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锚固系统质量的无损检测与智能诊断技术研究

许明  
【摘要】: 岩体和土层的锚固是一种把受拉杆件埋入地层的技术。影响锚固系统质量的因素极其复杂,这里有锚杆结构内部材质的原因,也有地层力学性质及外部影响因素的原因。锚固系统稳定性预测一旦失误,往往给工程带来不可估量的损失,因而,需要检查它是否按设计预定的方式起作用。锚固体系质量检测系统是加强以锚固技术为支护方式的土木水利工程安全生产的迫切需要解决的技术问题,它为施工质量控制和工程可靠性检测提供可靠的手段。传统静载荷检测方法难以满足工程实际对锚杆进行大面积检测的需要,研究和应用动力测试的方法来弥补静载荷试验法是十分必要和具有重要意义的。 本文针对实际工程岩体在锚固状态下处于一定的应力环境,且该应力环境易于发生变化这一现象,提出了锚固岩体在受荷条件下的声学特性研究,在考虑岩石锚固荷载影响的条件下,建立了与锚杆力学特性相关的声学特性理论模型,对岩土锚固体系的完整性问题和承载力问题进行了一系列的理论研究和实验研究,并编制了相应的计算软件,取得了如下一些主要成果。 1、 对锚杆中荷载从锚索转移到灌浆体的力学和灌浆与钻孔壁结合的力学问题进行了研究,就锚固力的形成、分布、锚固机理及锚杆失效的主要影响因素进行了分析,提出了现有锚固工程试验与监测方法中存在的问题及拟解决的途径; 2、运用弹性动力学的基本理论,导出了圆截面杆中弹性波传播的运动方程,建立了锚杆声学检测的理论模型,推导了齐次波动方程和非齐次波动方程在无界域、半无界域和有界域情况下的解析解,获得了动测系统的基本参数及应力波波速和介质参数的定量关系; 3、建立了锚杆动测问题的有限元模型,并对锚杆中的缺陷进行了数值模拟,获得了位移场的数值解。对该解在时域和频域范围内的讨论表明,锚杆中的缺陷将引起动测曲线一系列的变化,与理论分析结果一致,为现场动测曲线的识别提供了依据; 4、对锚杆的低应变动力测试问题进行了正演理论和反演理论研究,建立了锚固系统振动响应的离散参数、分布参数系统的相关数学模型,获得了锚杆瞬态动测响应的基本特征,在此基础上,提出了锚固系统的粘滞阻尼系数、应力波波速、波阻抗、动弹性模量的确定方法; 5、在室内模型试验的基础上,探讨了锚杆的锚固及失效机理,分析了锚固体表面上的剪应力、杆体横截面上的轴向力沿锚杆长度的分布规律,提出了锚固质量低应变动测的现场实施方法; WP=5 6、基于位移场的数值解,首次采用三层多分辨小波分析和小波包分析对锚固系统动测信号进行时频分析,将声波信号分解成不同频带的小波分量,通过对各小波分量的频域分析,提出了对缺陷较敏感的能量特征向量,并利用这种处理技术研究了缺陷锚杆的识别问题; 7、建立了人工神经网络预测锚杆承载力、完整性因子和锚固质量等级评价的BP模型,推导了网络的学习公式,并与极限承载力的灰色系统预测方法进行了对比,通过模型试验及现场试验数据分析,证实了该方法能有效地预测锚固系统质量。 岩体在锚固条件下的声学特性研究,将岩体声学特性与力学特性联系起来,不仅将进一步完善岩石的声波理论,而且将使声波测试技术逐步进入定量化阶段。它为声波测试技术在边坡工程、地下工程等施工过程以及后续管理中的超声监测、稳定性评价以及岩体强度预测、地应力测量等方面的应用提供可参考的理论依据。因而本文的研究不仅具有理论上的学术价值,而且具有广泛的工程适用价值。


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