锚杆工作荷载和振动基频的关系

通过理论分析和试验验证,在承载条件下,锚杆的工作荷载与其在激发荷载作用下振动基频成三次幂函数关系,随着工作荷载的增加,在首个振动周期内,锚杆固端反射幅值与首波幅值之比呈逐渐减小趋势,底端反射幅值与首波幅值之比成逐渐增加趋势,提出了一种在工程实践中无损、实时检测锚杆工作荷载的方法。     

锚杆工作荷载实时检测技术研究

理论分析和实验室实验表明,在承载条件下,锚杆的工作荷载与其在激发荷载作用下振动基频成三次幂函数关系。随着工作荷载的增加,在首个振动周期内,固端反射幅值与首波幅值之比呈逐渐减小趋势,底端反射幅值与首波幅值之比成逐渐增加趋势。提出了一种在工程实践中无损、实时检测锚杆工作荷载的方法。     

抗拔荷载作用下锚固体与岩土体界面剪切作用

为了加深对锚固机理的研究,通过建立锚杆在受到拉拔荷载作用下锚固体界面侧阻力产生软化的数学模型,分析了锚固体与周围土体界面分别处于弹性状态、塑性状态、部分进入滑移状态、全部进入滑移状态4个阶段锚杆的轴力、位移和锚固界面剪应力,推导了锚杆产生松动的临界荷载、拉拔荷载与松动长度的关系及锚杆极限抗拔荷载的理论公式。结果表明,当锚杆在受到拉拔作用后滑移破坏首先在端部产生,然后荷载向锚杆里端传递,致使锚固体进一步破坏;根据拉拔荷载与锚杆松动长度之间的关系,当锚固体界面的侧阻力大于临界滑移的侧阻力时,在拉拔荷载作用下锚杆表现为渐进性破坏,当锚固体界面的侧阻力小于临界滑移的侧阻力时,则为突发性破坏。     

锚杆锚固段极限抗剪强度参数试验

锚杆支护是地下工程稳定围岩的有效支护手段之一,围岩与锚固体界面之间的极限抗剪强度参数确定对锚杆支护设计有重要的工程应用价值.为了在锚杆设计中能方便准确的确定锚固层的抗剪强度,基于弹塑性理论,建立了锚杆在拉拔力作用下的理论模型,推导了锚杆作用过程的荷载传递函数,得出了锚固层界面的极限抗剪强度参数与锚杆拉拔试验曲线之间的理论关系式,确定了煤矿巷道锚杆支护树脂锚固剂与煤岩体之间的剪切强度参数.结果表明:利用锚杆拉拔试验曲线,可以很方便求得锚固层黏结强度以及锚固层界面剪切刚度系数,为锚杆支护设计提供参考依据.     

锚杆锚固质量应力波检测的固结波速探索

准确便捷地获得固结波速是检测与评价锚杆锚固质量的基础。为此,基于波动理论和应力波检测原理,建立端锚锚固系统在激振力作用下的振动模型,获得涵盖固结波速的系统振动响应表达式,得到振动位移在时空上的分布规律。结果显示:锚固段的固端振动明显、底端振动微弱,将应力波检测的固端振动位移代入振动模型,反求固结波速,避开了必须通过识别底端反射信号来获取固结波速的技术难题。利用正交试验研究了锚固段长度与直径、自由段长度、锚杆直径以及锚固材料等锚固参数对振动模型的影响程度。重点分析不同锚固段长度下,固结波速与固端振动峰值间的变化规律,显示两者间存在单调关系,证实了通过固端振动标定固结波速的可靠性。     

