CN116595850B - 恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法 - Google Patents
恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116595850B CN116595850B CN202310574313.7A CN202310574313A CN116595850B CN 116595850 B CN116595850 B CN 116595850B CN 202310574313 A CN202310574313 A CN 202310574313A CN 116595850 B CN116595850 B CN 116595850B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- anchor rod
- anchor
- shearing
- rock mass
- model
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 144
- 238000010008 shearing Methods 0.000 title claims abstract description 111
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 53
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 35
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 42
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 11
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 18
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 16
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000004836 empirical method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/25—Design optimisation, verification or simulation using particle-based methods
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A10/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
- Y02A10/23—Dune restoration or creation; Cliff stabilisation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Piles And Underground Anchors (AREA)
Abstract
本发明公开了恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，包括：确定试样尺寸和构件颗粒尺寸，生成端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流模型，获取层状岩石基质、锚杆及托盘构件；对所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件赋予不同接触模型及细观参数；基于赋予不同接触模型的所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件，对所述锚杆施加预紧力；基于施加预紧力的所述锚杆，对所述试样进行加载和监测，获取全剪切过程中所述锚杆的应力演化。本发明锚杆间岩体在剪切过程中相对左右部岩体较为完整，锚杆极大提升了剪切作用下中部层状岩体的完整性，体现了锚杆的加固作用。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学技术领域，尤其涉及恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法。
背景技术
