锚杆-围岩结构系统低应变动力响应理论与应用研究

建立锚杆一围岩结构系统低应变纵向动力响应的数学力学模型，为研究锚杆结构系统的无损探伤原理及方法提供理论依据。通过理论研究、实验室模型试验和数值模拟试验等技术，研究不同损伤锚杆应力波的传播规律、特性。锚杆系统动力参数的变化可准确反映锚杆的损伤程度，而动力参数的识别是衡量锚杆锚固质量的一条途径，同时提出一种对锚杆-围岩结构系统进行参数反演的遗传算法。利用现代信号分析理论，通过神经网络等现代人工智能手段，探讨锚杆系统损伤位置的确定方法和锚杆-围岩结构系统的识别方法，提出一种锚杆锚固质量定量分析的方法，建立锚杆系统无损探伤的智能诊断系统，并进行现场测试应用。     

完整锚杆系统动力参数反演的遗传算法

在锚杆-围岩结构系统低应变动力响应分析中,锚固介质及围岩对锚杆的影响可用锚固系统参数模型中的动刚度与阻尼来衡量,它们是表征锚固质量的重要指标。而对锚固质量的定量评价则以完整锚杆动力参数作为依据。作者在完整锚杆动力响应数值计算的基础上,提出一种动力参数反演的遗传算法。利用遗传算法具有自组织、自适应、自学习且收敛速度较快等优良特性,进行了工程实例的计算,得到动力参数的最优解。结果表明这种多参数反演的方法是比较准确可靠的。     

缺陷锚杆振动问题的数学模型及其求解

建立了缺陷锚杆纵向振动问题的数学力学模型,利用Fourier变换,将所研究问题从时域转到频域中进行,借助传递矩阵法求出缺陷锚杆的频域动力响应,再利用 Fourier反变换获得锚杆的纵向瞬态时域响应,为研究锚杆在不同缺陷情况下的动力响应规律、研究锚杆-围岩结构系统的无损探伤原理及方法提供理论依据,最后通过一个算例,对不同缺陷锚杆动力响应作了初步的分析比较。     

完整锚杆横向动力响应问题的求解与分析

锚杆锚固质量两个主要衡量指标是锚固状态和锚固力。锚固状态是指锚杆施工后的锚固段长度、自由段长度、密实度和施工缺陷等;锚固力指现场拉拔试验过程中临界破坏点的拉拔力,又称极限抗拔力。利用振动波传播具有的许多独特性质,可以在锚杆表面人工激发应力波来探测锚杆体系内部的结构和性质,以此来判断锚杆的锚固状态。锚杆的无损检测研究已提出多年,但研究方向主要为纵向振动,有关锚杆系统的横向动力响应很少有人提及。建立了锚杆体系横向动力响应的理论模型,推导了完整锚杆的理论半解析计算公式,在此基础探讨了锚杆系统横向振动随锚杆长度、激振力作用时间等变化的一些规律。     

基于锚固剂环裂纹扩展的全长锚固脱黏失效机制研究

为了探究全长锚固系统的脱黏失效机制，达到构建高质量锚固体的目的，建立锚杆–锚固剂界面力学模型，分析锚杆拉拔滑动导致锚固剂环裂纹扩展的3个阶段以及锚杆–锚固剂、锚固剂–围岩界面环向围压随锚杆滑动的变化，推导最大轴向力与剪应力的位置，揭示锚杆–锚固剂界面的脱黏失效机制，提出锚杆–锚固剂界面、锚固剂–围岩界面脱黏失效的判据，并通过工程实例及实验进行验证。研究结果表明：在围岩发生变形时锚杆–锚固剂界面脱黏失效按照黏结、机械互锁和摩擦顺序依次失效。围岩围压直接影响锚固剂环径向裂纹完全开裂的外周诱导围压，锚固剂的抗拉强度决定了锚固脱黏发生的界面。当围岩抗拉强度大于锚固剂环抗拉强度时，锚杆–锚固剂环界面脱黏，锚固剂环在锚杆轴向最大拉力处萌生裂纹，向两侧脱黏；当围岩抗拉强度小于锚固剂环抗拉强度时，锚固剂环–围岩界面脱黏或围岩脱出，锚固剂环与围岩界面脱黏从锚杆加载端开始并向锚杆尾部转移。抗拔锚固力发挥作用的方式与锚固剂环完整形态有关，即完整时的黏结作用和机械互锁作用，裂纹萌生后的部分黏结和机械互锁作用，完全破碎后的摩擦作用。全长锚固锚杆–锚固剂界面脱黏失效随中性点转移呈循环扩散式脱黏。     