基于声波测试的锚杆锚固质量检测信号分析与评价系统实现

基于声波检测的锚杆锚固系统在受荷载条件下的声学特性,结合试验研究表明：锚杆锚固质量的优劣可用固结波速和锚杆工作荷载这两个参数来评判。固结波速确定的关键在于对锚杆底端反射信号的识别,采用小波分析方法处理检测信号,发现应用“db4”小波对检测信号进行4尺度或5尺度分解后,其最高频重构信号的第二个“波浪”的开始点所对应的时刻即是原始信号的底端反射时间点。采用自适应滤波法用参考信号对检测信号进行逼近得到完整的底端反射信号,表明这两种方法有很好的一致性。锚杆工作荷载是检测信号基频的三次方函数,通过频谱分析获得了信号基频。结合上述分析方法以Matlab为开发平台编写了锚杆锚固质量无损检测信号分析系统并应用于实践,实现了锚杆锚固质量的智能评价,提高了分析精度。     

全长锚固锚杆拉拔试验研究

支护设计最基本的指标是支护能力,即支护的最大承载力.锚杆的支护能力是锚杆对围岩的最大锚固力,由于锚杆在岩土介质中受力的复杂性、多变性,因此锚固能力的计算十分困难.工程中常用拉拔试验来确定粘锚能力,但由于拉拔试验时锚杆体上的粘结剪应力分布与锚杆实际工作时不同,拉拔力并不能作为锚杆的粘锚能力.研究认为,可根据拉拔试验和锚杆的实际承载状态下载荷分布规律的不同,得出最大拉拔力和锚固力之间的关系,为正确地利用拉拔试验来检验锚杆安装质量和评估锚杆锚固能力提供理论依据.     

基于FLAC~(3D)精细化模拟锚杆横肋对锚固力的影响

运用Midas/GTS-FLAC~(3D)耦合建模手段,建立圆钢锚杆和螺纹钢锚杆模型,通过FLAC~(3D)数值模拟软件,研讨锚杆横肋作用机理,对比分析锚固状态下圆钢锚杆和螺纹钢锚杆在荷载相同时的锚杆-锚固剂-围岩三者之间的力学关系及变形情况。发现2种锚杆轴向应力随着深度的增加逐渐减小且当2种锚杆处于相同埋深时,圆钢锚杆的轴向应力略大于螺纹钢锚杆,所得结果与文献[1]做的相似材料模拟试验结果基本相同,因此可以通过FLAC~(3D)数值模拟软件建立的数值模型,作为深入研究横肋与锚固剂作用关系、锚固剂破坏规律以及不同岩性中锚杆横肋参数选择的一种参考办法。     

锚杆锚固区承载层范围影响因素研究

针对锚杆支护中锚固区承载层范围与其影响因素之间的关系问题,采用理论分析与数值模拟开展了相关研究。首先,采用理论分析明确了锚杆锚固区承载层厚度b与锚固承载层边界的支护强度P_ib呈正比关系,即锚固承载层越厚巷道围岩越稳定;其次,采用FLAC^3D数值模拟软件分析了预紧力分别为50、100、150、200 kN,锚杆间距分别为0.8、1.0、1.2、1.5m时锚固区承载层厚度和体积的变化规律。研究结果表明,随着锚杆预紧力的增加、锚杆间距的减小,锚固区承载层的厚度和体积也随着增大;锚杆预紧力与锚固区体积呈指数关系;锚杆间距存在临界值,当间距大于该临界值时锚固区体积急剧下降。研究成果可为锚杆支护参数设计及工程技术开发提供理论依据与参考。     

超声导波在锚杆锚固体系中传播规律的研究

通过理论分析与实验测试,研究了超声导波在锚杆锚固体系中的波动能量的外泄特征,研究了超声导波在锚杆、锚固介质及其耦合体系中的传播规律,为锚杆锚固质量的无损检测提供了重要的理论依据。     

一种全新矿用高弹性联轴器动态性能的研究

用试验和理论相结合的方法,提出了建立新型矿用高弹性联轴器恢复务动态模型与参数辨识方法和技术,由此建立其恢复力学数学模型,用此模型研究和描述联轴器动态特性,研究表明,弹性恢复力是非线性单值力,是刚度函数的函数,阻尼力是双值非线性力,是阻尼函数和阻尼成分函数的函数,阻尼成分函数和阻尼函数概念的,使得模型能反映阻尼成分的组成和阻尼的大小变化规律,能全面地揭示联轴器中阻尼的变化情况,滞回线的形状和宽窄由模型中参数控制,这种联轴器的阻尼成分丰富,既有粘性阻尼,又有干摩擦阻尼的“高阶”阻尼。通过研究了解了联轴器的动态特性,为设计宽频多工作区奠定了动力学基础。     

