一种预应力锚杆支护仿真方法

本发明属于巷道围岩控制领域，具体涉及一种预应力锚杆支护仿真方法。

背景技术：

1、预应力锚杆支护是巷道围岩控制领域一种常用技术，在巷道及硐室围岩加固中发挥着至关重要的作用。在预应力锚杆支护中，预应力锚杆需要与托盘配合使用。在张拉锚杆时，托盘受压并对围岩施加压缩正应力，从而能够对围岩施加主动约束作用，控制围岩变形。

2、随着数值仿真技术快速发展，研究人员围绕锚杆支护提出不同的数值仿真方法。但现有研究普遍针对的是锚杆自身杆体与围岩的接触作用，忽略了锚杆、托盘、围岩三者之间的作用关系。针对该问题，少数研究人员从以下三个方面开展了研究工作。

3、第一种方法是将锚杆外侧与围岩壁接触点处锚固剂内聚力设置为非常大。采用这种方法将锚杆外侧与围岩壁黏结住，从而模拟托盘将锚杆外侧与围岩壁进行连接。但其过度简化了托盘，存在诸多缺点。首先，这种方法通过设置指定点处锚固剂内聚力非常大进而模拟托盘，仅考虑了那一点处锚杆与围岩间连接作用，无法反映托盘在其表面积范围内对围岩的约束作用。其次，在实际工况中，施工人员可以使用不同表面积的托盘以实现对围岩不同的控制效果。通过设置指定点处锚固剂内聚力非常大，无法反映不同表面积托盘对围岩控制效果的差异。

4、针对第一种方法的缺陷，前人提出了第二种仿真方法，即使用壳单元(shell)或衬砌单元(liner)模拟托盘并与锚杆连接。但这种仿真方法同样存在不足。首先，壳单元或衬砌单元需要附着在网格表面生成。考虑到托盘具有一定形状(如圆形、三角形、方形)和表面积，需要将与托盘接触的网格划分成指定形状和表面积，增加了网格划分难度。其次，壳单元、衬砌单元与锚杆之间的连接要求壳单元节点、衬砌单元节点与锚杆节点共点，增加了壳单元节点、衬砌单元节点、锚杆节点划分的难度。此外，在实际工况中，托盘受围岩挤压后，可能会与锚杆脱离，发生托盘滑脱失效。而壳单元、衬砌单元与锚杆之间为刚性连接，决定了壳单元、衬砌单元模拟的托盘不会从锚杆上滑脱，与实际情况不符。

5、针对上述缺陷，前人提出了第三种仿真方法。将预应力施加期间的围岩、锚杆假设为弹性变形；建立锚杆支护作用模型；移除托盘后，加载拉力；然后安装托盘，撤去拉力。但仍然存在一定不足。首先，围岩为弹塑性材料。若围岩处于松散破碎状态，在高预应力条件下，托盘附近围岩极有可能发生塑性变形。因此，在预应力施加期间，将围岩假设为弹性变形与实际工况并不完全相符。其次，在这种仿真方法中，托盘对围岩的挤压作用依靠的是先张拉锚杆，后撤去拉力，锚杆发生的弹性回缩。在实际工况中，张拉机具作用在托盘上，随后张拉锚杆。因此，张拉机具对托盘的压缩作用是在张拉锚杆且锚杆发生弹性伸长过程中发生的。因此，在仿真过程中，依靠锚杆弹性回缩挤压托盘，与实际工况并不一致。而且，在仿真过程中，需要先移除托盘，施加拉力；随后安装托盘，撤去拉力。在实际工况中，需要先安装托盘，然后施加拉力。因为，一旦对锚杆施加拉力后，托盘由于中空孔较小，无法穿过张拉机具再安装至围岩表面。因此，仿真工序与实际施工工序不符。最后，这种仿真方法同样未考虑托盘的滑脱失效问题。

6、因此，本专利提出一种预应力锚杆支护仿真方法，对揭示预应力锚杆支护作用原理，反映锚杆、托盘、围岩之间力学作用关系等具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种预应力锚杆支护仿真方法。该方法克服了前人仿真方法中无法有效模拟托盘、无法模拟托盘滑脱失效、托盘对围岩挤压作用并非来自锚杆弹性伸长、仿真工序与施工工序不同等缺陷，能够有效模拟预应力锚杆支护。

2、本发明采用如下技术方案，提供一种预应力锚杆支护仿真方法，包括：使用锚结构单元(cable)模拟锚杆并将整根锚杆分三次生成，分别是围岩作用段锚杆、托盘作用段锚杆、托盘外侧段锚杆，并设置id编号分别为1、2、3；使用structure node join命令将围岩作用段锚杆、托盘作用段锚杆、托盘外侧段锚杆依次连接；对全部锚结构单元设置材料参数，包括young、cross-sectional-area、yield-tension、grout-stiffness；设置id为1的锚结构单元材料参数，包括grout-cohesion、grout-friction、grout-stiffness、grout-perimeter；在id为2的锚结构单元范围内，利用zone create命令生成网格，并命名为"plate"，用以模拟托盘；在"plate"网格内侧面上生成id为10的分界面；设置id为10的分界面材料参数，包括stiffness-normal、stiffness-shear、cohesion、friction、tension；设置"plate"网格本构模型为各向同性弹性模型，并设置相应材料参数，包括young、poisson、density；对id为3的锚结构单元最外侧节点施加平行于锚杆延伸方向的拉力f，以模拟预应力；对"plate"网格外侧面施加法向应力σ；定义fish函数checking，要求fish函数checking在每个时间步自动执行，利用其检查是否已成功施加预应力。

