一种加卸载环境中锚索支护锚固性能确定方法

本发明属于锚索支护数值计算领域，具体涉及一种加卸载环境中锚索支护锚固性能确定方法。

背景技术：

1、锚索支护是煤矿巷道支护中的一种重要支护元件。与锚杆相比，锚索的长度通常在3m以上，而且在实际施工中，可以根据需求动态调整锚索长度，从而具有锚固长度大、锚固深度可动态调节等优点。随着煤炭深井高应力赋存环境日趋普遍，锚索支护在煤矿巷道围岩加固中有着越来越广泛的应用前景。

2、在实际工程应用中，锚索周围岩土体中的应力可能突然处于升高的状态，此时锚索周围岩土体运动将对锚索形成加载效应。但随着应力环境改变，锚索周围岩土体中的应力可能又会处于降低状态，此时锚索处于卸载状态。因此，在实际工程环境中，锚索支护极有可能处于加卸载环境。

3、为了检验锚索支护在加卸载环境中的锚固性能，对锚索支护进行加卸载拉拔实验是一种重要方法。但加卸载拉拔实验首先需要配备加卸载拉拔设备，包括千斤顶、压力盒、位移传感器、泵站等一系列实验器材，因此需要投入大量的物力和资金，实验成本比较高。此外，开展加卸载拉拔实验需要多名施工人员协同工作，因此对人力资源的要求较高。

4、其次，开展加卸载拉拔实验往往只能得到单一的拉拔力、拉拔位移关系，往往很难获得实验过程中锚固界面剪切应力结果。这是由于锚固界面埋置在锚索锚固体内，不便于提取锚索锚固体内的数据。因此，开展加卸载拉拔实验，不便于分析加卸载过程中锚索支护内部的力学传递规律。最后，开展加卸载拉拔实验很难获得锚索周围岩土体内的应力分布形态，因此不便于分析加卸载环境中锚索支护周围岩土体内的应力演化规律。

5、与传统加卸载拉拔实验相比，数值模拟已经成为研究锚索支护锚固性能的重要手段。由于数值模拟能够基于时间步迭代的方式分析锚索支护锚固性能，因此，用户可以分析每个时间步时锚索支护锚固体内的力学传递特征及应力分布形态。

6、现有数值模拟技术在分析锚索支护锚固性能时，往往只局限于单调加载的受力环境，并不能反映锚索支护在加卸载环境中的锚固性能。因此，提出一种加卸载环境中锚索支护锚固性能确定方法对揭示锚索支护在加卸载环境中的锚固机理具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种加卸载环境中锚索支护锚固性能确定方法。该方法克服了传统加卸载拉拔实验实施成本高、获取结果单一等缺点，能够有效模拟加卸载环境中锚索支护的锚固性能。

2、本发明采用如下技术方案，提供一种加卸载环境中锚索支护锚固性能确定方法，包括如下步骤：在flac3d中创建三维模型并划分网格；定义模型的本构模型、材料参数、边界条件、初始条件；设置模型的大变形计算模式为true；利用锚索结构单元安装锚索并设置锚索结构单元材料参数；定义fish函数recording，并利用fish函数recording记录锚索拉拔端的拉拔力、拉拔位移；定义fish函数incorporating；第一次加载，在锚索拉拔端设置恒定的拉拔速度，进行时间步计算直至第一次加载模拟位移；卸载，在锚索拉拔端设置恒定的推入速度，并进行时间步计算直至卸载模拟位移；第二次加载，在锚索拉拔端设置恒定的拉拔速度，并进行时间步计算直至第二次加载模拟位移。

3、作为上述技术方案的进一步描述：

4、所述边界条件为：与锚索安装方向垂直且通过锚索拉拔端的边界面为滚筒支撑。

5、作为上述技术方案的进一步描述：

6、所述锚索结构单元材料参数包括：grout-friction为0；grout-cohesion为0；grout-stiffness为1×1011；slide为false；young与锚索杨氏模量一致；grout-perimeter与锚索周长一致；cross-sectional-area与锚索横截面积一致。

7、作为上述技术方案的进一步描述：

8、所述fish函数recording逻辑结构如下：在每一次时间步计算时取出锚索拉拔端位置处锚索结构单元节点的地址，将其赋值给变量location；取出该节点沿拉拔方向的不平衡力，将该不平衡力取绝对值后赋值给变量force；取出该节点沿拉拔方向的位移，将该位移取绝对值后赋值给变量displacement；所述变量force为所述锚索拉拔端的拉拔力，所述变量displacement为所述锚索拉拔端的拉拔位移。

9、作为上述技术方案的进一步描述：

10、所述fish函数incorporating根据用户设定的参数自动修正锚固界面黏结滑移关系，其逻辑结构如下：在每一次时间步计算时取出锚索结构单元头指针并赋值给变量address；基于变量address，遍历锚索结构单元所有构件；遍历至任意一构件时，提取该构件第一号节点沿拉拔方向的位移并将其传递给变量s_m，将s_m代入第一公式并将计算结果传递给变量stress_nm；将变量stress_nm传递给该构件的struct.cable.grout.cohesion函数；

