（岩土工程专业论文）应力波法锚杆加固无损检测与锚固效果评价的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 锚杆支护在实践中被证明是一种行之有效的锚固支护技术，目前被广泛应 用于矿山井巷、交通隧道、水工隧洞和各类岩土洞室、基坑、边坡及建筑物加 固补强等施工领域。用于岩土加固的锚杆如果存在的内部缺陷，往往具有很大 的危险性，造成巨大的经济损失。避免此种情况的出现，需靠性能优异、准确 可靠、方便实用的检测技术来实现。因此，在锚杆支护的锚固工程中，对锚杆 锚固质量的检测研究成为一项十分必要和迫切的任务。 传统的静载荷检测方法难以满足工程实际对锚杆进行大面积检测的需要， 而应力波法是一种无损检测方法，不会对锚杆产生破坏作用，适宜进行大面积 的质量检测。本文在波动理论的基础上，运用复合材料观点，对岩土锚固体完 整性检测进行了理论研究，并实现在计算机上锚固体缺陷的数值仿真，取得了 如下一些主要成果： ( 1 ) 通过理论分析，研究了应力波在锚杆体内波动能量的外泄特征，研究 了弹性波在锚杆、岩土介质及其耦合体系中的传播规律，得到了弹性波在锚固 体系中的衰减规律及传播机制，为锚杆锚固质量的无损检测提供了重要的理论 依据。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 在一维杆纵向波动的理论基础上推导出应力波在锚固体中传播的控制 方程，并给出在其特定初值和边界条件下的解析解，分析了锚固体波速，基频， 阻尼系数等参数对锚固体质量的影响。 ( 4 ) 对锚固体缺陷进行数值模拟，通过对控制方程的系数调整，可以模拟 出不同缺陷锚固体的在冲击荷载作用下的力学响应，通过判读模拟的锚杆动测 时程曲线，根据应力波的传播规律，确定锚固波速、基频、阻尼系数及有效锚 固长度等参数，就可以对锚固体的锚固质量进行评价。 ( 5 ) 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，理论曲线与实测波形基本吻合。采用本文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 武汉理工大学硕士学位论文 振动将鬣戆摸羧是鸯效瓣。 ( 6 ) 建立了基于遗传算法优纯的b p 神经涮络模型，利用经过训练的神经网 络的泛化功能解决锚杆承载力预测和锚杆完整性预测问题，实现了对锚杆锚固 质量智能化评价。 本文豹应力渡法镄秆无损裣灏理论还为声波溯试按术在边菝工程、囊魏下工 程等施工过程以及后续管理中的超声监测、稳定性评价以及岩体强度预测、地 应力测缀等方面的应用提供可参考的理论依据。 关键词：锚杆应力波无损梭测有限差分锚固质缀人工神经网络 遗传算法 i i 茎坚垩三奎兰曼查堂些堡墨 a b s t r a c t r o c kb o l th a sb e e np r o v e dau s e f u lm e a n s o fa n c h o r a g et e c h n o l o g ya n di so f t e n u s e dt or e i n f o r c er o c km a s si nm a n yf i e l d so fg e o t e c t m i c a le n 瘿n e e r i n gs u c ha sd r i f t c o n v e r g e n c y , t u n n e l ，u n d e r g r o u n dc a v i t y , f o u n d a t i o np i t ，s l o p ea n d s oo n td e f i c i e n c y i na n c h o rb a ri sv e r yd a n g e r o u s ，i tm a yb r i n gi n e s t i m a b l el o s s 。t oa v o i dt h i s ，a r e l i a b l et e s t i n gw a y i sn e e d e d s ot h er e s e a r c ho ft e s t i n gw a y o f a n c h o r a g es y s t e m i sa n e c e s s a r ya n ds t r i n g e n tt a s k h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lt e s t i n gw a y o fs t a t i cl o a dc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t o fw i d es c o p et e s t i n gf o ra n c h o rb a r si np r a c t i c e ，u s i n gs t r e s sw a v e i nt h ei n s p e c t i o n o fc o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fb o l t i n gi san o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t