基于岩层运动并行计算系统的锚杆单元原理、实现及巷道支护效果分析

在自主开发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的岩层运动并行计算系统(基于拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法)中,引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元,形成了锚杆模块。2个锚杆节点与之间的构件组成锚杆单元,其本质是在任一种覆盖(将1个四边形单元离散成2个三角形子单元,离散方式有2种,即2种覆盖)中,锚杆节点相对于子单元的位置保持不变。控制循环由CPU执行,密集的计算任务由GPU执行,锚杆模块与其他模块同时执行以获得较高的计算效率。考察了拉拔试验中不同位置锚杆单元轴力的演化规律。随着拉拔的进行,距离拉拔端一定距离内的锚杆单元轴力呈振荡上升趋势,从围岩对锚杆作用的角度对此进行了解释。通过将目前的锚杆轴力分布与基于Mindlin问题的位移解推导出的理论结果进行对比,验证了锚杆单元的正确性。为了研究锚杆单元对巷道的支护效果,以巨野矿区某轨道大巷为背景建立力学模型,得到了有无锚杆支护条件下巷道围岩的变形—开裂—运动过程。研究发现,锚杆单元对于阻碍巷道围岩变形、控制裂纹发展和改善应力分布具有良好的效果,这是由于锚杆长度范围内围岩围压增大导致了围岩承载力提高。目前的锚杆支护条件下的结果(巷道附近破坏区内岩石单元之间的明显裂纹使围岩发生了较大膨胀)比传统连续方法的结果更符合实际。

锚杆单元及其在黄土隧道计算中的若干问题

隧道设计施工中考虑围岩的自承作用是新奥法的核心思想之一,而采用锚喷支护是技术上的关键。如何考虑锚杆的作用至今仍存在值得探讨的问题。介绍了一种弹塑性锚杆单元,给出了黄土隧道考虑锚杆作用的数值分析结果,对锚杆的合理长度以及提高锚固区围岩力学参数模拟锚杆作用方面提出了合理的建议。

基于端锚黏结式锚杆静、动载试验的非均匀受力锚杆单元

为使锚杆支护工程的设计计算和数值模拟更加合理,对端锚黏结式锚杆进行了常规拉拔试验和动拉拔荷载试验,分析了静、动荷载下锚杆的受力特征并提出了力学计算模型。结合试验和力学模型计算结果,比选了多单元数2结点杆单元和少单元数高阶次杆单元的计算精度和计算量。试验结果表明,端锚黏结式锚杆在静荷载下轴向应力呈三角形分布,在动荷载下轴向应力呈负指数分布。受力分析表明,静荷载作用下黏锚力可视为均匀分布,动荷载作用下黏锚力可近似简化为三角形分布。对比试验和理论分析结果,高阶杆单元能简洁明了地反映静、动荷载下锚杆的非均匀受力情况,并能有效减少单元数目和结点数目,大大减少计算量,同时提高计算精度,相比多单元数2结点杆(索)单元优势明显。静、动载试验和理论成果为锚杆支护工程的设计计算和数值模拟提供了参考和依据。

基于ABAQUS的三维锚杆单元开发

利用大型有限元软件ABAQUS所提供的用户单元子程序UEL接口,开发了一种三维锚杆单元.该单元所采用的本构模型可以模拟锚杆初锚、增阻、恒阻、降阻全过程,并考虑了锚杆的横向剪切加固效应.算例分析表明,利用此自开发单元可得出合理的锚固数值分析结果.