隧道预应力锚杆锚固结构承载效应及围岩力学分析

隧道中锚杆与围岩作用机理比较复杂，设计多偏于类比法和经验法，以锚杆在连续均匀地层中形成锚固结构为出发点，建立锚固结构承载强度表达式，并确定锚杆设计参数。通过对锚固结构承载特性分析，得到各影响因素对承载强度的贡献程度，在此基础上提出了“支护力放大系数”和“锚固界限强度”概念，再将锚固结构整体考虑并等效成支护力对隧道围岩应力分布、塑性区、位移进行重新求解，最终结合数值模拟和算例验证。研究结果表明：锚固结构对锚杆支护力具有放大作用，对隧道深部围岩也提供一个较强的支护力，锚固结构强度影响程度由大到小依次为力学参数、锚固厚度、支护强度，其中力学参数对锚固承载强度起着至关重要作用，合理锚固厚度为洞径的0.4～0.8倍，进一步提出了围岩稳定性控制原则。数值模拟中锚杆支护、等效力支护与理论结果加以比较，隧道周边的塑性区、应力分布、位移基本一致，可为锚杆支护下隧道围岩控制提供一种科学的分析方法。     

深埋硬岩隧洞系统砂浆锚杆的加固机制与加固效果模拟方法

系统布置的砂浆锚杆是深埋硬岩隧洞主要支护结构,锚杆与围岩组成锚杆–围岩复合结构体,使围岩的力学特性得到改善。基于岩体的莫尔–库仑(M-C)屈服准则,推导锚杆–围岩复合结构体满足M-C准则的应力条件。结合岩体劣化本构模型,提出确定锚杆–围岩复合结构体力学参数的方法。锚杆与弹性围岩和屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数确定方法不同,锚杆与屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数与围岩当前状态的等效塑性应变有关。基于此提出一种模拟隧洞开挖支护过程中系统普通砂浆锚杆加固效果的数值方法。该方法能较好地模拟锚杆支护时机对围岩稳定性的影响。最后运用该方法对锦屏II级水电站2#引水隧洞围岩稳定性进行分析,为隧洞的施工和支护设计提供参考依据。     

地震作用下框架预应力锚杆边坡锚固结构的动力计算方法

目前对该结构的动力特性和工作机制的研究还不完善,为了能够准确、合理地对该新型边坡锚固结构地震作用进行分析与设计,深入开展其动力特性及抗震设计理论研究是非常必要的。在预应力锚杆锚固作用下,框架受力满足弹性地基梁工作原理,因此,采用Winkler弹性地基梁理论,建立地震作用下框架预应力锚杆边坡锚固结构的动力计算模型。考虑梁和挡土板的影响,推导出外框架–预应力锚杆–坡后土体三者协同工作的水平地震动力运动方程,获得解析解。最后,结合工程实例,采用本计算方法进行地震动力响应分析,并与数值模拟、振动台试验进行对比验证,结果吻合较好,表明提出的方法是有效、可靠的。通过对支护和未支护边坡分析发现该结构能够明显控制地震响应,抗震性能表现良好。提出的计算模型为框架预应力锚杆边坡锚固结构的地震动力分析与设计奠定理论基础。     

基于锚杆组群工作荷载无损检测巷道围岩稳定性研究

随着计算机技术和现代检测技术的快速发展,在巷道、硐室围岩稳定性的预测和破坏机理及其过程的损伤诊断中出现了一些智能的、动态的测试方法,如用电磁辐射、超声波、声发射和地质雷达等,使我们有可能直接测得矿山压力的变化规律这一围岩稳定的关键因素。依据围岩稳定性研究与实践知识,在基于锚杆无损检测的基础上,提出了判定和预测群锚结构围岩稳定性的一种新的方法：通过无损检测得到锚杆组群的工作荷载实时的对围岩稳定性作出评价。     

树脂锚杆波动机理与锚固承载力无损检测初探

煤巷锚杆支护技术在我国煤矿巷道支护中应用越来越广泛,但是目前对树脂锚杆极限锚固承载力的无损检测仍没有找到一种非常准确、有效地方法,因此进行锚杆极限锚固承载力的无损动力检测研究具有非常重要的现实意义。首先根据树脂锚杆的结构特点建立了锚杆的纵向振动力学模型,解析分析了锚杆非锚固端、锚固端的波动特征,得到锚固段锚固界面粘结刚度与锚固结束端的反射波能量的线性相关性,粘结刚度越高,锚固结束端的反射波子波数也越多,反射波能量越强;然后综合分析了锚杆锚固段的剪应力分布特征,得到了锚固段极限锚固承载力的计算公式;研究结果表明:采用瞬态激振弹性波法进行锚固段极限锚固承载力无损检测是可行的。     

边坡锚杆锚固系统固有频率及其参数影响分析

基于一定假定,建立了边坡锚杆锚固系统自由振动力学模型,获得了锚固系统固有频率及对应振型计算公式,通过算例,对比验证了理论计算公式的可行性;同时,还分别从锚杆长度、坡面附加质量以及刚度系数三方面开展了边坡锚固系统固有频率参数影响分析,探讨了之间内在规律：锚杆长度和值均对低阶固有频率的影响较小,而对高阶固有频率大小影响则较大;附加质量对锚固系统固有频率影响较小;边坡锚固系统在一定条件下具有线性振型固有频率。     

基于小波分析的砂浆锚杆锚固质量缺陷评价

对深基坑支护中常用的岩土锚杆进行锚固质量无损检测的关键是对采集的动态加速度曲线进行合理的分析。为此,分别设计了三种不同工况模型:无缺陷、一个缺陷和两个缺陷的锚杆模型。通过敲击试验,采集到加速度响应曲线后,利用Matlab程序在计算机上实现波形重现,然后采用小波分析等方法对振动波形进行对比分析,建立振动波形与各工况之间的内在联系,以反映锚杆锚固质量的三个度量参数,亦即一次行波周期、时频谱中的频率值和能量衰减程度。结果发现:通过时域波形和时频谱可正确反映不同锚固状态下的动力响应规律,即锚固质量越好,锚杆中应力波衰减就越快。     

锚固系统的质量管理与检测技术研究

岩石声波测试技术应用于锚固工程的无损检测中,其基本原理是采用动力瞬态激振使锚杆引起弹性振动,通过测定锚杆的振动响应来估计和推断锚杆中的缺陷。波动方程的有限元数值解表明,在锚杆灌浆体内部缺陷的探测中可用声速、幅值、波形等声参数作为判断的依据。人工神经网络这类非线性动力学系统运用于该灰色系统的质量预测可取得良好的效果。     

确定预应力锚索设计参数的优化方法

在水利水电工程建设中，通常采用预应力锚索（杆）加同不稳定边坡以改善其稳定性。然而，至今为止，对预应力锚固的设计大多过于保守，造成过多的工程浪费，锚固设计理论与方法有待于深入研究。通过对影响岩锚设计参数的因素分析，应用优化与决策理论，提出了岩锚设计参数的确定方法，建立了岩锚支护设计决策支持系统RSASYS，为工程设计人员进行岩锚设计提供了一种新的分析方法。实践证明该方法可行并可获得巨大的经济效益。     

隧道锚杆锚固质量的应力波检测技术研究

探讨了应力波检测锚杆锚固质量的原理,研究并开发了通过锚杆底端与顶端声幅比判断锚固质量的等级标准,通过隧道锚杆锚固质量检测项目中的具体应用,与传统的检测方法相比该方法具有明显的优越性,能够对正在或已经施工的工作锚杆进行检测,并且成本低廉、方便快捷,对结构不产生破坏。因此应力波无损检测技术应大力推广,为施工质量监督提供有效的检测手段,确保隧道工程的安全。最终应力波检测将成为锚杆锚固质量检测的发展方向。     

锚杆灌浆饱和度无损检测现场试验研究

结合锚杆锚固技术在岩土工程中的广泛应用,通过对锚固质量不同、长度不同的15根锚杆进行锚固质量的现场无损检测试验,进一步说明了锚杆锚固质量动测技术是一种方便易行、测试精度能满足现场技术要求的方法。     

爆炸波作用下预应力锚索受力特征研究

研究爆炸波作用下不同预应力锚索类型的受力特征对提高锚固洞室抗爆性能有着重要的意义。通过模型试验和数值分析,研究了在集中装药产生的爆炸波作用下两种类型预应力锚索的索端张力变化特征和锚索锚固段轴应变变化波形,探讨了两种锚索类型的预应力变化特征和规律,并得出几点有意义的结论。采用显式动力分析程序得出的计算结果与试验数据的吻合性较好,进一步证实了模型参数和建模的有效性和正确性。     

双锚固段新型锚索锚固机理数值分析及应用

为了探究双锚固段新型锚索的锚固机理,从结构形式入手,分析受力模式与设计计算方法,采用有限差分数值软件进行数值模拟,建立不同外锚固段长度、自由段长度及内锚固段长度双锚固段新型锚索数值模型。在外锚头段锚固力不断损失时,新型锚索三段长度变化对锚索各段轴力、灌浆体与孔壁之间接触面上的剪应力影响规律研究,并通过工程实例验证。研究结果表明:(1)当外锚头锚固力损失时,外锚固段轴力自外锚头处开始逐渐降低,外锚固段灌浆体与孔壁间剪应力自外锚头处开始逐渐发展;(2)将外锚头锁定的预应力进行卸载的过程中,量测内锚固段注浆体的应变基本保持稳定,表明外锚头施加的预应力已完全由外锚固段与孔壁间粘结力承担,避免了因外锚头失效导致的锚索预应力损失,整个锚固系统实现了反向自锁的功能;(3)外锚头锚固力损失相同时,外锚固段长度越短,自由段锚索轴力变化越大;(4)新型锚索自由段长度大4 m。研究结果对正确分析双锚固段新型锚索加固作用机理和锚固工程设计具有一定的参考价值。