h i st h e s i si sb a s e d o n t h et h e o r yo fs t r e s sw a v ea n dc o m p o s i t em a t e r i a l ，m a i nc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b ym e a n so ft h e o r ya n a l y s i s ，t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fs t r e s sw a v ei n b o l ta n ds u r r o u n d i n gm e d i ai ss t u d i e d 。p r o p a g a t i o nl a w so f s t r e s sw a v ej 珏b o l t - r o c k m e d i u ma n dc o u p l i n gs y s t e ma r er e s e a r c h e d a t t e n u a t i o nr o l ea n dp r o p a g a t i o nl a w o f e l a s t i cw a v ei na n c h o r a g es y s t e ma r eo b t a i n e d t h e s er e s u l t sp r o v i d es o m ei m p o r t a n t t h e o r yb a s i s f o rb o l ta n c h o r a g eq u a l i t yt e s t i n g ( 2 ) b o l ta n dm o r t a ri na n c h o r a g es y s t e ma r ea p p r o x i m a t i v e l yv i e w e di s o t r o p i c o b j e c t s a p p l y i n gc o m p o s i t em a t e r i a lt h e o r y , e q u i v a l e n to n e d i m e n s i o n a l m o d e li s f o u n d e d 。 ( 3 ) b a s e do no n e - d i m e n s i o n a lw a v et h e o r y , t h ep r o p a g a t i o ne q u a t i o no fs t r e s s w a v ei n a n c h o r a g es y s t e m i si n d u c e d 。g i v e nt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n di n i t i a l c o n d i t i o n s ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ei ss o l v e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fm a n yp a r a m e t e r s i n c l u d i n gw a v ev e l o c i t y , b a s i cf r e q u e n c y , d a m pc o e f f i c i e n t ，e t c 。i sa n a l y z e d ( 4 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ff l a w si n a n c h o r a g es y s t e m i sc a r r i e do u t ， t h r o w i g ha d j u s t i n gt h ec o e f f i c i e n t s o fd o m i n a n te q u a t i o n ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo f d e f e c t i v ea n c h o r a g es y s t e mc a nb es i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n c em e t h o d ，a n ds i m u l a t i v e r e s p o n s ei ss a t i s f i e dw i t ha c t u a lr e s p o n s e ，a c c o r d i n g t ot h ep r o p a g a t i o nl a w so fs t r e s s w a v e ，t h ep a r a m e t e r ss u c ha sw a v ev e l o c i t y , b a s i cf r e q u e n c ya