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基于盒维数的锚杆锚固质量无损检测分析.pdf

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太原理工大学硕士研究生学位论文RESEARCH 0N NONDESTRUCTIVE DETECTl0N INANCHORAGE QUALITY OF ROCK BOLTS BASED ON THEBOX DIⅣ正NSIONAB STRACTBolting is more and more important in urban infrastructure constructionand the major projects,such as the subway、tunneling、bridges and minebuildings.The work condition of bolting plays a key role in schedule、securityand stability of the whole project.Consequently,it is indispensable and crucialto test the work condition of bolting and repair it on time.Impressive progresshas been made recently in bolt nondestructive monitoring.Nevertheless,themost important question,which keep their research findings from practicalapplication,remain unresolved.That is how to identify the bottom reflectionaccurately and quickly.In addition,the different conditions between laboratoryand engineering project Can not be ignored.Whether the existing theory canmeet the practical application is remain controversial.The present study paid attention to bolt nondestructive monitoring.Through a deeper research on the theory,we reexplored the propagation rule ofstress wave in bolt and made the indepth study in principle and applicablescope of fractal box dimension.Eventually,we put forward an appropriatemathematical computational model for box dimension.We programmed inMATLAB and obtained the curve correlation between box dimension and川万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文working load of rock bolt.The feasibility of this has been demonstrated.The results of the present study are as follows1We established the bolt anchoring quality uation system andproposed a to judge the quality of bolt anchoring using seven parametersattenuation coefficient,amplitude ratio,Effective anchorage length,theconsolidating wave speed,frequency ratio,fundamental frequency and thefundamental point of the dynamic stiffness.2We re-explored the fractal theory and the specific mathematical model ofbox dimension.Besides,the feasibility of the fractal box dimension applied tothe bolt nondestructive monitoring was demonstrated from the theoretical basisand applicable scope.3We established the mathematical model of fractal box dimension for boltnondestructive monitoring and programmed in MATLAB.The curve co.elationof box dimension and working load of bolting can be got by importing data tospecial software origin.4We obtained the same trend,increasing first and decreasing after thepeak,in the curve co.elation of box dimension and working load amongdifferent specimens.Although the value of box dimension is variant when thespecimens with the same anchorage parameter,the value of working load isconsistent