CN116933448A - 高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，涉及地下工程支护技术领域，包括：根据高强吸能锚杆/锚索拉伸受力过程中的力学性能，划分弹性阶段、恒阻阶段、增阻阶段、破断阶段和失效阶段，根据对高强吸能锚杆/锚索进行的静力拉伸试验确定各阶段的本构方程；构建待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型，根据对待模拟高强吸能锚杆/锚索进行的静力拉伸试验确定待模拟高强吸能锚杆/锚索的本构方程，根据本构方程选择不同阶段进行组合，以此对待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型进行修正，由此完成对应类型的高强吸能锚杆/锚索的数值模拟。实现可破断高强吸能锚杆/锚索锚固支护模拟，实现不同类型高强吸能锚杆/锚索的数值表征。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程支护技术领域，特别是涉及一种高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法。
背景技术
随着地下工程埋深的不断增加，原岩应力不断加大，此时地下工程围岩在高应力条件下常表现出大变形及岩爆等动力冲击灾害，通过高强吸能锚杆/锚索的支护可在控制围岩过度变形的同时提供较高强度的锚固力和抗拉承载力，不仅考虑了支护体系的强度问题，还考虑了围岩的变形量，达到防治围岩大变形、垮落的效果。
目前可采用数值模拟方法进行高强锚杆/锚索支护控制机理的研究。
其中，计算软件中的CABLE结构单元常用来模拟锚杆或锚索，杆体轴向本构关系为理想弹塑性模型。在模拟过程中，当高强吸能锚杆/锚索变形较小时，高强吸能锚杆/锚索的力学特性曲线比较接近实际；但当变形很大时，高强吸能锚杆/锚索的轴力仍然保持恒定而不降低，这与实际不符。
而且，根据杆体的刚度、强度或材质等不同，高强锚杆/锚索具有多种类型，如刚性锚杆/锚索、柔性锚杆/锚索、高等强度锚杆/锚索、强力锚杆/锚索等，再由于选择的支护材料的不同，其所受的承载能力、变形力等都各有不同；所以针对不同类型的高强吸能锚杆/锚索，在拉伸受力过程中所经历的阶段也是不同的，而目前的数值模拟方法无法实现不同类型的高强吸能锚杆/锚索的模拟。
另外，现有CABLE结构单元模拟的高强吸能锚杆/锚索不具有破断失效属性，在模拟过程中，当高强吸能锚杆/锚索即便达到或远远超过杆体的极限延伸率也不会破断失效，限制其在矿山等地下工程支护中的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，实现可破断高强吸能锚杆/锚索锚固支护模拟，实现不同类型高强吸能锚杆/锚索的数值表征。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，包括：
根据高强吸能锚杆/锚索拉伸受力过程中的力学性能，划分弹性阶段、恒阻阶段、增阻阶段、破断阶段和失效阶段，并根据对高强吸能锚杆/锚索进行的静力拉伸试验确定各阶段的本构方程；
构建待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型，根据对待模拟高强吸能锚杆/锚索进行的静力拉伸试验确定待模拟高强吸能锚杆/锚索的本构方程，根据待模拟高强吸能锚杆/锚索的本构方程选择不同阶段进行组合，以此对待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型进行修正，其中，根据高强吸能锚杆/锚索延伸率与各阶段极限延伸率的比较结果进行修正，由此完成对应类型的高强吸能锚杆/锚索的数值模拟。
作为可选择的实施方式，当高强吸能锚杆/锚索延伸率小于弹性极限延伸率/>时，表示处于弹性阶段，则此时高强吸能锚杆/锚索轴力/>为高强吸能锚杆/锚索延伸率/>、高强吸能锚杆/锚索横截面积/>和高强吸能锚杆/锚索弹性模量/>的乘积。
作为可选择的实施方式，当高强吸能锚杆/锚索延伸率大于或等于弹性极限延伸率/>且小于恒阻阶段极限延伸率/>时，表示处于恒阻阶段；
