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–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。     

锚杆系统低应变动力响应的模型试验研究

在实验室制作了完整锚杆和不同缺陷锚杆系统模型,利用小锤锤击和超声波两种手段进行了室内模型实验,得到了相应的测试结果。通过分析认为,完整锚杆和有不同缺陷锚杆的时域响应曲线和频谱曲线有较明显的差别。用小锤激发的方式,由于各种因素的影响,杆底及缺陷反射信号不明显;而用超声波激发的方式,信号的噪声较小,杆底反射信号较明显,但缺陷处反射波较难判断。完整锚杆反射波的能量集中在较窄的频带上,而缺陷锚杆分布在较宽的频带上。     

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。     

锚杆系统动测信号的特征分析

利用实验室锚杆模型试验所测得的信号,采用现代信号处理技术对信号进行时频分析,得到具体、精确的信号特征。信号的短时傅立叶变换可在相平面表达信号的强度大小,并且杆底反射信号比较明显,但不能反映缺陷处的反射信号。另外,锚杆缺陷越多,反射信号的能量也越大。通过Wigner-Ville分布计算和分析,可得到信号的能量在时间和频率中的分布情况,不同损伤的锚杆的反射能量是不同的。通过与完整锚杆信号相比较可以发现信号变化的大致位置及变化的程度。小波分析提供了更多关于锚杆锚固质量的特征信息,更适合于处理锚杆系统有损伤情况下动测波形的识别。     

低应变应力波反射法在锚杆无损检测中的应用

简单介绍了国内开展锚杆无损检测的概况,论述了低应变反射波法进行锚杆无损检测的基本原理及其在锚杆无损检测中应用的现状,标准锚杆的制作、试验、锚杆缺陷分析判别的基本原则和方法,以供参考.     

车辆荷载对公路隧道结构及围岩动力响应研究

目前针对大直径盾构公路隧道在车辆随机动荷载作用下的动力响应特性尚缺乏深入研究。以南京长江隧道软土地层段为例,将仿真计算所得车辆随机动荷载施加于隧道有限元模型上,得到了隧道结构和隧道周围土体在随机动荷载作用下的动力响应规律,分析了车速、路面等级与隧道侧边土层等对动力响应的影响。结果表明,极端工况下隧道结构主应力呈对称分布,结构位移由左至右呈递减趋势;对于同一隧道截面,侧边土体动力响应最强,底部土体次之,顶部响应最微弱;土体距管片越远,应力响应峰值出现的时刻越滞后且响应值越小;车速越快、路面等级越差,土体动力响应越强;相同工况下,砂土的振动应力响应值要远大于软土对应值。     

应力波法锚杆加固无损检测的数值模拟分析研究

应力波法锚杆加固无损检测是一种快速、有效的无损检测方法。将锚固体中锚杆和砂浆近似看作各向同性体，应用复合材料的观点，建立砂浆锚杆在力学和物理上等效的一维匀质杆件模型，并确定了等效的工程常数。在一维杆纵向波动理论的基础上给出应力波在锚固体中传播的控制方程，对锚固体缺陷进行数值模拟，通过对控制方程的系数调整，模拟分析了不同缺陷的锚固体在冲击荷载作用下的动力响应。通过实际工程中模型锚杆的实测波形和数值模拟动测曲线进行比较分析表明，采用所建模型的理论分析结果能较好地反映实际锚杆瞬态纵向动力作用特征，激振力函数、等效参数、对锚杆纵向振动特征的模拟是有效的，对提高检测结果的准确性有较重要的意义。     

基于状态空间理论的结构动力响应解法

本文基于状态空间理论分析结构动力响应问题,根据结构动力学方程,引入系统的状态变量,建立状态方程,并给出非奇次状态方程的解。对干求解矩阵指数函数有多种解法。本文着重介绍凯莱—哈密尔顿法,状态空间迭代法和精细积分法。对结构动力响应问题按三种解法分别建立了计算格式,并编制相应程序。文末给出数值算例,其计算结果表明,状态空间法分析结构动力响应,其精度好,效率高,是一种非常有效的方法。     