锚杆支护技术是岩土与地下工程领域应用最为广泛的加固方式，节理岩体锚固机制的研究一直是国内外学者关注的焦点。由于其锚固机理较为复杂，因此在一定程度上理论与实践难以对接，许多施工仍依赖于经验法。近些年，专家学者主要从锚杆本身的特性(如锚杆长度、直径、抗拉拔数值、表面特性等)出发，对于锚固对剪切强度的影响效果进行了分析，锚杆对于岩体弹性模量、内摩擦角等的加固作用都做了分析，然而大多数锚固体剪切试验都是针对单节理或双节理岩体开展的，对于层状粗糙节理岩体的锚固剪切特性研究还不够深入。层理作为层状围岩结构的薄弱点，其锚固体的剪切力学特性及锚固机理对巷道围岩稳定性控制具有一定意义。因此，研发可施加恒定预紧力的端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法对于从细观角度揭示层状锚固体中锚杆发挥的抗剪增韧机理至关重要，剪切作用下锚杆的受力状态也可为锚杆自身的补强加固提供重要指导。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，颗粒流方法中对层状岩体模型施加恒定预紧力的技术细节与构建流程，并将不同锚固条件下的恒定预紧力端锚工况下的层状岩体的剪切损伤特性与无锚岩体进行对比，从裂纹、力链、位移云图等细观角度揭示了锚杆的抗剪加固增韧作用。锚杆提高了层状岩体的抗剪强度及剪切刚度，岩体的延性损伤特性增强，锚杆间岩体在剪切过程中相对左右部岩体较为完整，锚杆极大提升了剪切作用下中部层状岩体的完整性，体现了锚杆的剪切加固增韧作用。
为实现上述目的，本发明提供了恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，包括以下步骤：
确定试样尺寸和构件颗粒尺寸，生成端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流模型，获取层状岩石基质、锚杆及托盘构件；
对所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件赋予不同接触模型及细观参数；
基于赋予不同接触模型的所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件，对所述锚杆施加预紧力；
基于施加预紧力的所述锚杆，对所述试样进行加载和监测，获取全剪切过程中所述锚杆的应力演化。
可选的，所述模型包括试样、加载墙体和支护构件。
可选的，获取层状岩石基质、锚杆及托盘构件的方法包括：
基于所述端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流模型，根据边界条件生成式样外部加载墙体，生成层状岩石基质、锚杆及托盘构件。
可选的，对所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件赋予不同接触模型及细观参数的方法包括：
对所述层状岩石基质赋予平行粘结模型，对所述平行粘结模型赋予光滑节理模型，开展层状岩石的直剪模拟并与物理试验曲线对比以标定所述光滑节理模型的细观参数；
对所述锚杆及所述托盘构件赋予所述平行粘结模型，通过所述锚杆拉伸试样获取所述锚杆的拉伸弹性模量及屈服强度，与所述锚杆拉伸试验进行对比确定所述锚杆的细观参数；
对所述托盘构件、所述锚杆和所述加载墙体赋予Null接触模型。
可选的，基于赋予不同接触模型的所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件，对所述锚杆施加预紧力的方法包括：
对所述锚杆的两端向相反方向进行张拉，拉长所述锚杆；
对所述锚杆和所述托盘构件赋予所述平行粘结模型；
所述锚杆速度清零，放松约束，所述锚杆平衡回弹；
所述锚杆回弹带动所述托盘构件挤压岩体，完成所述锚杆的预紧力施加。
可选的，确定所述锚杆的细观参数的方法包括：
构建所述锚杆尺寸相同的锚杆拉伸模型，对所述锚杆的两端赋予相反速度，对所述锚杆进行拉伸，在锚杆上布置若干测量圆获取锚杆拉伸破坏时的最大轴力，构建所述锚杆的轴力-应变曲线，与所述锚杆拉伸试验轴力-应变曲线对比不断调整所述锚杆的细观参数，确定所述锚杆的细观参数。
可选的，基于施加预紧力的所述锚杆，对所述试样进行加载和监测，获取全剪切过程中所述锚杆的应力演化的方法包括：
对所述锚杆清零速度和位移，对所述锚杆赋予剪切边界条件；
采用预置的测量圆监测剪切所述锚杆应力，监测所述锚杆位移实时更新所述测量圆位置，获取全剪切过程中所述锚杆的应力演化。
可选的，预置的所述测量圆包括相邻所述测量圆间隔为所述测量圆半径的2-3倍，所述测试圆半径为所述锚杆半径的0.8-1.0倍。
本发明技术效果：本发明公开了恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，颗粒流方法中对层状岩体模型施加恒定预紧力的技术细节与构建流程，并将不同锚固条件下的恒定预紧力端锚工况下的层状岩体的剪切损伤特性与无锚岩体进行对比，从裂纹、力链、位移云图等细观角度揭示了锚杆的抗剪加固增韧作用，体现了该颗粒流模型的可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例模型构成及细观接触模型分布示意图；
图2为本发明实施例模型构建锚固预紧力施加及剪切加载流程图；
图3为本发明实施例层状基质平行粘结模型及层理光滑节理模型参数标定示意图，其中图3(a)为单轴压缩试验标定岩石基质参数，图3(b)为剪切模拟物理试验对照标定层理参数；
图4为本发明实施例锚杆拉伸模拟标定锚杆参数示意图；
图5为本发明实施例剪切作用下抗剪强度及韧性增强示意图；
图6为本发明实施例层状岩体加锚剪切裂纹及位移场演化示意图，其中图6(a)为单锚杆，图6(b)为双锚杆；
图7为本发明实施例层状岩体端锚剪切增韧加固机理示意图，其中图7(a)为单锚杆，图7(b)为双锚杆；