三维锚杆单元理论及其应用

本文建立了一种考虑锚芯与灌浆间剪切破坏作用的三维锚杆计算模型．在这种模型中，假设锚芯的轴向位移沿锚杆方向成线性分布；沿径线方向位移为常数；假设灌浆的轴向位移沿锚杆方向成线性分布、沿径线方向则取空间轴对称问题的解析解．错芯中的轴向应力、灌浆中的切向剪应力以及由于侧向位移引起的横向剪应力是锚杆中的主要应力。锚芯与灌浆间的剪切破坏通过计算残余力来模拟，在数值计算时采用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代法。作为实际应用的例子，该模型被用于分析岩体拉拔试验和路堤加固，并与解析解和无锚杆作用的弹性分析进行了对比．计算结果显示了模型的可靠性和实用性．

模拟锚杆支护的大变形锚杆单元模型之研究

本文利用大变形有限元的基本理论 ,提出了有限元大变形锚杆单元模型 ,并推导了其相关的大变形有限元计算公式 ,成功地解决了锚杆支护大变形有限元的模拟计算问题 。

一种岩石锚杆单元的塑性分析

介绍了一种考虑岩石锚杆单元塑性性能的修正常数法.本方法利用非线性分析中的直接迭代法考虑了锚杆与灌浆结合面上灌浆剪切模量随材料屈服的变化.拉拔试验模型的数值分析结果证明了方法的有效性.

三结点锚杆单元计算模型及其应用

根据等参元的概念推导出 3结点锚杆单元及 9结点的块体单元的数值计算公式 ,由此建立起锚杆———岩土体空间耦合分析模型 ,编制出相应的空间弹塑性有限元程序。作为实际应用的例子 ,该模型用来分析了岩土体拉拔实验 ,并与无锚杆作用时的弹性分析进行比较 ,计算出的结果证实了该模型的实用性。

单孔复合型锚杆锚固体应力分布特征研究

结合某工程深基坑边墙单孔复合型锚杆施工,选取4根锚杆作为试验锚杆,通过在锚固体范围埋设多个应变测试元件,对锚固体在不同张拉载荷条件下的应力分布状态进行了现场测试研究。根据单孔复合型锚杆的结构特点,对代表性锚固体建立有限元数值模型,并对锚固体的应力-应变特征进行了数值分析。根据现场测试和数值分析结果,对单孔复合型锚杆锚固体的应力分布规律和锚固机理进行了研究。

荷载分散型锚杆张拉方法探讨与研究

研究目的:研究探讨只使用一个千斤顶时,对荷载分散型锚杆进行准确加载的张拉锁定方法。研究结论:荷载分散型锚杆张拉锁定应优先采用多千斤顶同步法。只使用一个千斤顶张拉一遍时,有整拉整锁、整拉单锁、补偿张拉及单拉单锁循环等几种,其中,整拉整锁法及整拉单锁法误差较大,工程应用很少;补偿张拉法对单元锚杆的弹性位移差进行了预补偿,较为合理,工程应用最多;按单元锚杆长度从短到长顺序依次张拉锁定的单拉单锁法能够满足大多数工程的实际需求。但这些方法加荷都不够准确。基于荷载控制的循环单拉单锁法,加荷准确,张拉及锁定荷载损失较小,施工操作较简单,张拉设备较小,适用于各种荷载分散型锚杆及各单元锚杆设计承载力不同的锚杆,是一种值得深入研究和推广的新方法。

荷载分散型锚杆的设计与张拉

本文结合《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》GB50086～2015分析荷载分散型锚杆的工作性能，指出其设计及张拉试验要点和主要工作特性，便于这种新型锚杆技术的推广应用。

三维锚杆数值模拟方法研究

在现有几种锚杆数值分析方法的基础上,对考虑了浆体切向受力性态的三维锚杆单元理论及其应用进行了研究,编制了三维锚杆有限元计算程序,并结合例子对浆体锚杆的变形、应力规律进行了分析。计算结果显示了模型的可靠性和实用性。

储层-裂缝组合单元在水力压裂井产能模拟中的应用

采用储层-裂缝组合单元模拟压裂改造后的储层、裂缝力学型态,推导相关有限元公式并进行压裂井产能模拟分析。这种方法的实质是将裂缝的质量、刚度矩阵变换叠加到储层整体相应方程矩阵中,以更精确反映裂缝开发动态参数的影响。计算结果表明:采用储层-裂缝组合单元有效解决了储层-裂缝网格尺度匹配的问题;反力算法避免了在高导流裂缝局部求解压力梯度产生的计算误差,提高了运算速度和求解压裂井产能的精度,为水力压裂井生产动态模拟和设计方案优化提供了新的处理方法。