浅埋地下结构中柱动力响应研究

阪神地震中地铁车站遭受了严重破坏。破坏基本都是由于中柱坍塌引起的,这表明中柱是浅埋地下结构抗震的薄弱环节。运用有限差分软件FLAC对地下结构中柱的内力进行静、动力分析,并对北京地区典型的地铁车站结构缩尺模型在地震作用下的中柱动力响应进行振动台试验验证,揭示中柱受地震力破坏的机理,为地下结构抗震设计提供依据。     

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。     

列车动载作用下锚索锚固力响应规律的研究

京石客专石家庄明挖隧道工程与既有京广铁路线近距离并行长达5km,既有铁路运营的长期振动必然对隧道支护结构稳定性造成影响。研究锚索锚固力动载响应规律、确定合理的锁定力值,是保证隧道支护稳定及铁路运营安全的关键环节。基于此,在石家庄隧道选取代表性区段,进行锚索锚固力长期监测现场试验。同时,利用FLAC-3D软件建立数值模型,分析总结锚索锚固力的动载响应规律。研究表明,在特定工况下,锚索支护结构存在-锚固力收敛阈值,仅当锁定力高于该值时,结构才是稳定的。锁定力在该范围内的变化对结构稳定影响不大。而当锁定力小于该值时,结构表现为对动载敏感。锚头位移随锁定力减小,呈抛物线函数关系增长,锚索应力变幅百分比随振源距离减小、振源强度提高而呈幂函数关系增长。以上规律部分地得到现场量测数据的证实。     

矿震监测定位系统的研究及应用

为确定矿震发生的时间、地点、震级，结合煤矿实际情况，研制一套国内首台具有自主知识产权的矿区千米尺度破坏性矿震监测定位系统。该系统采用在矿区地面布置4个子台，子台由三分向加速度传感器组成，拾取振动波信号。为保证4个子台矿震数据的时间精度，采用GPS网络授时作为时间基准，通过对振动波的频率、振幅等特征分析，对矿震波进行自动识别，排除放炮等振动信号。各子台矿震信号通过网络传输到中心测控机，中心测控机对各子台进行远程控制管理，监控各子台的工作状态。中心测控机对数据进行处理和分析，计算矿震发生时刻，通过振动波持续时间计算矿震震级，采用3种方法计算矿震发生位置。该系统可为矿井迅速准确组织救灾、减少损失提供依据。同时，通过对每天矿震发生的时间、次数、位置、震级进行统计分析，可对未来的矿震发生趋势进行预测。系统的运行情况表明，监测结果与实际矿震较吻合，定位结果小于规定的误差上限。     

底角锚杆在深部软岩巷道底臌控制中的机制 及应用研究

 底臌作为深部巷道围岩变形与破坏的主要方式,一直是煤矿深井开采及其他地下巷道工程中难以解决的问题之一,如何有效地控制底臌成为巷道支护中首要考虑的问题。通过多个试验巷道工程底臌控制措施的对比研究表明,底角锚杆技术对于控制底臌起到了积极的作用。运用三维数值模拟方法,研究底角锚杆在控制巷道底板变形中的力学过程,分析分步开挖下底角锚杆力学性能发挥的时间效应,从而提出底角锚杆控制底臌的工作机制。底角锚杆在控制底板变形中的作用,主要是通过成排置入底板的杆体,利用材料自身的抗弯刚度,切断底板基角部位的塑性滑移线,对于岩体结构为块状结构或块裂结构的深部软岩巷道支护工程,可以有效控制巷道底臌。同时,结合具体的深部巷道工程实例,针对巷道底臌的变形机制及变形特征,合理应用底角锚杆控制底臌技术,提出非对称设计方法,有效控制了底板变形,对于深部巷道底臌的控制及防治具有理论指导意义。     