图8为本发明实施例锚杆应力监测示意图，其中图8(a)为测量圆的布置，图8(b)为单锚，图8(c)为双锚。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图2所示，本实施例中提供恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，包括以下步骤：
确定试样尺寸和构件颗粒尺寸，生成端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流模型，获取层状岩石基质、锚杆及托盘构件；
对层状岩石基质、锚杆及托盘构件赋予不同接触模型及细观参数；
基于赋予不同接触模型的层状岩石基质、锚杆及托盘构件，对锚杆施加预紧力；
基于施加预紧力的锚杆，对试样进行加载和监测，获取全剪切过程中锚杆的应力演化。
端锚粗糙层状岩体的剪切颗粒流模型构件如图1所示，模型主要分为试样，加载墙体及支护构件三部分。试样由层状基质及软弱层理组成，模型尺寸与室内直剪试验所用试样尺寸一致，均为边长100mm的立方体。如图1所示，为了体现岩石基质的脆性破坏特性，基质颗粒间接触模型采用平行粘结模型(Pb模型)，此模型在接触法向及切向分别存在两组弹簧，致使岩石颗粒间可以抵抗相对转动，较为适合用于岩石介质的模拟。A组与B组基质颗粒间采用光滑节理模型，即层理处采用光滑节理模型，如图1及表1所示。此模型允许接触两端颗粒在产生相对滑动时发生重叠，极大地减弱了滑动面颗粒微凸起导致的颗粒互锁效应，能够较为真实地模拟岩体滑移过程。通过导入对应粗糙度曲线DXF文件对层理面形状进行控制，改变DXF文件中多段线形态以得到不同层理粗糙度及层理倾角的层状岩体颗粒流模型。
表1
| 接触界面 | 所赋予接触模型 |
| A组基质-A组基质 | 平行粘结模型 |
| B组基质-B组基质 | 平行粘结模型 |
| A组基质-B组基质 | 光滑节理模型 |
| 岩石基质-加载墙体 | 线性接触模型 |
| 岩石基质-锚杆 | 线性接触模型 |
| 岩石基质-托盘 | 线性接触模型 |
| 锚杆内部颗粒 | 平行粘结模型 |
| 托盘内部颗粒 | 平行粘结模型 |
| 锚杆-托盘 | 平行粘结模型 |
| 锚杆-加载墙体 | Null接触模型 |
| 托盘-加载墙体 | Null接触模型 |
锚杆及托盘构件使用较高的平行粘结模型参数以模拟其较高的强度及弹性模量。锚杆颗粒与托盘颗粒间接触为平行粘结模型，且细观接触参数与锚杆内部颗粒间参数一致以防止托盘与锚杆间发生破坏，造成预紧力下降。
锚杆及托盘与岩石颗粒间的接触采用线性模型以模拟剪切过程中端锚情况下对岩石的加固作用，锚杆颗粒与岩石颗粒间无粘结，仅存在相互挤压以模拟端锚锚固条件。
由于法向应力加载过程中，上加载板墙体与锚杆及托盘颗粒间可能存在接触力作用并导致法向应力变化，因此在锚杆托盘生成后，编制fish语言设置锚杆及托盘颗粒与墙体间接触模型为null模型，即设置相应接触的接触力及力矩为零，以去除上下部加载墙体与支护构件间的接触作用，以免对锚杆及托盘的应力分布造成干扰。
首先确认试样尺寸及各部分构件颗粒尺寸，根据边界条件生成式样外部加载墙体，生成层状岩石基质、锚杆及托盘构件。
模型生成后，赋予各构件不同接触模型及细观参数以体现不同构件的力学变形特性。
首先赋予岩石基质颗粒间为平行粘结模型，其细观接触参数通过对比岩石基质标准圆柱试样的单轴压缩试样轴向应力-应变曲线与模拟曲线确定，如图2及图3(a)所示。
通过导入的层理图形形态赋予相邻层基质颗粒间接触模型为光滑节理模型，并开展层状岩石的直剪模拟并与物理试验曲线对比以标定光滑节理模型的细观参数。
接着，赋予锚杆及托盘平行粘结模型，通过锚杆拉伸试样获得锚杆的拉伸弹性模量及屈服强度，与室内试验锚杆拉伸试验进行对比确定平行粘结的细观参数。
最后，对托盘、锚杆与加载墙体间接触赋予null模型，以免除墙体对于锚杆及托盘接触作用的影响，保持法向应力的稳定，如表1所示。
模型生成、接触模型赋予之后进行端锚预紧力的施加工作，
通过对锚杆两端部颗粒赋予沿轴向相反方向相同速度以对锚杆施加张拉应力作用，迭代循环特定步数后将颗粒速度归零，并赋予锚杆与托盘颗粒间的平行粘结参数与锚杆一致。清零锚杆颗粒速度并平衡，锚杆回弹并带动托盘挤压层状岩石，锚杆轴力数值下降，完成端锚情况下预紧力的施加。
随后进行试样的加载及监测，清零颗粒的速度及位移，赋予对应墙体速度以施加剪切作用，并同时监测剪切应力等信息。
使用测量圆监测剪切过程中锚杆应力，由于锚杆在剪切过程中会发生移动及弯曲变形，编写fish语言获得剪切初始测量圆圆心附近锚杆颗粒指针，剪切过程中不断获得对应锚杆颗粒的位移并对测量圆位置进行更新，以获得全剪切过程中锚杆应力演化。
开展单轴颗粒流模拟并将轴向应力-应变曲线模拟结果与室内单轴压缩实验结果进行对比，调整基质细观参数以使两者单轴强度、弹性模量及变化趋势一致，得到层状基质的细观参数取值，如表2和图3(b)所示。基质参数标定后，对层状岩体开展直剪试验，并将模拟试验中各工况下的剪切应力-位移曲线与室内直剪曲线进行对比，不断调整层理处光滑节理模型的细观参数使两者数值及变化趋势较为一致，最终完成层理细观参数的标定工作。
