（安全技术及工程专业论文）反射波法评价锚固质量的BP神经网络研究.pdf

a b s t r a c t r o c kb o l t sn o wu s e dw i d e l yi nt h ew o r l d ，s u c ha st u n n e l i n g ，m i n i n g , h i g hs l o p e a n dd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o ne t c h o w e v e r i no u rc o u n t r yn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g o fr o c kb o l ts y s t e mr e m a i n e di nu s i n gt h eh y d r a u l i cj a c k sf o rd e s t r u c t i v ep u l l - o u tt e s t p h a s e t h i sm e t h o dw a s t e dt i m ea n dw o r k , i tb e l o n g e dt od a m a g ed e t e c t i o n t h e r e f o r e ，s e a r c h i n gf o raq u i c k l ya n da c c u r a t e l ym e t h o do fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n go f r o c kb o l ts y s t e mw a sb e c o m i n gt h et o pp r i o r i t y s t r e s sw a v er e f l e c t i o nm e t h o dw a su s e dw i d e l ya th o m ea n da b r o a d ，b u ti tw a s s h o r to fc o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a ls y s t e ms u p p o r t , n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm a i n l y r e l i e do ni n s p e c t i o np e r s o n s e m p i r i c a lj u d g m e n t s ，a n di t c o u l dn o tb ea c c u r a t e l y j u d g e db e c a u s e o ft h ei n t e r f e r e n c eo fe x t e r n a lf a c t o r s t h e r e f o r et h i sp a p e ru s e db p n e u r a ln e t w o r kf o re v a l u a t i n gt h eq u a l i t yo fr o c kb o l ts y s t e ma n da c h i e v e dt h e f o l l o w i n gr e s u l t st h r o u g hl e a r n i n ga n dt r a i n i n g al a r g en u m b e ro fm e a s u r e d w a v e f o r m ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n go fr o c kb o l t s y s t e mb a s e do nt h em e t h o do fl o w s t r a i n s t r e s sw a v er e f l e c t i o n ，if o u n dt h e l i m i t a t i o no ft h i sm e t h o d i d e n t i f i e dt h el i m i t a t i o ns u c ha sd i f f i c u l tt oi d e n t i f yt h e b o t t o mr e f l e c t i o na n dd i f f i c u l tt oj u d g et h el e n g t ho fb o l t ，ip r o p o s e dt h em e t h o do f u s i n gt h er e f l e c t i o nw a v e - s h a p e dc u r v e ，d i v i d e dt h e s ec u r v e si n t o1 6l e v e l si nt h e s e t i m ed o m a i nd k e c t i o n ，t h e nig o tas e to fr e f l e c t i o na m p l i t u