则此时高强吸能锚杆/锚索轴力为/>；
其中，为高强吸能锚杆/锚索横截面积，/>为高强吸能锚杆/锚索弹性模量，为恒阻阶段等效吸能模量。
作为可选择的实施方式，当处于恒阻阶段时，恒阻阶段等效吸能模量为零。
作为可选择的实施方式，当高强吸能锚杆/锚索延伸率大于或等于恒阻阶段极限延伸率/>且小于增阻阶段极限延伸率/>时，表示处于增阻阶段；
则此时高强吸能锚杆/锚索轴力为/>；
其中，为高强吸能锚杆/锚索横截面积，/>为高强吸能锚杆/锚索弹性模量，为增阻阶段等效吸能模量，/>为弹性极限延伸率。
作为可选择的实施方式，当高强吸能锚杆/锚索延伸率大于或等于增阻阶段极限延伸率/>且小于破断延伸率/>时，表示处于破断阶段；
则此时高强吸能锚杆/锚索轴力为；
其中，为高强吸能锚杆/锚索横截面积，/>为高强吸能锚杆/锚索弹性模量，为增阻阶段等效吸能模量，/>为弹性极限延伸率，/>为恒阻阶段极限延伸率，/>为破断阶段等效吸能模量。
作为可选择的实施方式，增阻阶段等效吸能模量为：/>；其中，/>为屈服轴向力，/>为增阻阶段极限轴向力。
作为可选择的实施方式，破断阶段等效吸能模量为：/>；其中，/>为增阻阶段极限轴向力。
作为可选择的实施方式，高强吸能锚杆/锚索延伸率大于或等于破断延伸率/>时，表示处于失效阶段，则此时高强吸能锚杆/锚索轴力/>为零。
作为可选择的实施方式，高强吸能锚杆/锚索延伸率为：/>；其中，为锚杆/锚索自由段长度；/>为锚杆/锚索CABLE单元长度，i为组成锚杆/锚索不同CABLE单元的编号，n为单元总数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，根据高强吸能锚杆/锚索拉伸受力过程中的显著力学性，将高强吸能锚杆/锚索模型划分为弹性模型单元、恒阻吸能模型单元、增阻吸能模型单元、破断模型单元和失效模型单元；通过对高强吸能锚杆/锚索静力拉伸试验获取各阶段的本构方程，构建待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型，根据对待模拟高强吸能锚杆/锚索进行静力拉伸试验确定待模拟高强吸能锚杆/锚索的本构方程，由此根据本构方程选择不同阶段进行组合，并根据高强吸能锚杆/锚索延伸率与各阶段极限延伸率的比较结果对初始数值模型进行修正，实现可破断高强吸能锚杆/锚索锚固支护模拟，实现不同类型高强吸能锚杆/锚索数值表征。
本发明建立了具备破断失效功能的锚杆/锚索结构单元，提供了高强吸能锚杆/锚索数值模拟程序和不同类型高强吸能锚杆/锚索的数值模拟方法，为揭示矿山支护高强吸能锚杆/锚索加固机理研究提供可靠的数值模拟手段。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的高强吸能锚杆/锚索数值模型示意图；
图2为本发明实施例1提供的高强吸能锚杆/锚索静力拉伸试验系统示意图；
图3为本发明实施例1提供的高强吸能锚杆/锚索数值模拟修正过程示意图；
其中，1、锚杆/锚索自由段，2、锚杆/锚索锚固段，3、CABLE单元，4、单元节点，5、锚固剂，6、加固节点，7、杆体轴向刚度，8、锚固剂的剪切强度，9、锚固剂的黏结强度，10、力-位移监测系统，11、加载控制系统，12、夹持端固定螺栓，13、可拆卸夹头，14、试验机底座，15、固定夹持端，16、夹持端夹具，17、高强吸能锚杆/锚索试样，18、液压油缸。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“包含”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，包括：
根据高强吸能锚杆/锚索拉伸受力过程中的力学性能，划分弹性阶段、恒阻阶段、增阻阶段、破断阶段和失效阶段，并根据对高强吸能锚杆/锚索进行的静力拉伸试验确定各阶段的本构方程；
