CN113642072B - 一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法，涉及岩石材料物理力学技术领域，包括获取含锚杆衬砌支护隧道的截面轮廓数据信息与多个岩石晶斑结构信息；在工作平台上铺设一层打印材料；指导多个打印喷头根据所述截面轮廓数据信息与所述岩石晶斑结构信息，对实心部分所在的位置喷射黏结剂，使所述打印材料黏结在一起；当第一层粉末材料黏结完毕后，工作平台下降预设高度，再成型下一层，直至形成隧道模型，对所述含锚杆衬砌支护隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果。通过本发明解决了传统制样方法无法制造复杂隧道模型的问题。

Description

一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法

技术领域

本发明涉及岩石材料物理力学技术领域，具体涉及一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法。

背景技术

岩石作为一种非均质工程材料，其内部往往含有大量的地质缺陷，例如孔洞、充填物、裂隙等，各种软结构面的岩石与裂隙组成具有不连续性、非均质性和各向异性的地质岩体。

这些地质缺陷对其强度和变形破坏特征有很大影响，因此研究缺陷岩石的力学性质对确保含内部缺陷岩体工程具有重要意义。但由于自然岩体的非均质性、各向异性等特点，找到一批具有相同内部结构的缺陷岩体几乎是不可能的，这也是制约含缺陷岩体研究工作的主要原因之一。

目前，针对含孔洞岩体力学的研究，主要通过在模型试块上人工开凿预制孔洞的方式实现的。但是这种方法所预制的孔洞往往数量很有限，一般为1～2个，并且大多数是贯通的。而工程现场中的孔洞往往隐含在岩体内部且数量庞大，这些大量的孔洞对岩体的宏观变形和强度特征会产生很大影响，仅用单个或少数贯穿孔洞很难实现对其力学性能的准确分析与研究，更无法基于受力分析结果制作内部还有大量孔洞的隧道试样。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法，用于解决传统制样方法无法制造复杂隧道模型的问题。

第一方面，本申请提供一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法，包括如下步骤：

获取含锚杆衬砌支护隧道的截面轮廓数据信息与多个岩石晶斑结构信息，并将所述截面轮廓数据信息与多个所述岩石晶斑结构信息上传至数据库中；

在工作平台上铺设一层打印材料；

指导多个打印喷头根据所述截面轮廓数据信息与所述岩石晶斑结构信息，对实心部分所在的位置喷射黏结剂，使所述打印材料黏结在一起；

当第一层打印材料黏结完毕后，所述工作平台下降预设高度，再成型下一层，直至形成含锚杆衬砌支护隧道模型；

对所述含锚杆衬砌支护隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果。

通过采用上述技术方案，通过CT扫描等比例缩放获取到含锚杆衬砌支护隧道的截面轮廓数据信息与多个岩石晶斑结构信息后，在工作平台上铺设一层3D打印材料；并指导多个打印喷头根据截面轮廓数据信息与多个岩石晶斑结构信息，对实心部分所在的位置喷射黏结剂，使打印材料黏结在一起；当第一层打印材料黏结完毕后，工作平台下降预设高度，再成型下一层，直至形成隧道模型。上述制作过程获取数据信息简单快捷，且只需远程操作即可，无需人工到现场测试，大大降低了劳动强度，提高了3D打印自动化程度。

优选的，对所述含锚杆衬砌支护隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果的具体步骤包括：

获取普通隧道模型的承载力F；

确定所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1；

以所述普通隧道模型的承载力为基准，计算求得所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力提高系数K1，其中，所述承载力提高系数K1的表达式为：

K1＝(F1-F)/F；

对所述承载力系数K1的大小进行判断；

若所述承载力提高系数K1>0，则受力分析结果为所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1相比较于所述普通隧道模型的承载力F得到提高；

若所述承载力提高系数K1≤0，则所述受力分析结果为所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1相比较于所述普通隧道模型的承载力F没有提高。