d ea r r a y it o o kt h ea r r a y a st h ef a c t o r so fj u d g i n gt h eq u a l i t yo f r o c kb o l ts y s t e m ( 2 ) i nt h es a m et r a i n i n gc o n d i t i o n s ( i n p u tv e c t o r sa n dt h en u m b e ro fn e u r o n so f t h en e t w o r km o d e l ，e t c ) ，c o m p a r e dt h ee r r o rc u r v e sw i t ht r a i n g d m ，t r a l n g d a , t r a i n l m a n dt r a i n s e ga l g o r i t h m sa f t e rt r a i n i n g2 0 0s t e p s ，if o u n dt h a tt h en e t w o r kh a dv e r yf a s t c o n v e r g e n c es p e e du s i n gt h ec o n j u g a t eg r a d i e n ta l g o r i t h m ，a n di tw a s s u i t a b l ef o r t h e c o m p l e x b pn e u r a ln e t w o r k ( 3 ) i nt h i sp a p e r it o o kt h ea m p l i t u d ev a l u e so f9 0 - g r o u pr e f l e c t i o nw a v e - s h a p e d c i u v e sa st h e l e a r n i n gs a m p l e sa n dt h ea m p l i t u d ev a l u e so f2 0 一g r o u pr e f l e c t i o n w a v e - s h a p e dc r a v e sa st h et e s ts a m p l e s ，c h o s et h ec o n j u g a t eg r a d i e n ta l g o r i t h mf o r t h eo p t i m i z a t i o no fb pn e u r a ln e t w o r k , f o u n d e d1 7 - 1 3 4b pn e u r a ln e t w o r km o d e l t h r o u g hs t u d y i n ga n dt r a i n i n gt h es a m p l e so f9 0 g r o u p ，t h et r a i n i n ge r r o ro fn e t w o r k h r e a c h e d0 0 0 9 9 5 8 8 8a f t e r2 2 0s t e p s ，a c h i e v e dt h e9 0 a l0 0 1o f 打a i n i n gr e q u i r e m e n t s i t o o kt h es a m p l e so f2 0 - g r o u pi n p u tt h eb pn e u r a ln e t w o r kf o rp o s i t i v eo p e r a t i o n ，g o t t h eq u e r yc o d e so fr o c kb o ns y s t e m c o m p a r e dw i t ht h ea c t u a lq u a l i t yc o d e so fr o c k b o l ts y s t e m ，if o u n dt h a tt h i sb pn e u r a ln e t w o r kh a dag o o dr e c o g n i t i o na c c u r a c ya n d d e f i n i t ev a h i e k e yw o r d ：t h eq u a l i t yo f r o c kb o ks y s t e m ，s t r e s s w a v er e f l e c t i o n m e t h o d ， d i s c r e t i z a t i o n , b pn e u r a ln e t w o r k , t r m n s c g h i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学 位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 3i 研究生( 签名) 黜 导师( 签名嗝给日期加5 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 锚杆锚固技术的发展 当前，锚杆锚固技术正广泛应用于隧道地铁支护、采矿巷道支护、边坡加 固等大型建设工程中。