n dd a m pc o e f f i c i e n t ， i l l 茎竖里兰查兰婴主兰篁堡苎 a r ed e t e r m i n e dt oe v a l u a t et h ea n c h o r a g eq u a l i t y ) t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g ，i t ss h o w n t h a tt h es i m u l a t e dc u r v e sa f e i n g o o da g r e e m e n t w i t ht h e w a v e s h a p e s o b t a i n e df r o m f i e l dm e a s u r e m e n t s c o n s e q u e n t l y , t h em o d e l s ，t h ep a r a m e t e r sa n d t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 扭 t h i sp a p e ra r ep r o v e dt ob ec o r r e c ta n de f f e c t i v e f 5 弘m e t h o d i nw h i c hb pn e u r a ln e t w o r ki sc o m b i n e dw i t ht h eg e n e t i ca l g o r i t h m t oo p t i m i z es t r u c t u r a lp r o b l e mi sp r e s e n t e d t h em e t h o d u s e st h ea b i l i t yo fa s s o c i a t i v e m e m o r yt op r e d i c tt h eb a r sl i m i t i n gb e a r i n gc a p a c i t ya n di n t e g r i t ya n d t oe v a l u a t e a n c h o r a g es y s t e mq u a l i t y t h i st h e s i sa l s op r o v i d e st h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rr e f e r e n c e 壑f 氇ea p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i cd e t e c t i o n t e c h n o l o g y i nc o n s t r u c t i o n p r o c e s s o f s l o p ee n g i n e e r i n g ， u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g a n di n f o l l o w - u pm a n a g e m e n tp r o c e s s o fu l t r a s o n i c m o n i t o r i n g , s t a b i l i t y e v a l u a t i o n ，r o c ki n t e n s i t yp r e d i c a t i o n a n dt e r r e s t r i a ls t r e s s m e a s u r e m e n t 。 k e y w o r d ：a n c h o rb a rs t r e s sw a v e n o n d e s t r u c t i v ef i n i t ed i f f e r e n c ea n c h o r a g e q u a l r y a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k g e n e t i c - a l g o r i t h m i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 岩土工程锚固技术是当前岩土工程领域中的一个重要分支，它是在岩土体的 利用、整治和改造中，有效控制岩土体的稳定性，使之具有服务功能的加固技 术的总称。岩土锚固能充分发挥岩土能量，调用和提高岩土的自身强度和自稳 能力，大大减轻结构物自重，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。锚杆支护在实践中被证明是一种行之有效的锚 固支护技术，目前被广泛应用于矿山井巷、交通隧道、水工隧洞和各类岩土洞 室、基坑、边坡及建筑物加固补强等施工领域，它的先进性、可靠性、经济性 无可怀疑n 美国于1 9 1 1 年首先用岩石锚杆支护矿山巷道，1 9 1 8 年西利西安矿山开始使 用锚索支护，1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆，1 9 5 7 年 西德b a u e r 公司在深基坑中使用土层锚杆。