(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 202210985335.8 (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 30/17(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 20/00(2019.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种剪切作用下全长黏结锚杆破坏模式判 识方法 (57)摘要 本申请提出了一种剪切作用下全长黏结锚 杆破坏模式判识方法， 针对在不同因素的影响 下， 锚杆受剪时发生何种破坏模式的界定不清晰 的问题， 基于材料力学组合变形理论和强度理 论， 将锚杆发生纯剪破坏、 拉剪破坏和拉弯破坏 的判定流程嵌入UDEC计算主程序并获得训练数 据集， 通过随机森林分类算法和粒子群寻优算法 建立剪切作用下锚杆破坏模式与各特征参数之 间的映射关系， 从而对锚 杆受剪时发生的破坏模 式进行有效判识。 本申请提出的方法能够根据提 供的岩体、 结构面和锚杆参数， 准确判别全长黏 结锚杆的破坏 模式， 为锚 杆抗剪性能的评估提供 参考， 对岩质边坡和深部岩体锚固支护参数优化 具有重要意 义。 权利要求书4页 说明书7页 附图3页 CN 115391938 A 2022.11.25 CN 115391938 A 1.一种剪切作用下全长黏结锚杆破坏模式判识方法， 其特 征在于， 包括 步骤如下： Q1、 基于UDEC软件建立岩石结构面剪切数值模型， 并在数值模型中央植入一根全长黏 结锚杆； Q2、 通过UDEC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 判定流程嵌入数值计算主程序； Q3、 选取剪切作用下影响锚杆破坏模式的特征参数， 所述特征参数包括： 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和结构面剪胀角 θ； Q4、 选取三组典型的加锚结构面剪切试验， 将其有关的所述特征参数代入数值模型中， 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， 并确保数值试验中锚杆的破坏模式与实验中锚杆的破坏模式一 致； Q5、 根据工程中常见的地质环境及常用的锚杆规格， 对第 i个所述特征参数选取合适的 范围和li个水平； 所述特 征参数具体为： 和 Q6、 根据步骤Q5中划分的各所述特征参数的范围及水平， 通过正交试验设计出n组数值 试验； Q7、 在步骤Q3、 Q4的基础 上， 对步骤Q6中设计的n组数值试验一一进行求解， 记录每一组 数值试验下的锚杆破坏模式， 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,FMi)， 其中xi＝(Di,fyi,fui, αi, σci, θi)； i＝1,2,3...,n， FM代表了锚杆发生的破坏 模式； Q8、 采用随机森林分类算 法对数据集E进行学习， 将步骤Q7中数据集E中每个样例的xi作 为输入变量， FMi作为输出变量， 建立随机森林分类模型； Q9、 采用粒子群算法对步骤Q8建立的所述随机森林分类模型中的超参数进行智能寻 优， 所述超参数包括决策树的数量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， 建立优化后的锚杆破坏模式判识模型； Q10、 对于一根特定地质环境中的全长黏结锚杆， 当结构面两侧岩体发生相对滑动或有 相对滑动的趋势时， 锚杆受到强烈的剪切作用， 此时确定特征参数[D,fy,fu, α, σc, θ]， 将其 带入步骤Q9中建立的所述锚杆破坏模式判识模型， 得到的破坏模式即为算法判识的剪切作 用下锚杆发生的破坏模式。 2.根据权利要求1所述的一种剪切作用下全长黏结锚杆破坏模式判识方法， 其特征在 于， 步骤Q1中采用Rockbo lt单元来模拟全长黏结锚杆。 3.根据权利要求2所述的一种剪切作用下全长黏结锚杆破坏模式判识方法， 其特征在 于， 步骤Q2中所述将纯剪破坏、 拉剪破坏和拉弯破坏的判定流程嵌入数值计算主程序的流 程如下： a)进行主程序运算， 运行至stepi时， 通过FISH内置函数找到Rockbolt单元第一个节点 的地址， 提取节点中储 存的轴力、 剪力和弯 矩；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115391938 A 2b)用下式(1)判断锚杆 是否进入屈服状态： 式中： σe为锚杆屈服强度， M0和N0为锚杆的弯矩和轴力， W为弯曲截面系数， A 为锚杆截面积； c)若屈服状态判定式(1)不满足， 则认为锚杆没有屈服， 继续用Tresca破坏准则(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为锚杆的轴向极限强度对应的轴向极限力； 如果上式(2)满足， 则认为锚杆发生纯剪破坏， 输出第一字符串， 将锚杆的屈服值和屈 服应变设置为一个缺省值， 程序会判定锚杆发生破坏， 计算程序终止； 若 上式(2)不满足， 则 认为锚杆仍处于弹性状态， 对下一个节点地址重复迭代， 直到整根锚杆的节点遍历完成， 令 i＝i+1， 进行 下一步主程序运 算； d)若屈服状态判定式(1)满足， 则认为锚杆在该点发生屈服， 锚杆进入塑性状态； 在主 程序中将此时的弯矩M0赋值给锚杆的塑性矩， 塑性铰形成， 弯矩到达塑性矩后不再增加， 而 轴力随着结构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； e)若一点的轴力和剪力满足Mises破坏准则(3)， 认为在该点发生拉剪破坏： 若上式(3)满足， 则输出第二字符串,同样将锚杆的屈服值和屈服应变设置为缺省值， 计算程序终止； f)若上式(3)不满足， 则继续进行判定： 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， 输出第三字符串， 同样将锚杆的屈服值和屈服应变设置为缺省值， 计算程 序终止： g)若以上拉剪破坏和拉弯破坏的判定式(3)、 (4)均不满足， 说明锚杆虽然进入了塑性 状态， 但仍然没有到破坏极限， 此时需要继续进行节点遍历， 若遍历后仍不满足， 则令i＝i+ 1， 进行下一步主程序运 算， 直到任意 一种破坏模式判定成功， 主程序终止运 算。 4.根据权利要求1所述的一种剪切作用下全长黏结锚杆破坏模式判识方法， 其特征在 于， 步骤Q8中采用的所述随机森林分类算法以C4.5 决策树为基学习器， 根据C4.5 决策树基 本理论， 当前样本集合R中第k类样本占比例为pk(k＝1,2,...,|y|)时， 采用信息熵来度量 样本集合的纯度：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115391938 A 3