一种隧道中锚杆垫板的模拟方法与流程

本发明涉及锚杆数值模拟，特别是一种隧道中锚杆垫板的模拟方法。

背景技术：

1、锚杆是重要支护结构，对控制隧道围岩变形有重要作用，一般由杆体、垫板、锚固剂、锚头等部分组成。与衬砌、架棚等支护方式相比，锚杆支护可以深入岩体内部，从而与周围岩体组成一个整体共同协调变形，以达到控制围岩变形的目的；此外，锚杆支护施工工作量小，能够快速安装，在隧道、煤矿地下开采等领域得到广泛应用。为了研究锚杆支护控制围岩变形的作用机理，目前广泛采用数值仿真软件进行模拟分析，其中flac3d是隧道专业常用软件之一；该软件内置了cable单元和pile单元，可自定义锚杆杆体与围岩之间的界面参数，从而模拟锚杆杆体与围岩的相互作用。flac3d软件的cabe单元参数自定义程度高，可进行各类复杂模型的模拟，分析锚杆的受力特性及作用机理，因此广泛适用于隧道科研、设计工作。

2、除了锚杆杆体与围岩的相互作用外，垫板也是锚杆发挥支护作用的关键部分。在flac3d中，垫板的模拟目前主要有三种方法：方法一为将锚杆端部节点与对应的围岩节点刚性连接从而使锚杆端部与围岩同步变形；方法二为在锚杆端部设置极大锚固剂参数限制端部与围岩的相互位移，从而模拟垫板的作用；方法三为建立liner单元模拟垫板。其中，方法一和方法二都是通过控制锚杆端部与围岩的相对变形来间接模拟垫板的作用，忽略了垫板实际上具有一定表面积且可以约束该表面积范围内的围岩变形，因此这两种方法无法直接反映锚杆杆体与垫板以及垫板与围岩的相互作用，并不能准确反映现实工况中垫板对围岩变形的控制作用。方法三虽然可以模拟出实际杆体-垫板及垫板-围岩的相互作用，但对于垫板模拟也有较大限制：

3、建立liner单元的方式有两种：一种是以实体单元的表面轮廓为基准面，在实体单元表面建立liner单元的节点、构件以及liner单元和实体单元的连接；另一种方法是首先建立结构节点，然后建立liner单元的构件，从而组成壳型liner单元。由于liner单元的构件一般为三角形，采用结构节点的方法比较复杂，所以一般都采用在实体单元表面建立liner单元的方式模拟垫板；如图1所示的采用liner单元模拟锚杆垫板的结构示意图，liner单元的构件呈三角形，构件之间的交点即为节点，图中共有9个节点。现有技术采用liner单元模拟锚杆垫板仅限用于矩形隧道洞壁，因为对于支护在矩形隧道洞壁的锚杆垫板，垫板坐标获取简单，可直接通过sel liner range x y z命令逐个输入相应垫板的坐标即可建立垫板对应的liner单元，此时建立的liner单元为平面矩形结构(可通过设置厚度参数调整厚度)，可与矩形隧道洞壁实现较好贴附。但是在弧形隧道中，矩形的liner单元会与隧道弧形轮廓发生干涉，且垫板对应liner单元的坐标范围不似矩形隧道具有很强的规律性，仅针对某个方向(x/y/z方向)简单变动垫板的坐标数值即可快速确定垫板对应的liner单元所有节点坐标；若采用sel liner range x y z建立垫板对应liner单元，需精准确定每个垫板对应的liner单元所有的节点坐标以确定垫板liner单元的x、y、z坐标范围。因此，在弧形隧道中，确定每个垫板对应liner单元的坐标范围是一项繁琐、困难、工程量巨大的工作。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术中的数值模拟方法无法用于准确反映弧形隧道中杆体-垫板及垫板-围岩的相互作用的问题，提供一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，能够用于模拟弧形隧道中杆体-垫板及垫板-围岩的相互作用。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，包括以下步骤：

4、步骤一，建立地层结构模型，基于地层结构模型构建隧道模型；

5、步骤二，沿隧道内轮廓建立全环liner单元；

6、步骤三，根据垫板待设位置将全环liner单元划分成垫板组和非垫板组；

7、步骤四，将非垫板组的参数设置为预设范围，所述预设范围用于弱化非垫板组对应的liner单元构件的力学参数，得到预处理后的参数；

8、步骤五，将锚杆杆体的端部节点与对应的垫板的节点建立连接，并根据预处理后的参数生成模拟结果。

9、作为本发明的优选方案，在所述步骤三中，全环liner单元经网格化后网格构件呈三角形，每个构件都带有编号信息并赋予有力学参数，根据锚杆垫板在隧道内轮廓上的待设位置确定全环liner单元上相应构件处的编号，根据编号信息将所有垫板对应的liner单元构件分组定义成垫板组，全环liner单元上的其它构件分组定义成非垫板组。

10、作为本发明的优选方案，赋予垫板组和非垫板组的力学参数包括厚度、弹模、刚度和粘聚力；进一步优选地，将非垫板组的liner单元的弹模、刚度和粘聚力设置为0.1及以下，厚度设置为0.001及以下。

11、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

12、本发明通过沿隧道内轮廓快速建立全环liner单元，并将非垫板组的liner单元相关的力学参数进行弱化来消除非垫板组liner单元对垫板组liner单元的影响，实现对垫板的快速模拟，无需确定垫板对应liner单元所有节点的坐标范围，也无需逐个输入多个垫板的坐标范围。本发明不仅可适用于矩形隧道也适用于弧形隧道，计算工程量小、模拟准确性高，能够有效模拟弧形隧道中垫板-杆体及垫板-围岩的相互作用，对研究垫板作用机理、设计参数具有重要作用。

1.一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，建立地层结构模型的步骤包括建立地层结构的本构模型并对本构模型施加边界条件、材料模型及参数，以及施加初始地应力。

3.根据权利要求1的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，构建隧道模型的步骤包括在地层结构模型中开挖隧道核心土。

4.根据权利要求1的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，还包括建立锚杆杆体单元的步骤。

5.根据权利要求4的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，建立锚杆杆体单元的步骤包括对锚杆杆体单元赋予力学参数。

6.根据权利要求1的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，在所述步骤四中，将垫板组的参数按垫板实际参数设置。

7.根据权利要求1-6任一项的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，在所述步骤三中，全环liner单元经网格化后网格构件呈三角形，每个构件都带有编号信息并赋予有力学参数，根据锚杆垫板在隧道内轮廓上的待设位置确定全环liner单元上相应构件处的编号，根据编号信息将所有垫板对应的liner单元构件分组定义成垫板组，全环liner单元上的其它构件分组定义成非垫板组。

8.根据权利要求7的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，选取8个三角形网格形成垫板。

9.根据权利要求1-6任一项的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，赋予垫板组和非垫板组的力学参数包括厚度、弹模、刚度和粘聚力。

10.根据权利要求9的一种隧道中锚杆垫板的模拟方法，其特征在于，将非垫板组的liner单元的弹模、刚度和粘聚力设置为0.1及以下，厚度设置为0.001及以下。