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。日本土锚的用量已比三年前增加了5 倍。西德、 奥地利的地下开挖工程，已把锚杆作为施工中的重要手段，无论硬土层或软土 层，几乎没有不使用锚杆的。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 4 年，梅山水库的坝基加固采用了预应 力锚索。7 0 年代，北京国际信托大厦等基坑工程采用土层锚杆维护。在全国煤 矿中，1 9 9 6 年锚杆支护率已达2 9 1 。近1 0 年来，北京王府饭店、京城大厦、 上海太平洋饭店等一大批深基坑工程以及云南温湾电站边坡整治、吉林丰满电 站大坝加固和上海龙华污水处理厂沉淀池抗浮工程等相继大规模地采用预应力 锚杆。举世瞩目的三峡工程双线五级永久船闸的高边坡及薄衬砌墙稳定加固中， 预应力锚索和全长粘结锚杆起了主要作用【“。从1 9 9 3 年到1 9 9 9 年，据初步统计， 我国在深基坑和边坡工程中的预应力锚杆用量，每年约为2 0 0 0 k m 3 5 0 0 k m 。 然而在锚杆支护作为永久支护的无数工程中，他们使用寿命究竟有多长? 是 武汉理工大学硕士学位论文 否有一天寿终f 寝，成为工程中的“定时炸弹”，使工程毁于一旦? 这一问题已 引起工程界的广泛关注。重大工程结构中埋设的锚杆存在的内部缺陷，往往具 有很大的危险性，会使整座建筑物倒塌，造成巨大的经济损失。四川宜宾悬索 桥的垮塌正是由于锚索的失效而导致的灾难性后果1 3 4 。 避免结构发生事故，延长结构的使用寿命，提高结构的可靠性、安全性是经 济建设中无法回避的问题，这个问题的解决要靠广泛采用性能优异、准确可靠、 方便实用的检测技术来实现。因此，在锚杆支护的锚固工程中，对锚杆锚固质 量的检测研究成为一项十分必要和迫切的任务。 1 2 锚杆无损检测研究的发展现状及问题的提出 对锚杆荷载变化进行长期或短期观测，可采用按机械、液压、振动、电气 和光弹原理制作的各种不同类型的测力计。但这些测力计一般需要预埋，受电 磁场干扰大，在潮湿、温差大的条件下灵敏度大大降低，更不能适应在偏载和 爆破震动、坍落岩石的冲击下长期正常工作；对于工程界广泛使用的未预埋测 力计的锚杆，过去没有可靠的监测设备，其张拉荷载是靠张拉千斤顶的活塞面 积和油泵压力换算的，至于锁定后锚固力大小和在长期运行中的变化情况就无 法评价；现场拉拔实验通过测定锚杆静荷载位移曲线来确定锚杆极限承载力， 这种方法无疑是既直观又可靠的，但要测出完整的荷载一位移曲线，不仅要花费 很长的时间和耗资相当大，而且为了获得准确的极限承载力，必须进行破坏性 试验，所以检测面小，这样就难以言其代表性了。 将无损检测技术应用于锚杆、锚固质量的检测始于二十世纪八十年代，并在 近年来得到了较快的发展。如8 0 年代，瑞典曾推出超声波反射法检测砂浆锚杆 的锚固状态的商品化检测仪器；9 0 年代，美国矿业管理局开发出能检测锚杆应 变和长度的超声波仪器，但它无法评价锚杆的施工质量。超声波方法的缺陷是 衰减过快，对于长锚杆的检测是无能为力的，且激发条件苛刻又不能作出定量 化评价。为了得到比较好的超声波信号，锚头必须磨平，故现场不适用；8 0 年 代末，国内铁科院与地矿部技术方法研究所协作研制出声波反射波检测仪并进 行了技术鉴定。淮南矿业学院王鹤龄等提出了用振幅比及能量衰减系数来衡量 锚杆的锚固质量：太原理工大学爆破所采用波的时域、频域分析来检测锚杆的 铺固质量，提出了表征锚杆锚固质量的六个参数：有效锚固长度、幅值比、衰 武汉理工大学磺七学位论文 减系数、动刚度、基频、频率比。但由于锚杆底端反射的不确定性，检测数据的 分褥处理与瓣释方法的洚囊，使褥这些方法在工程实践中兹应鲻受到了一定限 制；此外，还出现机械式掇力矩溅力计的方法，恒菠精度可靠髋低且是破损靛 的 3 0 - 3 5 】。 郭世明1 9 9 5 年至1 9 9 8 年在大朝山水电站采用应力波法对近予根锚杼进行 了震量稔瓣。逶过在涌试中静对琵磅究，鼗簿一定靛羧采，说鞠采弼痤力滚滚 对锚杆质量进行检测是可行的。锚杆长腹检测采用威力反射波滋避行测定，该 方法的基本瑕论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论。在锚杼顶部激发弹性 应力渡，当辩瞧应力波传攒到镶抒底郝对交予锤抒秘链耪底部於豢磊存在波骥 抗差异，将产生反射波圈捌锚杆顶。根据反射波的走时和锚秆中的应力波传播 速度就可以确定出锚杆长度。应力波在坚硬完整的介质中传播速度大，衰减滤 度快，面在松散及不完整介质中应力波的传播速度小，衰减速度慢。因此可以 程用应力渡瀚这一簧撵特瞧来潮瑟注浆稳和度情凝。瓣予注浆落满静，硷帮装 石的耦合性好，可看成完熬的介质，因此应力波的波形规则衰减快，近于指数 衰减；对于滋浆饱满程度麓的，则砼和岩石间的耦合性差，可着成松散不完熬 瓣穷凌，瘦力波貔波形杂魏，衰减馒。梭舞不蘑方囱、不弱都绶爨震豹应力渡 袭减益线就可以对注浆饱和度作出判断。对于锚秆淀浆饱和度检测，目前该方 法只能给出怒性或半定量的质量评价，且主观性较大，更精确的定量判断还裔 待进步的试验研究。