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《中南大学》 2010年
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不同围岩中锚杆锚固系统的低应变动力响应分析

孙冰  
【摘要】: 锚固技术已在铁路、公路、矿山及水工隧道中得到广泛应用。对于岩土工程中众多锚杆,其锚固质量如何、锚杆的长度是否与设计长度一致、其砂浆是否饱满,即锚杆是否起到了预期的作用等,这些问题对于岩土加固工程来说显得十分重要。然而,由于现场施工工艺及作业环境等诸多因素的影响,因锚杆锚固质量问题引起的围岩大面积失控现象时有发生。因此,对锚固工程的损伤识别、质量诊断以及实时检测和补强等问题,一直是岩土工程界广泛关注和迫切解决的问题。但由于多方面的原因,我国锚杆锚固质量及受力状态的检测仍然停留在利用液压千斤顶进行破坏性拉拔试验阶段。这种检测手段既费工又费钱,更重要的是这种检测手段对经锚杆加固的岩土体产生较强的扰动,降低了锚杆的加固作用,仅限于个别抽查。因此,对锚杆锚固系统的无损探伤研究是岩土工程界急需解决的关键问题。 本文在理论分析的基础上,采用室内模型实验和现代信号处理技术相结合的手段,研究了不同围岩中具有不同锚固状态的锚杆锚固系统中的低应变动力响应特性。而锚杆锚固质量的无损检测技术主要借助桩基的动测法,使得部分研究和工程技术人员易将二者的检测混淆,这样就可能造成实际工程检测中的误判。为此,本文还进行了二者的比较研究。本文主要研究内容及结论如下: (1)在不同龄期下,进行了不同围岩下不同锚固介质中完整及缺陷锚杆的加速度信号特征分析。分析结果表明,完整锚杆的固端反射信号非常强烈,但由于固端反射和应力波衰减的影响使得底端反射信号很弱,这也是锚杆锚固系统中应力波速的难准确确定的主要原因;缺陷锚杆的固端反射信号比较强烈,但由于同样原因底端和缺陷反射信号微弱。 (2)锚杆锚固系统中的应力波传播速度是进行锚固质量判断的最基本参数,通过理论分析得出该波速介于锚固介质中应力波速和自由锚杆中应力波速之间,通过不同围岩及锚固介质下完整锚杆在不同龄期下的实验研究,验证了理论结果,得出了该波速在初期随锚固介质强度和龄期的增加呈明显的下降趋势而后期平缓增加,得出该波速与锚固质量呈基本呈负相关关系,得出该波速与锚固介质中的波速呈对称指数关系。为锚杆锚固系统的实时检测提供了依据,为锚杆锚固系统中应力波速的确定提供了新途径。 (3)基于低应变应力波反射法,对锚杆锚固系统及桩基中的应力波速进行对比分析,以区别二者检测技术的差别。桩基中应力波速的理论计算表明,由于三维效应的影响,在桩基中的应力波速应大于锚固介质中的波速,实验结果验证了这一结论,而且二者随龄期和强度的增加而增加,二者与锚杆锚固系统中的应力波速随龄期和锚固介质强度的增加呈对称指数关系。基于所得完整锚杆与基桩中的应力波速,对缺陷锚杆与基桩进行了质量判别,分析结果表明构件的质量检测结果与实际设计结果吻合较好,验证了所得应力波速的准确性。 (4)根据完整锚杆锚固系统中所得的应力波速,对三类围岩下不同锚固介质中具有不同缺陷和密实度的锚杆锚固质量进行了评判。结果表明,判别结果与实际设计吻合较好,同时也验证了所求锚杆锚固系统中应力波速的准确性。 (5)锚杆检测过程中检测到的信号都是离散的,无法用准确的解析式来表达。若分析处理这些信号,必须弄清这些信号的频谱分布规律。本文首先采用最常用的频谱分析方法即快速傅立叶变换(FFT)对时域信号进行分析。分析结果表明,信号的FFT分析只能在整体上分析锚杆动测信号所包含的各频率成分,完整和缺陷锚杆的频域曲线是不同的,缺陷锚杆的FFT幅值曲线存在明显的多峰现象,频带上能量分散。信号的FFT分析不具备时域信息,即不知道频域中的某一频率是在什么时候发生的。 (6)本文采用短时傅立叶变换(STFT)对信号进行分析处理以便找到明显的底端反射为锚杆锚固系统中应力波速的确定提供依据。分析结果表明,信号的短时傅立叶变换可在相平面表达信号的强度大小,并且底端反射信号比较明显,但不能反映缺陷处的反射信号,锚杆缺陷越多,反射信号的能量也越大。短时傅立叶变换虽然在一定程度上克服了傅立叶变换不具有的局部分析能力的缺陷,但若要判断缺陷位置需要采用小波分析、小波包分析等信号处理技术。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TD353.6

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