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锚杆锚固系统应力波分形机制及其应用研究

冯剑锋  
【摘要】:当前,锚杆无损检测技术在检测锚杆锚固质量、工作荷载等方面仍是利用传统的应力波反射法,通过研究锚杆锚固系统应力波的微观细部特征,计算、分析固结波速、基频等方式,综合判断锚杆的锚固质量及工作荷载。然而锚杆受力情况相当复杂,造成锚杆锚固系统应力波呈现出相应的复杂波形,底端反射难以识别,这就给传统的检测方法带来了很大的困难,成为一个亟待解决的技术难题。针对这一难题,本文对应力波在锚杆中的传播理论进行深入研究,发现锚杆锚固系统应力波是由多种简谐波组合而成,其波形复杂,但进行多次重复的实验可以发现,其应力波特征参数(频率、幅值等)符合分形理论中的统计自相似的规律,而分形理论正是分析这种复杂图形的有力工具。分形理论的研究对象是复杂、多变的非线性几何形体。本文将分形理论引入到锚杆无损检测领域的研究,从宏观角度对锚固系统应力波空间分布特性进行分析。通过采集不同锚固质量下和不同工作荷载下锚杆锚固系统应力波信号,分析其波形盒维数与锚固质量、工作荷载的相关性。本文进行的主要工作及获得的结论有:1)深入分析了锚杆锚固系统应力波的特征属性,结合分形理论的适用范围,从理论上论证了利用分形理论研究锚杆锚固系统应力波的合理性及可行性,为锚杆无损检测技术提出一种全新的思路;2)根据锚杆锚固系统应力波的特征属性,结合分形理论和实际数据采集情况,建立了适用于锚杆锚固系统应力波形的盒维数数学模型,利用MATLAB软件进行程序编写,计算出应力波形的盒维数值;3)为得到锚杆锚固系统应力波盒维数与锚固质量之间的关系,进行实验研究,分别从锚杆的锚固长度、锚固端的黏结质量以及锚杆的极限承载力等方面设计实验,研究盒维数与这些参数之间的关联性,综合分析了锚杆锚固质量对盒维数值大小的影响,结果表明:锚固长度越长,盒维数值越小;锚固端黏结质量越好,盒维数值越小;当锚杆处于极限承载力的情况下,盒维数值达到峰值;4)锚杆工作荷载与锚杆锚固系统应力波盒维数值关系密切。随着锚杆工作荷载的增大,应力波盒维数值随之增大,在锚杆达到极限承载力时,应力波盒维数值达到最大值,随着锚杆被拉脱失效,应力波盒维数值随之减小;5)当锚杆工作状态发生突变时,锚杆锚固系统应力波盒维数值相应的发生突变。当锚杆由自由状态开始受力工作时,盒维数值会迅速减小,发生突变;当锚杆由正常工作状态过渡到锚固失效状态时,盒维数值同样会迅速减小,发生突变。


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