岩土锚固有利于保护地层的固有强度，改善地层的力学 性能和应力状态，减小结构物体积，显著节约工程材料，并确保施工安全与工 程稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而世界各国都大力发展岩土锚固 技术【1 1 。 早在1 8 9 0 年，北威尔士的煤矿加固工程，最先出现用钢筋加固岩层，1 9 0 5 年美国矿山中也出现了类似的钢筋加固工程。1 9 1 8 年，波兰将岩石锚杆用于m i r 矿。1 9 3 4 年在阿尔及利亚切尔伐斯坝加高工程中，首先采用承载力为1 0 0 0 k n 的 预应力钳杆来保持加高后坝体的稳定：在稍后的时间里，印度的坦沙坝、南非 的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希坝也向样采用预应力钳 杆加固。1 9 5 7 年前德国b a u e r 公司采用土层锚杆。2 0 世纪7 0 年代，英国在普莱 姆斯的核潜艇综合基地船坞的改建中，广泛应用地锚以抵抗地下水的上浮力。 目前，国外各类岩石锚杆己达6 0 0 余种，每年的使用量达2 5 亿根【3 , 4 1 。 我国岩石锚杆起始于5 0 年代后期，当时有京西矿务局安滩煤矿、河北龙烟 铁矿、湖南湘潭锰矿等单位使用楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代，我国 开始在矿山巷道、铁路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射混 凝土支护。1 9 6 9 年，我国海军某大跨度地下工程首先采用大锚杆加固4 0 m 的岩 墙，比原计划的钢筋混凝土边墙支护节约投资2 5 0 万元，并缩短了工期，提高 了工程质量。进入8 0 年代后，把锚杆、喷射混凝土支护与现场监控量测、信息 反馈技术巧妙地结合起来，建成一批复杂和困难地质条件下的隧洞工程( 金川 镍矿巷道工程、张家洼铁矿巷道工程、舒兰煤矿巷道工程、军都山双隧道工程 等) 。1 9 8 7 年以来，厦门、深圳等地的一些建筑物旁的永久性边坡采用锚固技术， 有效地维护了工程的长期稳定1 z 5 , 6 , 7 1 。 目前，国内的岩土锚固技术发展非常迅速，差不多涉及了工程建设领域的 各个方面，如矿山巷道、铁路隧洞、地下硐室支护、边坡加固、坝基稳定、深 基坑支挡、结构抗浮与抗倾、悬索建筑的地下受拉结构等等，都与岩土锚固技 武汉理工大学硕士学位论文 术密切相关。锚固技术由于工艺简单、用途广泛、价格低廉等等优点，在工程 建设领域展示出旺盛的生命力。 1 2 锚杆锚固质量检测问题的提出及研究意义 1 2 1 问题的提出 随着锚杆锚固技术在大型建设工程中的广泛应用，其使用范围从结构较完 整的围岩到破碎、松软岩体中的地下结构，直至煤层、土体中的结构，特别是 在较软弱的岩体中，它具有其他支护形式难以比较的优越性。但是，锚杆施工 大多为隐蔽施工工程，不仅受到岩土地质条件、场地条件等因素的影响，还取 决于锚杆锚固施工工艺与管理水平，往往存在各种各样的潜在缺陷使得锚固施 工质量难以达到设计的要求，从而因为质量问题发生工程事故，造成了重大的 经济损失。四川的宜宾悬索桥垮塌事故正是由于锚索的失效而导致的灾难性后 梨跏切。 目前，我国锚杆锚固质量及其受力状态的检测方法多数停留在利用液压千 斤顶进行破坏性拉拔试验阶段，这种检测方法费工费时，同时该方法属于有损 检测，容易造成锚杆锚固作用的减弱。所以，寻找一种快速准确科学的锚杆锚 固质量无损检测技术成为当前锚杆锚固质量检测的首要任务。 1 2 2 研究意义 锚杆无损检测是针对传统拉拔试验检测锚杆锚固质量方法的缺陷而提出 的，通过对锚杆锚固系统的理论研究、实验分析，找出一种快速有效科学的锚 杆锚固质量检测手段，能够解决现场专家不足的问题，早期发现结构潜在的缺 陷，减少判断故障的时间，避免或减少事故的发生，对带伤结构的剩余寿命进 行科学的评价，保证结构的安全性，满足当前岩土锚固工程中急需解决的难题。 锚杆锚固无损检测技术的应用，可以完善锚杆锚固质量的检测理论，将岩 土工程、检测技术等多种学科结合起来，改进了检测工具和分析软件，为岩土 锚固工程的施工、检测、管理提供科学的理论根据，对锚杆锚固在工程的应用 有一定的推广作用和带来巨大的经济效益。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 锚杆无损检测技术的研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 3 1 1 超声能量损耗法 1 9 7 8 年，瑞典的h f t h u r n e l - 1 1 3 l 提出一种利用超声波检测砂浆锚杆锚固质量 的方法，即超声能量损耗法，通过检测入射波能量与反射波能量的不同来判断 锚杆的注浆密实度。1 9 8 0 年，g e n d y n a m i k a b 公司根据该原理研制了b o l t o m e t e r 锚杆锚固质量检测仪。但是超声能量损耗法存在许多问题：( 1 ) 传感器和锚杆端 头面必须保持非常好的耦合状态，给实际的工程应用带来了许多不变之处；( 2 ) 锚杆锚固系统对超声波能量的吸收使得该仪器检测的锚杆长度较短；( 3 ) 利用不 同锚杆的底端反射幅度比去评价锚杆锚固质量是不可靠的；( 4 ) 仪器价格较高， 造成了在工程应用中成本的增加，从而无法大规模的对锚杆锚固质量进行检测。 