构建与层状岩石剪切模型中锚杆尺寸相同的锚杆拉伸模型，对锚杆端部颗粒赋予相反速度，对锚杆进行拉伸，在锚杆上布置一系列测量圆以获取锚杆拉伸破坏时的最大轴力，获得锚杆的轴力-应变曲线，与室内锚杆拉伸试验轴力-应变曲线对比不断调整锚杆颗粒流模型的细观参数以完成锚杆的参数标定工作，如图4所示。经过标定的模型细观参数如表2所示。
表2
无锚与加锚层状岩体的剪切应力-剪切位移曲线如图5所示。加锚层理岩体的剪切过程可分为三个阶段，分别为弹性阶段OA段、屈服阶段AB段和锚杆破断后阶段BC段，与前人物理试样及数值模拟结果曲线较为一致，这也验证了数值方法的可行性。OA段：剪切应力-剪切位移曲线呈线性增加趋势，岩体主要发生弹性变形，无锚及加锚层状岩体均存在此阶段。此阶段中，加锚岩体的剪切刚度为4.05GPa/m，无锚岩体的剪切刚度为2.96GPa/m。锚杆对层状岩体的抗剪能力提升具有一定作用。AB段：随着剪切位移的逐渐增大，岩石内部出现损伤，锚杆开始屈服，剪切应力曲线斜率逐渐减小，呈现非线性增加趋势，曲线抖动剧烈。无锚试样的峰值剪切应力为3.01MPa，加锚试样为4.86MPa。观察无锚试样曲线，发现无锚试样同样存在此阶段，但持续时间远远短于加锚试样，锚杆不仅提升了锚固体整体抗剪强度，同时显著增强了层状岩体的剪切韧性。BC段：剪切位移较大使得锚杆出现较大程度的塑性变形，锚杆在B1点发生拉剪破坏，剪切应力出现突降，之后维持平稳。双锚杆锚固体剪切过程锚杆未发生破断，不存在此阶段。
图6(a)为加锚层状岩体剪切过程裂纹分布及位移场演化。u＝0.25mm时，岩体处于弹性阶段，层理剪切应力并未达到其剪切强度，层理间软弱粘结并未发生剪切破坏。值得注意的是，位移场在锚杆处发生阶梯状突变，同层基质中锚杆两侧岩***移并不相等，并呈现左大右小。这主要是因为锚杆的刚度与岩石间存在较大差异，阻碍了左右部岩体的协同变形，增强了层状岩体的剪切韧性。u＝1mm时，试样两侧端部层理剪切裂纹沿层理延伸至中部锚杆交界处，剪切破坏层理处两侧基质位移差异显著增大，如图6(a)所示。
岩体沿层理滑移程度上升导致岩石法向位移增大，岩体剪胀致使锚杆承受较大拉应力作用，端部托盘对岩体施加的锚固力增强，基质裂纹向端锚托盘作用位置延伸，如u＝5.25mm处虚线框所示。位移云图此时主要分为三个区域，分别为中部的“风车形”位移渐变区域、上部较大位移区域和下部较小位移区域。锚杆弯曲程度明显增加，A、B点间锚杆段呈现斜直线，A点上部及B点下部锚杆段均沿竖直方向，锚杆整体呈“S”型，点A、B为塑性铰所处位置，分别对应左右岩体滑移层理与锚杆交接点。可以说，层状岩体的滑移层理位置决定了锚杆的塑性铰位置及整体变形形态。
层状岩体的剪切过程中，岩体的滑移剪胀效应使得锚杆受到拉剪作用，当锚杆受力超过其强度极限便会造成锚杆构件的破断，锚固体抗剪能力迅速衰减，剪切应力曲线也出现突降。当u＝7.25mm，锚杆已发生破断，且断口呈斜切面，与现场破断锚杆断口形态一致，这也说明锚杆在拉剪应力的作用下破坏。基质及层理损伤程度较大，锚杆附近岩体受到锚杆变形带来的挤压作用，部分岩石发生挤压破碎。随剪切位移增大，锚杆虽已破断，但并未与岩体完全分离，仍在后续剪切中起到“销钉”作用，剪切应力曲线保持平稳，基质及层理损伤持续加深。
双锚杆锚固体剪切过程与单锚杆较为相似，锚杆间中部岩体基质裂纹数量较少，相比单锚试样结构更为完整。此外，锚杆根数的增加加强了对法向变形的抑制作用，锚杆在整个剪切过程中均发挥作用，未发生破断，如图6(b)。
图7分别为单锚杆及双锚杆层状岩石锚固体剪切过程力链场演化，其中，蓝色表示压力链，绿色表示拉力链。剪切初始u＝0.25mm，整个试样中力链分布较为均匀。端部托盘锁定位置力链较弱，此时岩体的剪胀特性还未凸显，托盘的端部锁定作用未得到发挥。由于层理倾角较小，强压应力链自试样左右端部沿层状基质方向延申至锚杆处，导致图7(a)中A和B点处压应力链明显较强，如图7(a)(b)所示。锚杆受力区域以预定剪切面为界分为上下两部分，上部锚杆左侧为压应力集中区，右侧主要受拉应力作用，下部锚杆左侧为拉应力集中区，右侧为压应力集中区。随着剪切位移u的增加，软弱层理剪切破坏，破坏层理间岩石基质力链较弱，强力链集中于试样端部及滑移层理与锚杆交界处，此时，岩体本身已基本失去抗剪能力，锚杆为承载剪切应力的主要构件，如图7(a)u＝1mm所示。u＝2mm时，滑移过程中层理微凸起处压应力集中，并对岩石基质产生滑动摩擦作用，由于锚杆为承受剪切应力的主要构件，强压力链自层理凸起处延伸至锚杆边界。
随着剪切位移及法向位移的增大，锚杆受到的拉剪应力增大，托盘对于岩体法向变形的限制作用致使托盘对岩体施加的压应力愈来愈大，上下端部压力链粗度增加，托盘的锁固作用逐渐凸显，如图7(a)u＝5.25mm框线所示。u＝7.25mm，锚杆已发生拉弯破断，然而锚杆的抗剪作用并未完全丧失。剪切位移的增大使得锚杆破断端与附近岩体相互挤压，上端部托盘仍发挥其抗弯作用，上部锚杆中部受到左侧岩体的压应力作用，锚杆此时仍起到抵抗剪切应力的“销钉”作用，剪切应力曲线此点后随剪切位移增大几乎保持不变。
