本發明涉及隧道開挖，具體來說，涉及一種模擬隧道開挖支護作用的近場動力學物質點鈍化與活化方法。

背景技術：

1、近場動力學作為一種新興的非局部作用理論，通過將求解區域離散成具有一定物理力學信息的物質點，并根據物質點的空間位置變化與臨近物質點間的相互作用表征材料的變形與破壞。由于其采用積分形式的運動方程，克服了傳統數值方法求解不連續問題時存在的奇異性問題，而且理論上對于非局部作用域的尺寸沒有特別要求，使得近場動力學能描述從連續到不連續，從微觀到宏觀的一系列力學行為，特別適合于求解固體材料的損傷破壞問題。上述非局部作用思想使近場動力學能較好的再現固體材料裂損隨機演化過程，使其在研究隧道圍巖及襯砌的損傷演化方面受到了廣泛關注。

2、隧道結構的受力變形往往與其建造過程密切相關。隧道工程的建造過程主要包含開挖與支護兩大部分。其中，隧道開挖卸荷是引起圍巖失穩并誘發各類地質災害的主要原因之一；隧道支護的作用在于抵抗圍巖的持續變形，使圍巖處于多軸應力狀態，為圍巖保持穩定提供支護力。因此，能否準確模擬隧道開挖與支護過程，對探明軟巖隧道襯砌裂損演化機制至關重要。然而，由于目前尚缺乏能反映隧道開挖與支護這一動態變化過程的近場動力學方法，無法有效揭示隧道開挖擾動與支護承載失效演化機制。

3、針對相關技術中的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術實現思路

1、針對相關技術中的問題，本發明提出一種模擬隧道開挖支護作用的近場動力學物質點鈍化與活化方法，以克服現有相關技術所存在的上述技術問題。

2、為此，本發明采用的具體技術方案如下：

3、一種模擬隧道開挖支護作用的近場動力學物質點鈍化與活化方法，該近場動力學物質點鈍化與活化方法包括：

4、基于預先采集的隧道結構化參數計算近場動力學材料參數與斷裂參數，并根據近場動力學材料參數與斷裂參數建立近場動力學本構力函數；

5、根據隧道結構化參數確定隧道開挖與支護區域，將開挖與支護區域離散化為物質點，并根據物質點屬性分類生成開挖與支護空間坐標矩陣；

6、基于開挖與支護空間坐標矩陣判斷物質點的領域范圍，并根據物質點的領域范圍構建標量分段函數，利用標量分段函數對近場動力學本構力函數進行修正，得到修正近場動力學本構力函數；

7、利用中心差分法計算并更新物質點特征參數，并通過物質點鈍化與活化技術實現隧道開挖與支護模擬；

8、在隧道開挖與支護模擬中循環判斷支護區域物質點鍵的失效情況，并基于失效情況計算支護累積損傷，根據支護累積損傷優化模擬結果。

9、優選地，隧道結構化特征參數包括隧道幾何尺寸、圍巖參數及襯砌參數；近場動力學材料參數包括微觀彈性模量及臨界伸長率。

10、優選地，微觀彈性模量的計算公式為：

11、

12、式中，c表示微觀彈性模量；e表示材料的彈性模量；h表示二維應變模型的厚度；δ表示領域半徑；

13、臨界伸長率的計算公式為：

14、

15、式中，s0表示臨界伸長率；g0表示材料斷裂能；κ表示彈性參數；δ表示領域半徑。

16、優選地，根據隧道結構化參數確定隧道開挖與支護區域，將開挖與支護區域離散化為物質點，并根據物質點屬性分類生成開挖與支護空間坐標矩陣包括：

17、基于隧道幾何尺寸及圍巖參數確定待開挖與支護區域，并確定立方體晶格尺寸，通過立方體晶格平行排列對計算區域進行覆蓋；

18、將立方體晶格的中心點作為物質點坐標，判斷物質點坐標的所屬區域；

19、將屬于開挖區域的物質點坐標存儲到開挖物質點數據集中，將屬于支護區域的物質點坐標存儲到支護物質點數據集中。

20、優選地，基于開挖與支護空間坐標矩陣判斷物質點的領域范圍，并根據物質點的領域范圍構建標量分段函數，利用標量分段函數對近場動力學本構力函數進行修正，得到修正近場動力學本構力函數包括：