when box dimension reaches the maximum.5We Can directly judge the anchorage quality and the ultimate load by thiscurve.The bolt is approximately in the elastic deation stage when the value万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文of box dimension located in fi ont of the peak value.The bolt is in anchoragefailure stage when the value of box dimension is equal or close to the peakvalue.KEY WORDSbolting,nondestructive monitoring,fractal,boxdimension,response curveV万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文VI万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文目录第一章 绪论l1.1本文选题的背景及意义l1-2锚固质量无损检测技术的发展历程21.2.1国外研究现状31.2.2国内研究现状51.3本文研究的主要内容6第二章锚杆无损检测理论基础92.1应力波理论基础92.1.1应力波传播理论及振动特征92.1.2应力波在锚固介质中的反射、透射.1 22.2锚杆锚固质量评价参数.1 52.2.1应力波的衰减系数和幅值比..152.2.2应力波的时域分析..172.2.3应力波的频域分析..182.2.4锚杆的锚固力和工作荷载..20第三章基于分形盒维数的无损检测理论基础.233.1乡子刀乡..233.1.1分形的性质.243.1.2分形维数及其计算方法.243.2锚杆无损检测引入盒维数评价体系的理论研究.273.2.1理论基础..283.2.2计算模型..283.2.3参数具体取值范围..29第四章盒维数计算程序的设计.314.1程序编写语言MATLAB简介314.2根据盒维数原理求分形维数的matlab程序324.2.1主程序..324.2.2子程序..344.3操作界面及计算步骤介绍.354.3.1界面介绍..364.3.2盒维数计算步骤..36第五章锚杆无损检测实验研究.395.1实验概述.395.1.1实验材料与设备..395.1.2信号采集系统..405.1。3锚固试件制作..425.1.4实验步骤..435.2光杆的实验研究及结果分析.445.2.1光杆的实验研究..445.2.2测试结果分析..51VlI万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文5.3锚固试件的实验研究及结果分析.515.3.1锚固试件的实验研究..515.3.2测试结果分析..575.4曲线对比分析.575.4.1曲线对比..575.4.2实验总结..58第六章结论与展望.596.1结{念..596.2展望.60参考文献61致谢一63硕士研究生期间发表的论文及参与的科研项目65VIII万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文1.1本文选题的背景及意义第一章绪论伴随着我们国家改革开放的快速步伐,全国各地都大兴土木,修建大量的桥梁、隧道以及地铁等公共基础设施,这些所有的工程都离不开锚杆以及锚杆锚固技术。锚杆锚固技术在工程界支护领域和安全稳定领域有着广泛的应用,尤其是在边坡加固工程、矿井巷道支护工程以及地铁隧道的支护等领域。结合实际工程中岩土的自身强度以及它的自我承受能力,合理的使用锚杆支护技术,可以良好的对工程结构的工作面起到共同承载的目的,加固了工作面的安全性和稳定性。利用锚杆进行锚固工程,使用起来方法简单,占用工作空间较少,施工周期较短,施工成本低廉,而且锚固结构稳定性好,在实际中解决了很多岩土工程问题Il】。锚杆锚固技术从提出之日起,就不断的在全世界范围内被广泛采用。锚杆支护技术的首次使用发生在英国,1872年位于英国北威尔士的一个露天煤矿使用锚杆支护技术进行了边坡加固工程,取得了很好的效果。这次大胆的尝试和近乎完美的工程效果推动了锚杆支护技术的发展。跟着英国的步伐,美国在1912年也对该技术进行了尝试,在本土一矿井巷道顶板的支护工程中使用了锚杆支护技术。1934年该技术首次在非洲国家得到推广,阿尔及利亚在当地的水坝建设加高工程中采用了该技术。1957年前西德Bauer公司将锚杆应用到了深基坑工程中,也取得了良好的实际效果。随着这些工程良好的实际效果被证实,现场的施工经验也成倍的增加,科学家们在实验室也对锚杆支护理论基础做进一步的研究,这些都推动了锚杆支护技术的成熟与不断地完善。锚杆作为工程实际中最重要的支护手段开始大量的应用于工程建设事业,这些基础设施建设事业也更加快速的发展了起来。国外锚杆锚固技术进行的如火如荼的时候,我们国家才开始了针对锚杆支护技术的尝试和研究。最早的时候是在安淮煤矿、湘潭锰矿、龙烟铁矿首次将锚杆作为支护技术进行尝试,并且取得了较好的成效。正是这一次大胆的尝试,拉开了我国学者对锚杆支护技术进一步研究的序幕。六十年代后期,我国科研学者结合我们的实际工程状况和施工条件,开发了普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护技术,在井下巷道工程、隧道工程和边坡工程中投入使用。早些时候在梅山水库坝基加固工程和北京高楼大厦基坑建设工程中1万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文采用了锚杆支护技术。后来随着改革开放不断的深入,我国的基础设施建设工程如雨后春笋般出现在祖国大地上,工程项目的增加,给锚杆锚固支护技术提供了广阔的施展平台,同时也使锚杆锚固技术得到了快速的发展。大量的工程实践活动的进行,除了改变了我们国家城市的面貌,在锚杆技术经验的积累上也有着很重要的促进作用。我们经过总结发现,工程在使用多年后会出现不同程度的变形和不稳定状况的出现,针对这些问题,科研学者们提出了一个新的研究领域锚杆锚固质量的检测。借鉴国外的先进技术和我们的实际情况,我国工程界主要使用的检测方法为破坏性检测方法,具体就是两种方法液压千斤项拔出测试法和钻孔取芯法12】。液压千斤顶测试法考量的锚杆的极限承载力,利用测出的承载力与极限承载力作对比,判断锚固质量的好坏。但是这种方法耗时费力,并且对较长锚杆无法进行检测131。在检测的时候会对具体锚杆周围的围岩形成较大的扰动,对整体锚固结构的稳定会产生重大影响,因此该方法只能进行部分局部的抽检,不可大范围使用。钻孔取芯法的操作步骤是这样的,利用取芯钻沿着锚杆的方向平行的钻入岩体,将附带着周围部分岩体的锚杆取出来,通过肉眼观察来判断锚杆的锚固质量。这种方法同样也是一个破坏性的检测手段,并且依然是耗时费力。很多时候受到实际围岩环境的限制,不可能成为常规的检测手段【4】。如上所述,传统的锚杆检测方法都是破坏性的检测,存在着很多的不足,只能作为抽查的检测手段,不能成为常规的检测手段在实际工程大量的进行使用。因此,我们必须找到一种新的检测方法,满足实际工程检测需要。首先该方法应当是非破坏性的,其次还应当更加的快速和准确,提高实际的工作效率。锚杆无损检测技术正是在这样的背景下被提出来,逐步的展开了研究,经过了四十多年的发展,结合桩基应力波检测理论基础15】,通过大量的检测测试工作,在实验室进行了工程实际模拟,采集到了大量数据,对数据进行了系统的分析和总结,找出了其中的关键问题,取得了不错的成果。将桩基应力波检测技术与锚杆无损检测技术结合起来做实际工程的检测手段,一方面解决了传统检测方法的不足,使得现场检测更加快速高效,另一方面为我们深入研究无损检测技术奠定了部分理论基础,指明了未来继续研究和深挖的方向。1.2锚固质量无损检测技术的发展历程无损检测,该方法最大的特点就是非破坏性的检测,对于检测物体整体的安全性和2万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文稳定性不会造成破坏。我们采用声学、电学等物理知识,对检测对象进行激发,采集需要的参数,进行稳定性的研究,然后判断其是否仍旧满足实际工程要求【6】。锚杆无损检测技术在理论上涉及到了传统的三大力学、断裂力学、物理学以及小波分析等基础学科。具体的研究方法是利用预先设计制作精良的采集设备,设置好相应的采集参数,对待检测的对象进行局部位置的激发,采集检测信号,然后利用计算机手段进行数据处理和分析,得出需要的参数数值情况,以此来判断锚杆锚固质量的好坏。该方法不光简单快速,而且不会对原有的检测结构造成破坏,有利的推进工程整体的进度,提高了工程的安全性和稳定性。1.2.1国外研究现状国外对锚杆锚固技术的研究开始与上世纪七十年代左右。通过了实验室理论基础研究和实验论证,在结合现场的工程实际应用,得到了如下的一些成果。1Boltometer锚杆无损检测仪这是历史上第一台用于锚杆无损检测的仪器,开发者是瑞典科学家Boliden MineralsAB。该仪器不光可以检测钢筋砂浆锚杆,而且也可以检测树脂锚杆171。具体的原理是首先利用压缩波或者剪切波激发待检测锚杆外露端头的传感器设备,会产生超声波,然后进入到锚杆锚固结构体系中进行传播。波形沿着杆体传播到底部后首先发生反射,然后波形会再次传到外露端头的传感器中,该设备会记录详细的波形曲线。将检测到的波形导入预先设置好相关程序的计算机中,进行波形幅值的分析,最终根据这个参数来确定锚杆的锚固质量。通过大量的实验数据采集和分析,发现了在锚杆锚固质量好的情况下,杆体内部的能量损耗是非常大的,能够采集到的反射波幅值是非常小的。但是当锚杆锚固质量差或者基本没有锚固的时候,能量在杆体内部几乎不会有太大的损耗,实验采集到的反射波的幅值比较明显的。作为第一代的锚杆质量无损检测仪,它极大的方便了实际工程检测人员的检测工作,但是也存在着很多明显的不足1信号激发非常不稳定,每次激发不可控,能量无法保持一致2采集到的波形的底端反射难以识别;3采集传感器与锚杆的端头无法做到完美的耦合,导致了许多干扰因素影响结果的稳定性;4激发产生的是超声波,该波具有能量衰减快的性质,无法检测较长锚杆。2基于超声波的锚杆荷载测试仪采用超声波技术测试锚杆锚固结构的工作荷载18】,美国矿业局于上世纪80年代对此3万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文开始进行深入研究,最终研发出了Bolt Mike和Raymond Bolt检测仪。新开发的检测仪器具有如下优点携带方便,操作简单,而且适用范围广,不局限在端锚锚杆。产品问世后,被用来在煤矿中检测全长锚固锚杆和端锚锚杆中的应力变化,能够测试出锚杆的长度,通过应力变化可以检测围岩的稳定性。但是由于超声波自身衰减太快的性质,我们在实际测试中无法在深度和长度上满足所有的工程实际应用。3锚固测试系统GIUNIT该系统是英国教授Rodger和实验室团队一起研发出来的。它的原理是’在锚杆外漏端头处安装加速度传感器,用冲击装置进行端头激发,产生振动波,波形在锚固试件体内部传播,用传感器记录最终从底端反射回来的信号。但是该测试系统具体的检测情况与实际应用前景一直没有被报道,只是在2002年的时候学者Lvanovic报道了有关应力与动态响应之间的关系。4频率响应函数法前面的很多学者都利用底端反射来研究锚杆锚固质量,但是底端反射总是难以识别的。针对这个集体难题,澳大利亚教授Djordjevic作了大量的实验研究,最终提出了新的方法频率响应函数法。在他研究看来,某一个具体测试信号的频谱与输入信号的频谱比就是频率响应函数。通过理论分析得出随着锚杆锚固质量的增加,频率响应函数的数值是逐渐减小的。光杆的频率响应函数数值是最大的,锚固质量好的锚杆的频率响应函数的数值是最小的,其他锚固质量的锚杆的频率响应函数数值应该是介于二者之间的某一个数值。但是该方法也有它自身的局限性当锚杆较长的时候,锚固质量的分辨率很低,并不能准确判断。5超声导波法过去研究方法中激发的信号波总是存在衰减过快的问题,因为导波可以克服衰减太快这个问题,所以伦敦大学帝国学院提出了采用导波法对锚杆锚固质量进行研究。在Pavlakovic基础上,Beard等人开发了程序Disperse,以此来计算波的散射情况,并且将它合理的在锚杆无损检测中使用,模拟出了最佳的激发波。但是由于当时的计算机技术并不是很先进,很多模拟的条件设置并不能满足实际工程的状况,最终得出的结论与实际有一定的偏差。4万方数据
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