(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111409221.0 (22)申请日 2021.11.25 (71)申请人 中国电建集团成 都勘测设计 研究院 有限公司 地址 610072 四川省成 都市青羊区浣花北 路1号 (72)发明人 张勇　黄志澎　黄克戬　何彦锋　 (74)专利代理 机构 成都虹桥专利事务所(普通 合伙) 51124 代理人 吴中伟 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地 下洞室块体稳定分析方法 (57)摘要 本发明涉及地下洞室围岩块体稳定分析领 域， 具体涉及一种融合刚体极限平衡 法和有限元 法的地下洞室块体稳定分析方法， 极大地提高了 对地下洞室块体稳定分析的准确性。 技术方案包 括： 建立块体三维几何模型， 采用刚体极限平衡 法计算块体的安全系数， 获得第一安全系数； 建 立块体三维有限元模型， 在块体三维有限元模型 上， 考虑块体滑面的黏聚力和摩擦系数， 以及重 力、 预应力合支护力、 非预应力合支护力、 地下水 以及地震力， 对各滑面上的单元节点的应力， 再 根据刚体极限平 衡法计算块体安全系数， 获得第 二安全系数； 比较第一安全系数与第二安全系数 的大小， 取较小值作为块体稳定安全系数。 本发 明适用于对地下洞室围岩块体的稳定性分析。 权利要求书3页 说明书6页 附图1页 CN 114065590 A 2022.02.18 CN 114065590 A 1.一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分析方法， 其特征在于， 包括： 步骤1、 建立块体三维几何模型， 根据块体几何参数、 材料参数、 力学参数， 采用刚体极 限平衡法计算 块体的安全系数， 获得第一 安全系数； 步骤2、 建立块体三维有限元模型， 根据块体的稳定状态和软弱结构面类型， 获得块体 滑面上节点和单 元的应力位移结果； 步骤3、 在块体三维有限元模型上， 考虑块体滑面的黏聚力和摩擦系数， 以及重力、 预应 力合支护力、 非预应力合支护力、 地下水以及地震力， 对各滑面上 的单元节点的应力， 计算 该节点处的法向力和 切向力； 步骤4、 根据块体滑面上节点和单元的应力位移结果以及节点处的法向力和切向力计 算并显示 块体的力系图， 再根据刚体极限平衡法计算 块体安全系数， 获得第二 安全系数； 步骤5、 比较第一 安全系数与第二 安全系数的大小， 取较小值作为 块体稳定安全系数。 2.根据权利要求1所述的一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分 析方法， 其特征在于， 步骤2中， 根据块体的稳定状态和软弱结构面类型， 获得块体滑面上节 点和单元的应力位移结果的具体方法包括： 对块体的稳定状态和软弱结构面类型进行判断， 若块体处于稳定状态， 则无需建立滑 面单元， 滑面两侧的实体单元边界共用滑面上的节点， 进行计算分析， 获得滑 面上节点和单 元的应力位移结果； 若块体处于不稳定状态且软弱夹层厚度小于等于阈值厚度， 则不考虑结构面变形， 在 各滑面建立接触对单 元， 进行计算分析， 获得滑面上节点和单 元的应力位移结果； 若块体处于不稳定状态且软弱夹层厚度大于阈值厚度， 则需考虑结构面变形， 在各滑 面建立实体单 元， 进行计算分析， 获得滑面上节点和单 元的应力位移结果。 3.根据权利要求2所述的一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分 析方法， 其特征在于， 块体滑 面上的接触对单元在闭合状态下传递剪力时， 考虑了块体软弱 结构面类型， 并根据软弱结构面的类型， 采用不同单 元模拟滑面。 4.根据权利要求2所述的一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分 析方法， 其特征在于， 块体滑 面上的接触对单元在闭合状态下传递剪力时， 考虑了块体滑 面 黏聚力。 5.根据权利要求2所述的一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分 析方法， 其特征在于， 对块体滑面上单元的接触状态判断， 判断的具体方法包括： 在每一个 增量步开始之前检查块体结构面上所有接触对相互作用状态， 以判断从属节点为脱开还是 闭合， 若从属节点为脱开， 则释放节 点约束； 若从属节 点为闭合， 则施加节点约束； 然后进 行 迭代计算， 直至平衡收敛或达 到最大迭代次数。 6.根据权利要求5所述的一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分 析方法， 其特征在于， 在检查平衡 收敛之前， 先检查从属节点上接触状态的变化， 若从属节 点在迭代后存在节点侵入情况， 并且节点侵入距离＞0， 则它的状态由脱开变为闭合， 然后 施加节点约束， 重新迭代计算； 若从属节点在迭代后的节点压力＜0， 则它的状态则由闭合 变为脱开， 然后释放节点约束， 重新迭代计算。 7.根据权利要求1所述的一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114065590 A 2析方法， 其特征在于， 步骤4中， 获得第二安全系数时， 考虑了预应力支护和非预应力支护的 相互作用机制， 相互作用机制具体包括： 先判断块体是否处于稳定状态， 若块体处于稳定状 态， 则在块体未发生滑移 时， 将非预应力支护作为安全储备， 不计入安全系数公式； 当块体 处于不稳定状态或发生滑移 时， 非预应力支护才发生作用， 才将非预应力支护计入块体安 全系数计算公式， 作为 块体极限安全分析， 并评估加强支护措施。 8.根据权利要求1所述的一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分 析方法， 其特征在于， 所述块体包括双滑块体， 所述双滑块体沿双滑面i和j滑动时， 第二安 全系数可按下列公式计算： (1)双滑块体 基本组合 安全系数 K的计算公式为： 当合支护 力分量Ph方向指向滑面 i时: 当合支护 力分量Ph方向指向滑面j时: (2)双滑块体偶然组合 安全系数 K的计算公式为： 当合支护 力分量Ph方向指向滑面 i时: 当合支护 力分量Ph方向指向滑面j时:权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114065590 A 3