[發明專利]一種恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固數值模擬方法

有效

• 申請號: 202110429026.8
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113204902B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 鄧鵬海;劉泉聲;徐曉瑜
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F30/13;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 李煒

本發明公開了一種有限元?離散元耦合(FDEM)恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固數值模擬方法，步驟如下：①通過設置功能型四邊形節理單元實現恒阻裝置在FDEM中的表征；②除恒阻單元外的其余單元采用線彈性本構方程，提出了等效彈性模量和等效剪切模量計算方法；③采用澆筑方法，將錨固劑澆筑成直接拉伸和變角剪切試樣，獲取錨固劑的拉伸與剪切本構方程；④采用錨桿拉拔試驗和錨固劑?巖石界面拉伸與剪切試驗獲得錨固劑?錨桿和錨固劑?巖石界面本構方程；⑤采用破裂節理單元粘結修復算法，實現錨桿滯后安裝的模擬。本發明公開的恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固FDEM數值模擬方法，為恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固效果預測和加固機理研究提供了數值模擬工具。

技術領域

本發明屬于巖石力學與巖石工程領域，具體涉及有限元-離散元耦合(FDEM)恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固數值模擬方法。

背景技術

在深埋軟巖地層中掘進隧道后將引起圍巖的大變形，并表現出變形速率快、變形量大、變形持續時間長等特征。為了控制圍巖的大變形，實際工程中經常采用錨網噴+襯砌聯合支護措施。針對傳統錨桿存在延伸率低、難以適用于軟巖大變形加固控制等不足，何滿潮等人發明了“恒阻大變形錨桿”(申請號：CN201010196197.2)，通過在自由端端頭設置恒阻大變形裝置的方法，使得該類錨桿具有延伸率大、阻力恒定等特性，實現了軟巖隧道大變形的“讓壓”支護，因而在諸多深埋軟巖隧(巷)道工程加固中得到了成功運用，如蘭渝鐵路木寨嶺隧道、新疆沙吉海煤礦巷道和龍口北皂煤礦巷道等。

為了探究恒阻大變形錨桿力學特性并獲取相關力學參數，可采用室內拉伸試驗的方法；然而，為研究恒阻大變形錨桿對深埋軟弱隧道圍巖的加固機理并為得到合適的錨桿力學參數，往往需要進行現場測試研究。對現場測試而言，存在測試周期漫長、測試成本高昂、對隧道工程正常施工造成干擾等不足，且監測結果僅對本測試段有效，當圍巖和賦存環境發生了較大變化時，又需要進行新的現場監測，難以得到普適性的、規律性的和機理性的研究成果。因此，可采用數值模擬方法進行恒阻大變形錨桿圍巖加固的研究。

一般地，在巖石力學與巖石工程領域，數值模擬可分為連續性方法、非連續性方法和耦合方法。耦合方法中的FDEM方法由于能夠模擬巖體彈塑性連續變形至裂紋萌生-擴展-交匯貫通非連續變形全過程，再至斷裂破碎塊體間的接觸擠壓效應，使其在模擬隧道圍巖破裂碎脹大變形失穩災變過程及錨桿加固方面具有天然優勢。在當前的FDEM錨桿加固研究中，通過設定無厚度線性單元的方法，錨桿連續穿插三角形單元和四邊形節理單元而不占據空間體積，錨桿與三角形單元塊體綁定，三角形內的錨桿隨三角形單元的變形一同發生彈性變形；錨桿的屈服與斷裂通過四邊形節理單元內的桿體單元來反映。

上述錨桿的表征方法只能模擬傳統錨桿的全長錨固，而無法實現端部錨固及預應力錨固，也無法模擬新型恒阻大變形錨桿的錨固，且忽略了錨固劑的力學作用和錨固劑-錨桿和錨固劑-圍巖間的粘結作用。因此，本發明基于實體建模的方法，提出設置特定的功能型四邊形節理單元的方法，實現恒阻大變形錨桿在FDEM中的表征；提出錨固劑力學本構方程、錨固劑-錨桿界面本構方程和錨固劑-巖石界面本構方程獲取方法，為恒阻大變形錨桿圍巖加固機理FDEM數值模擬提供研究基礎。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明的目的是提出一種有限元-離散元耦合(FDEM)恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固數值模擬方法，實現不同工況下恒阻大變形錨桿加固效果的有效預測，并為揭示恒阻大變形錨桿加固機理研究提供可靠的數值模擬手段。

本發明提供的方案如下：

一種有限元-離散元耦合恒阻大變形錨桿隧道圍巖加固數值模擬方法，包括以下步驟：

(1)采用實體建模的方法建立錨桿、錨固劑和鋼帶數值模型；其中，錨桿、錨固劑分別采用結構化網格，而鋼帶采用非結構化網格；對錨桿而言，在自由端端頭設置功能型四邊形節理單元為恒阻大變形單元，并賦予相應的力學參數和本構方程；而除該單元外的其余三角形單元和四邊形單元均采用線彈性本構方程，如圖1所示，并根據錨桿在隧道中的縱向安裝間距計算錨桿等效彈性模量和等效剪切模量；