岩石锚杆锚固节理化岩体---楔形效应的数值模拟(UDEC)

1 引言

由于在野外工作了三天(2月27，28号，3月1号)，时间和精力都不允许写每日的公 众 号笔记，因此空了三天没有更新，回来后接到一位同学的请求，想申请一个上学期间锚杆支护的学习型研究项目，觉得“岩石锚杆锚固节理化岩体楔形效应的数值模拟”这个项目很有意义。这个笔记简要描述了这个小型研究项目的技术方案。

2 岩石锚杆锚固的楔形效应

岩石锚杆锚固岩体是采矿工程和隧道工程经常使用的一种支护方式，传统的锚固机理有悬吊效应，加固梁效应和拱形效应。这些机理对于块体尺寸较大或层状岩体适用，但不能用于中等到严重节理化的岩体，为此产生的一种新的锚固机理是楔形效应，这种理论认为岩石或岩石楔形体被锚固在一起，会产生摩擦和互锁作用，从而在围岩内形成一个压缩带。上世纪90年代初，Dr. Hoek在多伦多大学(University of Toronto)任教时，为研究生上课进行了这个相似材料试验(岩石锚杆锚固节理化岩体产生的楔形效应); 后来Rocscience的Dr. Corkum在为达尔豪斯大学(Dalhousie University)采矿工程系学生授课时也进行了这个课程project. 

这个相似材料试验的主要结论如下图所示，在红色 区域内的岩体会产生一个压缩区，从而对该区域的岩体进行有效的加固。为了实现这种加固，必须满足以下条件：

(1) 岩石锚杆间距s小于平均岩块直径a的3倍；

(2) 锚固长度L为2倍的锚杆间距。

不过，这个试验一直没有被系统地进行理论检验和证实。这个小型研究项目试图通过数值模拟对上述试验结果进行检验和证实。此外，在原始的相似材料试验中，没有进行不同锚杆长度对产生楔形效应的影响，在这个数值模拟试验中，将研究不同锚杆长度和间距形成的楔形锚固效应。

3 UDEC数值模拟

UDEC是工业标准的岩石力学和岩石工程数值模拟软件，过去35年经过了不断改进和数千工业项目的检验，目前已经发展到UDEC 7.0(安装版本UDEC 7.00.63). 在这个研究项目中，将使用UDEC进行数值试验，检验和证实上述相似材料试验的结论。岩石和锚杆两种不同材料的模拟规则描述如下：

(1) 岩体使用Voronoi Tessellation Models来表示(二维Voronoi 块体生成方法)。Voronoi的数据保存在下面的索引文档中：

(2) 锚杆使用RockBolts结构元。RockBolts单元是一个二维的带有三个自由度的单元(两个位移和一个旋转)，能够模拟抗弯行为， 包括轴向屈服和用户定义的拉伸破坏应变极限来模拟锚杆断裂。岩石锚杆的数据保存在下面的索引文档中：

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