(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210989824.0 (22)申请日 2022.08.16 (71)申请人 中国地质大 学 （武汉） 地址 430000 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 388号 (72)发明人 朱林锋　王亮清　郑罗斌　吴善百　 王琛璐　邓姗　 (74)专利代理 机构 武汉知产时代知识产权代理 有限公司 42 238 专利代理师 张磊 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 17/18(2006.01) G06N 3/12(2006.01)G06N 5/00(2006.01) G06N 20/20(2019.01) G06F 111/06(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪 切抗力预测方法 (57)摘要 本申请提出了一种考虑锚杆破坏模式的节 理岩体锚 杆剪切抗力预测方法， 针对当前用于计 算锚杆剪切抗力的理论模型和经验公式计算精 度不高、 考虑因素不全面、 适用性不广的问题， 本 申请将影 响锚杆剪切抗力的多种因素考虑在内， 在FLAC3D软件中优化锚杆在剪切作用下的破坏 模式， 得到更加准确的锚杆剪切抗力， 最后基于 随机森林回归和遗传算法优化结合的方法， 建立 锚杆剪切抗力预测模型。 本申请提出的方法能够 根据提供的岩体、 节理面和锚杆参数， 准确地预 测锚杆剪切抗力， 为锚 杆抗剪性能的评估提供重 要参考。 权利要求书4页 说明书8页 附图3页 CN 115470694 A 2022.12.13 CN 115470694 A 1.一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S1、 利用有限差分软件FLAC3D建立岩体节理直剪数值模型， 并在所述数值模型中央植入 锚杆； S2、 通过FLAC3D软件自带的FISH编程语言， 将锚杆发生纯剪破坏、 拉剪破坏和拉弯破坏 的判定流 程用FISH语言表达， 并嵌入计算主程序； S3、 确定影响锚杆剪切抗力的关键参数， 所述关键参数包括： 锚杆直径D、 锚杆轴向屈服 强度fy、 极限抗拉强度fu、 锚杆倾角α、 岩石单轴抗压强度和砂浆单轴抗压强度中的较小值 σc、 节理内摩擦角φ和节理剪胀角 θ； 选取一组典型室内试验， 将七个所述关键参数代入步骤S1所述数值模型中， 根据剪切 力‑剪切位移曲线， 对 锚杆单元中的法向耦合弹簧和 切向耦合弹簧 参数进行 标定； S4、 对每一个所述关键参数选取合适的范围和li个水平； 所述关键参数具体为： 和 S5、 采用正交试验设计方法， 根据步骤S4中划分的水平， 设计出n组试验； S6、 基于增加的锚杆破坏模式以及标定后的锚杆法向耦合弹簧和切向耦合弹簧参数， 对步骤S5中设计的n组试验一一进行求解， 监测并记录每一组数值试验下的锚杆剪切 抗力 Ti， 建立包含n个样例的数据集E， 数据集E中的每个样例的形式为Ei＝(xi,Ti)， 其中xi＝(Di, fyi,fui, αi, σci,φi, θi)； i＝1,2,3. ..,n； S7、 采用随机森林回归算法， 将 步骤S6中数据集E中每个样例的xi作为输入变量， Ti作为 输出变量， 建立随机森林回归 模型； S8、 采用遗传算法对步骤S7建立的所述随机森林回归模型中的超参数进行寻优， 所述 超参数包括回归树的数量G、 随机森林的最大深度d以及 采用随机属性原则时在单个树中尝 试的最大 特征数k， 建立 最优化的锚杆剪切抗力预测模型； S9、 对一根赋存于节理岩体中 的锚杆， 确定参数[D,fy,fu, α, σc,φ, θ]； 将其带入步骤S8 中建立的优化后的所述锚杆剪切抗力预测模型， 回归计算得到的值即为通过算法学习得到 的锚杆剪切抗力预测值。 2.根据权利要求1所述的一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法， 其特征在于， 采用FLAC3D软件中的PI LE结构单 元来模拟锚杆。 3.根据权利要求2所述的一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法， 其特征在于， 步骤S2中所述将锚杆发生纯剪破坏、 拉剪破坏和拉弯破坏的判定流程用FISH 语言表达， 并嵌入计算主程序的主 要步骤如下： a)遍历PILE单元的每个节点CID， 通过FISH内置函数提取每个CID中储存的轴力、 剪力 和弯矩， 用下式(1)判断锚杆 是否进入屈服状态： 权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115470694 A 2式中： σe为锚杆屈服强度， M0和N0为锚杆一点的弯矩和轴力， W为弯曲截面系数， A为锚杆截面积； b)若屈服状态判定式(1)不满足， 则用Tresca强度 准则(2)来判定锚杆是否发生纯剪破 坏： 式中： Q0为锚杆一 点的剪力， Nu为锚杆的极限轴向力； 如果上式(2)满足， 则认为锚杆发生纯剪破坏， 若上式(2)不满足， 则认为锚杆仍处于弹 性状态， 继续进行主程序的迭代计算； 若某一点的弯矩和轴力满足屈服状态判定式(1)， 则认为锚杆在该点发生屈服， 锚杆进 入塑性状态； c)若锚杆进入塑性状态， 则需要将锚杆的塑性弯矩Mp设置为此时的弯矩M0， 即Mp＝M0， PILE单元会在该点形成塑性铰， 弯矩不再增加， 而轴力随着节理面剪切位移的增加会进一 步增长， 此时需要对 锚杆进入塑性状态后的破坏模式进行判定； d)继续进行节点遍历， 若一点的轴力和剪力满足Mises强度准则(3)， 认为发生拉剪破 坏： 进行同步判定： 若一 点的轴力和弯 矩满足以下关系式(4)， 则认为发生拉弯破坏： e)任意一种破坏模式判定成功， 将该点的极限应力和屈服后的塑性应变设置为一个缺 省值， 锚杆不再能够承受力， 认为锚杆发生破坏， 此时的锚杆剪切 抗力也相应达到极限， 主 程序计算终止 。 4.根据权利要求1所述的一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法， 其特征在于， 步骤S4中各所述关键参数取值范围如下： 锚杆直径D∈[4mm,30mm]； 锚杆屈服 强度和极限强度fy,fu∈[200MPa,800MPa]， 且屈服强度必须小于极限强度； 锚杆偏转角 α ∈ [0°,90°]； 岩石单轴抗压强度和砂浆单轴抗压强度中的较小值σc∈[10MPa,250MPa]； 节理 面内摩擦角φ∈[10 °,45°]； 节理剪胀角 θ∈[0 °,45°]。 5.根据权利要求1所述的一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法， 其特征在于， 步骤S6中， 所述剪切抗力Ti通过以下方法计算： 在FLAC3D中通过监测岩石上盘 一侧固定面不平衡力的总和得到加锚节理岩体整体的剪切力F1， 通过监测节理面上所有点 剪切力的总和得到节理面提供的剪切力F2， 锚杆提供的所述剪切抗力Ti可以用下式表示并 输出： Ti＝F1‑F2。 6.根据权利要求1所述的一种考虑锚杆破坏模式的节理岩体锚杆剪切抗力预测方法，权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115470694 A 3