11、所述第一公式为，公式中： f为单位长度锚固界面剪切力；为锚索杨氏模量；为锚索横截面积； k和 t为调节系数； s为锚固界面剪切滑移量。

12、作为上述技术方案的进一步描述：

13、所述拉拔速度与所述推入速度大小相等，小于等于1×10-6m/s，拉拔与推入方向相反。

14、作为上述技术方案的进一步描述：

15、所述拉拔速度和所述推入速度通过锚索拉拔端位置处锚索结构单元节点的component-id进行定位。

16、作为上述技术方案的进一步描述：

17、所述第一次加载模拟位移由用户自行设定，其与加卸载拉拔实验第一次加载阶段内拉拔力最大值对应的拉拔位移间相对差值为第一次加载模拟位移相对差值；采用第二公式计算，所述第二公式为，公式中：为第一次加载模拟位移相对差值，小于等于5%；为第一次加载模拟位移；为加卸载拉拔实验第一次加载阶段内拉拔力最大值对应的拉拔位移。

18、作为上述技术方案的进一步描述：

19、所述卸载模拟位移由用户自行设定，其与加卸载拉拔实验卸载阶段内拉拔力最小值对应的拉拔位移间相对差值为卸载模拟位移相对差值；采用第三公式计算，所述第三公式为，公式中：为卸载模拟位移相对差值，小于等于5%；为卸载模拟位移；为加卸载拉拔实验卸载阶段内拉拔力最小值对应的拉拔位移。

20、作为上述技术方案的进一步描述：

21、所述第二次加载模拟位移等于加卸载拉拔实验第二次加载阶段最后时刻的拉拔位移。

22、作为上述技术方案的进一步描述：

23、第一次加载阶段内，调节系数 k和 t采用如下方式调参获得：将调节系数 k和 t代入第四公式直至同时满足以下两个条件：第一次加载阶段内，数值模拟中拉拔力、拉拔位移关系曲线与加卸载拉拔实验中拉拔力、拉拔位移关系曲线整体趋势一致；第一次加载阶段内，数值模拟中最大拉拔力与加卸载拉拔实验中最大拉拔力间相对差值小于等于5%，所述数值模拟中最大拉拔力与加卸载拉拔实验中最大拉拔力间相对差值采用第五公式计算；

24、所述第四公式为：，公式中： p为拉拔力， d为拉拔位移；

25、所述第五公式为：，公式中：为数值模拟中最大拉拔力与加卸载拉拔实验中最大拉拔力间相对差值；为数值模拟中最大拉拔力；为加卸载拉拔实验中最大拉拔力。

26、作为上述技术方案的进一步描述：

27、卸载阶段内调节系数 k和 t与第一次加载阶段内调节系数 k和 t的数值相同。

28、作为上述技术方案的进一步描述：

29、第二次加载阶段内，调节系数 k和 t采用如下方式调参获得：将加卸载拉拔实验中第二次加载阶段内的拉拔位移校零，即将加卸载拉拔实验中第二次加载阶段内的拉拔位移减去第二次加载阶段初始的拉拔位移，得到拉拔位移校零后的拉拔力、拉拔位移关系；将调节系数 k和 t代入第四公式直至同时满足以下两个条件：第二次加载阶段内，数值模拟中拉拔力、拉拔位移关系曲线与加卸载拉拔实验中拉拔力、拉拔位移关系曲线整体趋势一致；第二次加载阶段内，数值模拟中最大拉拔力与加卸载拉拔实验中最大拉拔力间相对差值小于等于5%；所述数值模拟中最大拉拔力与加卸载拉拔实验中最大拉拔力间相对差值采用第五公式计算。

30、本发明的有益效果主要包括：

31、1.提出了一种加卸载环境中锚索支护锚固性能确定方法。利用该方法能够模拟锚索支护在加卸载环境中的锚固性能，与传统加卸载拉拔实验相比，无需准备拉拔设备且无需动用大量的人力资源，因此经济成本低且可节省人力资源。

32、2.定义了fish函数incorporating。用户可以将非线性黏结滑移模型嵌入锚索结构单元内，从而无需遵从flac3d中锚索结构单元的原始黏结滑移模型，克服了原始黏结滑移模型无法考虑锚固界面剪切破坏的缺陷。此外，本发明使用的非线性黏结滑移模型为闭合方程，克服了原始黏结滑移模型需要分段处理锚固界面弹性变形和塑性变形的缺陷。

33、3.针对第一次加载和第二次加载，分别给出了调节系数 k和 t的调参方法。用户可以根据已有的加卸载拉拔实验数据，调参得到系数 k和 t；进而将调节系数 k和 t代入本发明使用的非线性黏结滑移模型中，以得到锚固界面黏结滑移关系。基于该锚固界面黏结滑移关系，用户可模拟加卸载环境中锚索支护锚固性能。

34、4.利用本发明提出的方法，可以研究加卸载环境中锚固界面剪切应力分布规律及锚索周围岩土体内的应力分布形态。因此，本发明提出的方法能够克服传统加卸载拉拔实验获取结果单一且往往无法获取锚固界面剪切应力分布形态等缺点，有效揭示加卸载环境中的锚索支护锚固机制。