吸能防冲锚杆索-围岩耦合振动特征与防冲机理

为提高冲击危险巷道防冲支护的有效性,研发了由内置六角管衬里的吸能套筒、端部设有摩擦圆柱的螺纹钢锚杆、钢绞线锚索与锚杆尾部吸能装置组成的吸能锚杆索。将吸能锚杆索中吸能套筒的作用简化为设置在锚杆底部并联的弹簧与阻尼器,建立了吸能锚杆索-围岩在冲击载荷作用下的三维轴对称力学模型。对黏性阻尼围岩中吸能锚杆索与围岩耦合振动时锚杆顶部动力响应进行了解析研究,获得了锚杆顶部的位移阻抗函数的解析表达。结果表明:在相同频率的冲击载荷作用下,锚杆顶部位移振荡幅值随着围岩黏性阻尼、围岩强度、锚固长度以及锚杆底部阻尼的增加而衰减。采用吸能锚杆索支护时,吸能套筒能够吸收一部分作用在锚杆锚固岩体上的冲击能;后注浆全长锚固增强了支护系统抵抗纵向变形的能力;尾部吸能装置能够削减冲击波的发射拉伸作用;支护系统在冲击载荷作用下的稳定性得到显著提高。在此基础上,初步阐述了吸能锚杆索支护系统的"缓冲-抗震-消波"吸能防冲机理。     

横向激振力作用下锚杆动力响应分析

在锚杆无损检测技术中主要是根据测定锚杆的动力响应信号,从而计算出锚杆锚固质量的各种参数。建立锚杆横向振动力学模型,采用ANSYS数值模拟的方法,对锚杆支护系统进行瞬态动力学分析,确定了系统中锚杆工作载荷、刚度阻尼系数和采样位置的不同对锚杆横向振动响应信号的影响规律。     

横向简谐荷载作用下端锚黏结式锚杆黏结性试验研究

由于采动荷载和爆破荷载对已有支护锚杆产生影响，因此迫切需要研究锚杆在动荷载作用下的微观力学特性及黏结性变化。从工程实际出发，现场监测锚杆工作状态下轴力变化和爆破荷载作用下锚杆周边围岩振动信息，并开展探索性室内试验。通过室内试验获得锚杆在轴向荷载作用下横向固有频率振动后的振动强度与工作龄期耦合作用下锚杆黏结性衰减规律的拟合计算式。研制了横向简谐荷载作用下端锚黏结式锚杆模型试验装置，采用均匀设计方法，考虑锚杆长度和锚杆直径两个影响因素，通过动态监测系统获得了横向简谐荷载作用下锚杆应力沿锚杆长度的分布规律、锚杆应力分布与拉拔力的关系，以及剪切应力与位移的关系。最终采用大型有限差分软件FLAC3D，建立了锚杆与围岩相互作用的力学模型。     

车辆荷载作用下岩石地下硐室顶板厚度分析

将车辆荷载简化为移动的简谐作用力,地下硐室顶板简化为单位宽度的简支粱,得到车辆荷载作用下岩石地下硐室顶板的顶板-车辆简谐力模型,分析了模型在无阻尼、阻尼为无穷大、一般阻尼以及车辆固定在模型跨中的动力响应。结果表明：对于匀速移动的车辆简谐荷载情况,仅考虑基本振型当共振发生时,动力放大因子将取决于车辆移动的速度,速度越慢,通过全梁的时间越长,振动反应越大;阻尼无穷大时,发生共振时的最大振幅只有在无阻尼情况下的一半;在一般阻尼情况下,动力放大因子取决于阻尼比的大小;匀速移动简谐力作用下动力响应只有固定于跨中的简谐力作用下的动力响应的一半。针对顶板跨中作用有车辆荷载,车辆简谐力角频率等于06倍基频时做了具体计算,得到了车辆作用下的动挠度、动弯矩、动剪力以及跨中位移与弯矩放大系数以及支座剪力放大系数。以瓮福磷矿穿岩矿段地下硐室顶板为例,分析了地下硐室顶板的稳定性与最小顶板厚度,研究表明：顶板高度为4 m时顶板稳定,顶板的最小安全厚度为353 m。     