值得注意的是，当锚杆根数由单根增加到两根，锚固体的抗剪能力得到提升，锚杆对于层状岩体法向变形的抑制作用进一步增强，岩体剪胀效应得到削弱，锚杆所受拉应力减小，因此双锚杆锚固体剪切过程中锚杆并未发生破断。此外，剪切过程中，锚杆将岩石分为左、中、右三个部分，左右部分岩石与单锚情况较为相似，剪切位移较大后基质损伤均较为严重，而锚杆间中部岩体裂纹主要分布于层理处，基质内损伤程度较低。猜测有两方面原因，一方面，相对岩体本身，锚杆强度及刚度较大，试样左右端部延伸出的强力链被锚杆阻断，锚杆间中部岩体始终处在弱力链状态。另一方面，锚杆间中部岩体主要分布压力链，如图7(b)所示，基质内拉力链较弱，而岩体的抗压强度显著大于其抗拉强度，基质损伤相对较小，这也使得锚杆间岩体在剪切过程中相对左右部岩体较为完整，锚杆极大提升了剪切作用下中部层状岩体的完整性，体现了锚杆的加固作用。
编写fish语言在锚杆各位置布置若干测量圆，测量圆半径为4mm，布置间隔为12mm，如图8(a)所示。同时，编写fish语言获取测量圆附近锚杆颗粒指针，在锚杆变形的同时实时更新测量圆位置以获得剪切全过程锚杆应力演化。图8(a)为各测量圆所监测到的切向应力stress_xy和轴向应力stress_yy。剪切位移u较小时，锚杆切向应力较小且分布较为均匀，均接近于0。随剪切位移增大，不同位置锚杆切向应力的差异越来越大，锚杆中部切向应力向x轴正向不断增大，两端向x轴负向增大，且中部特别是3、4、5、6号测量圆位置增长速率明显大于两端，这主要是由于锚杆塑性铰位置与3号、6号测量圆位置较为接近，其间锚杆弯曲程度较大，变形相对锚杆端部更为显著。值得注意的是，u＝7.5mm时中部锚杆的切向应力相比5.25mm时大幅降低，这主要是由锚杆出现拉弯破断造成的。锚杆破断后，随着剪切位移由7.5mm增加到9.75mm，各测量圆位置切向应力数值较为接近，并未出现大幅降低，锚杆破断后仍然发挥较强的抗剪作用，如图8(b)所示。
图8(b)为各剪切位移测量的锚杆竖向轴力演化曲线。剪切位移较小时，锚杆的轴向应力分布较为均匀，均接近于0。剪切位移增加到2mm时，锚杆全长轴向应力曲线整体向右偏移，锚杆各位置轴向应力大小差异逐渐增大。u＝5.25mm时，锚杆各位置轴力大小差异较大，7号及2号测量圆处轴向应力最大，锚杆端部相较中部应力较大，这是由于3号及6号测量圆间锚杆部分为承受剪切应力而弯曲变形区域，锚杆走向发生倾斜，所检测轴力为竖直方向的轴力分量，导致y轴轴力相对较小。锚杆破断，锚杆全长轴力均大幅下降，其中，相较其他位置，7号测量圆处锚杆轴力下降程度更大，这主要是由于7号测量圆位于锚杆破断处附近，其他位置轴力分布规律与锚杆破断前相比变化不大，这也说明了锚杆在破断后仍然对法向变形起到抑制作用。
图8(c)为双锚杆层状锚固体剪切过程中各测量圆位置锚杆应力演化。测量圆布置及尺寸与单锚试样一致，两根锚杆共布置16个测量圆。双锚杆层状岩体剪切过程中锚杆的切向应力分布与单锚情况较为相似，剪切位移较大时均呈现“U”形分布特征。岩体被锚杆分为左中右三个部分，左右部岩体层理滑移分别对左右锚杆施加切向应力作用，这也导致左锚杆切向应力峰值集中在3、4号测量圆附近，而右锚杆主要集中于5、6号测量圆附近，如图8(c)所示。此外，剪切过程中，左锚杆上端部2号测量圆位置切向应力数值始终大于1号测量圆，且差值随剪切位移的增大而增大。而右锚杆则呈现不同规律，当剪切位移较小时，右锚杆上端部2号测量圆切应力数值大于1号处，但随着剪切位移的增加，右锚杆1号测量圆切应力增长速率较快，其切应力数值显著大于2号测量圆，两锚杆下端部切应力变化规律类似，如图8(c)u＝9.75mm所示。猜测原因如下，一方面，试样左端部应力集中导致的强压力链沿层状基质延伸至2号测量圆附近，如图8(c)所示，2号测量圆附近力链明显强于1号测量圆，这也使得2号测量圆处锚杆切向应力增长快于1号处。另一方面，锚杆的加固作用较强，剪切作用使得锚固体整体产生顺时针旋转趋势，两锚杆向顺时针方向倾斜，右锚杆上端部托盘下移趋势明显且对锚杆及锚固体的旋转起到了极强的抵抗作用，托盘端部切向应力较为集中，致使右锚杆1号测量圆切向应力增长速率明显快于2号测量圆，如图8(c)。
双锚杆层状锚固体剪切过程锚杆轴力演化如图8(c)所示。随着剪切位移的增大，两锚杆轴力均呈现不同程度的增加。当剪切位移较小时，左右锚杆轴力沿长度方向分布较为均匀，轴力大小也较为接近。左锚杆轴力分布以3号测量圆为界，自上而下轴力逐渐增加，整体数值较小，锚杆轴力呈现上小下大的变化趋势，右锚杆呈现下小上大的变化趋势，与左锚杆相反。此外，由于锚杆并未发生破断，锚杆轴力在整个剪切过程中未出现大幅下降，始终发挥抗剪作用。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定试样尺寸和构件颗粒尺寸，生成端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流模型，获取层状岩石基质、锚杆及托盘构件；
对所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件赋予不同接触模型及细观参数；对所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件赋予不同接触模型及细观参数的方法包括：
对所述层状岩石基质赋予平行粘结模型，对所述平行粘结模型赋予光滑节理模型，开展层状岩石的直剪模拟并与物理试验曲线对比以标定所述光滑节理模型的细观参数；