岩层变形检测的植入式光纤Bragg光栅应变 传递分析与应用

 为研究深部岩层的变形及其发展过程,构建光栅–传感器结构–水泥砂浆–岩层的应变传递系统,根据光纤光栅传感器的应变传递理论,分析用于岩石检测的光纤、中间层和岩层力学参数对光栅应变传递率的影响,给出光纤光栅传感器及钻孔参数设计,为工程应用提供依据。研究表明,深孔岩层监测的钻孔直径宜选100 mm左右,光纤光栅传感器的临界长度为149.23 mm。将其应用于济三煤矿第四系松散地层沉降变形监测中,结果表明,光纤光栅传感器可对松散层的应变变化进行实时检测。     

锚杆耐久性现场试验研究

论述在17a前埋设于河南焦作市焦东煤矿现场的一批旨在研究应力腐蚀和化学腐蚀耦合效应的缩尺试验锚杆的腐蚀环境和腐蚀状况，对开挖出的缩尺试验锚杆的点蚀、坑蚀、失重、腐蚀速率和强度损失率等进行较全面的测试和分析，指出在中等腐蚀环境下，裸露缩尺锚杆（钢简体）的强度损失率约为14．0％，直径损失约为10．0％，截面积损失约为19．0％；其失重率极不均匀，最高者约为最低者的24．4倍；一根缩尺锚杆钢筋经过17a，其抗拉极限荷载，比使用年限为0的相同锚杆的低18．4％-22．2％。     

滚石作用下钢质管道动力响应分析及其应用

落石是导致埋地输气管道破坏的主要载荷形式之一,工程中需要解决落石对管道的动态响应问题,落石对埋地输气管道动力响应问题的本质是落石-土-埋地管道组成的体系在冲击荷载下的动力响应。利用LS-DYNA有限元软件,从管道内压、落石水平距离、管道厚度等方面对落石冲击荷载作用下埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟研究,得出了管道应力等变化规律。其计算结果对埋地输气管道的风险评估、设计和施工具有一定的参考价值。     

回采巷道锚杆动载响应的数值分析

采用二维快速拉格朗日程序FLAC，对回采巷道锚杆支护(端锚和全锚)进行地震动载模拟分析，得出锚杆轴力随动载作用时间的变化规律，同时发现锚杆安装角对轴力的动载响应有很大影响。在给定的模拟条件下，锚杆一般不会因为地震动载而失效，但锚杆需保留有一定的抗拉强度潜能．端锚和全锚对动载的响应不同，端锚支护巷道受动载的破坏较全锚小，表明动载巷道锚杆支护应采用端锚(或加长端锚)方式。     

预应力锚索的三维数值模拟及其应用研究

预应力锚索加固作为岩土工程的一种主要技术已得到日益广泛的应用,但现有的数值模拟方法却不能很好地反映这一实际加同效果。根据预应力锚索中自由段和锚固段不同的作用机理,建立了一种新的能够施加预应力的三维数值模拟方法。具体说来就是,锚固段采用空间杆单元来模拟,而自由段则采用一种三维杆单元,即只允许轴向变形、具有一个白由度、2个结点的线单元,其特有的双线性刚度矩阵只能承受单向拉伸或者单向压缩,而不能承受弯矩;当该单元选择单向拉伸时,单元一旦受到压力,则刚度矩阵自动被删除,这个特征能够很好地模拟钢索类问题。在此基础上,分析研究了在预应力的作用下锚索和岩体的受力变形特征及其影响因素,揭示了预应力锚索锚同的效果与机理。最后,将其应用于工程实践中,验证了该方法的有效性。     

压力分散型抗浮锚杆技术及其工程应用

结合实际工程，对压力分散型抗浮锚杆试验、设计、施工及检测方面的技术难点进行了深入的探讨。压力分散型锚杆，特别是U型环绕承载体锚杆具有良好的耐久性，锚固效率高，有利于地下结构的应力与变形协调，减少工程造价，作为永久性抗浮锚杆具有明显的技术优势。压力分散型锚杆仅在设计荷载下各单元锚杆承担相同的荷载，压力分散型锚杆的张拉试验应采用等荷载同步张拉方法。