汪明武利用声频应力波来快速普查检测锚挺锚固质量及 颈灏链匿力鹣茏损拉拔试骤方法，磷究袭明，壶予锚强体系广义渡阻抗静交诧， 激发的声频威力波在波阻抗界面处发生界面效应，产生反射波和透射波，应力 波能量重新分配，介质质点间内摩擦也导致能量向其他形式转化，此外，反射 渡豹耪位特缎及戆量衰减筑缮反获了镶程瓣链霾竣态器穗錾力分毒状态，显瘦 力波能量吸收系数与锚固段长度有如下关系： d 。三l n 孚 川0 - 1 ) 2 x 爿；十l 。 式中：a 为熊麓吸收系数( 系培，m ) ，z 为应力波在锚阉段中传播鼹离( m ) ，a i 为 应力波第f 次反射的反射波振幅。检测工作的核心之是锚固段长度的测定，工 作关键是系统参数的合理竣定i 弼。根据不同的d 值翻反射波梗位特征，可得出 锚秆锈国、获态检测分级标潍。通过现场锚秆拉拔试验可知，锚秆锚固体系的拉 武汉理t 大学硕士学位论文 羧蔻线在镶圈薅系貉酸琢 ；菪畜鹱漫翡变讫，若鑫动鼗踩绘翻控菝整线形态弱拉 拔系数的变化特征，来判断锚杆鬣力是否达到临界破坏，并用拉拔曲线转折前 后曲线划线交点预测锚固力，可达到既测定锚杆锚固力，又不损坏锚杆锚圃力。 现场实测越拔曲线霹戆呈瑷出复杂的交佬翘箨，因荛彩噫镶霾力妻每因素多基复 杂，镶固体系破坏方式又多样的艨函。实测位移除锚固体系的弹性和塑性变形 外，还钶锚杆垫板的变形和压入松散岩面的位移，以及杆体与锚固介质、锚固 介质对手l 壁围岩盼撼对位移等。敞无损拉拔测定的锚杆镪麟力与实际锚嘲力及 破损谯拉拔溅定锈黼力存在差澍，这是该法鬟究善露改避懿方瑶扛1 8 1 。 综上所述，虽然因内外学者对锚杆无损检测方法、锚秆的使用寿命、岩士 介质超声波测试技术以及应力波梭测理论进行了大量工作，并且在岩土工程及 遥凄工凝中透孬了多每夔实践，懿楚，对予镪释镶霆系统瓣声学! | 毒毪与灏理、 声波资料的处理技术、锚固系统德康状态的评价等等，还怒尚未解决的闯题， 最能反映锚杆施工质麇水平的灌浆密实度、威力幅度、锚杆的长期稳定性也一 直缺乏必要丽有效的检测方法 5 0 - 5 5 】，这就阻碍了声波测试技术在岩土工程领域 的更广泛的应矮。 1 3 本文采用的研究方法及所作的工作 本文在波动理论的基础上，运用复合材料观点，对锚杆锚固体完整性检测进 行了理论上的研究，并实现在计算机上锚固体缺陷的数值仿真，最后利用神经 鼹络建立链耔铥匿壤爨颈测模型，敬褥了如下一些主要残暴； ( 1 ) 通过理论分析，研究了威力渡在锚秆体内波动能鬣的外涟特征，研究 了弹性波在锚杆、岩土介质及其耦合体系中的传播规律，得到了弹性波在锚固 体系中的衰减规律及传搔机制，为锚杆镭固质擐的无损检测提供了重要的理沦 禳爨。 ( 2 ) 将锚固体中锚杆和砂浆j 庭似看作各向同性体，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枰件模型。 ( 3 ) 在一维杼缀囊渡动鲍毽浚基蚕窭上推导懑应力渡在镶露彝中建攒懿控裁 方程，并给出在其特定初值和边界条件下的解析解，分析了铺固体波速，撼频， 阻尼系数等参数对锚固体质量的影响。 ( 4 ) 对锚固体缺陷进霉亍数值模拟，通过对控制方程的系数调整，可以模撼 武汉理工大学硕士学位论文 密不阂麓碴锚蠢诲熬在冲击药载俸藕下翡力学秣应，逶遭翔读穰毅豹镄抒羲溅 时程曲线，根据应力波的传播规律，确定锚固波速、基频、阻尼系数及有效锚 固长度游参数，就可以对锚固体的锚固质量进行评价。 ( 5 ) 逶过实嚣工程中模型罐柽的实溅波形翻数筵摸投动溅整线送行魄较分 析表镧，理论馥线与实测波形基本吻合。采翊本文模型的谶论分析结巢能较好 地反映宓际锚杆瞬态纵向动力作用特征、激搬力函数、等效参数，对锚杆纵向 振动特瓠的模拟是有效的。 ( 6 ) 建立了基予遗传算法优化豹b p 弹经阏络模型，稳翅缀避疆练静籀经网 络的泛化功能解决锚杆承载力预测和锚杆完整饿预测问题，实现了对锚杆锚固 质量智能化评价。 本文瓣瘦力波法镰提无援竣溅理论还免声波溅试技术凌迭坡工穗、德下工 程等施工过程以及籍续管理中的怒声监测、稳定性评价以及岩体强度预测、地 应力测嫩等方面的威用提供可参考的理论依据。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章锚杆无损检测的瑾论基磷 2 1 锚杼锚固的力学基稿 2 1 1 锚杆的结构及分类 锤释逶鬻由镭关、蠡蠢锈秆段帮鼹定锫释段三辞分缓成。镰头位于锤抒 的外露端，通过它最终实现对锚杆施加预应力，并将锚固力传鲶结构物。自 由锚杆段即锚杆固定段顶端以上至结构物间的锚索部分，其上没有拉力传递 至两垂主暴，这可；垂过在镶索两毽安鬟无摩擦魏套罄实褒。这憝导警也怒豢 防止锚秆自由段腐蚀的作用。自由锚杆长度通过考虑包括锚秆在内的地层 “块”的总体稳定而确寇。通常利用髓由锚杆段弹性变形的特性，在锚固越 壤中对锚抒施翻颈应力。邈定锩梧段邸离结构物最远兹锚索部分，通过该段 将所承受歉力传递给弱围层。霞定镶符f 锚雷体) 长度通常由锈秆稷限锚蠢 力、锚杆设计轴向拉力、安全系数、锚固体结构尺寸以及锚固体表面与周豳 岩土体间的粘结强度等因素确定i ”】。 麦子镶抒霹蔻锤嚣在祭 孚显著不鞫爨遗瑟内，放磷裁窭专夸多袋矮不霹镶 索，不同钻孔方法和不同灌浆程序的锚杆装置借阻实现上述目的。锚杆装鬣 肖三种基本的类型伴 殊类型的锚杆除外，例如，用于海洋或临时房屋的锚杆) ， 这三类锚轷慰示说臻予强2 - 1 。第一穆炎型锤耔由一糖瑟柱影孑l 鼹稳残，孔鼹 采用灌浆或菠它固定帮充壤，这取决于所需传递替载的大小，搿石材辩通常 选用这种类烈。