对所述锚杆及所述托盘构件赋予所述平行粘结模型，通过所述锚杆拉伸试样获取所述锚杆的拉伸弹性模量及屈服强度，与所述锚杆拉伸试验进行对比确定所述锚杆的细观参数；
对所述托盘构件、所述锚杆和加载墙体赋予Null接触模型；
基于赋予不同接触模型的所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件，对所述锚杆施加预紧力；基于赋予不同接触模型的所述层状岩石基质、所述锚杆及所述托盘构件，对所述锚杆施加预紧力的方法包括：对所述锚杆的两端向相反方向进行张拉，拉长所述锚杆；
对所述锚杆和所述托盘构件赋予所述平行粘结模型；
所述锚杆速度清零，放松约束，所述锚杆平衡回弹；
所述锚杆回弹带动所述托盘构件挤压岩体，完成所述锚杆的预紧力施加；
基于施加预紧力的所述锚杆，对所述试样进行加载和监测，获取全剪切过程中所述锚杆的应力演化。
2.如权利要求1所述的恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，其特征在于，所述模型包括试样、加载墙体和支护构件。
3.如权利要求1所述的恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，其特征在于，获取层状岩石基质、锚杆及托盘构件的方法包括：
基于所述端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流模型，根据边界条件生成式样外部加载墙体，生成层状岩石基质、锚杆及托盘构件。
4.如权利要求1所述的恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，其特征在于，确定所述锚杆的细观参数的方法包括：
构建所述锚杆尺寸相同的锚杆拉伸模型，对所述锚杆的两端赋予相反速度，对所述锚杆进行拉伸，在锚杆上布置若干测量圆获取锚杆拉伸破坏时的最大轴力，构建所述锚杆的轴力-应变曲线，与所述锚杆拉伸试验轴力-应变曲线对比不断调整所述锚杆的细观参数，确定所述锚杆的细观参数。
5.如权利要求1所述的恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，其特征在于，基于施加预紧力的所述锚杆，对所述试样进行加载和监测，获取全剪切过程中所述锚杆的应力演化的方法包括：
对所述锚杆清零速度和位移，对所述锚杆赋予剪切边界条件；
采用预置的测量圆监测剪切所述锚杆应力，监测所述锚杆位移实时更新所述测量圆位置，获取全剪切过程中所述锚杆的应力演化。
6.如权利要求5所述的恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法，其特征在于，预置的所述测量圆包括相邻所述测量圆间隔为所述测量圆半径的2-3倍，所述测试圆半径为所述锚杆半径的0.8-1.0倍。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310574313.7A CN116595850B (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310574313.7A CN116595850B (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116595850A CN116595850A (zh) | 2023-08-15 |
| CN116595850B true CN116595850B (zh) | 2023-11-17 |
Family
ID=87589438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310574313.7A Active CN116595850B (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116595850B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101865739A (zh) * | 2010-06-22 | 2010-10-20 | 湖南科技大学 | 预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测*** |
| CN101994315A (zh) * | 2010-10-16 | 2011-03-30 | 山东科技大学 | 全长粘结预应力锚杆及其施工方法 |
| CN102852538A (zh) * | 2012-09-06 | 2013-01-02 | 太原理工大学 | 巷道锚固支护中的“端部黏结、全长充填”的锚固方法 |
| CN106709123A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-05-24 | 西安工业大学 | 一种巷道离层型顶板锚杆支护的设计方法 |
| AT519099B1 (de) * | 2016-11-16 | 2018-04-15 | Ringer Kg | Vorrichtung zur lösbaren Abstützung eines Schalungsanker an einem Schalungselement einer Betonwandschalung |