构建待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型，根据对待模拟高强吸能锚杆/锚索进行的静力拉伸试验确定待模拟高强吸能锚杆/锚索的本构方程，根据待模拟高强吸能锚杆/锚索的本构方程选择不同阶段进行组合，以此对待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型进行修正，其中，根据高强吸能锚杆/锚索延伸率与各阶段极限延伸率的比较结果进行修正，由此完成对应类型的高强吸能锚杆/锚索的数值模拟。
在本实施例中，如图1所示，采用CABLE单元3构建高强吸能锚杆/锚索数值模型，包括若干个单元节点4，每个锚杆/锚索CABLE单元长度为，i为组成锚杆/锚索不同CABLE单元的编号，i=1,...,n，n为单元总数；锚杆/锚索锚固段2和锚杆/锚索自由段1为锚杆/锚索锚固过程中力学特性表现差异较大的两部分，锚杆/锚索锚固段2为锚固过程中锚固剂5包裹与围岩连接部分，锚杆/锚索自由段1为锚固过程中裸露未被锚固剂5包裹部分。
在锚杆/锚索锚固段2中，通过监测加固节点6处的杆体轴向刚度7、锚固剂的剪切强度8、锚固剂的黏结强度9，根据锚杆/锚索拉伸受力过程中显著力学性能，将高强吸能锚杆/锚索数值模型分为弹性模型单元、恒阻吸能模型单元、增阻吸能模型单元、破断模型单元和失效模型单元；
通过开展高强吸能锚杆/锚索静力拉伸试验，得到高强吸能锚杆/锚索力学参数和荷载-延伸率曲线，修正CABLE单元构建的高强吸能锚杆/锚索初始数值模型，实现锚杆/锚索各不同模型单元的数值表征，从而确定各阶段的本构方程。
高强吸能锚杆/锚索静力拉伸试验系统包括加载控制系统11、力-位移监测系统10及设于试验机底座14上的加载系统，如图2所示。
试验在常温环境下进行，通过夹持端固定螺栓12固定夹持端夹具16；打开电源，启动计算机，进入试验程序；测定高强吸能锚杆/锚索试样17的尺寸，长度为b 1，直径为b 2；把高强吸能锚杆/锚索试样17的上端通过夹持端夹具16固定在固定夹持端15上；高强吸能锚杆/锚索试样17的下端固定在可拆卸夹头13上；启动加载控制系统11，控制液压油缸18工作，以恒定速率v对高强吸能锚杆/锚索试样17匀速拉伸；试验完成后需将已拉断的试样的两段在断裂处对齐，并尽量使其轴线位于一条直线上，测量断裂后的长度和断后截面积，计算屈服强度、抗拉强度、弹性模量、延伸率等力学参数，得到高强吸能锚杆/锚索荷载-延伸率曲线。
在本实施例中，各阶段的本构方程包括：
弹性模型单元本构方程为：；
恒阻吸能模型单元本构方程为：；
增阻吸能模型单元本构方程为：；
破断模型单元本构方程为：；
失效模型单元本构方程为：；
式中：为高强吸能锚杆/锚索的轴力，/>为高强吸能锚杆/锚索的轴向延伸率，为高强吸能锚杆/锚索的横截面积，/>为高强吸能锚杆/锚索的弹性模量，/>为恒阻阶段等效吸能模量，/>为增阻阶段等效吸能模量，/>为破断阶段等效吸能模量，其中，，/>，/>为屈服轴向力，/>为增阻阶段极限轴向力，为弹性极限延伸率，/>为恒阻阶段极限延伸率，/>为增阻阶段极限延伸率，/>为破断延伸率。
在本实施例中，由于不同高强吸能锚杆/锚索展现的力学性能差异较大，所以对比上述各阶段的本构方程及拉伸受力过程中的力学性能，将待模拟高强吸能锚杆/锚索也划分不同阶段，并选择对应模型单元进行组合，同时，设计高强吸能锚杆/锚索数值模拟修正程序，由此构建对应类型的高强吸能锚杆/锚索数值模型。如图3所示，具体实施过程如下：
（1）主程序运算：
主程序运算，其中，主程序可为围岩稳定性分析等流程；在每步运算之前，首先判断计算是否收敛，若收敛则计算结束；若计算尚未收敛，则进入CABLE单元修正模块；
（2）CABLE单元修正模块：
读取锚杆/锚索CABLE单元长度，i为组成锚杆/锚索不同CABLE单元的编号，i=1,...,n，n为单元总数；
计算高强吸能锚杆/锚索延伸率；
式中，为锚固长度；
执行弹性阶段：当时表示处于弹性阶段，则不做修正，应用CABLE单元内置的弹性模型单元本构方程/>；
执行恒阻阶段：当时表示处于恒阻阶段，进入恒阻模块，此时/>，恒阻阶段等效轴力/>；
执行增阻阶段：当时表示处于增阻阶段，进入增阻模块，则增阻阶段等效轴力/>；
执行破断阶段：当时表示处于破断阶段，进入断裂模块，则断裂阶段等效轴向力/>；