第二类锚枰为扩大的嘲柱体，该扩大圆柱体由谯控制的高压 下使灌浆液注入到钻孔周围侧壁面形成，适用于粘性土和非粘性。第三类 锚符是一耱采麓薅臻挖灏装置在霾定镄释段长度方囱一蹙或咒楚位置扩臻形 成带有扩孔饿的圆柱体。锚杆的应用范围在扩大，各种锚杆传递的荷载也在 增加，然而，埋设于岩土介质中的锚杆和加工它们所用的材料，常常没有变 化。这撵，裁蒿知道萤裁系统如何罴镶抒分配绘岩分质。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第类销杆用灌浆充填的圆挺体 第二类鼢降在控制的高匪力下通过灌装彩哦的扩大圆柱体 第三类 薪姆焉撬嫡粒斡翻韩酗或霸a 照扩大豹强 圭纬 图2 - 1 主要的锚杼形式 2 1 。2 蔫载铁锚耗转移到灌浆俸的力学糗理 虽然锚杆和围绕它的灌浆柱之间的结合强度还研究得很不够，但由于灌 浆与周围地层的结合处常常更危险，相对来说较少注意锚杆的前一个特性。 理怒纯豹辍理应是：壤努镶簸上有徽溪整穗凄藏麓绞，灌浆强绕锤抒充灌这 些皱曲而形成灌浆柱。 灌浆体与锚杆铡筋表面发生复杂的化学相互作用 3 0 - 3 4 ，一旦承受荷裁， 武汉理工大学硕士学位论文 它们之间的结合f 胶着) 作用就得以发挥，但在一定的相对位移下，有效的化学 胶着就遭破坏，锚杆与侧限灌浆之间的阻抗力就由摩擦作用产生，增大钢锚 杆表面的粗糙性，由此产生的机械咬合作用使得一部分灌浆的剪切强度增大。 锚杆与灌浆交界面单元上的强度变形特性类似于钢桩。由于锚杆是相当长的 弹性构件，相对于灌浆的锚杆位移量是沿着它的长度变化的。在位移很小的 地方，摩阻力的变化主要是化学胶着力作用，在工作荷载下，这种情况发生 在靠近锚固长度的下端。在锚固长度的上端，由于锚杆的弹性伸长，相对位 移较大，将产生摩擦或许还有机械咬合效应。在产生摩擦型阻力的地方，它 的值取决于灌浆柱提供的限制程度。若灌浆出现压碎和屈服，则相对于灌浆 柱的锚杆位移将会大得多。沿锚杆长度的结合应力分布，取决于一些复杂的 和尚未完全了解的因素。一般说来，随着施加荷载的增加，结合应力的最大 僮移向锚杆的下端，以渐进方式发生滑动并改变着结合应力的分布。随着锚 杆内施加荷载的增加，沿锚固长度以类似于摩擦桩的方式转移结合应力。当 锚固区内锚索发挥了最大结合粘着力时，就要发生相对于灌浆柱的锚杆滑动， 随着进一步的滑动，进而发挥摩擦阻力。锚固长度必须使发挥的结合应力平 均值有足够的储备，以保证锚杆与灌浆交界面不发生结合破坏。为了发挥结 合应力，需要一定的转送长度来转移锚杆中的荷载于灌浆p 。 2 1 3 灌浆与钻孔壁结合的力学机理 如长度为l 直径为d 的一个圆柱形锚固区，平均工作结合应力为r ，则锚 杆荷载p p = z m l v ( 2 - 1 ) 假定灌浆体与钻孔壁的交界面上不存在局部剥离，则灌浆与地层的交界面上由 剪切产生破坏；于是在锚固的整个交界面上均匀分布着结合应力。事实上并非 如此，这些理想的假定不适用。地层钻成锚杆孔时，安装锚杆，灌浆以及施加 锚杆荷载，相邻地面经受到一种很复杂的加载过程，相继出现的锚杆性能无疑 地就与这个加载过程有关。一般来说，锚杆孔的粗糙度，岩土介质的强度控制 着破坏面，同时亦受在紧靠锚杆孔附近的施工工作引起地层的改变的影响。打 孔首先引起应力释放和机械的扰动，在灌浆阶段更要出现很复杂的应力变化。 在灌浆凝结期间，液体由灌浆向周围地层以及由地层向凝固了的灌浆体流动， 武汉理工大学硕士学位论文 由于自然界存在种类繁多的地层，这样的流动就使滋浆和地层之间的交界面远 透没有再渍楚。在罐轷负戴时，麸灌浆犍裂地层的应力转移，怒以弪囱应力和 剪应力的形式出现，但破环发生在什么地方是不清楚的 1 5 - z z i 。也许在进入地鹰 内某一短距离，也许在交界面上，这取决于交界面和相邻地层的相对强度。当 她层是坚硬豢石时，破坏出现在灌浆体与岩石的交界面上，甚至予在灌浆体中。 若为较较豹穗蒺，露软岩藏硬稿主，酸坏会遗入透露内一短距离f 大约凡毫米) 。 由于交界面凝有脆性，破坏通常出现在交界面上，对于长的锚网长度剥离现象 特别明显。 2 1 4 锚露力的概念及锚匿橇理 1 。锚固力 国舞g b j 8 6 8 5 凌镶溜力定义为镶拇对予遗层豹终募力。我国攀翅链籽兹褒 径为1 4 2 0 m m ，而锚秆锚孔直径为3 2 1 5 0 m m 。锚轩作用于地层的力可分为径 向和切向两个方向，径向锚固力含托锚力和粘锚力。托锚力是托板对锚杆孔口 及附近地层的挤压作用力，托镇力的大小由锚扦所擞预应力和锚梧工 乍状态所 决定，最大稳镭力裁是镶释短羧试验静貔最大拉拔力；稿镭力楚疰l 于建层深郝 与浅部变形的差异锚杆通过粘结剂对地层施加的粘绺力r 剪切作用力1 ，粘锚力的 反作用力就是锚扦体内的轴力；切向锚固力是由于锚秆体贯穿弱黼，改善了弱 藜戆力学瞧藤，隈毒l 遗屡漤弱瑟豹懑动窝张开豹力。溷藏锾抒是爨骞支护帮翱 阉两种作用的较完美的支护形式。径向锚固力主要怒着支护作用，切向锚同力 主要起着加阐作用。锚围力是在锚杆与阉岩相互作用过程中形成和变化的。锚 轷的锚固力不仅取决予锩括本身的结构、参数、锚黧方式和锚固长发，金属阙、 镧带饔粱等护表构侔，镄围岩俸的坚磷程度、结稳帮往葳等，还取决于锚国蠢 体的位移、瀛变、离层和破裂等围岩的损伤破坏过程【孓9 1 。