[發(fā)明專(zhuān)利]一種恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固數(shù)值模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110429026.8
• 申請(qǐng)日: 2021-04-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113204902B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧鵬海;劉泉聲;徐曉瑜
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23;G06F30/17;G06F30/13;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 李煒

1.一種有限元-離散元耦合(FDEM)恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)采用實(shí)體建模的方法建立錨桿、錨固劑和鋼帶數(shù)值模型；其中，錨桿、錨固劑分別采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而鋼帶采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；對(duì)錨桿而言，在自由端端頭設(shè)置功能型四邊形節(jié)理單元為恒阻大變形單元，并賦予相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)方程；而除該單元外的其余三角形單元和四邊形單元均采用線(xiàn)彈性本構(gòu)方程，并根據(jù)錨桿在隧道中的縱向安裝間距計(jì)算錨桿等效彈性模量和等效剪切模量；

(2)通過(guò)錨固劑力學(xué)試驗(yàn)和錨固劑-錨桿及錨固劑-巖石界面力學(xué)試驗(yàn)，獲取相應(yīng)的力學(xué)本構(gòu)方程，實(shí)現(xiàn)各部件的模擬；

(3)建立錨桿、錨固劑和鋼帶的模型，通過(guò)破裂節(jié)理單元粘結(jié)修復(fù)算法，實(shí)現(xiàn)錨桿滯后安裝模擬；

所述錨桿除恒阻大變形單元外的其余單元采用線(xiàn)彈性本構(gòu)方程，如下：

σ＝E′·ε

式中，σ、E′、ε分別為除恒阻大變形單元外的錨桿軸力、錨桿等效彈性模量和軸向應(yīng)變；在二維平面應(yīng)變狀態(tài)下，錨桿桿體厚度為1.0m，實(shí)際中的錨桿厚度為其直徑，因此，等效彈性模量E′為：

式中，D為錨桿桿體直徑，L為錨桿縱向安裝間距，單位均為m；E為錨桿實(shí)際彈性模量，可取為210GPa；錨桿和恒阻力單元的剪切本構(gòu)方程，采用如下形式：

τ＝G′·γ

式中，τ、G′、γ分別為剪應(yīng)力、等效剪切模量和剪切應(yīng)變，等效剪切模量為：

式中，G為錨桿實(shí)際剪切模量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述錨桿力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用陶志剛提出的實(shí)驗(yàn)方法《恒阻大變形錨桿/索力學(xué)特性數(shù)值模擬研究》.陶志剛，趙帥，張明旭，孟志剛，何滿(mǎn)潮，賴(lài)豪.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2018年1月第1期。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：通過(guò)設(shè)置功能型四邊形節(jié)理單元的方法，實(shí)現(xiàn)恒阻大變形錨桿的數(shù)值表征，并將試驗(yàn)得到的本構(gòu)方程和參數(shù)賦予該恒阻大變形單元，如下：

式中，k₁、k₂分別為錨桿剛度，u₁、u₂、u_max分別為不同階段位移拐點(diǎn)，P_ave為恒阻階段荷載，Δu為錨桿位移。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟(2)中，所述錨固劑力學(xué)試驗(yàn)的方法如下：將錨固劑用水稀釋?zhuān)捎迷囼?yàn)用砂漿攪拌機(jī)將稀釋后的錨固劑充分?jǐn)嚢柽M(jìn)行澆筑，澆筑成圓柱形試件，然后對(duì)試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完畢后開(kāi)展直接拉伸和變角剪切試驗(yàn)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟(2)中，所述錨固劑-錨桿力學(xué)試驗(yàn)方法為：

將錨桿-錨固劑-高強(qiáng)混凝土進(jìn)行澆筑，混凝土采用高標(biāo)號(hào)水泥，預(yù)留錨桿孔，待混凝土養(yǎng)護(hù)7天后貫入稀釋后的錨固劑同時(shí)插入錨桿，輕微振動(dòng)確保錨固劑與混凝土及錨桿充分接觸粘結(jié)、且錨固劑內(nèi)部無(wú)氣泡；在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28天；

澆筑后的結(jié)構(gòu)為錨桿通過(guò)錨固劑澆筑于高強(qiáng)混凝土中，高強(qiáng)混凝土通過(guò)固定螺桿連接到固定承壓板上；

進(jìn)行錨桿拉拔試驗(yàn)，得到錨桿-錨固劑界面剪切應(yīng)力-位移本構(gòu)方程。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟(2)中，所述錨固劑-巖石界面學(xué)試驗(yàn)方法為：將巖樣和錨固劑分別加工成圓柱形試樣和長(zhǎng)方體試樣，在澆筑過(guò)程中，將制作好的巖樣放入磨具底部，使得錨固劑能夠與巖樣得到充分接觸粘結(jié)，終凝后得到錨固劑-巖石界面結(jié)構(gòu)；然后放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28天；再將接觸界面加工出楔形缺口以確保樣品從界面處起裂；最后分別進(jìn)行室內(nèi)直接拉伸和變角剪切試驗(yàn)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟(2)中，錨固劑力學(xué)本構(gòu)方程為：

式中，σ、ε為任意時(shí)刻應(yīng)力、應(yīng)變；f_t、ε_r為峰值應(yīng)力、應(yīng)變；c₁，c₂，c₃，c₄為擬合參數(shù)。