l 312 导向超声波法 英国伦敦大学的m d b e a r d ( 1 4 】博士等人提出了利用导向超声波法评价锚杆 锚固质量，通过分析信号相速率、能量速率、衰减系数的频散曲线，综合考虑 了影响测试结果的主要因素：围岩岩石模量、环氧层模量、锚固质量等，从而 得出了超声波在高频和低频时最为理想的激振频率，并且研制了一种专门的激 振传感器。 1 3 1 3 冲击法 早在二十世纪八十年代初，英国a b e r d e e n 大学工程系就开始了锚杆锚固质量 检测技术的研究。1 9 9 7 年，r o d g e r l l 5 】开发了锚固质量检测系统g i u d q l t ，在锚 杆外露端头使用冲击装置进行激振，利用加速度传感器接收从锚杆缺陷处以及 底端反射处的信号。有关利用该系统评价锚杆锚固质量的相关文献未见发表， 但是在2 0 0 2 年，i v a n o v i c 1 6 】发表了关于锚杆中的应力与锚杆动态响应之间的关 系的文章。 1 3 1 4 超声波锚杆载荷测试仪 二十世纪八十年代初，美国矿业局s t e b l a yb 开始研究利用顶板锚杆粘结力 3 武汉理工大学硕士学位论文 测定仪【1 7 1 9 l 检测锚杆( 主要是端锚锚杆) 中的载荷，主要的研究目的是开发一种适 用于全长锚固锚杆、部分锚固锚杆和端锚锚杆中的锚固质量无损检测方法，并 于1 9 8 8 年研制了测试仪器。1 9 9 0 年t a d o l i n i 发表了关于采用该仪器检测全长锚 固锚杆和端锚锚杆中应力的文章，使用该仪器可以检测锚杆的长度，通过检测 锚杆锚固系统中的实时应力可以监控围岩及边坡稳定性。 1 3 1 5 频率响应函数法 由于锚杆锚固质量无损检测中识别底部反射比较困难，所以澳大利亚 q u e e n s l 觚d 大学的功o r d j e v i c 教授提出利用锚固锚杆的频率响应函数m 2 1 】评价锚 固质量的方法，将测试信号的频谱与输入信号的频谱比作为频率响应函数。虽 然现阶段还没有进一步的进展发表，但是该方法的固有缺陷是锚固质量分辨率 不高( 特别是当锚固长度较长时) 。 1 3 1 6 共振频率法 1 9 9 9 年，v r l d j i a n 2 2 l 提出利用共振频率法描述有效锚固长度的方法。实验室 用不同锚固长度锚杆进行实验，实验显示共振频率和锚固长度具有线性关系， 但是目前却未见进一步的相关报道。 1 3 1 7 电磁技术 ( 1 ) 穿地雷达法：岩土建筑工程中，穿地雷达成功地用于探测混凝土中的钢 筋，甚至可以确定钢筋是否锚固完好。该方法最主要的缺陷是检测深度不够， 一般小于l m 。 ( 2 ) 天线法：把锚杆作为一个天线，1 9 9 0 年，a g n e w 2 3 1 对这个问题进行了实 验研究，利用这一技术可以成功地测试锚杆的长度，但并不适用于评价锚杆锚 固质量。 ( 3 ) 自感应法：使用一个线圈套在锚杆外露端头，把锚杆作为线圈的芯，然 后测量自感应系数，得出锚杆的长度影响自感应系数的大小，但是这种方法并 不适用于评价锚固质量问题。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内研究现状 1 3 2 1 国内应力波法检测法 由于应力波反射法评价锚杆锚固质量具有实用性强，灵活轻便，简单快捷， 耗资少，对锚杆锚固质量检测效果明显，可以进行普查等优点，日益受到岩土 工程界的欢迎，己成为锚杆无损检测检测的主要手段之一【冽。 汪明武【甄冽等人利用声频应力波法检测锚杆锚固质量，其基本原理是：瞬 态激振的声频应力波在锚杆锚固系统中传播，锚杆锚固系统的广义波阻抗的变 化可引起应力波的边界效应，利用锚固系统的边界效应引起应力波的相位特征 以及能量衰减规律评价锚杆锚固质量。使用淮南矿业学院等研制的m j 1 、m j 2 型锚杆检测仪，可以在现场对采集的数据进行时域分析、频谱分析及能量衰减 分析，快速评价锚杆锚固质量( 锚杆长度、自由段长度、锚固段长度和施工缺 陷等) 和粗评锚固力，而且提出了岩石全锚锚杆的锚固质量分级标准。 李义p 7 硎等对应力波反射法锚杆锚固质量检测进行了理论探讨、模型试验 研究和实际应用。其主要观点是：对于底端自由的锚杆，锚杆底端反射波与入 射波同相；对于被锚固剂锚固的锚杆，当应力波传播到锚固段的上界面时，就 要发生反射，反射波与初始波反相；同理，锚固段下界面的反射波与入射波同 相。通过分段截取找出了锚杆底端反射的显现规律与锚杆自由段长度、波长之 间的定量关系，不仅在理论上进行了研究，而且通过实验室模拟试验，验证了 锚固段内波速要发生变化的规律，提出了固结波速的概念，验证了其速度范围 介于锚杆杆体波速和锚固介质波速之间的设想。 汪天翼【巩刈等人在水布垭水电站进行了利用声频应力波法评价锚杆锚固质 量的试验研究。在水布垭电站导流洞进口边坡岩体上，制作了2 1 根不同注浆密 实度的模型参考锚杆，进行无损检测试验研究。同时，对水布娅地下厂房4 1 根 工程锚杆进行了测试。通过对实测波形进行统一分析后，按4 个等级进行划分 评判各根锚杆的注浆密实度。 