端锚式锚杆数值模拟及其受力分析

结合有限单元法,使用隐式锚杆单元来模拟端锚式锚杆,推导杆体和预应力对模型的附加刚度贡献,并对锚杆的端锚力也给予恰当模拟。隐式锚杆单元隐含在岩体单元中,极大地简化有限元模型划分。但锚杆应力计算值与工程实测值相比往往偏大,考虑到锚杆对岩体的局部影响效应因素,进一步分析锚杆与岩体的相互作用,导出岩体在弹塑性状态下变形与锚杆力间的解析关系式。结果显示,当岩体进入塑性、变形较大时,用推导公式对锚杆变形、应力进行修正是非常必要的。最后的算例分析表明,隐式锚杆能较好地模拟支护效果,用修正方法算得的锚杆力与实测值较为接近。为更加精确地模拟锚杆的支护效果提供一些有益的方法。

地表锚杆预加固浅埋隧道的空间数值分析

采用考虑锚芯与灌浆体间剪切作用的三维锚杆单元 ,建立了地表锚杆预加固浅埋隧道的空间耦合数值分析计算模型 ,编制了空间弹塑性有限元 -无限元 -锚杆单元耦合程序 ,并通过与现场量测和室内模型试验研究成果的比较 ,表明计算模型具有较高的计算精度 。

浅埋隧道地表锚杆预加固的空间数值计算模型及分析

本文采用三维锚杆单元 ,建立了地表锚杆预加固浅埋隧道的空间耦合数值分析模型 ,编制了空间弹塑性有限元—无限元—锚杆单元耦合程序 ,并对相关工程实例进行了分析计算 。

砂浆锚杆的有限元模拟方法探讨

针对现有砂浆锚杆有限元模拟方法的局限性与不足,在深入探讨砂浆锚杆的力学机理的基础上,提出了一种包含锚杆、砂浆以及接触面的新型复合锚杆单元,该单元不仅能反映锚杆的轴向受力作用,还能反映锚杆的抗弯以及锚杆与岩体接触面的剪切滑移效应,并利用有限元基本理论,推导了新型复合锚杆单元刚度矩阵及相关计算公式,并编制了相应的计算程序,工程实例分析表明:模型能够满足工程要求,具有一定的理论与工程实用价值。

某水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析

采用有限元方法反演某水电站地下厂房厂区初始地应力场。采用 Zienkiewicz-Pande 的双曲线屈服准则,对某水电站地下厂房洞室群的开挖过程进行了三维弹塑性有限元模拟。为反映锚固支护对围岩的加固作用和评价地下厂房洞室群支护参数的合理性,提出了可以考虑抗剪作用的隐式锚杆单元和可以考虑预应力效果隐式锚索单元。计算结果表明,该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是合理的,各主要洞室群的稳定性总体较好。

总干闸胸墙裂缝危害性及处理措施分析

采用特有的裂缝单元模拟裂缝和特殊的杆单元模拟混凝土中的骑缝筋,对某枢纽工程总干闸胸墙裂缝危害性及处理措施进行了数值仿真分析。分析结果显示,此分析模型能较好模拟裂缝在外荷载下的变形及混凝土中钢筋的受力状态,对混凝土裂缝处理与加固设计提出了一条量化分析方法。

引水洞衬砌裂缝的影响及灌浆处理仿真分析

采用特有的裂缝单元模拟裂缝和特殊的“锚杆穿越裂缝单元”模拟裂缝中的骑缝筋，对某水利枢纽工程引水发电洞衬砌裂缝的影响及灌浆处理进行了仿真分析，并对灌浆方案进行了优化设计。结果显示裂缝明显影响衬砌和围岩的变形与强度性状。运行期在内水压力作用下，裂缝将张开并进一步扩展，洞顶围岩出现少许拉应力；检修期在不均匀的外水压力作用下，围岩变形显著，致使衬砌内产生较大弯矩。灌浆整治后情况明显好转。