深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法、装置及终端设备

摘要

本发明适用于隧道设计技术领域，提供了一种深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法、装置及终端设备，该方法包括：获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件；根据应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，计算深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量；根据应力分量和D‑P屈服准则，计算获得深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式。本发明可以更加准确地设计隧道围岩支护，避免根据深埋圆形隧道塑性区的分析提供的数据不够准确的问题。

说明书

技术领域

本发明属于隧道设计技术领域，尤其涉及一种深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法、装置及终端设备。

背景技术

在隧道设计中，确定隧道围岩的塑性区范围是设计隧道围岩支护的重要依据。

然而，现有技术中通常是对深埋圆形隧道塑性区进行分析，但在实际隧道设计时，隧道往往不是圆形或者不能等效为圆形，因此针对深埋圆形隧道塑性区的分析提供的数据不够准确。但是由于深埋非圆形隧道的复杂性，对于深埋非圆形隧道围岩塑性区的分析较少。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法、装置及终端设备，以解决现有技术中深埋圆形隧道塑性区的分析提供的数据不够准确的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法，包括：

获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件；

根据所述应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，计算所述深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量；

根据所述应力分量和D-P屈服准则，计算获得所述深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式。

本发明实施例的第二方面提供了一种深埋非圆形隧道围岩塑性区计算装置，包括：

获取模块，用于获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件；

第一计算模块，用于根据所述应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，计算所述深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量；

第二计算模块，用于根据所述应力分量和D-P屈服准则，计算获得所述深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式。

本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法的步骤。

本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法的步骤。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件；根据应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，可以计算得到深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量；根据应力分量和D-P屈服准则，可以计算获得深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式，根据深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式可以更加准确地设计隧道围岩支护，避免根据深埋圆形隧道塑性区的分析提供的数据不够准确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

图1是本发明实施例提供的深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例提供的深埋非圆形隧道的荷载结构示意图；

图3是本发明实施例提供的λ取0.2时马蹄形隧道塑性区的范围示意图；

图4是本发明实施例提供的λ取0.6时马蹄形隧道塑性区的范围示意图；

图5是本发明实施例提供的λ取1.0时马蹄形隧道塑性区的范围示意图；

图6是本发明实施例提供的深埋非圆形隧道围岩塑性区计算装置的示意图；

图7是本发明实施例提供的第一计算模块的示意图；

图8是本发明实施例提供的终端设备的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1为本发明实施例提供的深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法的实现流程示意图，详述如下。

步骤101，获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件。

可选的，应力边界条件可以包括：深埋非圆形隧道围岩的竖向无穷远处和侧向无穷远处边界条件，以及深埋非圆形隧道的边界条件。

其中，在获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件时，可以将深埋非圆形隧道简化为受双向挤压应力的带有孔洞无限大板平面应变问题。对于深埋非圆形隧道围岩，其岩体受竖向无穷远处应力为P，侧压力系数为λ，也就是侧向无穷远处应力为λP，对于深埋非圆形隧道，不考虑隧道边界有外荷载作用。

步骤102，根据应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，计算深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量。

可选的，在根据应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，计算深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量之前，还可以包括：

通过保角变换，将z平面上深埋非圆形隧道外域映射到ζ平面上以原点为圆心的单位圆外域，获得映射函数ω(ζ)：

其中，C

其中，将z平面上深埋非圆形隧道外域映射到ζ平面上以原点为圆心的单位圆外域，即z平面上的点(x,y)，对应ζ平面上的点(ρ,θ)，深埋非圆形隧道边界映射到单位圆的圆周，在单位圆边界上ρ＝1，ζ＝σ＝e

可选的，根据应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，计算深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量，可以包括：根据映射函数，获得应力函数通式；根据竖向无穷远处和侧向无穷远处边界条件，确定应力函数通式的系数；根据深埋非圆形隧道的边界条件以及柯西积分解法，确定应力函数通式在单位圆外域的解析函数表达式；根据确定系数和解析函数表达式后的应力函数通式，计算深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量。

在获得映射函数ω(ζ)后，对于深埋非圆形隧道，不考虑隧道边界有外荷载作用，将深埋非圆形隧道围岩视为各向同性，确定各向同性围岩的应力函数通式

式中，B、B′和C′是与竖向无穷远处应力及侧向无穷远处应力有关的常数，B＝P(1+λ)/4，B′＝-P(1-λ)/2，C′＝0。

其中，

根据确定系数和解析函数表达式后的应力函数通式，可以计算深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量σ

式中，

步骤103，根据应力分量和D-P屈服准则，计算获得深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式。