通过上述技术方案，将本申请中的含锚杆衬砌支护隧道模型与普通隧道模型的承载力进行综合受力分析对比，使得含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力分析结果具有参考性。

优选的，还包括如下步骤：

获取所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1；

确定含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力F2；

以所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1为基准，计算求得所述含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力K2，其中，所述承载力提高系数K2的表达式为：

K2＝(F2-F1)/F1；

根据三种不同隧道模型的承载力分别进行加载测试，并得到测试结果。

通过上述技术方案，还通过分析含单断层的隧道模型，并与本申请中的含锚杆衬砌支护隧道模型同普通隧道模型的承载力进行综合受力分析对比，使得含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力分析结果更具有参考性与说服力。

优选的，根据所述测试结果，分析三种不同隧道模型在加载测试过后的破坏程度，其中，

与所述普通隧道模型相比，所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力高于所述普通隧道模型的承载力；

与所述含锚杆衬砌支护隧道模型相比，所述含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力低于所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力。

优选的，所述工作平台下降的预设高度为0.1mm。

通过采用上述技术方案，使得打印进度达到0.1mm，克服了因打印尺寸不均所带来的隧道模型离散性较大的问题。

优选的，所述打印材料采用粉末性材料。

第二方面，本申请提供一种含锚杆衬砌支护隧道模型的力学性能分析设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法的步骤。

第三方面，本申请提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法的步骤。

本申请带来了以下有益效果：

本申请所述的一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法，通过将3DP打印技术应用于隧道物理模型的试验并对其进行受力分析，将设计好的3D物理模型输入打印系统后，然后指导打印喷头按照指定的路径自动完成整个模型的制作，克服了传统制样方法耗时、费力，且很难制作较为复杂的隧道模型的问题。同时由于打印精度达到0.1nm，还解决了因打印尺寸不均所带来的隧道模型离散性较大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法的流程图；

图2为本申请提供的对隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果的流程图之一；

图3为本申请提供的对隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果的流程图之二；

图4为本申请提供的不同隧道模型类型承载力的折线变化图；

具体实施方式

以下实施例结合附图对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法，包括如下步骤：

步骤S1,获取含锚杆衬砌支护隧道的截面轮廓数据信息与多个岩石晶斑结构信息，并将所述截面轮廓数据信息与多个所述岩石晶斑结构信息上传至数据库中；

步骤S2，在工作平台上铺设一层打印材料；

步骤S3，指导多个打印喷头根据所述截面轮廓数据信息与所述岩石晶斑结构信息，对实心部分所在的位置喷射黏结剂，使所述打印材料黏结在一起；

步骤S4，当第一层打印材料黏结完毕后，所述工作平台下降预设高度，再成型下一层，直至形成含锚杆衬砌支护隧道模型；

步骤S5，对所述含锚杆衬砌支护隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果。

在本实施例中，含锚杆衬砌支护隧道的截面轮廓数据信息与多个岩石晶斑结构信息主要通过CT机扫描等比例缩放得到的。针对大型岩体隧道，CT机的常用型号为nanoVoxe14000ct机，该设备最高空间的分辨率达到500nm，最大标称分辨率为100nm，该设备对含锚杆衬砌支护隧道的截面以间隔0.05mm进行扫描，用于获取多个二维均扫描图像，并以DICOM格式存储至数据库中。然后在PP型打印机的工作台上铺设一层材质粉末性材料，并从3DP数据打印库中调取截面轮廓数据信息与多个岩石晶斑结构信息。通过PP型打印机指导打印喷头按照该数据，对实心部分所在位置喷射黏结剂，使粉末材料黏结在一起。当第一层粉末材料黏结完毕后，工作平台下降预设高度0.01mm，再成型下一层，直至形成隧道模型，并对隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果。

