在外部载荷下超声波在全长锚固锚杆中传播受缺陷影响的研究

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全长黏结锚杆在采矿工程中广泛应用,锚杆实际施工中不可避免的存在施工质量问题,例如锚杆与锚固剂出现脱空、锚杆长度不足和锚杆腐蚀等,或者由于天然节理等的存在,严重影响到锚固质量,从而危及岩体结构的安全。快速、有效地检测在不同载荷作用下锚杆的锚固质量及缺陷信息是至关重要的。因此,本文基于对超声导波传播特性的理论分析,并利用室内试验和数值模拟方法对在不同载荷作用(特别是围压和拉拔载荷共同作用)下的全长锚固锚杆进行载荷传递、缺陷检测和锚固质量研究,主要研究工作如下:(1)对超声导波的传播特性进行分析,求解导波频散方程,得到导波中群速度、相速度和波数的频散曲线,选出最优频率,为数值模拟提供理论基础;研制考虑围压作用且在锚杆拉拔过程中能对其进行应力波检测的试验装置,为试验工作提供条件。(2)利用自主研发的试验装置对锚固长度为1.5 m、直径分别为18、20和25 mm的全长锚固锚杆进行拉拔试验,评估了锚固剂固化时间分别为7、14和28天时锚杆直径和锚固剂固化时间对锚杆载荷传递行为的影响,分析拉拔过程中锚杆耗散能量情况。并利用数值模拟方法对锚杆拉拔过程中锚固系统的破坏过程进行计算分析,以弥补试验中无法观察到锚杆拉拔整个过程的不足。(3)对含有一个黏结缺陷的锚固锚杆系统进行拉拔和超声导波检测室内试验,分析含有黏结缺陷的锚杆中应力分布情况,并基于超声导波检测结果确定缺陷长度及位置,研究载荷作用下锚杆中导波传播规律,并量化分析锚杆锚固质量;考虑不同位置的黏结缺陷、锚杆长度不足和岩体中含有天然节理等情况,利用数值模拟方法计算导波的传播过程,分析载荷对导波传播过程影响的特征。(4)采用小波多尺度分解对在不同拉拔载荷作用下的全长锚固锚杆中超声导波检测信号进行处理分析,确定锚杆锚固质量。利用数值模拟方法分析导波在不同锚固长度下的锚固锚杆系统中的传播过程,研究不同载荷作用下锚杆的锚固质量。(5)在室内试验中,考虑围压作用,对锚杆进行拉拔及超声导波检测,分析在围压和拉拔载荷共同作用下超声导波在锚固锚杆系统中的传播规律,确定锚杆的锚固质量。最后基于数值模拟方法分析相同拉拔载荷不同围压、相同围压不同拉拔载荷下超声导波在锚固锚杆系统(无缺陷和含有缺陷)中的传播规律。
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