一种考虑锚固界面破坏后力学行为的数值计算方法

技术领域

本发明属于岩土加固数值计算领域，具体涉及一种考虑锚固界面破坏后力学行为的数值计算方法。

背景技术

锚杆(索)支护是岩土加固领域的重要支护技术。与传统砌碹支护、型钢支护等方式相比，锚杆(索)支护可深入岩土体内部，并与岩土体形成一个整体，共同协调变形。此外，锚杆(索)支护还可在外端头施加预紧力，并根据实际工况调节预紧力大小，从而对岩土体形成主动约束作用，提高支护效果。

工程实践结果表明，在锚杆(索)支护过程中，锚杆(索)与锚固剂间锚固界面剪切破坏是一种常见破坏形式。为了分析锚固界面剪切破坏机理，研究人员对锚杆(索)支护系统开展了大量的室内物理实验及现场工程实践。这些室内物理实验及现场工程实践为揭示锚杆(索)与围岩间力学传递原理提供了理论依据，也阐明了锚杆(索)支护系统中锚固界面破坏机理。

但室内物理实验与现场工程实践的缺点是往往很难研究各种不同工况条件下的锚杆(索)支护系统锚固性能。以室内物理实验为例，开展室内物理实验需要准备相应的实验设备、耗材、材料及实验平台等。若开展各种不同工况条件下的室内物理实验，需要投入大量的人力、物力、财力，可操作性及经济性较差。若依托现场工程实践开展各种不同工况条件下的锚杆(索)支护系统实验难度更大。这是由于现场工程环境是由地质条件决定，并不能严格符合研究人员预期的实验环境。此外，在现场开展不同工况条件下的锚杆(索)支护系统实验，可能诱发安全事故并威胁实验人员的安全。

为了弥补室内物理实验和现场工程实践的不足，数值计算广泛应用于锚杆(索)支护系统锚固性能研究。与室内物理实验、现场工程实践相比，数值计算依赖计算机及数值计算软件。用户可在计算机中设定各种复杂的工况，并利用数值计算软件分析各种不同复杂工况条件下锚杆(索)支护系统锚固性能及破坏机理。

在各种数值计算软件中，由Itasca公司开发的FLAC3D软件得到广泛应用。在该软件中，Itasca公司开发了锚单元、桩单元。这两种单元均可模拟岩土加固中的锚杆(索)支护。此外，Itasca公司为这两种单元设定了本构方程及材料参数。因此，用户只需输入材料参数，便可分析锚杆(索)支护锚固性能，可操作性强且使用方便。

但锚单元、桩单元存在明显缺陷。其中一项是忽略了锚固界面破坏后的力学行为。锚单元、桩单元采用理想弹塑性模型模拟锚固界面剪切破坏行为。当锚杆(索)支护系统受载后，锚固界面剪切应力随剪切位移增加而增加。当锚固界面剪切应力达到黏结强度后，锚固界面剪切应力保持不变。但实际工程中，锚固界面剪切应力达到黏结强度后会逐渐下降，表现出软化特性。因此，原始锚单元、原始桩单元无法准确模拟出锚固界面破坏后的力学行为。

为了克服该问题，前人曾提出利用锚单元、桩单元中的内聚力参数调整锚固界面黏结强度，模拟出锚固界面峰前强化和峰后软化力学行为。这种方法需设定锚固界面摩擦角为零。此时，用户可利用FISH函数或Table函数将预定义黏结滑移关系嵌入锚单元、桩单元，模拟出锚固界面破坏后的力学行为。但这种方法忽略了岩土体中围压对锚杆(索)锚固系统的影响。由于锚固界面摩擦角为零，岩土体中围压不影响锚杆(索)锚固性能。

前人室内物理实验结果表明，摩擦力直接影响锚固界面黏结强度。因此，设定锚固界面摩擦角为零，不能准确反映锚杆(索)支护系统锚固作用。

此外，由于忽略了锚固界面摩擦作用，在不同围压条件下，锚固界面剪切应力达到黏结强度时对应的位移相同。但这与实际情况不符，因为，随锚杆(索)支护系统围压增大，锚固界面剪切应力达到黏结强度时对应的位移会明显增加。因此，这种方法无法准确模拟出锚固界面在有围压条件下的力学性能。