在围岩大变形巷道中， 随着锚杆锚阐岩体的松动破裂，锚杆的锚固力大都会迅速下降，实际的锚固力 经茳远嚣予瑗论诗算蕴，熬至完全失效。 2 抗拔力 作为受挝杆件的锚杆，其承受拉力的能力，一方面取决于预应力筋的截面 辍秘菝拉强震，这是容易较精确遗竣谤并满足接爰要求翡；另一方嚣，剩取决 了：锚固体的 宄拔力。锚固体的抗拔力事先不易准确确定，它与许多因素有关， 9 武汉理工大学硕士学位论文 如锚固体，l 何形状、传力方式、锚固体与周边地层的粘结摩阻强度及上覆层厚 度等，锚固体的抗拔力是影响单根锚杆极限承载力的关键所在。一般来说，可 以采用以下方法来提高锚固体的抗拔力和锚杆的承载力：增加锚固体长度；高 压灌浆；端头扩体或多段扩体。阻止锚固体从岩土体中被拔出的抗力是由岩土 体与锚固体界面上的粘结摩阻力决定的。粘结摩阻力在整个锚固体长度上分布 是不均匀的，它与岩土体的渗透性、灌浆压力有很大关系。粘结力的大小是用 锚固体中力的变化率来衡量的，在任意两个截面之间的锚固体应力如果没有变 化，粘结应力就不存在。粘结作用大致由三部分组成：( 1 ) 水泥胶体与岩土体表 面的化学胶着力；( 2 ) 锚固体外表面与岩土体接触面上的摩擦力；( 3 ) 锚固体外表 面粗糙产生的机械咬合作用。化学胶着力很小，发生相对滑动后，粘结力主要 由摩擦力和咬合力所提供。一般说来，在外荷作用下最大粘结摩阻应力分布在 锚固体的前半段，随着荷载的增加，粘结摩阻应力峰值逐渐向锚固体后端转移， 在锚固长度范围内结合应力的分布和转移类似于摩擦桩。 长期以来，人们把锚杆拉拔试验时的抗剪强度当作锚杆剪锚力( 锚固力) ，现 场也认为通过拉拔试验测得的是锚杆锚固力，其实不然，因为锚杆在工作时和 拉拔试验时受力分布完全不同，而且两者的变化过程也不相同。锚杆拉拔试验 测得的最大抗剪强度实际上是锚杆可能达到的最大托锚力，锚杆在工作时抗剪 强度的失效过程，远比拉拔试验的破坏过程复杂。剪锚力沿锚杆全长呈非线性 分布，且随地层变形而变化，所以要给出锚杆剪锚力的简单计算公式或实测值 是很困难的，故锚杆拉拔抗剪强度只能在一定程度上反映锚杆剪切锚固力大小， 但拉拔试验对检测锚杆的安设质量、分析锚杆的工作状态具有重要意义，目前 仍普遍采用锚杆在拉拔试验时的抗拔力来评价锚杆剪锚力”1 6 】。 3 锚固机理 锚杆对岩体进行直接加固，可以锁紧碎裂岩体，提高摩擦力，实现岩体结 构条件的转化，使碎裂结构转化为锒嵌结构块状结构整体结构，使岩体强度得 以提高。从概念上来区分，对锚喷支护作用原理的认识，可归纳为两种不同的 理沦。一种是建立在结构工程概念上，其基本特征是“荷载一结构”模式。把岩 士体中可能破坏塌落部分的重量作为荷载由锚喷支护承担。锚杆支护的悬吊理 论最具代表性。该理论要求锚杆长度穿越塌落拱高度，以便把坍塌的岩石悬吊 起来。工程实践表明，锚杆长度短于塌落拱高度，隧道仍然安全，如何解释昵? l o 武汉理工大学硕士学位论文 人们又提出了组合拱理论，认为系统锚杆与塌落范围的部分岩石组成岩石锚杆 鳃合援，以承疆塌落撰形成懿薅载，然瑶，按结构力学夔方法诗繁缠合撰斡肉 力。所谓“承载环”概念，是“荷载部分围岩、支护结构”模式，实际上是系 统锚杆与岩石组成环状结构以承受围岩荷载。显然，承载环概念未能摆脱“葡 戴绝褐”模式。总之，这一类型的理论，餐是7 0 年代以翦发展形成麴，是没攀 络榴工程穰念，采用结梅力学的方法来讨论的。 另一种怒建立在岩体工程概念上，其基本特征鼹，充分发挥瞬岩的自稳能 力，防围岩破坏于未然。支护与适时、合理的施工步骤的主要俸用是，适时控 稍岩体交影与位移，改善蠢俸瘟力狭杰，提嘉砉体强发，使砉体与支爹共目这 到新的平衡稳定，以获得黻佳的效益。这类型的理论，按照岩体工程概念， 采用现代岩体力学、岩体工程地质力学的方法，对糟体进行稳定性分析以及锚 霆支护热露效聚分辑，是年代初提惑，尔后逐步发矮完善的劂。显然，建立 在岩体工程穰念的锚固支护作用原理，较之建立在络输工程概念的锚嗣支拶t 作 用原理更先谶，更正确。 2 1 。5 镂籽酌失效 锚杆通常有四种失效方式： ( 1 ) 杼体钢筋拉断。常出现在卡于体尾部丝扣段，该处易产生成力集中，是 释俸懿薄弱繇节。采爱滚黧法葫工丝翔，藏霹该段送行蒸爱瑾，踅跨壹该失效 的有效措施。 ( 2 ) 托板失效。托板可能受到的最大压力就是锚杆的最大拉拔力，为了提 麓援板承载力，可增大托叛器度，或采明裹强凄的镪榜。 ( 3 ) 糖络破坏。这辩破坏有三种情况：a 锚秆焉结剂接触丽破坏；b 围岩。 粘结剂接触耐破坏；c 破坏面深入到围岩体内几个毫米，常发生在软弱围岩，一 般软岩的抗剪强度小于7 m p a ，粘结剂与懑岩的粘结强度为5 - 1 6 m p a ，粘结剂与 释俸糖缡强瘦为6 7 3 1 6 。7 m p a 。采舔褥瑟锚藿裁，增翔镶霞长度，霹毒效陵噩二 粘结破坏。在围岩十分软弱破碎情况下，只有提高冈岩的可锚性，才能实现可 靠锚固。 ( 4 ) 镶空失效。大蘩工程实戥表鞠1 2 1 - 2 5 ，基予鼹帮疆岩玻坏逡袋懿镶窆失 效建锚杆失效的主要形式。锚杆或锚喷支护巷道，由于围岩荷载鞠围岩中弱丽 武汉理工大学硕士学位埝支 的不均匀性，常发生局部破坏，导致锚杆切向锚固力迅速丧失，径向锚园力( 托 锚能力和数镶能力) 也大懒魔终低，从两引起更大范豳的破坏。在锚题或锚粱网 支护的巷道中，局部破坏被护表稿件艨嬲涮，链空失效会得鬟有效控制。 