岩土锚固的FBG-FRP锚杆及其智能监测系统

论文摘要

本文从解决岩土锚固安全问题的角度出发,针对锚固耐久性及其安全监测需要,结合FRP材料的优良特性和光纤光栅传感器的感知性能,研制开发出了FBG-FRP智能锚杆,通过理论分析和有限元模拟研究了FRP锚杆的工作机理,并根据岩土锚固的目的确定了锚固系统的监测内容及方法,构建了岩土锚固的智能监测系统,主要研究内容如下:首先,介绍了FRP材料的构成及其特点,阐述了FBG的传感原理及其参数选取原则,在此基础上,构思并开发出了FBG-FRP智能锚杆,该锚杆能充分发挥FRP材料的优点来满足岩土锚固的需求,同时具有耐腐蚀、易清除和自监测等优点。其次,分析了在轴向荷载作用下FRP锚杆锚固段上的界面粘结力分布特征,并基于Mindlin问题的位移解将其与钢锚杆做了对比计算;根据简化的粘结-滑移关系,从围岩与锚杆相互作用的角度,推导了FRP锚杆轴力和界面剪切力的计算公式;研究了FRP锚杆的存在对节理面抗剪能力的影响,并分析了在发生拉剪大变形时,FRP锚杆在节理面上的变形角及内力的计算方法,还结合Tsai-Hill破坏判据提出了FRP锚杆的拉剪破坏准则。接着,针对采用ANSYS自带库仑摩擦模型模拟锚杆-砂浆滑移时存在的缺陷,提出了引入“生死”单元的方法,成功地建立了与试验结果吻合得较好的FRP锚杆拉拔试验有限元模型;根据数值模拟结果,分析了FRP锚杆与砂浆界面的剪切力随拉拔荷载增大时的演化过程,以及锚固系统的内力和位移的分布特征,并讨论了锚固长度对锚杆承载力的影响。最后,分析了使用传统拉拔试验方法检测锚固质量时的不足;基于岩土锚固的目的,提出了锚固效果的评价指标及其监测内容;讨论了钻孔过程、锚杆内力、锚固段长度及密实度、围岩压力和位移等方面的监测方法,并据此构建了岩土锚固的智能监测系统,还提出了锚固系统的动态设计与全寿命维护的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩土锚固的发展及研究现状
• 1.2.2 FRP 锚杆的发展与研究现状
• 1.2.3 岩土锚固监测的现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 FBG-FRP 锚杆的研制
• 2.1 FRP 筋材的构成及其特点
• 2.1.1 FRP 筋材的构成
• 2.1.2 FRP 筋材的特点
• 2.2 FBG 的传感原理及参数选取原则
• 2.2.1 FBG 的应变及温度传感原理
• 2.2.2 FBG 传感器的参数选取原则
• 2.3 FBG-FRP 锚杆的制作
• 2.3.1 FBG-FRP 锚杆的构思
• 2.3.2 FBG-FRP 锚杆制作方案
• 2.3.3 FBG-FRP 锚杆的应用意义
• 2.4 本章小结
• 第3章 FRP 锚杆的工作机理分析
• 3.1 引言
• 3.2 锚杆的分类及其失效方式
• 3.2.1 锚杆的分类
• 3.2.2 锚固系统的可能失效方式
• 3.3 FRP 锚杆轴向作用机理分析
• 3.3.1 端部粘结与全长粘结型FRP 锚杆
• 3.3.2 FRP 锚杆锚固段轴向受力分析
• 3.3.3 基于Mindlin 位移解的FRP 锚杆内力计算
• 3.3.4 基于相互作用的FRP 锚杆内力计算
• 3.4 FRP 锚杆横向作用分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 FRP 锚杆拉拔试验的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 FRP 锚杆拉拔试验有限元模型的建立
• 4.2.1 锚固-接触界面的分析方法
• 4.2.2 材料模型
• 4.2.3 模型建立及求解
• 4.3 FRP 锚杆性能的有限元分析
• 4.3.1 模型验证
• 4.3.2 界面剪应力随荷载增大的演化过程
• 4.3.3 锚固系统的内力及位移分布特征
• 4.3.4 锚固长度对锚杆抗拔力的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 岩土锚固的智能监测系统
• 5.1 引言
• 5.2 传统拉拔检测方法及其不足
• 5.3 锚固效果的评价指标及监测内容
• 5.3.1 锚固效果的评价指标
• 5.3.2 锚固系统监测内容的确定
• 5.3.3 岩土监测传感器的选择标准
• 5.4 岩土锚固的智能监测系统
• 5.4.1 钻孔过程监测
• 5.4.2 锚固力监测
• 5.4.3 锚固密实度检测
• 5.4.4 位移及围岩压力等方面的监测
• 5.4.5 岩土锚固智能监测系统的实现
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