针对上述问题，本发明提出一种考虑锚固界面破坏后力学行为的数值计算方法。该方法克服了原始锚单元无法模拟锚固界面破坏后力学行为的缺陷，也克服了仅调整内聚力参数无法考虑锚固界面摩擦作用的缺陷。本发明提出的方法对揭示锚杆(索)支护锚固机理及破坏后力学行为具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑锚固界面破坏后力学行为的数值计算方法。该方法改善了现有数值计算方法无法准确模拟锚固界面破坏后力学行为的缺陷。

本发明采用如下技术方案，提供一种考虑锚固界面破坏后力学行为的数值计算方法，包括：在FLAC3D中创建网格并划分单元体形成数值模型；定义数值模型的本构模型、材料参数；定义数值模型的位移边界条件、围压边界条件；在数值模型内部安装锚单元并对锚单元划分锚固构件；设置锚单元材料参数；定义FISH函数results并利用其记录拉拔力、拉拔位移；定义FISH函数postfailure并利用其实现锚固界面内聚力软化、锚固界面摩擦角软化；在锚单元拉拔端施加恒定的拉拔速度；设置整个数值模型的largestrain为true；定义时间步数并完成时间步计算。

作为上述技术方案的进一步描述：

数值模型的本构模型设置为弹性模型；数值模型的材料参数包括杨氏模量、泊松比。

作为上述技术方案的进一步描述：

数值模型的位移边界条件为：与锚单元安装方向垂直且穿过锚单元拉拔端的面为滚筒支撑。

作为上述技术方案的进一步描述：

数值模型的围压边界条件为：与锚单元安装方向平行的面为压应力边界条件。

作为上述技术方案的进一步描述：

对锚单元划分锚固构件时，锚固构件数量大于1。

作为上述技术方案的进一步描述：

锚单元材料参数包括：锚固界面内聚力初始值c

作为上述技术方案的进一步描述：

所述FISH函数results逻辑结构如下：查找锚单元拉拔端位置处节点指针；将其赋值给变量p

作为上述技术方案的进一步描述：

所述FISH函数postfailure逻辑结构如下：定义变量a、变量b、变量d，其中变量a设置为零，变量b大于零且小于1，变量d大于零；查找结构单元头指针并赋值给变量p

作为上述技术方案的进一步描述：

所述第1公式为

作为上述技术方案的进一步描述：

所述第2公式为

作为上述技术方案的进一步描述：

拉拔速度小于等于1×10

本发明有益效果主要包括以下六个方面：

1.本发明提供了一种考虑锚固界面破坏后力学行为的数值计算方法。该方法能模拟锚杆(索)支护系统锚固性能及锚固界面破坏后的力学行为。为用户研究锚杆(索)支护系统锚固性能及锚固界面破坏机理提供了新思路、新方法。

2.设计了自定义FISH函数results。利用其能获得锚杆(索)拉拔过程中的拉拔力、拉拔位移。为用户分析锚杆(索)拉拔过程中的锚固性能提供了基础数据。

3.设计了自定义FISH函数postfailure。利用其能获得锚固界面剪切破坏时对应的位移，并实现锚固界面内聚力软化、锚固界面摩擦角软化；能有效模拟锚固界面破坏后的力学行为。克服了原始锚单元无法模拟锚固界面破坏后力学行为的缺陷。

4.在本发明中，锚固界面摩擦角不为零。在应用本发明时，用户首先设定锚固界面摩擦角初始值。随后，FISH函数postfailure会根据锚固界面是否破坏，自动修正和软化锚固界面摩擦角，且软化后的摩擦角仍大于零。本发明在有效模拟锚固界面破坏后力学行为的同时，又能考虑岩土体中围压对锚杆(索)锚固性能的影响。克服了前人将锚固界面摩擦角设置为零且无法考虑岩土体围压对锚杆(索)锚固性能影响的缺陷。

5.本发明设计了第1公式、第2公式。基于第1公式、第2公式，用户可利用上述2个公式中的变量b、d调整锚固界面内聚力软化程度、锚固界面摩擦角软化程度。最终利用不同软化程度的锚固界面内聚力、锚固界面摩擦角模拟不同工况条件下锚杆(索)支护系统锚固性能。

6.所述第1公式、所述第2公式中变量b数值大小可以不同。所述第1公式、所述第2公式中变量d数值大小也可以不同。用户应用本发明时，可根据实际情况对锚固界面内聚力、锚固界面摩擦角实现不同程度的软化。能分别研究锚固界面内聚力、锚固界面摩擦角在不同软化程度条件下对锚杆(索)锚固性能的影响。

附图说明

构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明所述FISH函数postfailure逻辑结构图。

图2是无围压条件下原始锚单元和修正后的锚单元得到的力-位移曲线对比图。

图3是无围压条件下原始锚单元和修正后的锚单元得到的黏结滑移曲线对比图。

图4是有围压条件下原始锚单元和修正后的锚单元得到的力-位移曲线对比图。

图5是有围压条件下原始锚单元和修正后的锚单元得到的黏结滑移曲线对比图。

具体实施方式

本发明提供一种考虑锚固界面破坏后力学行为的数值计算方法，包括：在FLAC3D中创建网格并划分单元体形成数值模型；定义数值模型的本构模型、材料参数；定义数值模型的位移边界条件、围压边界条件；在数值模型内部安装锚单元并对锚单元划分锚固构件；设置锚单元材料参数；定义FISH函数results并利用其记录拉拔力、拉拔位移；定义FISH函数postfailure并利用其实现锚固界面内聚力软化、锚固界面摩擦角软化；在锚单元拉拔端施加恒定的拉拔速度；设置整个数值模型的largestrain为true；定义时间步数并完成时间步计算。

在一具体实施例中：

数值模型的本构模型设置为弹性模型；数值模型的材料参数包括杨氏模量、泊松比。

在一具体实施例中：

数值模型的位移边界条件为：与锚单元安装方向垂直且穿过锚单元拉拔端的面为滚筒支撑。

在一具体实施例中：

数值模型的围压边界条件为：与锚单元安装方向平行的面为压应力边界条件。

在一具体实施例中：

对锚单元划分锚固构件时，锚固构件数量大于1。

在一具体实施例中：

锚单元材料参数包括：锚固界面内聚力初始值c

在一具体实施例中：

所述FISH函数results逻辑结构如下：查找锚单元拉拔端位置处节点指针；将其赋值给变量p

在一具体实施例中：

所述FISH函数postfailure逻辑结构如下：定义变量a、变量b、变量d，其中变量a设置为零，变量b大于零且小于1，变量d大于零；查找结构单元头指针并赋值给变量p

在一具体实施例中：

所述第1公式为

在一具体实施例中：

所述第2公式为

在一具体实施例中：

拉拔速度小于等于1×10

为了检验本发明的有效性，进行2组数值计算实验，分别是无围压条件下、有围压条件下的锚杆拉拔计算。在每一组计算结束后，将原始锚单元计算结果和本发明计算结果对比，检验本发明的有效性。

第1组数值计算实验工况如下：在FLAC3D中创建三维长方体网格形成数值模型。数值模型沿X轴、Y轴、Z轴的长度分别是2m、0.4m、0.4m。数值模型左下角坐标为(0，0，0)，右上角坐标为(2，0.4，0.4)。数值模型沿X轴、Y轴、Z轴方向划分单元体的数量分别是50、5、5。定义数值模型的本构模型为弹性模型，定义数值模型的材料参数：杨氏模量为15GPa；泊松比为0.25。定义X＝2位置处网格面位移边界条件为滚筒支撑。首先不考虑岩土体围压，即设定与锚单元安装方向平行的网格面无围压。

在数值模型中安装锚单元，起点坐标为(0，0.2，0.2)，终点坐标为(2，0.2，0.2)。将锚单元划分成50个锚固构件。设定锚单元材料参数：锚固界面内聚力初始值为100kN/s、锚固界面摩擦角初始值为35°、锚固界面剪切刚度为50MPa，滑动参数为false、锚固构件杨氏模量为210GPa、锚固构件周长为69.12mm、锚固构件横截面积为380.13mm