此外，爆破、重型机械和地震力发生的冲击引超的锚杆预应力损失量，较 之长期静荷载作用引起的预应力损失量可能大得多。潮汐、风荷载等变异荷载， 砖绦薅锤抒竣趣力秘链霉髂戆罐霾力，露其有不裂影嫡。 2 2 锚杆无损检测的波动理论 随着岩石动力学的研究深入和应力波理论在岩工程中应用的开展，使褥 采用波动理论的方法解决锚杆无损检测的问题成为呵能。对于衾属杆，不沧从 理论上，还鼹从几何形体、材质、受力情况等方蘧来讲，比较符合弹性杼的波 动理论，这样藏可敬翻嗣发射波法来稔溯金属释豹镶霾质量。金满秆在者主分 质中的振动特性及锚固体系中弹性波的传播规律及能量衰减机制这一问题的解 决是反射波法的关键所在。具体来说，就是搞清弹性波在受边界条件约束的秆 凝俸内簧援熬运袭学窝动力学囊律，笼英是对边器条传变纯产雯茨特薤反菇秘 杆体内波动熊量的外泄( 衰减特性) ，进行波谱分析和能量衰减分析l 埘。 2 2 1 波在锚固体系中的衰减机制 波在介震中传播时，箕能量随着佟播距离的增加而减弱的域象，称为波 的能量衰减。不同的介质不同的传播祭件及不同的波形有着不同的衰减规律。 波衰减的规壤很复杂，对鼍：结构复杂的介质进行联论分橱，则瑟困难。一般 都以实溅结黎谔俊其衰减程度。逶鬻在波鹃传疆遐疆中，能鼙躺衰减有戳下 儿种形式。 ( 1 ) 波的扩散衰减( 几何衰减) 不曩援澈在分霞孛戆波型是不一撵熬，它嚣转攫凌态遣蚤不稽露。对予 脊限面积的振源来说，其波的能量扩散，随着传播距离的增加，扩散程度也 将会加大。阁此，单位面积上的能量将随着传播距离的增加而减小，这种随 誊波阵瑶的扩散两弓l 起黪波魏能量的溅小，称为扩散衰减。 ( 2 ) 波的毅射衰减 武汉理工犬学硕士学位论文 当平面波在介质中传播时，在传播方向遇到某个障碍物。如果障碍物的尺 寸大于波的波长，那么就发生反射和折射现象；如果障碍物的尺寸与波的波 长可比时，就发生显著的绕射的现象；如果障碍物的尺寸小于波长，波可以 绕过而继续传播，同时有一部分能量被这些障碍物散射掉。 ( 3 ) 波的吸收衰减 在波传播过程中，由于介质的吸收将波的能量转换成另一种形式的能量 ( 最常见的为热能) ，而使波携带的能量减少的现象称为吸收衰减。波被介质 吸收主要是由于介质粘滞性，热传导，热驰豫等原因造成的。由于介质的粘 滞性阻碍质点运动，造成质点间的内摩擦，从而导致能量损耗；由于介质内 部质点振动状态转变的迟缓，产生了驰豫吸收，所有这些使部分能量转化为 其它形式的能量。所谓吸收衰减可以粗略地认为质点的振动受到“抑制”而 发生的。这样就比较容易理解在频率较高时，能量的吸收衰减比较大的原因。 对于锚固状态下的锚杆，锚杆体内传播的平面纵波，通过锚杆侧面向周 围介质耦合产生的体波，向锚固介质辐射能量。锚固介质中耦合产生的体波， 继续向围岩传播，一部分能量透射到围岩中去，另一部分则通过锚固介质反 射回到锚杆中去。这样瞬态应力波激发给锚杆的能量因周围介质透射而引起 明显的衰减。透射的大小取决于锚固段锚固面积的大小和锚固体本身的强度。 2 2 2 波在锚杆锚固体系中传播时的能量分配规律 对于锚固质量优的锚杆，有效锚固长度长的锚杆，锚杆体内所携带的能 量很容易透射到周围介质中去。根据波在三种不同阻抗介质中传播的基本理 论知；只要锚固介质阻抗z ：为杆体阻抗z ，与锚固体阻抗z ，的几何平均时，即 z ：= 、z ，z ，且锚固介质厚度为波长的( 2 n + 1 ) 4 时，就能够获得全透射，也就 是能量能够最理想地耦合到锚固体中去；当杆体阻抗与锚固体阻抗接近时， 只要锚固介质的厚度为波长的一半的整数倍时，也会使能量最理想地透射到 锚固体中去；当三者的阻抗接近时，也会使能量能够最理想地耦合到锚固体 中去，这样反射回来的能量就很微弱。 2 2 3 波在锚杆锚固体系中反射规律 当锚杆头受瞬态力激振后，引起锚杆头质点振动，并以应力波的形式向杆 武汉理工大学硕士学位论文 底传播。当波在均匀介质中传播时，波的传播速度，幅度和类型均保持不变； 但当波在不均匀介质( 波阻抗发生变化) 中传播时，它将产生反射、透射或散射现 象，波的强度将发生突变，导致扰动能量重新分配，一部分能量穿过界面向前 传播为透射波，而另外一部分能量反射回原介质，称为反射波。在实际工程中 透射波不易测得，但反射波可在其传至锚杆顶时由安装于锚杆顶的传感器仂速 度计或速度计1 测得。由于反射波携带锚杆体内的信息，利用反射波内所含的信 息，就可以对锚杆的锚固质量进行分析。如图2 2 所示，图中i ，r ，t 分别表示 应力波的入射波、反射波和透射波，p ，v ，4 分别 r t |l| p l ”1 a , 0 2 v 2 爿2 图2 - 2 应力波传播示意图 由下式决定 为介质的密度、波速和截面积。 根据应力波理论，波阻抗比 。 壁! ! ! 生! 。三l ，z 为波阻抗，由连续性 p2 ”2 爿2 z 2 条件和牛顿第三定律得到反射系数a ( 反射波的振幅 与入射波的振幅之比1 由下式决定。 口c 。s ( 妒) a 而p 2 v 万2 a 2 而- p l v l a l 一而1 - - 1 1 ( 2 - 2 )p 1 v 1 以1 + p 2 v 2 以2 l + ，l 式中妒为反射波与入射波的相位差，而透射系数卢 。孕兰l ( 2 - 3 ) a p 1 v 1 爿1 + p 2 v 22 由次看出，卢总是正值，即入射波与透射波总是同号的。口的正负视n 的大小 而定，它存