21、基于物質點坐標計算當前物質點與臨近物質點間的距離，并判斷物質點領域范圍內其他物質點數量；

22、根據物質點領域范圍，建立當前物質點與臨近物質點間的距離在預設時間段的標量分段函數；

23、施加模擬隧道開挖與支護的初始邊界條件，并利用標量分段函數對修正近場動力學本構力函數進行修正，得到修正近場動力學本構力函數。

24、優選地，基于物質點坐標計算當前物質點與臨近物質點間的距離，并判斷物質點領域范圍內其他物質點數量包括：

25、確定物質點領域半徑，并根據物質點坐標計算當前物質點與臨近物質點之間的距離；

26、若當前物質點與臨近物質點之間的距離小于或等于領域半徑時，則表示當前物質點與臨近物質點存在相互作用力，且當前物質點為物質點領域范圍內的物質點，并統計出物質點領域范圍內所有物質點數量；

27、若當前物質點與臨近物質點之間的距離大于領域半徑時，則表示物質點與臨近物質點不存在相互作用力。

28、優選地，當前物質點與臨近物質點間的距離在預設時間段的標量分段函數的表達式為：

29、

30、式中，ο(xi,xj,t)表示當前物質點xi與臨近物質點xj間的距離在預設時間段t的標量分段函數；c0表示圍巖的微觀彈性模量；cp表示圍巖軟化的微觀彈性模量；ca表示襯砌的微觀彈性模量。

31、優選地，修正近場動力學本構力函數的表達式為：

32、

33、式中，ο(xi,xj,t)表示當前物質點xi與臨近物質點xj間的距離在預設時間段t的標量分段函數；μ表示斷裂參數；s表示伸長率；ξ表示兩物質點在初始參考構型中的相對位置；η表示兩物質點當前構型中的相對位移；ξ+η表示兩物質點在當前構型中的相對位置；||表示對向量求模。

34、優選地，通過物質點鈍化與活化技術實現隧道開挖與支護模擬包括：

35、若標量分段函數ο(xi,xj,t)小于預設閾值時，則實現物質點鈍化作用，并減弱開挖區域內部與非開挖區域物質點間的聯系，以實現隧道開挖擾動模擬效果；

36、若標量分段函數ο(xi,xj,t)大于預設閾值時，則實現物質點活化作用，并增強支護區域內部與外部巖體物質點間的聯系，以模擬支護施作過程；

37、若標量分段函數ο(xi,xj,t)等于預設閾值時，則表示不對物質點間的作用力改變。

38、優選地，在隧道開挖與支護模擬中循環判斷支護區域物質點鍵的失效情況，并基于失效情況計算支護累積損傷包括：

39、在隧道開挖與支護模擬中計算當前物質點與臨近點間的拉伸應變，并將拉伸應變與臨界伸長率進行比較；

40、若拉伸應變大于或等于臨界伸長率時，則表示物質點鍵發生失效，統計失效鍵數量，并計算失效鍵數量與初始完整鍵數量的比值，得到支護累積損傷值將；若拉伸應變小于臨界伸長率時，則表示物質點鍵未發生失效。

41、本發明的有益效果為：

42、本發明通過對開挖與支護區域的原有物質點進行鈍化和活化處理，確保物質點的屬性和坐標保持不變，從而避免了重新生成新物質點及其屬性判斷和信息存儲的復雜過程，此方法有效提升了計算效率，克服了傳統近場動力學方法在模擬開挖與支護這一動態施工過程中的效率低下問題，并通過引入標量分段函數對本構力函數進行修正，該方法格式簡單、物理意義明確，能夠更直觀地描述開挖與支護區域的力學行為變化。