需要说明的是，上述粉末性材料在本实施例中主要以石膏性粉末材料为主，还可以根据实际制作要求，选用如砂粉等粉末材料。对于3DP打印机的型号除了PP型打印机之外，还可通过其他型号的3DP打印机指导打印喷头按照截面轮廓数据信息进行3DP打印。以FDM型打印机为例，主要工作原理与PP型打印机基本一致，但是在3DP打印材料的选取上有一定区别。FDM型打印机主要采用的材质是丝状的热熔性材料PLA，首先需要对热熔性材料PLA进行加热融化，然后打印喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓数据信息，将加热融化后的热熔性材料涂敷在工作平台上，快速冷却后形成一层截面，并在一层截面成型完成后，控制工作平台下降一个高度0.05mm，再成型下一层，重复多次直至完成整体实体打印模型。

如图2所示，对成型的含锚杆衬砌支护隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果的具体步骤包括：

步骤S401，获取普通隧道模型的承载力F；

步骤S402,确定含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1；

步骤S403,以所述普通隧道模型的承载力为基准，计算求得所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力提高系数K1，其中，所述承载力提高系数K1的表达式为：

K1＝(F1-F)/F

步骤S404,对所述承载力系数K1的大小进行判断，若所述承载力提高系数K1>0，则表示所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1得到提高，若所述承载力提高系数K1≤0，则所述受力分析结果为所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1相比较于所述普通隧道模型的承载力F没有提高。

为了使受力分析数据更加全面与合理，还加入了对含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力F2的分析，如图3所示，具体步骤包括：

步骤S405，获取所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1；

步骤S406，确定含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力F2；

步骤S407，以所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1为基准，计算求得所述含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力K2，其中，所述承载力提高系数K2的表达式为：

K2＝(F2-F1)/F1

步骤S408，根据三种不同隧道模型的承载力分别进行加载测试，并得到测试结果,如下表1所示。

表1隧道模型的承载力

当计算出上述三种不同隧道模型在加载测试过后，分析隧道模型测试过后的破坏程度，其中，与所述普通隧道模型相比，所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力明显高于所述普通隧道模型的承载力，提升了29.75％。与所述含锚杆衬砌支护隧道模型相比，所述含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力低于所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力降低了46.66％。从隧道模型的破坏特征可知普通隧道模型在加载过程中，其拱顶中部、左拱肩发生了裂隙破坏，左右边墙出现了明显的片帮剥落现象，并且这些发生破坏的区域以与的试验结果以及工程现场相类似。含单断层隧道模型的拱顶中部、左右拱肩都出现了裂隙，并且这3组裂隙与预制断层形成了贯通的垮落体，这个垮落体的位置与的含断层隧道模型的试验类似，都发生在断层的下盘位置；含锚杆衬砌支护隧道模型仅仅在左边墙上出现了裂隙，并未出现片帮的剥落，可见其破坏程度明显受到了抑制。说明3DP技术制作的隧道模型一定程度上克服了传统制样方法所带来的人工误差，锚杆衬砌支护方式可以明显抑制隧道的破坏，提高隧道的承载能力，而断层的存在明显地加剧了隧道围岩的破坏，降低了隧道的稳定性，这些规律与人工制作的模型以及隧道工程相类似。另外，3DP隧道模型在破坏特征上与人工制作的模型和工程现场也具有一定的相似性。

具体不同隧道类型的承载力变化折线如图4所示，含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力随着缝隙位移距离增加呈线性上升趋势，并在线性上升至20kN时达到承载力的峰值。随后一段时间内的位移距离改变，承载力的变化趋势也一直保持在20kN左右，直到位移距达到8nm时，承载力有一个小幅回落，然后随着位移距离的增加，重新上升至20kN。普通隧道模型的承载力随位移变化的驱使与含锚杆衬砌支护隧道模型变化趋势差不多，但最大承载力明显要小一些，承载力在线性上升至16kN时达到峰值，并随着位移距离的增加而缓慢下降，直至达到平衡状态。同理，含单断层隧道模型的承载力也会随位移距离增加逐渐递增，并位移距离移动到4nm时，承载力到达平衡状态，其最大承载力峰值保持在12kN左右。直到位移距达到6nm时，承载力开始逐渐下降，并一直保持在10kN左右。从以上分析可知，相同类型的隧道模型的试验折线和承载力都具有较好的一致性，说明3DP技术制作的隧道模型一定程度上克服了传统制样方法所带来的人工误差。