| CA2992890A1 (en) * | 2016-11-25 | 2018-05-07 | Nong Zhang | Reaming and self-rotating anchor rod and method of use thereof |
| AT16940U1 (de) * | 2019-10-17 | 2020-12-15 | Htb Baugesellschaft M B H | Vorspannanker zum Sichern einer geologischen Formation |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105973802B (zh) * | 2016-07-26 | 2017-03-15 | 山东科技大学 | 锚杆‑浆体‑围岩粘结强度测试方法 |
| US10969314B2 (en) * | 2019-07-05 | 2021-04-06 | Shandong University Of Science And Technology | Device and method for anchor bolt (cable) supporting structure test and anchoring system performance comprehensive experiment |
-
2023
- 2023-05-22 CN CN202310574313.7A patent/CN116595850B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101865739A (zh) * | 2010-06-22 | 2010-10-20 | 湖南科技大学 | 预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测*** |
| CN101994315A (zh) * | 2010-10-16 | 2011-03-30 | 山东科技大学 | 全长粘结预应力锚杆及其施工方法 |
| CN102852538A (zh) * | 2012-09-06 | 2013-01-02 | 太原理工大学 | 巷道锚固支护中的“端部黏结、全长充填”的锚固方法 |
| CN106709123A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-05-24 | 西安工业大学 | 一种巷道离层型顶板锚杆支护的设计方法 |
| AT519099B1 (de) * | 2016-11-16 | 2018-04-15 | Ringer Kg | Vorrichtung zur lösbaren Abstützung eines Schalungsanker an einem Schalungselement einer Betonwandschalung |
| CA2992890A1 (en) * | 2016-11-25 | 2018-05-07 | Nong Zhang | Reaming and self-rotating anchor rod and method of use thereof |
| AT16940U1 (de) * | 2019-10-17 | 2020-12-15 | Htb Baugesellschaft M B H | Vorspannanker zum Sichern einer geologischen Formation |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 恒定法向刚度边界条件下三维粗糙节理面循环剪切力学特性;刘日成等;岩石力学与工程学报;第40卷(第6期);1092-1109 * |
| 恒阻大变形锚杆非线性力学模型及恒阻行为影响参数分析;朱淳等;岩土力学;第42卷(第7期);1911-1924 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116595850A (zh) | 2023-08-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tong et al. | Experimental and numerical investigations on extremely-low-cycle fatigue fracture behavior of steel welded joints | |
| Cotsovos et al. | Numerical investigation of concrete subjected to compressive impact loading. Part 1: A fundamental explanation for the apparent strength gain at high loading rates | |