执行失效阶段：当时，锚杆/锚索完全破断，表示处于失效阶段，则/>。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，包括：
根据高强吸能锚杆/锚索拉伸受力过程中的力学性能，划分弹性阶段、恒阻阶段、增阻阶段、破断阶段和失效阶段，并根据对高强吸能锚杆/锚索进行的静力拉伸试验确定各阶段的本构方程；
构建待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型，根据对待模拟高强吸能锚杆/锚索进行的静力拉伸试验确定待模拟高强吸能锚杆/锚索的本构方程，根据待模拟高强吸能锚杆/锚索的本构方程选择不同阶段进行组合，以此对待模拟高强吸能锚杆/锚索初始数值模型进行修正，其中，根据高强吸能锚杆/锚索延伸率与各阶段极限延伸率的比较结果进行修正，由此完成对应类型的高强吸能锚杆/锚索的数值模拟。
2.如权利要求1所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，当高强吸能锚杆/锚索延伸率小于弹性极限延伸率/>时，表示处于弹性阶段，则此时高强吸能锚杆/锚索轴力/>为高强吸能锚杆/锚索延伸率/>、高强吸能锚杆/锚索横截面积/>和高强吸能锚杆/锚索弹性模量/>的乘积。
3.如权利要求1所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，当高强吸能锚杆/锚索延伸率大于或等于弹性极限延伸率/>且小于恒阻阶段极限延伸率/>时，表示处于恒阻阶段；
则此时高强吸能锚杆/锚索轴力为/>；
其中，为高强吸能锚杆/锚索横截面积，/>为高强吸能锚杆/锚索弹性模量，/>为恒阻阶段等效吸能模量。
4.如权利要求3所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，当处于恒阻阶段时，恒阻阶段等效吸能模量为零。
5.如权利要求1所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，当高强吸能锚杆/锚索延伸率大于或等于恒阻阶段极限延伸率/>且小于增阻阶段极限延伸率/>时，表示处于增阻阶段；
则此时高强吸能锚杆/锚索轴力为/>；
其中，为高强吸能锚杆/锚索横截面积，/>为高强吸能锚杆/锚索弹性模量，/>为增阻阶段等效吸能模量，/>为弹性极限延伸率。
6.如权利要求1所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，当高强吸能锚杆/锚索延伸率大于或等于增阻阶段极限延伸率/>且小于破断延伸率/>时，表示处于破断阶段；
则此时高强吸能锚杆/锚索轴力为/>；
其中，为高强吸能锚杆/锚索横截面积，/>为高强吸能锚杆/锚索弹性模量，/>为增阻阶段等效吸能模量，/>为弹性极限延伸率，/>为恒阻阶段极限延伸率，/>为破断阶段等效吸能模量。
7.如权利要求5或6所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，增阻阶段等效吸能模量为：/>；其中，/>为屈服轴向力，/>为增阻阶段极限轴向力。
8.如权利要求6所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，破断阶段等效吸能模量为：/>；其中，/>为增阻阶段极限轴向力。
9.如权利要求1所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，高强吸能锚杆/锚索延伸率大于或等于破断延伸率/>时，表示处于失效阶段，则此时高强吸能锚杆/锚索轴力/>为零。
10.如权利要求1所述的高强吸能锚杆/锚索数值模拟方法，其特征在于，高强吸能锚杆/锚索延伸率为：/>；其中，/>为锚杆/锚索自由段长度；/>为锚杆/锚索CABLE单元长度，i为组成锚杆/锚索不同CABLE单元的编号，n为单元总数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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