廖春芳【3 1 j 等人在潭邵高速公路路堑边坡整治和边坡稳定工程中使用岩土工 程质量检测分析仪检测了锚杆长度为5 1 7m 的边坡锚杆，该仪器采取在外露钢 筋端部进行端发端收的观测方式，具有独特的声波发射、接收装置和软件分析 系统。从该仪器锚固质量的分类标准上看出，把锚杆底端反射的强弱作为锚杆 锚固质量评价的重要指标。锚固质量差的锚杆有许多反射，但这些反射是各个 5 武汉理工大学硕士学位论文 缺陷处的反射还是底部反射无法识别，这样可能产生的问题是本身锚固质量很 好的锚杆由于锚固外端的一些缺陷而误判为不合格锚杆。 焦作工学院的吕绍林1 3 2 l 教授等人提出将声波在锚固系统中的能量特征与相 位特征相结合的方法来综合评价锚杆锚固质量，原理是当锚固系统中存在缺陷 时，声波在缺陷处不仅有能量变化，而且有相位突变。 在仪器设备研制方面，铁道科学研究院在超声能量损耗法的基础上研制出 m 7 锚杆检测仪，改用能量相对一致的机械撞击方式激振，对该方法作了一定的 改进，增大了有效检测长度；研究者曾用锚杆侧面激发、侧面接收的方法检测 锚杆锚固质量，但是根据空气中的钢筋试验可知，该方法不能检测出钢筋的准 确长度。朱国维 3 3 3 5 等人针对煤矿井下常用锚杆的类型及其锚固状况，设计制 作了类似的物理模型，而且研制了一种弹射式加速度检波器，以便在锚杆端头 激发并接收高频应力波。武汉创新高科技公司生产的l x 1 0 e 型锚杆检测仪， 主要用于边坡工程中的锚杆锚固质量检测，需要与拉拔力测试的结果结合起来 进行综合分析。 1 3 2 2 小波神经网络分析法 基于小波分析的时频局部化特性及人工神经网络的非线性映射特性，将小 波分析和人工神经网络的优点结合起来。从锚杆动测信号小波分析的分量中提 取特征向量，然后将这些特征向量输入人工神经网络进行训练，训练后的神经 网络便能根据输入特征向量对锚杆锚固质量进行智能化的分类。小波神经网络 的应用，为锚杆锚固质量检测结果的评定提供了一个有效的智能化手段，克服 了结果分析依赖个人经验的缺点，在锚杆动测信号处理中具有良好的应用前景。 刘明贵【3 6 】等人将小波分析与人工神经网络结合起来，采用数值模拟得到锚 杆外端部的动态响应，然后进行小波分析，从各分量中提取特征向量，将这些 特征向量输入人工神经网络进行训练。分析结果表明，训练后的神经网络能根 据实测信号的特征向量对锚杆锚固质量进行智能化分类。 重庆大学的许吲3 7 3 8 1 等人将岩石声波测试技术应用到锚杆的无损检测中， 通过测定锚杆的振动响应来估计和判断锚杆的锚固质量，将小波分析和神经网 络等信号分析技术应用到较复杂检测信号的分析中。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 锚杆无损检测技术存在的问题 锚杆锚固质量无损检测技术具有快速、无损、全面、科学等优点，最近几 年发展迅速。但是锚杆锚固质量无损检测还处于起步阶段，还要不断的进行改 进和完善，锚杆动测方法目前还有一些理论和实践方面的问题，有待研究解决。 具体问题如下： ( 1 ) 超声能量损耗法，由于激发能量较小，锚杆检测长度不足，激发条件苛 刻以及超声波能量衰减快的缺点，其检测内容主要是锚杆的抗拉拔力，没有和 锚杆的锚杆的锚固质量( 锚杆长度和注浆密实度) 联系起来。 ( 2 ) 应力波反射法的基本原理是基于一维弹性均质杆的假设，如要求锚杆均 质，完全弹性等，但是在工程应用中的锚杆锚固系统无法满足这些条件，将锚 杆锚固质量检测问题视为一维问题来处理，其实质就是只考虑应力波在锚杆锚 固系统中的纵向传播，但是忽略了锚杆周围条件的影响，这种类似于桩基检测 的处理办法是欠妥的。此外，应力波反射法对底部反射的识别判断以及锚杆头 部、底部附近出现的缺陷反射以及多缺陷反射的识别比较困难，需要依赖检测 人员丰富的经验判断，缺少相关的理论支持。 ( 3 ) 小波神经网络法在进行小波分析处理前，对检测波形进行了滤波处理， 忽略到周围环境对锚杆锚固质量的影响。此外，目前主要的检测技术存在理论 和设备以及分析软件的种种不足，虽然开发了诸如时频分析、小波分析、高阶 统计量分析、瞬时频谱分析等处理软件，但由于缺乏理论指导，其工作具有一 定的盲目性，现今的软件开发工作距离实际应用要求还有一定的距离。 ( 4 ) 锚杆锚固技术大多为隐蔽工程作业，地理环境复杂，若取锚杆锚固系统 作为研究对象，其受力情况非常复杂，而且锚杆、锚固介质、围岩之间存在相 互作用，导致锚杆的理论分析非常困难。此外，对锚杆无损检测信号的数字处 理分析缺乏系统的研究和探讨，对数据的正反演拟合探讨比较少，很少见到实 际的成功例证。 1 5 本文研究的主要内容和采取的主要方法 本文首先全面总结了锚杆锚固质量无损检测的国内外研究现状，分析了当 前检测技术中存在的主要问题，针对应力波反射法在国内外锚杆无损检测中应 用广泛，但是缺乏相应的理论体系支撑，无损检测主要依靠检验人员的经验判 7 武汉理工大学硕士学位论文 断，而且波形判断容易受到外界因素的干扰而无法准确判断，因此，采用人工神 经网络法评价锚杆锚固质量。本文把应力波反射波法的检测波形曲线作为研究 对象，将其在时域方向上离散化，将起振时刻和底部反射时刻的时域内将波形 1 6 等分，并将起振时刻、底部反射时刻以及各平分点时刻的反射波形振幅作为 特征向量，建立b p 神经网络，通过对学习样本的训练，使建成的b p 神经网络 达到预定的误差要求，并且通过了仿真验证，从而为锚杆无损检测提供一种快 速、智能、科学的检测手段，具体如下： ( 1 ) 全面总结了目前国内外锚杆无损检测技术的发展现状，分析了各种锚杆 无损检测技术中存在的主要问题，针对其中存在的一些问题进行了研究。 ( 2 ) 对应力波反射法锚杆无损检测的理论进行了研究分析，对影响锚杆锚固 质量的主要因素选择计算进行了研究，找出应力波反射法中的局限性，并据此 提出了利用反射波波形曲线的振幅值最为评价锚固质量的主要参数的方法。 ( 3 ) 将应力波反射法的检测波形曲线作为主要研究对象，将其在时域上离散 化，即将其传播时间平分为1 6 段，并将起振时刻、各个平分时刻、底部反射时 刻的振幅值作为评价锚固质量的主要参数，并将1 7 组振幅值进行归一化处理作 为人工神经网络模型的特征向量。 ( 4 ) 详细分析了b p 神经网络的理论基础，针对b p 神经网络的局限性，研 究了几种常用的改进算法，然后分析了b p 网络的训练和设计过程中参数的选择 问题。 ( 5 ) 根据以上分析，选取评价锚固质量的b p 网络结构的主要参数，通过比 较t r a i n g d m 、t r a i n g d a 、t r a i n l m 以及t r a i n e f g 四种算法的优劣，最终选定t r a i n c f g 改进算法，将提取的特征向量输入人工神经网络模型中进行训练，使训练好的 b p 网络达到目标误差要求。 ( 6 ) 将检验样本输入训练好的人工神经网络进行仿真，结果表明训练成功的 神经网络可以作为智能分类器对锚杆锚固质量等级进行智能化分类。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章锚杆无损检测基础 2 1 锚杆的结构及分类 2 1 1 锚杆的定义 岩土工程中所使用的锚杆是一种安设在岩土层深处的受拉杆件，它的一端 与工程构筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预应力，以承受 土压力、水压力或风载荷等所产生的拉力，用以有效地承受结构载荷，防止结 构变形，从而维护构筑物的稳定。 工程上所指的锚杆，通常是对受拉杆件所处的锚固系统的总称。它包含锚 固体( 或称内锚头) 、拉杆及锚头( 或称外锚头) 三个基本部分组成，如图2 1 所示。其各部分的功用如下述【3 9 l ： ( 1 ) 锚头：锚头是构筑物与拉杆的连接部分。它的功用是将来自构筑物的力 有效地传给拉杆。通常拉杆是沿水平线向下倾斜方向设置，因此与作用在构筑 物上的侧向土压力不在同一方向上，为能牢固地将来自结构物的力传给拉杆， 一方面必须保证构件本身的材料有足够的强度，相互的构件能紧密固定，另一 方面又必须将集中力分散开。为此，锚头由台座、承压板和紧固器等部件组成。 在设计时，根据锚固目的，锚头应具有能够孙偿张拉、松弛的功能。 ( 劲拉杆：锚杆中的拉杆要求位于锚杆装置中的中心线上，其作用是将来自 锚头的拉力传递给锚固体。由于拉杆通常要承受一定的荷载，所以它一般采用 抗拉强度较高的钢材制成。 ( 3 ) 锚固体：锚固体在锚杆的尾部，与岩土体紧密相连。它的功用是将来自 拉杆的力通过摩阻抵抗力( 或支撑抵抗力) 传递给稳固的地层。在岩土锚固工 程中，锚固体的可靠性直接决定着整个锚固工程的可靠程度，因此，锚固体的 设计是否合理是锚固支护的关键，它关系到锚固工程的成败，而内锚头装置的 好坏，不能单纯从接合的破坏原理来判断，更重要的是从锚固装置是否适应该 地层来决定。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 锚杆结构示意图 l 一紧固器；2 承压板；3 一台座；4 套管；5 拉杆；6 锚固体 2 1 2 锚杆的种类 划分岩土锚杆种类的方法较多，但目前国内外工程上多按锚固长度分 类、按锚固方式分型。现有锚杆按锚固长度可划分为两大类，即集中( 端头) 锚固 类锚杆和全长锚固类锚杆。锚固装置或杆体只有一部分和锚孔壁接触的锚杆， 称为集中类锚杆；锚固装置或杆体全部和锚孔壁接触的锚杆，称之为全长类锚 杆。上述两类锚杆分别按锚固方式又可分为两种型式，即机械锚固型和粘结锚 固型。锚固装置或杆体直接和孔壁接触，以摩擦阻力为主起锚固作用的锚杆， 称之为机械型锚杆。杆体部分或全长利用胶结材料把杆体和锚固孔孔壁粘结住， 以粘结力为主起锚固作用的锚杆，称之为粘结型锚杆。 按照以上的分类方法，锚杆种类划分如图2 2 所示【4 0 , 4 1 l 。 2 2 锚杆的锚固力 锚杆安设在岩体内部，它的受力以及它作用于围岩的力同框式支架相比要 复杂得多。国标g b j 8 6 - - - 8 5 将锚固力定义为锚杆对于围岩的约束力。在实际应 用中，大都以抗拔力为锚固力，这给检验锚杆安设质量提供了简便的拉拔试验 方法，但国内外许多学者纷纷撰文指出了抗拔力与锚固力的区别，所以有必要 进一步分析和明确锚固力的定义【4 2 j 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 翼li萎li茎ij蓁li薹il并 轱结型 li机械型 垂il粪ii粪li霎il蓁li蓁ii曩ij粪 图2 - 2 锚杆分类示意图 2 2 1 根据锚杆对围岩的稳定作用划分和定义锚固力 图2 3 表示锚杆作用于围岩的两个方向的力：径向锚固力和切向锚固力，径 向锚固力含托锚力和粘锚力。 ( 1 ) 托锚力：托板阻止围岩向巷道内位移，对围岩施加径向支护力，使围岩 由平面应力状态转化为三向应力状态，提高了围岩的强度，这种来自托板使围 岩稳定的力称为托锚力。 ( 2 ) 粘锚力：粘结剂将围岩与锚杆粘结成整体，由于围岩深部与浅部变形的 差异，锚杆便通过粘结剂对围岩施加粘结力来抑制围岩变形，这种力对稳定围 岩起着重要作用，称为粘锚力。 ( 3 ) 切向锚固力：围岩体的变形大多是从岩体中的弱面开始的，在围岩的作 用下，围岩沿着弱面滑动或张开，最终导致巷道断面的收缩。由于锚杆体贯穿 弱面，它限制围岩沿弱面的滑动或张开，这种限制力称为切向锚固力。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 锚杆约束围岩的力 2 2 2 根据锚固力的发展划分和定义锚固力 从锚杆安设到失效，在锚杆起作用的整个过程中，根据锚固力的发展，可 分为初锚力、工作锚固力、残余锚固力三个作用阶段。 初锚力：安设锚杆时，人为地对锚杆进行张拉而使锚杆具有的作用于围岩 的力称为初锚力。初锚力类似液压支柱的初撑力。 工作锚固力：锚杆安设以后，围岩变形，锚固剂开始发挥其粘结作用。这 时锚杆对围岩的作用力称为工作锚固力。工作锚固力类似液压支柱的工作阻力。 残余锚固力：当围岩的表面和深部的相对变形量超过锚固剂的极限变形量 以后，锚固剂破坏，工作锚固力丧失。但由于破坏的粘结剂仍具有残余粘结强 度，此外，钻孔围岩破坏的粘结剂一锚杆杆体之间存在摩擦力，因此这是锚 杆对围岩仍具有约束力，称为残余锚固力。 2 3 灌浆锚杆 2 3 1 灌浆锚杆的基本原理 灌浆锚杆的基本原理是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力 或保持地层开挖面自身的稳定。当土压力、水压力或风力等推力作用时，灌浆 武汉理工大学硕士学位论文 锚杆中心的拉杆受拉，钢拉杆将承受的拉力首先通过拉杆周边握裹力而传递到 水泥砂浆中，然后再通过锚固段与周边地层的摩阻力而传递到锚固区的稳定地 层中。显然，为使拉杆承受的拉力能很好地传递到稳定地层，除应保证锚杆施 工质量外，尚应按设计要求将锚杆末端锚入稳定土层或岩层内无限长，该长度 ( 图2 _ 4 中l o 被称为有效锚固段或称锚固段；不能传递锚杆拉力的另一段锚杆 ( 图2 4 中k ) 则被称为非锚固段。有效锚固段所能承受的最大拉力称为锚固 段的极限抗拔力1 4 3 j 。 压扳 台毫 之 图2 - 4 灌浆锚杆锚杆构造图 2 3 2 灌浆锚杆的抗拔力 宅功土压囊 图2 5 表示一灌浆锚杆中的砂浆锚固段，对其受力状态简略分析如下： 当锚固段受力时，拉力t i 首先通过钢拉杆周边的砂浆握裹力u 传递到砂浆 中，然后再通过锚固段钻孔周边地层与砂浆的摩阻力而传递到锚固地层中。因 此钢拉杆若受到拉力作用，除拉杆本身必须具备足够的截面积承受拉力外，同 时还要求：锚杆锚固段的砂浆对于钢拉杆的握裹力需能承受极限拉力；锚 固段地层对于砂浆的摩阻力需能承受极限拉力；锚固的土体在最不利条件下 仍能保持其整体稳定性。 武汉理工大学硕士学位论文 孔鼙摩阻力： - _ _ _ - l j i ，i 以 图2 5 灌浆锚杆锚固段的受力状态 综上所述，可将锚杆极限抗拔力t u 表示为： t 。- m i n t ，t ：，t 暑 ( 2 1 ) 式中t l 锚固段砂浆对钢筋的极限握裹力( k n ) ； t 2 锚固段地层对砂浆的极限摩阻力( k n ) ； t g _ 钢筋的极限拉力( k 。 2 4 锚杆的失效类型 一般锚杆通常有四种失效方式【4 4 1 ： ( 1 ) 杆体钢筋拉断 常出现在杆体尾部丝扣段，该处易产生应力集中，是杆体的薄弱环节。采 用滚丝法加工丝扣，或对该段进行热处理，是防止该失效的有效措施。 ( 2 ) 托板失效 托板失效失锚约占5 一6 ，有3 种情况：托板材质差碎裂失效；托板尺寸、 厚度达不到设计要求，强度降低变形失效；托板与杆体脱离失锚。 为了维持托板正常工作可以从两方面着手：( 1 ) 提高托板承载力，托锚能力 与托板厚度的平方呈正比，与材料强度呈正比，增大托板厚度，采用高强度的 钢材将会显著提高托锚能力；( 2 ) 减小托板荷载，采用鼓形托板，使之对围岩有 让压作用。 ( 3 ) 粘结破坏 这种破坏有二种情况：( 1 ) 锚杆一粘结剂接触面破坏；( 2 ) 围岩一粘接剂接 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 触面破坏；( 3 ) 破坏面深入到围岩体内，常发生在软弱围岩，一般软岩的抗剪强 度小于7 m p a ，粘结剂与围岩的粘结强度为5 - - - 1 6 m p a ，粘结剂与杆体粘结强度 为6 7 3 1 6 7 m p a 。采用树脂锚固剂，增加锚固长度，可有效防止粘结破坏。在 围岩较弱破碎情况下，只有提高围岩的可锚性，才能实现可靠锚固。 ( 4 ) 锚空失效 大量工程实践表明，由于局部围岩破坏造成的锚空失效是锚杆失效的主要 形式。锚杆或锚喷支护巷道由于围岩荷载和围岩中弱面的不均匀性，常发生 局部破坏，致使锚杆切向锚固力迅速丧失，径向锚固力也大幅度降低，从面引 起更大范围的破坏。在锚网或锚梁网支护的巷道中，局部破坏被护表构件所抑 制，锚空失效会得到有效控制。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章应力波反射法锚杆无损检测 3 1 一维弹性杆中的应力波波动方程 3 1 1 建立波动方程的假设 低应变应力波反射法是基于一维弹性杆中波的传播理论而研究反射波在锚 杆锚固系统中传播，所以必须对锚杆锚固系统做出如下假设【4 5 侧： ( 1 ) 锚杆材料均匀或分段均匀且各向同性。作为砂浆材料，在拉伸与压缩特 性方面存在明显差异，而且也不是均匀的，但在微米级的弹性振动情况下，仍 然可以近似满足这一假设条件，或这种差异可忽略不计。锚杆砂浆组成的复合 材料在作为整体力学性质上等效成为一种匀质材料，这种材料的缺陷反映了砂 浆的密实度的变化。 ( 2 ) 锚固体的受激振动在弹性限度内。锚固体在振动时，体内各质点的位移、 应力和应变之间的关系都服从弹性虎克定律。低应变动力测试中，由于激振力 很小，并且是可以控制的，故锚固体的振动近似可满足这一假设条件。 ( 3 ) 锚固体受激振动时，其截面保持为平面。这就是说，锚固体受激振动时， 同一截面上所有质点位移的方向和大小都是一致的，也不存在相位的差别或振 动的超前或滞后现象。这对于锚固体直径d 和杆长l 之比d 】l = 1 1 0 的情况是满 足假设要求。 ( 4 ) 锚杆固结体及围岩均质，且对锚杆体的影响用一个线性弹簧和线性阻尼 器以平行的方式耦合，其弹簧系数为k ，阻尼系数为1 1 。 ( 5 ) 激励力沿锚固体纵轴线方向，且均布于锚固体顶部。 3 1 2 波动方程的建立 根据以上的假设条件，假设一个长度为l 的等截面细长杆，x 表示杆中一横 截面的坐标，u ( x ，t ) 表示该横截面的纵向位移。从杆中取一微小单元体如图 3 - 1 所示，该单元体承受随时间t 变化的动应力s ( x ，t ) 和作用在单位体积上的 体力q ( x ，t ) ，在x 方向上的运动平衡方程为1 5 l 5 2 】： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 r 1 bf l 一 图3 - 1 应力示意图 撕 口+ 一= 一位 曩 一叫+ ( 仃+ 警卜+ 叫出- 出券 式中，a 是杆的横截面面积；p 是杆的密度。 根据等截面杆的假设，a 是个常数，上面方程( 3 1 ) 可以简化为： i 6 0 + g - p 订6 2 ui + g 。p 订 方程( 3 2 ) 的推导中未引进材料的材质，因此它对于弹性和非弹性材 用。现在假设杆是弹性体，服从胡克定律： 口- e e 其中，e 是弹性模量；e 是轴向应变。 8i 甑| 舐 利用式( 3 - 3 ) 和( 3 4 ) ，方程( 3 - 2 ) 可以写成： 妄但争巾p 等 蠡、& 7 1 。6 f 2 如果杆是均匀的，e 是常数，则方程( 3 - 5 ) f - e 6 6 2 _ _ 工u u 2 一ry y6 6 2 _ f u 2 ， uiuj 当忽略掉体力q ，方程( 3 - 6 ) 变为： 寒zp 等 1 7 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 料均适 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 或写成： 6 2 u 16 2 “ 6 工2c 26 t 2 其中，c 一酬p ，即杆的波动方程。 3 1 3 波动方程的求解 ( 3 - 8 ) 由达贝朗公式可知，波动方程的达贝朗解为： u ( x ，f ) - 厂0 一c o + g o + c o( 3 9 ) 这就是波动方程的达贝朗解【5 3 1 。 其中f ，g 为任意积分的函数，它们由初始条件定。如果变量( x c t ) 为常数， 则函数f ( x c t ) 也为常数。欲使( x c t ) 不改变，当时间t 增加t 时，变量x 值必须 相应地增加c a t ，这表示扰动f ( x - c t ) 沿x 轴正方向以速度c 传播。同理，g ( x c t ) 是一个沿x 轴负方向传播的扰动。 这里需要指出，无论扰动r ( x c t ) 和g ( x c t ) 的初始形状如何，在传播的过程 中它们的形状保持不变，也就是说波在传播过程中没有发生畸变。这是波动方 程的一个基本特征，也是与许多发生波畸变的物理系统的区别，这种性质在应 力波检测中具有重要意义。 3 2 波在锚杆锚固体系中的衰减规律 波在介质中传播时，其能量随着传播距离的增加而减弱的现象，称为波的 能量衰减，不同的介质不同的传播条件及不同的波形有着不同的衰减规律。波 衰减的机理很复杂，对于结构复杂的介质进行理论分析，则更困难。一般都以 实测结果评价其衰减程度。通常在波的传播过程中，能量的衰减有以下几种形 式瞰5 5 】： 3 2 1 波的扩散衰减 不同振源在介质中的波形是不一样的，它的传播状态也各不相同。对于有 限面积的振源来说，其波的能量扩散，随着传播距离的增加，扩散程度也将加 大。因此，单位面积上的能量将随着传播距离的增加而减小，这种随着波振面 的扩散而引起的波的能量的减小，称为扩散衰减。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3