| Fakhimi et al. | Axial splitting of rocks under uniaxial compression | |
| Carrillo et al. | Tensile mechanical properties of the electro-welded wire meshes available in Bogotá, Colombia | |
| CN106644711B (zh) | 一种延性材料单轴本构关系测试方法 | |
| Zaiser et al. | Slip avalanches in crystal plasticity: scaling of the avalanche cut-off | |
| TR201906790T4 (tr) | Metal unsurda yorulma çatlağı büyümesi durdurma yöntemi ve yorulma çatlağı büyümesi durdurulmuş metal unsur. | |
| CN116595850B (zh) | 恒定预紧力端锚粗糙层状岩体剪切增韧颗粒流数值方法 | |
| Zhang et al. | Experimental study on failure mechanism of RC walls with different boundary elements under vertical and lateral loads | |
| CN114563273A (zh) | 锚杆组合受力性能测试***及评价方法 | |
| CN107907415B (zh) | 断续陡缓裂隙诱发岩体倾倒变形破坏的试验分析方法 | |
| CN113029782A (zh) | 一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法 | |
| Gorham et al. | Static and dynamic failure of PMMA spheres | |
| Subramaniam et al. | Biaxial tension fatigue response of concrete | |
| CN207488071U (zh) | 拉力实验装置 | |
| Xu et al. | A comparative study of modelling RC slab response to blast loading with two typical concrete material models | |
| Jokūbaitis et al. | Critical depth of normal cracks in reinforced concrete beams of rectangular cross-section | |
| Dorogoy et al. | Impact of thick PMMA plates by long projectiles at low velocities. Part II: Effect of confinement | |
| Zhu et al. | Experimental investigation and load-deformation analysis of reinforced concrete bridge columns under various loading cycles | |
| Bayrak et al. | Preliminary Analysis of a Representative Historical Minaret for Preparation to Shake Table Tests | |
| CN112129637A (zh) | 一种用于评价煤矿巷道锚杆工作状态的方法 | |
| Breitenbücher et al. | Influence of cyclic loading on the degradation of mechanical concrete properties | |
| Kroupa et al. | Micromechanical analysis of fiber spatial distribution influence in unidirectional composite cross-section on overall response in terms of tensile curves | |
| Potyondy et al. | The value of numerical modeling in understanding the complete load/deformation behavior of cohesive-frictional materials | |
| Taylor et al. | Effect of load path on seismic damage to RC bridge columns |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |