一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法技术

本申请提出了一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法，针对当前用于计算锚杆剪切抗力的理论模型和经验公式计算精度不高、考虑因素不全面、适用性不广的问题，本申请将影响锚杆剪切抗力的多种因素考虑在内，在FLAC

【技术实现步骤摘要】
一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法


[0001]本申请属于岩石工程锚杆防治
，具体涉及一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法。

技术介绍

[0002]高陡边坡和地下深部岩体中赋存了大量节理、裂隙等结构面，当采用锚杆支护时，由于高地应力或人为开挖的影响，岩体会沿着结构面产生剪切大变形，进而导致植入岩体的锚杆受到强烈的剪切作用，这种该现象在如今的岩石工程中愈发普遍。鉴于此，除了抗拉性能，锚杆的抗剪性能也逐渐受到重视，而锚杆的剪切抗力是评估锚杆抗剪性能的重要指标。
[0003]锚杆受剪时发生的破坏通常不是传统意义上的纯拉伸破坏或砂浆脱黏破坏，而是在剪力、弯矩、轴力共同作用下的组合破坏。目前对于在不同的参数取值下锚杆发生何种破坏的界定并不清晰，这进一步导致了锚杆剪切抗力的计算值与实际值偏差较大。同时，锚杆在节理岩体中复杂的受力状态也决定了锚杆剪切抗力与各影响因素之间是高度的非线性关系。因此，在给定参数的情况下确定锚杆在剪切作用下的破坏模式，进而对锚杆剪切抗力进行准确的预测，对评估锚杆在特定地质环境下的抗剪性能具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本申请要解决的技术问题在于，针对现有理论模型与经验公式对节理岩体锚杆在剪切作用下剪切抗力的计算精度不高、考虑因素不全面、适用性不广的问题，提供一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法。
[0005]本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法，具体包括以下步骤：
[0006]S1、利用有限差分软件FLAC
3D
建立岩体节理直剪数值模型，并在所述模型中央植入锚杆；
[0007]S2、通过FLAC
3D
软件自带的FISH编程语言，将锚杆发生纯剪破坏、拉剪破坏和拉弯破坏的判定流程用FISH语言表达，并嵌入计算主程序；
[0008]S3、确定影响锚杆剪切抗力的关键参数，所述关键参数包括：锚杆直径D、锚杆轴向屈服强度f
y
、极限抗拉强度f
u
、锚杆倾角α、岩石单轴抗压强度和砂浆单轴抗压强度中的较小值σ
c
、节理内摩擦角φ和节理剪胀角θ；
[0009]选取一组典型室内试验，将七个所述关键参数代入步骤S1所述数值模型中，根据剪切力
‑
剪切位移曲线，对锚杆单元中的法向耦合弹簧和切向耦合弹簧参数进行标定；
[0010]S4、对每一个所述关键参数选取合适的范围和l
i
个水平(l
i
为正整数，且每个参数的l
i
可以不同)；所述关键参数具体为：可以不同)；所述关键参数具体为：
和
[0011]S5、采用正交试验设计方法，根据步骤S4中划分的水平，设计出n组试验，由于需要对n组试验结果进行训练，n一般应大于20；
[0012]S6、基于增加的锚杆破坏模式以及标定后的PILE单元基本参数，对步骤S5中设计的n组试验一一进行求解，监测并记录每一组数值试验下的锚杆剪切抗力T
i
，建立包含n个样例的数据集E，数据集中的每个样例的形式为E
i
＝(x
i
,T
i
)，其中x
i
＝(D
i
,f
yi
,f
ui
,α
i
,σ
ci
,φ
i
,θ
i
)；i＝1,2,3...,n；
[0013]S7、采用随机森林回归算法，将步骤S6数据集E中每个样例的x
i
作为输入变量，T
i
作为输出变量，建立随机森林回归模型；
[0014]S8、采用遗传算法对步骤S7建立的随机森林回归模型中的超参数进行寻优，超参数包括回归树的数量G、随机森林的最大深度d以及采用随机属性原则时在单个树中尝试的最大特征数k，建立最优化的锚杆剪切抗力预测模型；
[0015]S9、对一根赋存于节理岩体中的锚杆，确定参数[D,f
y
,f
u
,α,σ
c
,φ,θ]；将其带入步骤S8中建立的优化后的所述锚杆剪切抗力预测模型，回归计算得到的值即为通过算法学习得到的锚杆剪切抗力预测值。
[0016]进一步地，步骤S1采用PILE结构单元来模拟锚杆，从而使锚杆同时具备抗拉、抗剪、抗弯的能力。
[0017]进一步地，步骤S2将纯剪破坏、拉剪破坏和拉弯破坏三种破坏模式嵌入计算主程序，其主要流程如下：
[0018]a)遍历PILE单元的每个节点CID，通过FISH内置函数提取每个CID中储存的轴力、剪力和弯矩，用下式(1)判断锚杆是否进入屈服状态：
[0019][0020]式中：σ
e
为锚杆屈服强度，M0和N0为锚杆一点的弯矩和轴力，W为弯曲截面系数，A为锚杆截面积；
[0021]b)若屈服状态判定式(1)不满足，则用Tresca强度准则(2)来判定锚杆是否发生纯剪破坏：
[0022][0023]式中：Q0为锚杆一点的剪力，N
u
为锚杆的极限轴向力；
[0024]如果上式(2)满足，则认为锚杆发生纯剪破坏，若上式(2)不满足，则认为锚杆仍处于弹性状态，继续进行主程序的迭代计算。这里的纯剪破坏不是严格意义上的只有剪应力的纯剪破坏，而是由于此时轴力很小，剪力占主导，所以近似认为是纯剪破坏。
[0025]若某一点的弯矩和轴力满足屈服状态判定式(1)，则认为锚杆在该点发生屈服，锚杆进入塑性状态；
[0026]c)若锚杆进入塑性状态，则需要将锚杆的塑性弯矩M
p
设置为此时的弯矩M0，即M
p
＝M0，PILE单元会在该点形成塑性铰，弯矩不再增加，而轴力随着节理面剪切位移的增加会进
一步增长，此时需要对锚杆进入塑性状态后的破坏模式进行判定；
[0027]d)继续进行节点遍历，若一点的轴力和剪力满足Mises强度准则(3)，认为发生拉剪破坏：
[0028][0029]进行同步判定：若一点的轴力和弯矩满足以下关系式(4)，则认为发生拉弯破坏：
[0030][0031]e)任意一种破坏模式判定成功，将该点的极限应力(tyield)和屈服后的塑性应变(tfstarin)设置为一个缺省值(1
×
10
‑
10
)，锚杆不再能够承受力，认为锚杆发生破坏，此时的锚杆剪切抗力也相应达到极限，主程序计算终止。
[0032]进一步地，步骤S4中各关键参数根据经验要在合理范围内取值，锚杆直径D∈[4mm,30mm]；锚杆屈服强度和极限强度f
y
,f
u
∈[200MPa,800MPa]，且屈服强度必须小于极限强度；锚杆偏转角α本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用有限差分软件FLAC
3D
建立岩体节理直剪数值模型，并在所述数值模型中央植入锚杆；S2、通过FLAC
3D
软件自带的FISH编程语言，将锚杆发生纯剪破坏、拉剪破坏和拉弯破坏的判定流程用FISH语言表达，并嵌入计算主程序；S3、确定影响锚杆剪切抗力的关键参数，所述关键参数包括：锚杆直径D、锚杆轴向屈服强度f
y
、极限抗拉强度f
u
、锚杆倾角α、岩石单轴抗压强度和砂浆单轴抗压强度中的较小值σ
c
、节理内摩擦角φ和节理剪胀角θ；选取一组典型室内试验，将七个所述关键参数代入步骤S1所述数值模型中，根据剪切力
‑
剪切位移曲线，对锚杆单元中的法向耦合弹簧和切向耦合弹簧参数进行标定；S4、对每一个所述关键参数选取合适的范围和l
i
个水平；所述关键参数具体为：个水平；所述关键参数具体为：和S5、采用正交试验设计方法，根据步骤S4中划分的水平，设计出n组试验；S6、基于增加的锚杆破坏模式以及标定后的锚杆法向耦合弹簧和切向耦合弹簧参数，对步骤S5中设计的n组试验一一进行求解，监测并记录每一组数值试验下的锚杆剪切抗力T
i
，建立包含n个样例的数据集E，数据集E中的每个样例的形式为E
i
＝(x
i
,T
i
)，其中x
i
＝(D
i
,f
yi
,f
ui
,α
i
,σ
ci
,φ
i
,θ
i
)；i＝1,2,3...,n；S7、采用随机森林回归算法，将步骤S6中数据集E中每个样例的x
i
作为输入变量，T
i
作为输出变量，建立随机森林回归模型；S8、采用遗传算法对步骤S7建立的所述随机森林回归模型中的超参数进行寻优，所述超参数包括回归树的数量G、随机森林的最大深度d以及采用随机属性原则时在单个树中尝试的最大特征数k，建立最优化的锚杆剪切抗力预测模型；S9、对一根赋存于节理岩体中的锚杆，确定参数[D,f
y
,f
u
,α,σ
c
,φ,θ]；将其带入步骤S8中建立的优化后的所述锚杆剪切抗力预测模型，回归计算得到的值即为通过算法学习得到的锚杆剪切抗力预测值。2.根据权利要求1所述的一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法，其特征在于，采用FLAC
3D
软件中的PILE结构单元来模拟锚杆。3.根据权利要求2所述的一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法，其特征在于，步骤S2中所述将锚杆发生纯剪破坏、拉剪破坏和拉弯破坏的判定流程用FISH语言表达，并嵌入计算主程序的主要步骤如下：a)遍历PILE单元的每个节点CID，通过FISH内置函数提取每个CID中储存的轴力、剪力和弯矩，用下式(1)判断锚杆是否进入屈服状态：
式中：σ
e
为锚杆屈服强度，M0和N0为锚杆一点的弯矩和轴力，W为弯曲截面系数，A为锚杆截面积；b)若屈服状态判定式(1)不满足，则用Tresca强度准则(2)来判定锚杆是否发生纯剪破坏：式中：Q0为锚杆一点的剪力，N
u
为锚杆的极限轴向力；如果上式(2)满足，则认为锚杆发生纯剪破坏，若上式(2)不满足，则认为锚杆仍处于弹性状态，继续进行主程序的迭代计算；若某一点的弯矩和轴力满足屈服状态判定式(1)，则认为锚杆在该点发生屈服，锚杆进入塑性状态；c)若锚杆进入塑性状态，则需要将锚杆的塑性弯矩M
p
设置为此时的弯矩M0，即M
p
＝M0，PILE单元会在该点形成塑性铰，弯矩不再增加，而轴力随着节理面剪切位移的增加会进一步增长，此时需要对锚杆进入塑性状态后的破坏模式进行判定；d)继续进行节点遍历，若一点的轴力和剪力满足Mises强度准则(3)，认为发生拉剪破坏：进行同步判定：若一点的轴力和弯矩满足以下关系式(4)，则认为发生拉弯破坏：e...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱林锋，王亮清，郑罗斌，吴善百，王琛璐，邓姗，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：