锚杆—围岩结构系统低应变动力响应理论与应用研究

论文摘要

锚杆—围岩结构系统的低应变动力响应理论是锚杆锚固系统应力波测试方法的理论基础,开展这方面的研究对于弄清锚固系统动测机理以及建立锚固体系损伤诊断和锚固质量评价具有十分重要的意义。本文通过理论研究、实验室模型试验、数值模拟实验、现场测试和现代信号处理等技术,研究不同损伤锚杆应力波的传播规律、特性,建立检测锚杆损伤的无损探伤理论模型,并利用现代智能数学理论对锚杆质量进行定量分析,建立有效的锚杆锚固体系实时监测及大面积普查的技术。主要工作有:（1）建立了完整锚杆低应变纵向动力响应的数学力学模型,利用函数代换法、广义函数法、积分变换法和三角函数法等数学手段推导出相应得解析解和半解析解,研究分析了不同参数对锚杆顶端瞬态动力响应的影响。（2）建立了损伤锚杆低应变纵向动力响应问题的数学力学模型,利用Fourier变换,将所研究问题从时域转到频域中进行,借助传递矩阵法和阻抗函数的传递性求出损伤锚杆的频域动力响应,再利用Fourier反变换获得锚杆的纵向瞬态时域响应,为研究锚杆在不同损伤情况下的动力响应规律、研究锚杆-围岩结构系统的无损探伤原理及方法提供理论依据。（3）利用有限元方法进行数值仿真实验。分别对完整和损伤锚杆锚固系统进行了一维数值计算以及轴对称数值模拟,并对完整锚杆和损伤锚杆锚固系统进行时域分析、模态分析。（4）锚杆系统动力参数的变化准确地反映了锚杆的损伤程度,所以锚杆结构系统动力参数的识别是衡量锚杆锚固质量的一条途径。在实验室制作了锚杆-围岩结构系统的简化模型,并进行低应变动力测试,获得完整和有不同损伤情况下全长粘结式砂浆锚杆的动力响应曲线。提出一种对锚杆—围岩结构系统进行参数反演的遗传算法,并分别针对理论曲线、试验曲线和有限元模拟曲线进行了反演分析。通过分析,锚杆—围岩结构系统的数值模拟解和试验结果都可用本文所建立的数学力学模型的分析解来拟合,这从参数反演角度进一步证明了所建立的模型是科学合理的,其分析求解方法是正确的。（5）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,提出了一种锚杆锚固质量定量分析的方法,建立了锚杆系统无损探伤的智能诊断系统,并进行了现场测试应用。通过本文的研究,形成了锚杆—围岩结构低应变动力响应基本理论体系以及

论文目录

• 摘 要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的理论依据
• 1.4 主要研究内容与研究思路
• 2 锚杆—围岩结构低应变纵向动力响应问题的求解及分析
• 2.1 完整锚杆结构系统的基本假设及定解问题
• 2.2 完整锚杆杆顶受稳态正弦激振时的解析解
• 2.3 完整锚杆顶端受瞬态激振时
• 2.4 完整锚杆—围岩结构系统动力响应的半解析解
• 2.5 完整锚杆—围岩结构系统瞬态动力响应的基本特性
• 2.6 损伤锚杆纵向动力响应的数学力学模型及定解问题
• 2.7 损伤锚杆杆顶瞬态动力响应的求解方法
• 2.8 损伤锚杆杆顶瞬态动力响应的算例
• 2.9 本章小结
• 3 锚杆—围岩结构系统低应变动力响应数值模拟
• 3.1 锚杆—围岩系统瞬态动力响应的有限元分析方法
• 3.2 锚杆系统低应变动力响应的一维有限元模拟
• 3.3 锚杆系统低应变动力响应的三维轴对称有限元模拟
• 3.4 完整锚杆系统有限元分析结果
• 3.5 损伤锚杆系统有限元分析结果
• 3.6 本章小结
• 4 锚杆—围岩结构系统低应变动力参数的识别研究
• 4.1 锚杆系统参数的研究背景
• 4.2 系统参数辨识问题的研究方法
• 4.3 锚杆结构系统低应变动力响应模拟试验
• 4.4 遗传算法的基本原理
• 4.5 锚杆—围岩结构系统动力参数反演的遗传算法设计
• 4.6 基于理论曲线的参数反演结果
• 4.7 基于实验结果的参数反演
• 4.8 基于有限元数值分析结果的参数反演
• 4.9 本章小结
• 5 锚杆—围岩结构系统低应变纵向动力响应信号处理技术
• 5.1 锚杆系统动测信号的频谱分析
• 5.2 锚杆系统动测信号的功率谱分析
• 5.3 用FFT 处理锚杆系统动测信号的缺点
• 5.4 锚杆系统动测信号的一般时频分析
• 5.5 锚杆系统动测信号的小波分析
• 5.6 本章小结
• 6 锚杆—围岩结构系统无损探伤及质量诊断研究
• 6.1 工程结构系统无损探伤理论概述
• 6.2 锚杆系统损伤位置的诊断
• 6.3 基于小波神经网络的锚杆-围岩结构系统的识别
• 6.4 锚杆－围岩结构系统锚固质量的定量分析方法
• 6.5 锚杆系统无损探伤智能诊断系统的建立
• 6.6 锚杆系统无损探伤的智能诊断系统的工程应用
• 6.7 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步研究的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 1 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 2 作者攻读博士学位期间参加的科研情况
• 3 得奖情况
• 4 专利申请情况
• 5 其他
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书