间歇性动态剪切作用下泥质夹层剪切流变特性

动力反复扰动作用是驱动岩体渐进失稳的重要影响因素,为研究爆破振动对岩体软弱结构面的影响,进行了动态剪切力间歇性循环作用下泥质软弱夹层的扰动流变试验,对比分析了试样的单纯剪切流变、单纯循环动态剪切和间歇性动态剪切作用下流变变形特征。研究表明,软弱夹层试样在流变过程中,受动态剪切力间歇性循环扰动时,若初始剪应力水平和动态循环剪切应力峰值均较低,动力扰动对试样流变过程可能无明显的影响。而若初始剪应力水平较接近其剪切强度时,微弱且长期作用的动力扰动也可以加速其流变变形过程。循环动态剪切间歇性扰动作用下试样最终发生流变破坏时,存在一应力状态门槛值,该值由静态剪应力和动态剪应力峰值之和确定。对于受泥质夹层等流变性软弱结构面控制且受爆破振动长期影响的岩质边坡,应进行瞬态动力稳定性和长期动力稳定性的综合评价。     

预应力锚杆弹性波检测原理与应用

为了提高锚杆支护施工质量和降低垮巷冒顶事故发生率,综合振动理论和数值模拟技术研究了预应力锚杆弹性波检测技术,对于预应力锚杆的无损检测起到极大的推动作用．建立了与无预应力锚杆不同的预应力锚杆纵向振动力学模型,得出了影响锚杆时域波形、频谱曲线的几个主要锚固参数,采用ANSYS／LS-DYNA软件模拟了预应力锚杆在脉冲激励作用下的动态响应,分析了预应力锚杆动态响应与无预应力锚杆动态响应的异同,揭示了预应力、锚固段对锚杆动态响应的影响规律．现场测试结果表明,检测精度可以满足工程施工质量的需求．     

基于离散元的动载冲击地压巷道围岩稳定性分析

本文以陈家沟煤矿8514工作面为工程背景,针对目前动载作用下的巷道变形失稳等问题,借助离散元程序UDEC揭示动载作用下巷道围岩的响应特征,分析了不同距离动载对巷道稳定性的影响。数值模拟结果表明:底板变形破坏范围会因动载与巷道顶部距离减小而增加,两者呈正相关关系,但动载与巷道顶部距离对两帮和顶部变形破坏范围影响较小;动载作用下,巷道震动速度类似于正弦波的形式逐渐衰减并且存在峰值。文章研究结果旨在为动载作用下冲击地压巷道围岩稳定性分析提供相应的理论支撑。     

新型磁流变智能隔震器的动态力学性能试验与模型研究

为了设计制作基于土木建筑结构振动控制的新型磁流变智能隔震器,对隔震器设计的关键技术、隔震器的动态力学性能试验及模型的参数识别进行了研究。研究结果表明:磁流变胶工作缸、磁流变弹性体工作缸分别具有高频抗冲和低频减振特性,即在高频、小振幅情况下,具有小阻尼、低动刚度的特性,从而克服传统隔震器出现的刚度硬化现象;在低频、大振幅时,具有大阻尼、高动刚度的特性,从而具有更大阻尼力,具有可进行位移控制的优势;通过对隔震器采用基于单轴模型的智能隔震器动态力学模型进行参数识别,得到了与试验结果相吻合的新型磁流变智能隔震器的力学模型。