可选的，根据应力分量和D-P屈服准则，计算获得深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式，可以包括：根据应力分量，获得应力第一不变量和应力偏张量第二不变量；根据应力第一不变量、应力偏张量第二不变量和D-P屈服准则，计算获得深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式。

可选的，根据应力分量，获得应力第一不变量和应力偏张量第二不变量，可以包括：

根据

其中，I

其中，D-P屈服准则为：

其中，I

将I

示例性的，以马蹄形隧道为例，马蹄形隧道的映射函数的系数为C

上述深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法，通过获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件；根据应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，可以计算得到深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量；根据应力分量和D-P屈服准则，可以计算获得深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式，根据深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式可以更加准确地设计隧道围岩支护，避免根据深埋圆形隧道塑性区的分析提供的数据不够准确的问题。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

对应于上文实施例所述的深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法，图6示出了本发明实施例提供的深埋非圆形隧道围岩塑性区计算装置的示例图。如图6所示，该装置可以包括：获取模块61、第一计算模块62和第二计算模块63。

获取模块61，用于获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件；

第一计算模块62，用于根据所述应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，计算所述深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量；

第二计算模块63，用于根据所述应力分量和D-P屈服准则，计算获得所述深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式。

可选的，参见图7，第一计算模块62，包括：

获取单元621，用于根据所述映射函数，获得所述应力函数通式；

第一确定单元622，用于根据所述竖向无穷远处和侧向无穷远处边界条件，确定所述应力函数通式的系数；

第二确定单元623，用于根据所述深埋非圆形隧道的边界条件以及柯西积分解法，确定所述应力函数通式在所述单位圆外域的解析函数表达式；

计算单元624，用于根据确定所述系数和所述解析函数表达式后的应力函数通式，计算所述深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量。

可选的，所述深埋非圆形隧道围岩的竖向无穷远处和侧向无穷远处边界条件，以及所述深埋非圆形隧道的边界条件。

可选的，在所述根据所述应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，计算所述深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量之前，还包括：

通过保角变换，将z平面上深埋非圆形隧道外域映射到ζ平面上以原点为圆心的单位圆外域，获得映射函数ω(ζ)：

其中，C

其中，将所述深埋非圆形隧道边界映射到所述单位圆的圆周，在单位圆边界上ρ＝1，ζ＝σ＝e

可选的，第二计算模块63，可以用于根据所述应力分量，获得应力第一不变量和应力偏张量第二不变量；

根据所述应力第一不变量、所述应力偏张量第二不变量和所述D-P屈服准则，计算获得所述深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式。

可选的，第二计算模块63，可以用于根据

其中，I

上述深埋非圆形隧道围岩塑性区计算装置，通过获取深埋非圆形隧道围岩的应力边界条件；根据应力边界条件和各向同性围岩的应力函数通式，可以计算得到深埋非圆形隧道围岩在直角坐标系中的应力分量；根据应力分量和D-P屈服准则，可以计算获得深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式，根据深埋非圆形隧道围岩塑性区的半径表达式可以更加准确地设计隧道围岩支护，避免根据深埋圆形隧道塑性区的分析提供的数据不够准确的问题。

图8是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图8所示，该实施例的终端设备800包括：处理器801、存储器802以及存储在所述存储器802中并可在所述处理器801上运行的计算机程序803，例如深埋非圆形隧道围岩塑性区计算程序。所述处理器801执行所述计算机程序803时实现上述深埋非圆形隧道围岩塑性区计算方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至S103，所述处理器801执行所述计算机程序803时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如图6所示模块61至63的功能。

示例性的，所述计算机程序803可以被分割成一个或多个程序模块，所述一个或者多个程序模块被存储在所述存储器802中，并由所述处理器801执行，以完成本发明。所述一个或多个程序模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序803在所述深埋非圆形隧道围岩塑性区计算装置或者终端设备800中的执行过程。例如，所述计算机程序803可以被分割成获取模块61、第一计算模块62和第二计算模块63，各模块具体功能如图6所示，在此不再一一赘述。

所述终端设备800可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器801、存储器802。本领域技术人员可以理解，图8仅仅是终端设备800的示例，并不构成对终端设备800的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器801可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器802可以是所述终端设备800的内部存储单元，例如终端设备800的硬盘或内存。所述存储器802也可以是所述终端设备800的外部存储设备，例如所述终端设备800上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器802还可以既包括所述终端设备800的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器802用于存储所述计算机程序以及所述终端设备800所需的其他程序和数据。所述存储器802还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。