定义FISH函数results。规定坐标为(2，0.2，0.2)的端头为拉拔端。在锚单元拉拔端施加恒定的拉拔速度，大小为1×10

为了对比本发明计算结果，在上述数值计算过程中加入FISH函数postfailure。其逻辑结构如图1所示。在该FISH函数中定义变量a、变量b、变量d，其中变量a设置为零，变量b为0.05，变量d为100。重新计算10000个时间步，得到锚单元拉拔力、拉拔位移关系曲线，如图2所示(实线)。同时，提取锚固界面黏结滑移曲线，如图3所示(实线)。

图2表明，原始锚单元达到峰值荷载234kN后，拉拔力保持不变。这与锚杆(索)锚固特性不符。因为室内物理实验结果表明锚杆(索)达到峰值荷载后，支护系统发生破坏；随拉拔位移增加，拉拔力逐渐下降。采用本发明修正原始锚单元。修正后的锚单元达到峰值荷载187kN后，拉拔力随拉拔位移增加逐渐下降。这与室内物理实验结果一致。

图3表明，使用原始锚单元时，锚固界面剪切应力达到黏结强度后保持不变，与室内物理实验结果不符。前人研究发现锚固界面剪切应力达到黏结强度后发生剪切破坏，之后剪切应力逐渐下降。采用本发明修正原始锚单元。修正后的锚单元达到黏结强度后，剪切应力逐渐衰减。随剪切位移增加，锚固界面剪切应力持续下降，与室内物理实验结果相符。

以上结果未考虑岩土体围压作用，因此进行第2组数值计算实验，即在第1组数值计算基础上增加围压。在与锚单元安装方向平行的网格面上施加1MPa围压，即在Y＝0、Y＝0.4、Z＝0、Z＝0.4这4个网格面上施加1MPa压应力。分别使用原始锚单元和本发明修正后的锚单元进行拉拔计算。

有围压条件下，原始锚单元和使用本发明修正后的锚单元拉拔力、拉拔位移关系曲线对比如图4所示。原始锚单元和使用本发明修正后的锚单元黏结滑移曲线对比如图5所示。有围压条件下，原始锚单元达到峰值荷载330kN后，拉拔力基本保持不变，这与室内物理实验结果不符。相反，使用本发明修正原始锚单元后，锚单元达到峰值荷载255kN后，拉拔力随拉拔位移增加持续下降。这与室内物理实验结果一致。

图5表明，有围压条件下，原始锚单元锚固界面达到黏结强度2.13MPa后，保持不变。这与室内物理实验结果不符。采用本发明修正原始锚单元后，锚固界面剪切应力达到黏结强度2.13MPa后逐渐下降，这与室内物理实验结果相符。

图2、图4表明，有围压条件下，不论原始锚单元还是本发明修正后的锚单元均表现出更高拉拔力。这说明围压对锚杆(索)锚固性能有重要影响。这也说明前人修正原始锚单元时，将锚固界面摩擦角设置为零、忽略围压作用、仅利用锚固界面内聚力模拟锚杆(索)支护系统破坏后力学行为的方式并不可靠。

图3、图5表明，有围压条件下，不论原始锚单元还是本发明修正后的锚单元均表现出更高黏结强度。这说明围压对提高锚固界面黏结强度有重要影响。这再次说明，前人修正原始锚单元时，将锚固界面摩擦角设置为零、忽略围压作用、仅利用锚固界面内聚力模拟锚杆(索)支护系统破坏后力学行为的方式并不可行。

图3、图5还表明，有围压条件下，锚固界面剪切应力达到黏结强度时对应的剪切位移明显增加。无围压时，锚固界面黏结强度对应的剪切位移为2mm；有围压时，锚固界面黏结强度对应的剪切位移为2.95mm。围压对提高锚固界面黏结强度对应的剪切位移有重要影响。而前人修正原始锚单元时将锚固界面摩擦角设置为零并忽略围压作用后，有无围压条件下，锚固界面黏结强度对应剪切位移相同。这与室内物理实验结果不同，并不能准确反映锚固界面黏结特性。采用本发明修正原始锚单元后，锚固界面黏结强度对应剪切位移随围压存在而提高，与室内物理实验结果一致。因此，本发明克服了前人修正原始锚单元时存在的缺陷，能更好地反映锚固界面黏结特性。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其它各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。