截面頂邊頂點之間的豎向距離，表示隧道截面底邊長度的1/2，表示擬合橢球的扁平度，表示擬合橢球的松動系數。
3.根據權利要求2所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于：
4.根據權利要求1所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，所述在所述隧道松動橢球垂直于隧道開挖方向的松動橢球截面內，根據土層在豎直方向上的受力平衡微分方程，獲得土層在豎直方向上的平均應力，并基于所述平均應力結合隧道截面頂部在水平方向一位置處的土體深度，獲得隧道截面頂部在對應位置處的上覆土壓力，包括如下步驟：
5.根據權利要求4所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，所述松動區域在水平方向上的半寬，滿足如下等式：，其中，表示松動區域的半寬，表示擬合橢球的扁平度，表示隧道松動橢球的長半軸，表示隧道截面底邊中點與隧道截面頂邊頂點之間的豎向距離，表示隧道截面底邊長度的1/2。
6.根據權利要求1所述的基于殼體模型的隧道襯砌位移計算方法，其特征在于，所述正交曲面坐標系包括軸、軸和軸，其中，軸的方向與隧道開挖方向相...
【專利技術屬性】
技術研發人員：丁海濱，喻義天，徐長節，孫洋，周鵬，徐松，
申請(專利權)人：華東交通大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。