3、作为上述技术方案的进一步描述：

4、所述围岩作用段锚杆与所述托盘作用段锚杆存在一个共点；所述托盘作用段锚杆与所述托盘外侧段锚杆存在一个共点。

5、作为上述技术方案的进一步描述：

6、所述围岩作用段锚杆内部构件数量大于等于10；所述托盘作用段锚杆内部构件数量等于1；所述托盘外侧段锚杆内部构件数量等于1。

7、作为上述技术方案的进一步描述：

8、对全部锚结构单元设置材料参数时，将grout-stiffness设置为1gpa。

9、作为上述技术方案的进一步描述：

10、利用zone create命令生成"plate"网格时，"plate"网格三维几何形状与拟模拟托盘一致，且"plate"网格厚度与id为2的锚结构单元长度一致。

11、作为上述技术方案的进一步描述：

12、所述"plate"网格内侧面是指"plate"网格中靠近id为1的锚结构单元一侧的面；所述"plate"网格外侧面是指"plate"网格中靠近id为3的锚结构单元一侧的面。

13、作为上述技术方案的进一步描述：

14、所述id为10的分界面材料参数中，stiffness-normal、stiffness-shear均为1gpa；cohesion、tension均为0；friction根据托盘与围岩间摩擦系数设置。

15、作为上述技术方案的进一步描述：

16、对id为3的锚结构单元最外侧节点施加拉力f时，利用id为3的锚结构单元最外侧节点的component-id定位。

17、作为上述技术方案的进一步描述：

18、对"plate"网格外侧面施加的法向应力σ按照第一公式计算。

19、作为上述技术方案的进一步描述：

20、所述fish函数checking逻辑结构如下：定义变量n为0；定义变量pnt_structure并将锚结构单元头指针赋值给变量pnt_structure；遍历全部锚结构单元；在遍历至每一锚结构单元时，判断变量pnt_structure指向的锚结构单元id号是否等于3；若为是，判断pnt_structure指向的锚结构单元轴向拉力是否大于等于拉力f；若为是，按照第二公式计算n；待遍历完成全部锚结构单元后，判断n是否等于安装的锚杆数量；若为是，移除所有锚杆外端头的拉力f，并将id为2的锚结构单元grout-cohesion按照第三公式计算结果设置。

21、作为上述技术方案的进一步描述：

22、所述第一公式为：其中f为对id为3的锚结构单元最外侧节点施加的拉力；a为托盘横截面积；所述第二公式为n＝n+1，其中n为变量；所述第三公式为其中τ为托盘滑脱失效时单位长度的剪切力；fs为托盘滑脱失效时对应的剪切力；l为托盘厚度。

23、有益效果

24、本发明有益效果主要包括：

25、(1)创建"plate"网格模拟托盘，网格可根据实际托盘的形状生成，例如三角形托盘、圆形托盘、方形托盘等，从而能够更好地模拟实际工况中的物理托盘。与壳单元或衬砌单元相比，"plate"网格、围岩网格均为独立生成，因此"plate"网格无需通过粘附围岩网格生成。所以，生成和划分围岩网格时，无需考虑拟模拟托盘尺寸和形状，简化了围岩网格生成及划分难度。

26、(2)在"plate"网格内侧面设置了id为10的分界面，用以模拟托盘与围岩间接触关系。对id为10的分界面设置了friction参数，用以模拟托盘内侧面与围岩表面之间的摩擦关系。通过设置不同的friction参数，可以模拟不同粗糙度的托盘内侧面与围岩表面之间的摩擦作用。

27、(3)对于托盘作用段锚杆，利用了grout-cohesion参数定义了锚杆与托盘间作用关系。所述托盘作用段锚杆范围内，grout-cohesion参数由托盘滑脱失效时对应的剪切力及托盘厚度计算得到。当锚杆与托盘间剪切力超过所述托盘滑脱失效时对应的剪切力时，托盘可以从锚杆上滑脱失效，从而能够模拟托盘滑脱失效破坏方式。

28、(4)施加预应力依靠对id为3的锚结构单元最外侧节点施加拉力f及对"plate"网格外侧面施加法向应力σ实现。拉力f与法向应力σ同时施加，且法向应力σ与托盘横截面积a的乘积等于拉力f，两者间为一对作用力与反作用力。与前人研究方法相比，托盘对围岩的作用力不再依靠锚杆受拉后弹性回缩产生，与实际工况一致。

29、(5)在仿真过程中，预应力施加工序为：先安装托盘，随后张拉锚杆，同时立即对托盘施加压缩正应力，最后撤去拉力。与前人模拟过程中，先移除托盘，随后施加拉力，然后再安装托盘，最后撤去拉力的工序相比，本仿真过程使用的工序与实际工程中施加预应力工序一致。

30、(6)定义了fish函数checking。利用该fish函数checking能够自动检查每根锚杆是否已成功施加预应力。而且在确定每根锚杆均成功施加预应力后，自动将所有锚杆最外侧节点施加的拉力f移除，同时对所有托盘作用段锚杆设置grout-cohesion参数，以模拟预应力施加结束后紧固螺母并对托盘形成的约束作用。因此，对每根锚杆预应力的施加效果检查、移除拉力f、成功施加预应力后设置托盘作用段grout-cohesion参数均由fish函数checking自动完成，无需人工操作。

31、(7)托盘依靠"plate"网格模拟，而"plate"网格生成时可以设置成不同边长或不同表面积。因此，利用不同边长或不同表面积的"plate"网格可以模拟不同大小的托盘，从而可以研究或优化不同大小托盘对围岩的锚固效果。

32、(8)施加预应力整个过程中，围岩均为弹塑性材料，无需假设围岩为弹性材料，与实际情况更为一致。