需要说明的是，3DP打印技术是一种全自动成型技术，将设计好的3D物理模型输入打印系统后，指导打印喷头按照设计要求按照指定的路径自动完成整个模型的制作，全过程中无需投入任何人力和时间。当然，有一些3D打印技术制作的模型在成型后可能做少许后处理，例如为保证加载端面的平整，需对模型的端部进行磨平处理等，但此工作消耗的时间与传统制样消耗的时间相比是很少的。克服了传统制样方法耗时、费力且无法制作复杂的隧道模型的问题。同时该打印技术的打印进度可达到0.1mm，可以充分解决因打印尺寸不均所带来的隧道模型离散性较大的问题。

在本实施例中，

本申请实施例还公开一种含锚杆衬砌支护隧道模型的力学性能分析设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法的步骤。

本申请实施例还公开一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法的步骤。

具体来说，该力学性能分析设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器和存储器，一个或一个以上存储应用程序或数据的存储介质(例如一个或一个以上海量存储设备)。其中，存储器和存储介质可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质的程序可以包括一个或一个以上模块(图示没标出)，每个模块可以包括对装置中的一系列指令操作。更进一步地，处理器可以设置为与存储介质通信，在力学性能分析设备上执行存储介质中的一系列指令操作。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

所述功能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，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取含锚杆衬砌支护隧道的截面轮廓数据信息与多个岩石晶斑结构信息，并将所述截面轮廓数据信息与多个所述岩石晶斑结构信息上传至数据库中；

在工作平台上铺设一层打印材料；

指导多个打印喷头根据所述截面轮廓数据信息与所述岩石晶斑结构信息，对实心部分所在的位置喷射黏结剂，使所述打印材料黏结在一起；

当第一层打印材料黏结完毕后，所述工作平台下降预设高度，再成型下一层，直至形成含锚杆衬砌支护隧道模型；

对所述含锚杆衬砌支护隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果；

对所述含锚杆衬砌支护隧道模型进行受力分析，得到受力分析结果的具体步骤包括：

获取普通隧道模型的承载力F；

确定所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1；

以所述普通隧道模型的承载力为基准，计算求得所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力提高系数K1，其中，所述承载力提高系数K1的表达式为：

K1=(F1-F)/F；

对所述承载力系数K1的大小进行判断；

若所述承载力提高系数K1>0，则受力分析结果为所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1相比较于所述普通隧道模型的承载力F得到提高；

若所述承载力提高系数K1≤0，则所述受力分析结果为所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1相比较于所述普通隧道模型的承载力F没有提高；

还包括如下步骤：

获取所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1；

确定含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力F2；

以所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力F1为基准，计算求得所述含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力K2，其中，所述承载力提高系数K2的表达式为：

K2=(F2-F1)/F1；

根据三种不同隧道模型的承载力分别进行加载测试，并得到测试结果；

根据所述测试结果，分析三种不同隧道模型在加载测试过后的破坏程度，其中，

与所述普通隧道模型相比，所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力高于所述普通隧道模型的承载力；

与所述含锚杆衬砌支护隧道模型相比，所述含锚杆衬砌支护的多断层隧道模型的承载力低于所述含锚杆衬砌支护隧道模型的承载力。

2.根据权利要求1所述的含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法，其特征在于，所述工作平台下降的预设高度为0.1mm。

3.根据权利要求1所述的含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法，其特征在于，所述打印材料采用粉末性材料。

4.一种含锚杆衬砌支护隧道模型的力学性能分析设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法的步骤。

5.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述含锚杆衬砌支护隧道模型的制作及受力分析方法的步骤。